Transistor Arbeitspunkt

Wahl des Arbeitspunktes

A-Betrieb

Ansteuerung des Transistors durch ein Wechselsignal das symetrisch zum Arbeitspunkt ist. Die untere Grenze von UCE liegt ca. bei 1V an der Kennlinienkrümmung. Die obere Grenze bildet die Versorgungsspannung.

B-Betrieb

Ansteuerung des Transistors durch ein Wechselsignal nur in einer Richtung. Dieser Betriebsfall wird bei Gegentaktverstärkerstufen verwendet. Der Arbeitspunkt liegt auf der Spannungsachse UCE. Daraus folgt IB(A) = 0 und IC(A) = 0.

AB-Betrieb

Ansteuerung des Transistors wie im B-Betrieb, nur mit einer kleinen Verschiebung des Arbeitspunktes in Richtung A-Betrieb.

Einstellung des Arbeitspunktes

Arbeitspunkteinstellung durch Basisspannungsteiler

Berechnung

• Wahl des Arbeitspunktes $I_{C_{(A)}}\;$, $U_{CE_{(A)}}\;$.
• Bei gegebener Versorgungsspannung $U_{CC}\;$ liegt der Widerstand $R_{C}\;$ fest $R_{C}={\cfrac {U_{CC}-U_{CE_{(A)}}}{I_{C_{(A)}}}}\;$.
• Der Basisstrom $I_{B}\;$ kann auf unterschiedliche Weise ermittelt werden:
  • mithilfe des Ausgangskennlinienfeld,
  • aus der Stromverstärkungskennlinie oder
  • mit der Näherungsformel $I_{B_{(A)}}={\cfrac {I_{C_{(A)}}}{B}}\;$
• Ermittlung der Spannung $U_{BE_{(A)}}\;$ mithilfe der Eingangskennlinie.
• Definition des Spannungsteilers ${\cfrac {R_{1}+R_{2}}{R_{2}}}={\cfrac {U_{CC}}{U_{BE_{(A)}}}}\;$ einer der Widerstände kann frei gewählt werden. Dabei muss darauf geachtet werden, dass der Teiler aus ${\cfrac {R_{1}}{R_{2}}}\;$ gegenüber der Last (Transistor) niederohmig gewählt wird. Grund für dieses Vorgehen ist, dass der Spannungsteiler nur dann ein Spannungsverhältnis entsprechend dem Widerstandsverhältnis liefert, wenn er nicht oder wenig belastet wird. Hilfe liefert der Querstromfaktor, $q={\cfrac {I_{2}}{I_{1}}}\;$. Die Teilerspannung bleibt konstant, wenn man $q\;$ groß wählt. Richtwerte sind: $q=5-10\;$.
• Der Kondensator $C_{1}\;$ dient zur Abtrennung der Gleichspannung von der angelegten Wechselspannungsquelle. $C_{1}\;$ muss für die Betriebsfrequenz niederohmig sein. Es muss $X_{C1}\approx r_{ein}\;$ gewählt werden. Wechselstrommäßig liegt der Widerstand $R_{1}\;$ auch an Masse, damit gilt für der Eingagnswiderstand $r_{ein}=R_{1}\|R_{2}\|r_{BE}\;$. Für $r_{BE_{(A)}}\;$ gilt $r_{BE_{(A)}}={\cfrac {U_{T}}{I_{B_{(A)}}}}\;$.

Wird der Arbeitspunkt mithilfe des Basisspannungsteilers eingestellt, tritt durch Temperatureinflüsse und Exemplarstreuung eine Verschiebung des Arbeitspunktes ein.

Arbeitspunkteinstellung durch Konstant-Basisstrom

Berechnung

• Der Basisstrom muss durch $R_{1}\;$ fließen.
• Für $R_{1}\;$ ergibt sich damit $R_{1}={\cfrac {U_{CC}-U_{BE(A)}}{I_{B(A)}}}\;$.
• Da im allgemeinen $U_{BE(A)}\;$ << $U_{CC}\;$ ist, haben die geringen Änderungen von $U_{BE(A)}\;$ keinen Einfluss auf $I_{B}\;$.
• $I_{B}\;$ ist nahezu konstant.
• Richtwerte des Temperatureinflusses: $\Delta T=100K\;$ ergibt eine Stromverstärkungsänderung um den Faktor 2.

Stabilisierung des Arbeitspunktes

Arbeitspunktstabilisierung durch Gleichspannungsgegenkopplung

Berechnung

• Teilerverhältnis: ${\cfrac {R_{1}+R_{2}}{R_{2}}}={\cfrac {U_{CE(A)}}{U_{BE(A)}}}\;$
• Driftverstärkung: $v_{D}={\cfrac {\Delta U_{CE(A)}}{\Delta U_{BE(A)}}}\;$ oder $v_{D}=1+{\cfrac {R_{1}}{R_{2}}}\;$
• Wechselstromeingangswiderstand: $r_{ein}=R_{2}\|r_{BE}\|{\cfrac {R_{1}}{v_{u}}}\;$ wobei $v_{u}\;$ die Spannungsverstärkung der Schaltung ist.
• Für viele Anwendungen ist es von Nachteil, dass das Schaltungsprinzip einen relativ geringen Eingangswiderstand besitzt.

Arbeitspunktstabilisierung durch Gleichstromgegenkopplung

Berechnung

• Es gilt die Maschengleichung $U_{e}=U_{BE(A)}+U_{RE}\;$.
• Driftverstärkung $v_{D}={\cfrac {\Delta U_{a}}{\Delta U_{e}}}\approx {\cfrac {\Delta U_{a}}{\Delta U_{RE}}}={\cfrac {R_{C}}{R_{E}}}\;$.
• ${\cfrac {R_{C}}{R_{E}}}\;$ wird als Kopplungsfaktor $m\;$ bezeichnet.
• Wechselstromeingangswiderstand: $r_{ein}=r_{BE}+\beta \cdot R_{E}\;$.
• Um für die Wechselspannung die Gegenkopplung unwirksam zu machen, schaltet man parallel zu $R_{E}\;$ einen Kondensator $C_{E}\;$. Es gilt $X_{CE}\approx 0,1\cdot R_{E}\;$.

Siehe auch

• Transistorschaltungen
• Transistor Wechselgrössenersatzschaltbild