Dimensionierung vom Transistor Wechselspannungsverstärkern

Dimensionierung vom Transistor Wechselspannungsverstärkern
→ mit NPN Transistor
Schaltung
Werte: V1 = BC141; RL = 1 kΩ
UB = 15 V
Vorgaben:
–
Der Arbeitspunkt des Transistors ist so einzustellen, dass UCE = UB/2 = 7,5V.
–
Der Basisstrom ist so festzulegen, dass bei einem Eingangswechselstrom von 40 µASS
eine lineare Aussteuerung erreicht wird.
–
Beim Basisspannungsteiler soll das Querstromverhältnis etwa 10 betragen, das gleiche
Verhältnis soll auch bei den Widerständen R3/R4 verwendet werden.
–
Die Kondensatoren sind für eine untere Grenzfrequenz von 40 Hz zu dimensionieren.
→ Kennlinienfeld BC141
160
16
140
120
100
80
60
40
20
00
2
4
6
8
10
Arbeitsgerade R3 +R4
U CE=5V
12
14
16
160
140
14
120
12
Ic/mA
0
U CE/V
AP
AP
10
80
ΔUCE
8
100
0
0
UCEA
2
0
UB
0,1
U BE/V
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
AP
U CE=5V
0,8
160
140
120
100
ΔUBE
ΔIB
80
60
40
20
0
I B/µA
–
Festlegungen aus Kennlinie: Bei IB = 100 µA ist eine lineare Aussteuerung gewährleistet.
→ UBEA = 0,69 V; ICA = 9,6 mA
→ Dimensionierung von R3 und R4
U R3 R4=U CEA
U R3 R4 7,5 V
R3R 4=
=
=781
I CA
9,6 mA
R3 1
R R4 781
≈
 R3=10∗R4  R4 = 3
=
=71 
R4 10
11
11
ΔI10C
4
20
2
12
6
40
4
14
8
60
6
16
Ic/mA
0
I B/µA
R3=10∗R 4=710 
Widerstände aus der Reihe E12:
– R3 = 680 Ω
– R4 = 68 Ω
→ Dimensionierung von R1 und R2
q=
I r2
≈10
I BA
R2=

I R2=10∗I BA=10∗100µA=1mA
U R2 U BEAU R4 U BEAR4  I BAI CA  0,69V 68 100µA9,6 mA
=
=
=
=1,35 k 
I R2
I R2
I R2
1mA
Widerstand aus Reihe E12: 1,5 kΩ
I R2 tats=
R 1=
U R2 U BEAR4  I BA I CA  0,69V 68 100µA9,6 mA
=
=
=0,9 mA
R2E12
R 2E12
1,5 k 
U R1 U B −U R2 U B−U BEA −R4  I BA I CA  15V −0,69V −68 100µA9,6 mA
=
=
=
=13,7 k 
I R1 I R2tats I BA
I R2tats I BA
0,9 mA100µA
Widerstand aus Reihe E12: 15 kΩ
→ Dimensionierung von C1
•
Wechselstromersatzschaltbild
ΔUBE und ΔIB im Arbeitspunkt aus
Kennlinie ablesen
U BE 85mV
=
=533 
→ r BE =
 I B 160µA
→ r e =R1∥R 2∥r e =383
RC Hochpass
Bei fg gilt:
X C1 =r e  C 1=
1
1
=
=10µF
2  f g∗r e 2  40 Hz∗383 
→ Problem: Die drei Kondensatoren in der Schaltung verursachen jeweils eine Dämpfung
des Signals
Auswirkung (Vereifacht): Betrachtung bei fg
ue
z.B. 1VSS
0,707VSS
0,5VSS
0,35VSS
Bei drei Kondensatoren den berechneten Kondensator zwei Stufen in der Reihe E6 höher
wählen
Kondensator C1 aus Reihe E6: 22µF
→ Dimensionierung von C2
•
Wechselstromersatzschaltbild
ΔUCE und ΔIC im Arbeitspunkt aus
Kennlinie ablesen
→ r CE =
U CE 16,6 V
=
=40k 
 I C 4,2 mA
→ r a=r CE∥R3=668
→ r X =r a R L =1,7 k 
RC-Hochpass
Bei fg gilt:
X C2 =r x  C 2=
1
1
=
=2,3 µF
2  f g∗r x 2 40 Hz∗1,7 k 
Kondensator C2 aus Reihe E6: 4,7µF
→ Dimensionierung von C3
•
Aufgabe: R4 wechselstrommäßig kurzschließen
→ bei fg → R4 = XC3
•
üblich:
X C3fgu 
R4
10
 C 3=
10
10
=
=585µF
2 f g∗R 4 2 40Hz∗68 
 C3=1000µF
→ Wechselstrommäßige Untersuchung des Verstärkers
–
Messung des Eingangsstroms mit dem Oszilloskop
→ Verwendung eines Messwiderstands RV
ie =
u Rv
Rv
mit u Rv =u G −u e (durch Differenzmessung)
–
Dimensionierung von RV
•
Generator
R v max=
•
→ Begrenzung durch maximale Generatorspannung
u gmax 30V SS
=
=750k 
ie
40µASS
Messgenauigkeit
→ max. vertikale Auslenkung des Oszilloskops: Y=8cm
→ entspricht Messbereich
5µA
i MB =
cm
→ leichte Umrechenbarkeit: U-MB z.B. 0,5V/cm
U MB
=
→ RV=
i MB
–
Messungen bei ie = 40 µASS:
ue = 15 mVSS
ia = 1,7 mASS
ua = 1,7 VSS
fgu=41 Hz; fgo = 168 kHz
–
Rechnungen
V
cm
=100k 
µA
5
cm
0,5

40µA SS = 4VSS
ue 15mV SS
=
=133
ua 1,7 VSS
●
Vu=
●
i
40µA SS
V i= e =
=42,5
i a 1,7 mASS
●
V P =V u∗V i=113∗42,5=4803
●
ra=
u a RL1 −u a RL2
1,7 VSS−0,42 VSS
=
=512 
i a RL2 −i a  RL1 4,2 mASS−1,7 mASS
→ mit PNP Transistor
Kurzarbeit 2008
Gegeben ist das nachstehend dargestellte Schaltbild eines Wechselspannungverstärkers
sowie als Anlage das Vierquadrantenkennlinienfeld des PNP Transistors BC161.
Schaltung
Aufgabe 1
Dimensionieren sie die Widerstände R3 und R4 gemäß der Normreihe E12 so, dass die
folgenden Bedingungen erfüllt sind:
•
die Betriebsspannung UB soll 18V betragen
•
der Basisstrom im AP soll ca. -120µA betragen
•
die Kollektor – Emitterspannung im Arbeitspunkt soll -10V betragen
•
das Widerstandsverhältnis R3 : R4 soll ca. 5 : 1 betragen
Aufgabe 2
Geben sie die Arbeitspunktwerte des Transistors unter Verwendung der in Aufgabe 1
ermittelten Widerstands Nennwerte an.
Aufgabe 3
Dimensionieren Sie die Widerstände R1 und R2 gemäß der Normreihe E24 so, dass unter
Verwendung des in Aufgabe 2 gewählten Arbeitspunktes ein Querstromverhältnis von etwa
9 vorliegt.
Anlage 1: Widerstandsnormreihen
Reihe E6, E12, E24 (guck ins Tabellenbuch)
Anlage 2: Vierquadranten-Kennlinienfeld
1)
R 3R 4=
R4=
−UB −−UCEA  −18V10V
=
=672 
−ICA
11,9 mA
R3 R 4 672
=
=112 
6
6
→ Widerstand aus Reihe E12: R4E12 =120 Ω
R 3=5∗R 4=560 
→ Widerstand 560 Ω ist in Reihe E12 enthalten
2) Da nicht die berechneten Widerstände verwendet werden, verschiebt sich der AP
leicht. Die Spannung UCE soll konstant bleiben, IB darf sich leicht verändern (= „soll
-10V betragen“ und „soll ca. -120µA betragen“ in der Aufgabenstellung)
3)
−UCE
8V
=
=11,7 mA=−I CEA
R 3E12R 4E12 680 
➢
−I E tats =
➢
−UCE =10V
➢
−I BA=119µA
➢
−U BE=0,7 V
Basisstrom wird vernachlässigt
I R2
−I BA
I R2 =−I BA∗q=119µA∗9=1,07 mA
q=9=

UR2 −U BEA U R4 0,7 V1,42 V
=
=
=1,98 k 
I R2
I R2
1,07 mA
U R4 =R 4∗−I BA −I CEA =120 119µA11,7 mA =1,42 V
R 2=
→ Widerstand aus Reihe E24: 2 kΩ
UR2 2,12 V
=
=1,06 mA
R 2E24 2k 
I R1 =I R2tats −I BA =1,06 mA119µA=1,18 mA
I R2tats =
UR1=U B−U R2=18V−2,12 V=15,9 V
U
15,9 V
R 1= R1 =
=13,5 k 
I R1 1,18 mA
→ Widerstand aus Reihe E24: 13 kΩ
© Wagner 2008