Elektronik I, Foliensatz 3 1.4 Schaltungen mit Bipolartransistoren

Elektronik I, Foliensatz 3
1.4 Schaltungen mit
Bipolartransistoren
G. Kemnitz
Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal
19. November 2014
G. Kemnitz
·
Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal
19. November 2014
1/54
1. Bipolartransistoren
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
Bipolartransistoren
Spannungsverstärker
Dierenzverstärker
Stromquellen
Transistorinverter
DT-Gatter
Spannungsstabilisierung
Aufgaben
G. Kemnitz
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1. Bipolartransistoren
G. Kemnitz
Bipolartransistoren
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1. Bipolartransistoren
Bipolartransistor: Aufbau,
Anschlüsse und Schaltsymbol
npn−Transistor
E
IE
n p n
UBE
IB
B
UCB
B
G. Kemnitz
IC
UCB
·
C
E
IE
B
IE
E
IC
p n p
UBE
C
IC
IB
UBE
pnp−Transistor
IB
B
UCB
IB
UCB
C
IC
C
E
B
C
IE
IB
IC
UBE
UCB
UBE
IE
E
UCE
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Emitter
Basis
Kollektor
Emitterstrom
Basisstrom
Kollektorstrom
Basis-EmitterSpannung
Kollektor-BasisSpannung
Kollektor-EmitterSpannung
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1. Bipolartransistoren
Arbeitsbereiche
Ein Transistor hat viele Arbeitsbereiche:
BC-Übergang
BE-Übergang
aus
aus
C
ein
ein
C
aus
ein
C
0,6 V
IB = 0
B
IB > 0
B
Arbeitsbereich
IB > 0
IE > 0
IC > 0
0,5 V
0,6 V
100 · IB
B
IB > 0
B
10 · IB
0,7 V
0,7 V
IE = 0
fast ein
ein
C
IC < 0
IC < 0
IC = 0
B
ein
aus
C
IE > 0
IB > 0
0,7 V
IE > 0
E
E
E
E
E
Ausschaltbereich
zwei leitende
Dioden
Normalbereich
Inversbereich
Übersteuerung
Die Spannungswerte und Stromverstärkungen im Bild sind
nur grobe Richtwerte.
Die Vorzeichen im Bild gelten für npn-Transistoren. Für
pnp-Transistoren sind sie genau umgekehrt.
G. Kemnitz
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1. Bipolartransistoren
Normalbereich
In fast allen Schaltungen (auÿer Digitalschaltungen) nutzen als
Betriebsart den Normalbereich des Transistors:
Basis-Emitter-Übergang im Durchlassbereich.
Strom-Spannungs-Kennlinie einer Diode.
Basis-Kollektor-Übergang im Sperrbereich. Wirkt wie eine
vom Basisstrom gesteuerte Stromquelle (Transistoreekt).
npn−Transistorersatzschaltung
pnp−Transistorersatzschaltung
C
B
IB > 0
UBEF
C
IC > 0
β · IB UCE < UCEmax
UCE > UCEX
B
IB < 0
UBEF
IC < 0
β · IB |UCE | < |UCEmax |
|UCE | > |UCEX |
E
E
Voraussetzung für die Gültigkeit der Ersatzschaltung
Das ist ein einfaches, aber kein sehr genaues Modell.
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1. Bipolartransistoren
Modellparameter für zwei typische Transistoren
β
BC327-16
(pnp) -25
-40
BC337-16
(npn) -25
40
G. Kemnitz
UBEF
UCEX
UCEmax
Pmax
−45 V
625 mW
45 V
625 mW
100 -250 ≈ −0,9 V ≈ −0,3 V
160-400
250-600
100 -250 ≈ 0,9 V
≈ 0,3 V
160-400
250-630
UBEF Basis-Emitter-Flussspannung
β
Stromverstärkung
UCEX Kollektor-Emitter-Restspannung
UCEmax Spannungsfestigkeit zwischen Kollektor und Emitter
Pmax maximale Verlustleistung
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1. Bipolartransistoren
Einfaches, aber nicht sehr genaues Modell
β
300
100
IB
(BC337-16, UCE = 1 V)
1 mA
Modell
100 µA
10 µA
30
1 µA
0,1 mA
Modell
Die Stromverstärkung ist in Datenblättern ein breiter
Bereich, z.B. 100 bis 250. Dahinter verbergen sich groÿe
fertigungs- und arbeitspunktabhängige Schwankungen.
Die Angabe der Basis-Emitter-Flussspannung ist mit einer
Toleranz von ca. ±20% behaftet.
1 mA
10 mA
0,1 A
IC
0,6 V 0,7 V 0,8 V
UBE
Schaltungen so entwerfen, dass sie funktionieren, solange die
Parameter aller Bauteile in ihren Toleranzbereichen liegen!
G. Kemnitz
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1. Bipolartransistoren
G. Kemnitz
1. Spannungsverstärker
Spannungsverstärker
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1. Bipolartransistoren
1. Spannungsverstärker
Einfacher Spannungsverstärker
RB bildet Ue auf IB ab.
Der Transistor bildet IB auf ein verstärkten IC ab.
RC bildet IC auf Ua ab.
RC
RB
IB
IC
UV
Ua
Ue
Die Versorgungsspannung UV ist erforderlich, damit der
Kollektor-Basis-Übergang in Sperrrichtung betrieben wird, so
dass der Transistor im Nomalbereich arbeitet.
G. Kemnitz
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1. Bipolartransistoren
1. Spannungsverstärker
Ersatzschaltung
RC
RB I B > 0
Ue
UBEF
UV
IC
β · IB
Ua
UCEX ≤ Ua ≤ UV
Gültigkeitsvoraussetzungen für das Modell
BEF
IB = Ue −U
RB
IC = β · IB = RβB · (Ue − UBEF )
Ua = UV − RC · IC
Ua = UV −
β·RC
RB
· (Ue − UBEF )
für
UCEX < Ua < UV
Zulässiger Eingangsspannungsbereich:
G. Kemnitz
UBEF ≤ Ue ≤ Ue.max =
·
RB · (UV − UCEX )
+ UBEF
β · RC
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1. Bipolartransistoren
1. Spannungsverstärker
Übertragungsfunktion mit allen Arbeitsbereichen
Ausschaltbereich
RB
RC
UV
Normalbereich
RB IB > 0
Ua = UV
Ue
Übersteuerungsbereich
Ue
Ue < UBEF
UBEF
RC
UV
IC < β · IB
UCEX
Ua = UCEX
Ue > Ue.max
UV
vu =
Ua
C
= − β·R
RB
Streuung
d Ua
d Ue
Gültigkeitsvoraussetzungen
für das Modell
UCEX
UBEF
Ue.max
Ue
Problem Parameterstreuungen:
vU und Ue.max hängen von der Verstärkung β ab, die
Toleranzbereiche von mehr als ±50% hat, z.B. 100 bis 250.
Daraus folgen mehr als ±50% Unsicherheit der Verstärkung
und der Breite des Eingangsspannungsbereichs!
G. Kemnitz
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1. Bipolartransistoren
1. Spannungsverstärker
Verstärkungsabgleich
Korrektur der Verstärkung durch Abgleich von RB :
vu = −
β · RC
;
RB
RB = −
β · RC
vu
RC
RB
IB
IC
UV
Ua
Ue
In einer integrierten Schaltung müsste man den RB nach dem
Test mit einem Laser trimmen. Sehr fertigungsaufwändig!
Fakt 1
Man muss Verstärker so bauen, dass vu fast nicht von β abhängt.
G. Kemnitz
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1. Bipolartransistoren
1. Spannungsverstärker
Beispielrechnung zum einfachen
Spannungsverstärker
RC
RB
IB
IC
UV
Ua
Ue
Für die Verstärkerschaltung sei folgendes vorgegeben :
der Wert des Kollektorwiderstands: RC = 1 kΩ
die Transistorparameter: 100 ≤ β ≤ 250; UBEF ≈ 0,7 V;
UCEX ≈ 0,5 V
die Versorgungsspannung: UV = 5 V
die gewünschte Verstärkung: vu = −10.
Welchen Einstellbereich muss der Widerstand RB besitzen? In
welchem Bereich darf die Eingangsspannung Ue liegen? Wie groÿ
muss die zulässige Verlustleistung des Transistor sein?
G. Kemnitz
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1. Bipolartransistoren
1. Spannungsverstärker
Verbesserter Spannungsverstärker
RC
RC
UV
IB > 0
Ue
K
M1
RE
UV
IC
UBEF
Ua
Ue
M2
β · IB
IE
RE
Ua > Ue − UEBF + UCEX
Tafel
Knotengleichung für K:
IE = IB + IC = (1 + β) · IB
Maschengleichung für M1:
G. Kemnitz
Ue = UBEF + URE = UBEF + RE · (1 + β) · IB
(Ue − UBEF )
β · (Ue − UBEF )
IB =
; IC =
RE · (1 + β)
RE · (1 + β)
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14/54
1. Bipolartransistoren
1. Spannungsverstärker
Fortsetzung
Übertrag von oben:
IC =
β·(Ue −UBEF )
RE ·(1+β)
RC
M2
IC
Ua
UV
Maschengleichung für M2:
Ua = UV − RC · IC = UV −
β · RC
· (Ue − UBEF )
(1 + β) · RE
Masche nicht über die Stromquelle legen, warum?
Fakt 2
Die Spannungsverstärkung
vu =
d Ua
β · RC
=−
d Ue
(1 + β) · RE
wird fast ausschlieÿlich durch die beiden Widerstände RE und RC
bestimmt.
G. Kemnitz
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1. Bipolartransistoren
G. Kemnitz
2. Dierenzverstärker
Dierenzverstärker
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1. Bipolartransistoren
2. Dierenzverstärker
Schaltung des Dierenzverstärkers
Ziel: Eliminierung des streuungsbehafteten Transistorparameters UBEF aus der Übertragungsfunktion.
Lösung: Symmetrie und Kompensation. Zwei identische Verstärker, denen Parameterabweichungen sich kompensieren.
G. Kemnitz
UV
RC
RC
Ua1
Ue1
Ua2
Ue2
RE
RE
Verstärker 1
Verstärker 2
Ik
·
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1. Bipolartransistoren
2. Dierenzverstärker
Ersatzschaltung
G. Kemnitz
UV
RC
β · IB1
IB1
Ue1
UBEF
RE
Ua1
URE1
IE1
·
RC
Ik
Ua2
URE2
β · IB2
IB2
RE
IE2
Uk
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UBEF
Ue2
Tafel
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1. Bipolartransistoren
2. Dierenzverstärker
Für die Emitterströme der beiden Einzelverstärker gilt:
IE.i =
Ue.i − UBEF − Uk
mit i ∈ {1, 2}
RE
Die Spannung über der Stromquelle stellt sich genau so ein, das
am Knoten K der Knotensatz gilt:
Ik = IE.1 + IE.2
Ue1 + Ue2 − 2 · (UBEF + Uk )
Ik =
RE
Ue1 + Ue2 − RE · Ik
Uk =
− UBEF
2
Eingesetzt in die Gl. oben ergibt sich für die Emitterströme:
G. Kemnitz
IE.1 =
IE.2 =
·
Ue1 − Ue2 Ik
+
2 · RE
2
Ue2 − Ue1 Ik
+
2 · RE
2
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1. Bipolartransistoren
Mit
IC.i =
und
2. Dierenzverstärker
β
· IE.i
β+1
Ua.i = UV − RC · IC.i
betragen die beiden Ausgangsspannungen:
β · RC
· (Ue1 − Ue2 ) −
2 · (β + 1) · RE
β · RC
= UV −
· (Ue2 − Ue1 ) −
2 · (β + 1) · RE
Ua1 = UV −
Ua2
Ergebnis:
∆Ua = Ua2 − Ua1 =
β · RC · Ik
2 · (β + 1)
β · RC · Ik
2 · (β + 1)
β · RC
· (Ue1 − Ue2 )
(β + 1) · RE
Die Flussspannungen der Basis-Emitter-Übergänge sind aus der
Übertragungsfunktion herausgefallen.
G. Kemnitz
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1. Bipolartransistoren
G. Kemnitz
3. Stromquellen
Stromquellen
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1. Bipolartransistoren
3. Stromquellen
Transistor als Konstantstromquelle
Der Dierenzverstärker benötigt eine Konstantstromquelle.
Einfachste Lösung ist ein Transistor mit konstantem Basisstrom:
Schaltung
Ersatzschaltung
RB
IB
RB
Ik
UV
IB
UV
UBEF
Ik
β · IB
β
· (UV − UBEF )
RB
Problem: Der erzeugte Konstantstrom Ik hängt erheblich von den
streuungsbehafteten Transistorparametern β und UBEF ab.
Ik =
G. Kemnitz
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1. Bipolartransistoren
3. Stromquellen
Stromspiegel
UV
Iref
UV
Ik
Iref
Ik
IB1
UBEF
β · IB1
RE
RE
RE
IB2
UBEF
M
β · IB2
RE
Aus der Masche M in der Ersatzschaltung folgt, dass über beiden
Widerständen RE dieselbe Spannung abfällt.
G. Kemnitz
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1. Bipolartransistoren
3. Stromquellen
Ik
Iref
IB2
IB1
linker Widerstand:
URE = RE · (Iref − IB2 )
rechter Widerstand:
UBEF UBEF
β · IB1
RE
β · IB2
RE
M
URE = RE · (Ik + IB2 )
Mit IB1 ≈ IB2 ≈ IB ≈ Ik /β ergibt sich:
2
Iref = Ik · 1 +
β
Bei Transistoren mit identischen Parametern (β und UBEF , ...)1
ist der Ausgabestrom fast gleich dem Vorgabestrom Iref .
1
Erreichbar mit integrierten geometrisch identischen benachbarten
Transistoren. Die richtigen Simulationsmodelle haben zehnmal so viele
Parameter. Aber auch da fallen die Parameter nahezu komplett aus der
Rechnung heraus.
G. Kemnitz
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1. Bipolartransistoren
G. Kemnitz
4. Transistorinverter
Transistorinverter
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1. Bipolartransistoren
4. Transistorinverter
Einfacher Transistorinverter (Verstärker Folie 10)
UV
IC
1
RC
IL
RB
x
Ux
IB
y
Uy
aus
ein
Uy1
X
Uy
0
UCEX
UBEF Ux
zugeordnete
Signalwerte
0
X
Ux1.min
1
Bei einer 0 am Eingang muss der Transistor sicher sperren.
Bei einer 1 am Eingang muss der Transistor übersteuern.
max. Eingangsspannung für 0:
min. Eingangsspannung für 1
Ausgangsspannung für 0:
Ausgangsspannung für 1:
∗
Ux0.max = UBEF.min
Ux1.min = f (βmin , UBEF.max , . . .)
Uy=0 = UCEX < Ux0.max ∗
Uy=1 = f (UV , IL ) > Ux1.min ∗
Voraussetzung für die Hintereinanderschaltung mehrerer Inverter.
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1. Bipolartransistoren
4. Transistorinverter
Ersatzschaltung mit Transistor im Ausschaltbereich
Eingangsspannung so klein, dass der Transistor ausschaltet.
Der Ausgang steuert NL (Lastanzahl) gleichartige Inverter an.
UV
UV
RC
IC
Uy=1
Ux=0 < Ux0.max
RC
RB
RB
···
IB = 0
Uy=1
NL × R B
NL nachfolgende
gleichartige
Inverter
NL × UBEF
max. Eingangsspannung für 0: Ux0.max = UBEF.min
Ausgangsspannung:
Uy1 = UBEF + (UV − UBEF ) ·
G. Kemnitz
·
·RB /NL
RB /NL + RC
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27/54
1. Bipolartransistoren
4. Transistorinverter
Übersteuerungsbereich
5 mA 50 µA
4 mA 40 µA
IC
3 mA 30 µA
IB
2 mA 20 µA
1 mA 10 µA
Uy
0 mA 0 µA
Annäherung durch eine konstante Spannung
Ux
Für Uy → 0 kann mit einer weiteren Zunahme des Basisstroms
nicht mehr Strom am Kollektor abieÿen.
G. Kemnitz
·
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28/54
1. Bipolartransistoren
4. Transistorinverter
Die Ausgangsspannung bleibt etwa konstant. Modellierung der
Kollektor-Emitter-Strecke als Konstantspannungsquelle.
UV
Ux=1 ≥ Ux1.min
RB
IB
UBEF
RC
IC < β · IB
UCEX
Uy
Die minimale Eingangsspannung Ux1.min , ab der der Transistor
übersteuert:
Ux1.min =
RB ·(UV −UCEX )
βmin ·RC
+ UBEF
Maximaler Basiswiderstand:
G. Kemnitz
RB ≤ βmin · RC ·
·
Ux1.min −UBEF
UV −UCEX
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29/54
1. Bipolartransistoren
4. Transistorinverter
Beispielrechnung Transistorinverter
Für den Transistorinverter sei folgendes vorgegeben:
Kollektorwiderstand: RC = 1 kΩ
Transistorparameter: 100 ≤ β ≤ 250, UBEF ≈ 0,7 V und
UCEX ≈ 0,2 V
Versorgungsspannung: UV = 5 V
Kleinste Spannung, die als 1 interpretiert werden soll:
Ux1.min = 1,4 V
Fragen:
1 Bis zu welcher Spannung wird die Eingabe
garantiert als 0 interpretiert?
2 Welche Spannung wird als 0 und welche
Spannung wird als 1 ausgegeben?
x
3 Wie groÿ darf der Widerstand RB
Ux
maximal sein?
G. Kemnitz
·
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UV
RC
IC
RB
IB
y
Uy
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30/54
1. Bipolartransistoren
G. Kemnitz
5. DT-Gatter
DT-Gatter
·
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31/54
1. Bipolartransistoren
5. DT-Gatter
Dioden-Transistor-Inverter
UV
Uy
Ideale Übertragungsfunktion
Übertragungsfunktion einfacher Inverter
0
Ue0.max Ux1.min
Ux
Der DT-Inverter hat fast diese ideale Übertragungsfunktion
G. Kemnitz
UV
RC
x
Ux
·
RB
IRC
D1
IC
D2 D3 IB
y
Uy
Tafel
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32/54
1. Bipolartransistoren
5. DT-Gatter
Ersatzschaltung für y = 0 (Transistor übersteuert)
UV
x
IL1 = 0
Ux=1 > Ux1.min
D1
< UF
M
RB
URB RC
URC
IRC =
D2
UF
D3
UF
IB
UBEF
RB
Tafel
UV −UCEX
RC
IL0
IC
UCEX
Uy=0
UF
y
Eingang
Folgegatter
Transistor
Bedingung für die Übersteuerung des Transistors:
IB =
UV − 2 · UF − UBEF
IRC + IL0
>
=
RB
βmin
UV −UCEX
RC
+
UV −UCEX −UF
RB
βmin
Mindestspannung für eine 1 am Eingang:
G. Kemnitz
·
Ux1.min = 2 · UF.max − UF.min + UBEF.max
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33/54
1. Bipolartransistoren
5. DT-Gatter
Ersatzschaltung für y = 1 (Transistor aus)
UV
Tafel
IL0 =
x
UF RB
UV −UF −UCEX
RB
UCEX ≤ Ux=0 < UF + UBEF
D2
D3
M
URB
RC
URC = 0
IL1 = 0
< 2 · UF + UBEF
Transistor
y
Uy=1 = UV
Die Schaltung hat die nahezu perfekte Übertragungsfunktion:
G. Kemnitz
Uy =
UV
UV für Ux < UF + UBEF
UCEX für Ux > UF + UBEF
streuungsbedingter Eingangsspannungsbereich mit
unbestimmtem Ausgabewert
Uy
UCEX
0
·
UF + UBEF
Ux
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34/54
1. Bipolartransistoren
5. DT-Gatter
DT-Gatter mit mehreren Eingängen
Kombination aus Dioden-UND-ODER-Gatter und
Transistorinverter
x1
x2
D1
z1 R B
D2
D5
UV
RC
Iz1
x3
x4
D3
D4
z2
RB
y
RB
D6
Iz2
Eingangsschaltung
eines Folgegatters
Tafel
y = (x1 ∧ x2 ) ∨ (x3 ∧ x4 )
G. Kemnitz
·
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35/54
1. Bipolartransistoren
5. DT-Gatter
Ersatzschaltung für y = 0
x1 = 1
x2 = 1
x3 = 0
x4 = 1
UV
RB
D1
0
UF
RB
RC
D2
0
UF
D3
IL0
D5
RB
UF
y=0
IB
UBEF
D4
IL0
Eingang
UCEX Nachfolgegatter
D6
0
Potential an x1 und x2 oder an x3 und x4 gröÿer:
Ux1.min = UF.max − UF.min + UBEF.max
Damit der Transistor sicher übersteuert:
G. Kemnitz
·
βmin · IB.min >
UV − UCEX
UV − UF − UCEX
+
RC
RB
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36/54
1. Bipolartransistoren
5. DT-Gatter
Ersatzschaltung für y = 1
x1 = 0
x2 = 1
x3 = 0
x4 = 1
D1
IL0
0
IL0
0
UF
RB
UV
RC
D2
D5
ϕz1 < 2 · UF
UF
RB
D3
D4
D6
I=0
IL1 = 0
y=1
UV
I=0
ϕz1 < 2 · UF
Potential an x1 oder x2 und x3 oder x4 kleiner:
G. Kemnitz
Ux0.max = 2 · UF.min − UF.max + UBEF.min
·
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37/54
1. Bipolartransistoren
Mehrere Nachfolgegatter
Bei NL nachfolgenden Logikgattern muss der Transistor
bei Ausgabe einer 0 die NL
Eingangsströme aufnehmen
können, ohne den Übersteuerungsbereich zu verlassen:
βmin · IB.min >
mit
5. DT-Gatter
UV
RB
RC
UF
IB
UBEF
NL · IL0
UCEX
RB
NL ×
UF
y=0
Eingänge
Nachfolgegatter
UV − UCEX
UV − UF − UCEX
+ NL ·
RC
RB
IB.min =
UV − 2 · UF.max − UBEF.max
RB
Daraus ergibt sich, wie viele DT-Gattereingänge maximal an den
Ausgang eines DT-Gatters angeschlossen werden dürfen.
G. Kemnitz
·
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38/54
1. Bipolartransistoren
5. DT-Gatter
Beispielrechnung DT-Gatter
Gegeben sei folgende DT-Gatterschaltung:
UV
RB
RC
D1
x1
D3 IB
D2
x2
IC
y
Uy
UV = 3,1 V · · · 3,4 V
RB = RC = 10 kΩ
β = 20 . . . 50
UF = 0,6 . . . 0,8 V
UBEF = 0,6 . . . 0,8 V
UECX = 0,1 . . . 0,2 V
Wie lautet die logische Funktion?
Maximale Eingangsspannung für eine 0?
Minimale Eingangsspannung für eine 1?
Maximale Lastanzahl?
Wie unterscheidet sich der Umgang mit den Parametersteuungen der Bauteile bei Logikschaltungen und Verstärkern?
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·
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1. Bipolartransistoren
G. Kemnitz
6. Spannungsstabilisierung
Spannungsstabilisierung
·
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1. Bipolartransistoren
6. Spannungsstabilisierung
Behandelte Schaltung mit Z-Diode
IL
IL
RQ
RQ
D
UQ
UQ
B
UV
RQ IL
UQ
D
A
UV
UV
RD
IL
RQ k RD
RErs
UV
UBR
UQ
U0
UBR
UV
U0
A: UV = U0 − RErs · IL
B: UV = UQ − RQ · IL
ideal
IL
A: Ersatzschaltung für den Arbeitsbereich zur Spannungsstabilisierung
B: Ersatzschaltung für den Arbeitsbereich zur Strombegrenzung
Eine ideale Spannungsversorgung sollte im Stabilisierungsbereich
keinen Abfall (RErs → 0 d.h. RD → 0) und zur Strombegrenzung
einen · senkrechten Abfall (UQ → ∞ und RQ → ∞) .
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1. Bipolartransistoren
6. Spannungsstabilisierung
Verlustleistung der Bauteile
UV
UQ
U0
UBR
A: UV = U0 − RErs · IL ≈ U0∗
B: UV = UQ − RQ · IL
IL.max
IL
∗ – für RD → 0
Der Leistungsumsatz in RQ hat sein Maximum bei einem
Kurzschluss am Ausgang und beträgt:
PRQ.max =
2
UQ
UQ
RQ
mit
IL.max =
UQ − U0
RQ
Der Leistungsumsatz in der Z-Diode hat bei IL = 0 sein
Maximum:
PZD.max = U0 · IL.max
Bsp.: U0 = 10 V, UQ = 100 V RQ = 90 Ω. PRQ.max ?, PZD.max ?.
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1. Bipolartransistoren
6. Spannungsstabilisierung
Längsregler
IL
Ik
UQ
UV
Prinzip:
Bipolartransistor mit
konstantem Basispotenzial, z.B. erzeugt mit
einer Z-Diode im Durchbruchbereich.
Ersatzschaltung mit Z-Diode im Durchbruchbereich
β · IB
IL
Zweipolverhalten aus
der Schaltungssicht
UBEF
IB
UQ
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Ik
M
RB
IL
UV
UBR
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RB
1+β
UBR − UBEF
UV
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1. Bipolartransistoren
6. Spannungsstabilisierung
Strombegrenzungsmodus
Der gesamte Strom Ik ieÿt in die Basis
β · Ik
IL
Zweipolverhalten aus
der Schaltungssicht
(1 + β) · Ik
UBEF
UQ
Ik
RB
UV
UV
Laut Ersatzschaltung ideale Stromquelle.
Begrenzungsstrom streut, da proportional zu β .
Stabilisierte Spannung übernimmt die Streuungen von UBEF
des Transistors und von UBR der Z-Diode.
Praktische Längsregler haben mehr Bauteile und kleinere
Toleranzen.
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1. Bipolartransistoren
6. Spannungsstabilisierung
Längsregler als Standardschaltkreis
Verbesserte Schaltung aus mehreren Transistoren mit
geringerer Streuung der Ausgangsspannung und der
Strombegrenzung
thermischem Überlastschutz, ...:
1
UQ = 8 . . . 20 V
C1
330 nF
L7805
2
IL = 5 mA . . . 1 A
versorgte
Schaltung
3
C2
100 nF
UV = 5 V ±7%
Die Kapazitäten C1 und C2 sind wichtig für das dynamische
Verhalten (Ausgleich schneller Eingangsspannungs- und
Laststromänderungen).
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1. Bipolartransistoren
G. Kemnitz
7. Aufgaben
Aufgaben
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1. Bipolartransistoren
7. Aufgaben
Kollektorschaltung
UV
Rg
Ie
Ia
Ug
Ue
RE
Ua
UV = 5 V
RE = 1 kΩ
Rg = 100 kΩ
β = 200
UBEF = 0,7 V
UCEX = 0,2 V
Gesucht sind:
Ersatzschaltung mit dem Transistor im Normalbetrieb.
Übertragungsfunktion: Ua = f (Ue )
Eingangsspannungsbereich, in dem das Modell gültig ist.
Eingangswiderstand: Re = dd UIee
Ausgangswiderstand: Ra = dd UIaa
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1. Bipolartransistoren
7. Aufgaben
Verstärker mit pnp-Transistor
Ie
RB
UV
Ia
Ue
RC
Ua
UV = 5 V
RB = 10 kΩ
RC = 1 kΩ
β = 100
UBEF = −0,7 V
UCEX = −0,2 V
Gesucht sind:
Ersatzschaltung mit dem Transistor im Normalbetrieb.
Übertragungsfunktion: Ua = f (Ue )
Eingangsspannungsbereich, in dem das Modell gültig ist.
Eingangswiderstand: Re = dd UIee
Ausgangswiderstand: Ra = dd UIaa
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1. Bipolartransistoren
7. Aufgaben
Basisschaltung
Ie
Ue
RE
RC
Ia
Ua
UV
RE = 100 Ω
RC = 1 kΩ
UV = 5 V
β = 100
UBEF = 0,7 V
UCEX = 0,2 V
Gesucht sind:
Ersatzschaltung mit dem Transistor im Normalbetrieb.
Übertragungsfunktion: Ua = f (Ue )
Eingangsspannungsbereich, in dem das Modell gültig ist.
Eingangswiderstand: Re = dd UIee
Ausgangswiderstand: Ra = dd UIaa
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1. Bipolartransistoren
7. Aufgaben
2-Transistor-Verstärker
UV
T2
Ie
Ue
T1
Ia
R1
R2
Ua
UV = 5 V
R1 = 1 kΩ
R2 = 100 Ω
β1 = 200
β2 = 100
UBEF1 = 0,7 V
UBEF2 = −0,7 V
UCEX1 = 0,2 V
UCEX2 = −0,2 V
Ersatzschaltung mit dem Transistor im Normalbetrieb.
Übertragungsfunktion: Ua = f (Ue )
Eingangsspannungsbereich, in dem das Modell gültig ist.
Eingangswiderstand: Re = dd UIee
Ausgangswiderstand: Ra = dd UIaa
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1. Bipolartransistoren
7. Aufgaben
Darlington-Transistor
C
IC
B
IB
IB1
IC1
IC2
IB2
E
Gesucht sind:
Ersatzschaltung mit beiden Transistoren im Normalbetrieb.
Bedingungen, unter denen das Modell gilt.
Transformierte Ersatzschaltung mit nur einer Spannungsund einer Stromquelle.
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1. Bipolartransistoren
7. Aufgaben
Verbesserter Stromspiegel
UV
R1
Ie
T2
Ia
T3
Ue
T1
100 Ω
100 Ω
Gesucht sind:
Ersatzschaltung mit allen Transistoren im Normalbetrieb.
Das Stromspiegelverhältnis Ia = f (Ie ).
Die Eingangsspannung als Funktion des Eingangsstroms:
Ue = f (Ie )
Den Eingangsstrom Ie für einen Vorwiderstand R1 = 1 kΩ
und UV = 5 V.
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1. Bipolartransistoren
7. Aufgaben
DT-Gatter
Gegeben sei folgende DT-Gatterschaltung:
UV
RB
D1
x1
x2
x3
D2
D3
D4
RC
y
D5
UV = 4,75 . . . 5,25 V
RB = 10 kΩ
RC = 1 kΩ
β = 100 . . . 250
UF = 0,6 . . . 0,8 V
UBEF = 0,6 . . . 0,8 V
UECX = 0,1 . . . 0,3 V
Wie lautet die logische Funktion?
Maximale Eingangsspannung für eine 0?
Minimale Eingangsspannung für eine 1?
Maximale Lastanzahl?
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1. Bipolartransistoren
7. Aufgaben
Längsregler
IL
UQ
R1
UV
RL
UQ = 8 V
R1 = 10 kΩ
Z-Diode:
UBR = 6 V
Transistor:
UBEF
β = 100
Bestimmen Sie die linearen Ersatzschaltungen für die
Arbeitsbereiche mit dem Transistor im Normalbetrieb und
1 der Z-Diode im Durchbruchbereich
2 der Z-Diode im Sperrbereich.
Wie verhält sich die Ausgangsspannung in Abhängigkeit vom
Laststrom IL in den Bereichen, in den die Ausgangsspannung
und der Laststrom ≥ 0 sind?
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