Schaltungstechnik - Transistorverstärker

Der Arbeitspunkt

Bevor wir zu den Verstärkern kommen müssen wir erst mal den Begriff Arbeitspunkt klären, denn er wird eine wichtige Rolle spielen. Der Arbeitspunkt zeigt den aktuellen Betriebszustand einer Schaltung an. Zu jedem Bauelement gibt es eine Reihe von Kennlinien. Als Beispiel nehmen wir die Strom-Spannungs-Kennlinie eines einfachen ohmschen Widerstandes an. Das ist eine Gerade beginnend im Nullpunkt des Koordinatensystems. Die Steigung der Geraden hängt vom Wert des Widerstandes ab, in unserem Beispiel 200Ω. Wollen wir wissen, welcher Strom bei einer Spannung von 2V fließt, gehen wir von dem Punkt auf der Spannungsachse senkrecht in Richtung Kennlinie. Am Schnittpunkt legen wir eine waagerechte Gerade zur Stromachse und lesen dort einen Strom von 10mA ab. Der Schnittpunkt auf der Kennlinie ist unser erster Arbeitspunkt.

Arbeitspunkt

Ändern sich die äußeren Bedingungen, verschiebt sich der Arbeitspunkt auf der Kennlinie. In der Abbildung liegt der Arbeitspunkt 2 zum Beispiel bei 3V und 15mA.
Der Widerstand von aktiven Bauelementen ist leider nicht so konstant wie beim ohmschen Widerstand. Damit bei Verstärkern keine Verzerrungen entstehen, sollte sich der Ruhearbeitspunkt der Schaltung, das heißt der Arbeitspunkt ohne Signal, möglichst in der Mitte eines linearen Bereiches der Kennlinie befinden.

Das Kennlinienfeld des Bipolartransistors

Warum die Einstellung des Ruhearbeitspunktes beim Verstärker so wichtig ist, sehen wir uns an der Eingangskennlinie des Transistors an, die nichts anderes ist als die Strom-Spannungs-Kennlinie der Basis-Emitter-Diode. Damit ein angelegtes Signal nicht verzerrt wird, sollte die Ausgangsgröße, also der Basisstrom, möglichst linear der Eingangsgröße, der Basis-Emitter-Spannung, folgen. Was aus einem Signal wird sieht man, wenn man es an der Kennlinie spiegelt. Ausgehend vom Ruhezustand bewegt sich der Arbeitspunkt mit der Aussteuerung auf der Kennlinie entlang. Eine verzerrungsfreie Übertragung gibt es nur, wenn die Kennlinie in dem Bereich möglichst eine Gerade ist.
Ein Wechselspannungssignal würde von der Basis-Emitter-Diode normalerweise gleichgerichtet werden. Während der negativen Halbwelle kann kein Strom fließen, aber auch in Durchlassrichtung fließt erst ab der Schwellspannung der Diode überhaupt ein Strom. In der linken Abbildung ist zu sehen, wie der Basisstromverlauf (grün) im Gegensatz zu Eingangssignal (blau) aussieht.

Eingangskennlinie

Besser sieht es aus, wenn wir den Ruhearbeitspunkt in einen möglichst linearen Bereich der Kennlinie legen (Abbildung rechts). Jetzt kann der Basisstrom genau dem Eingangssignal folgen. Dazu müssen wir dafür sorgen, dass bereits ohne Eingangssignal ein gewisser Basisstrom fließt.
Auf dem Weg zum Ausgang der Verstärkerstufe durchläuft das Signal mehrere Kennlinien. Die Basis-Emitter-Spannung erzeugt einem Basisstrom. Der Basisstrom steuert den höheren Kollektorstrom entsprechend der Stromverstärkung. Auch der Zusammenhang sollte natürlich möglichst linear sein. Am Ende bildet die Kollektor-Emitter-Strecke einen Spannungsteiler mit dem Arbeitswiderstand. Bei einem rein ohmschen Widerstand ist die Strom-Spannungs-Kennlinie auf jeden Fall eine Gerade. Die untere Abbildung zeigt wie aus der kleinen Eingangsspannung UBE die Ausgangsspannung UCE wird, über den Umweg der Stromsteuerkennlinie, denn der Bipolartransistor ist stromgesteuert.

Transistor-Kennlinienfeld

Um eine einfache Trasistor Verstärkerstufe zu dimensionieren sehen wir uns das Ausgangskennlinienfeld etwas genauer an. Bei der Festlegung des Arbeitspunktes dürfen die Grenzwerte des Transistors nicht überschritten werden. Deshalb sollten diese eingezeichnet werden. Das ist die maximal zulässige Kollektor-Emitter-Spannung, der maximale Kollektorstrom und die maximal zulässige Verlustleistung, die am Transistor in Wärme umgewandelt wird. Sie ist das Produkt aus Strom und Spannung am Transistor. Verbindet man alle Punkte an denen dieses Produkt gleich ist, entsteht eine Hyperbel. Das bedeutet, der rote Bereich ist für den Arbeitspunkt verboten, da mindestens ein Grenzwert überschritten würde.

Transistor-Ausgangskennlinie




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