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Der Bipolartransistor und Kleinsignalverstärker (Übung 5)

Lese das Kapitel 4.5.3. Bipolartransistoren (beachte vor allem die Abb. 4.25) und Kapitel 6.3.3. Transistor-Kleinsignalverstärker (beachte vor allem die Abb. 6.18) in Manfred Rost, Sandro Wefel, Elektronik für Informatiker PDF.

Der Bipolartransistor

In der Vorlesung wurde der Bipolartransistor als Grundbaustein für Verstärker (und somit auch dem Operationsverstärker) eingeführt.

Aufgabe 1. Das Ersatzmodell eines Bipolartransistors (mit entsprechender Beschaltung, z.B. in der Emitterbeschaltung) ist? Das Ersatzmodell hat einen Eingang und einen Ausgang.

Eine spannungsgesteute Spannungsquelle.

Eine spannungsgesteute Stromquelle.

Eine stromgesteuerte Spannungsquelle.

Eine stromgesteuerte Stromquelle.

Lösung.

Eine spannungsgesteute Spannungsquelle.

Eine spannungsgesteute Stromquelle.

Eine stromgesteuerte Spannungsquelle.

Eine stromgesteuerte Stromquelle.

Aufgabe 2. Worauf beruht die Steuerbarkeit eines Bipolartransistors?.

Auf zwei miteinander verbundenen unterschiedlichen Halbleitermaterialien die unterschiedliche Ladungsträger (Polarität) besitzen

Auf zwei gegenüberliegenden Metallplatten

Auf zwei miteinander verbundnen unterschiedlichen Metallen (Z.B. Kupfer und Silber)

Aus zwei reinen Siliziumschichten.

Lösung.

Auf zwei miteinander verbundenen unterschiedlichen Halbleitermaterialien die unterschiedliche Ladungsträger (Polarität) besitzen

Auf zwei gegenüberliegenden Metallplatten

Auf zwei miteinander verbundnen unterschiedlichen Metallen (Z.B. Kupfer und Silber)

Aus zwei reinen Siliziumschichten.

Aufgabe 3. Versuche das grundlegende Funktionsmodell eines Bipolartransistors mit dem Wassermodell zu erklären. D.h. sowohl die Emitter-Kollektor Strecke als auch die Basis wird durch einen Wasserfluss dargestellt.

Lösung.

Man füge in die Emitter-Kollektor Strecke ein Schleusentor ein. Dieses ist zunächst geschlossen.

Der Kleinsignalverstärker

Jetzt wollen wir eine einfache Verstärkerschaltung mit einem Bipolartransistor (NPN) untersucht werden.

Gleichspannungen

Es soll ein einfacher Verstärker mit einem NPN Transistor untersucht werden. Die Eingangsspannung ist konstant aber veränderlich (Gleichspannung).

#label1
Der "Gleichspannungsverstärker" im Versuch

Die Schaltung für den "Gleichspannungsverstärker" (ist fertig, in CircuitJS kopieren)

$ 1 0.000005 7.010541234668786 50 5 50 5e-11
t 416 192 464 192 2 1 0.5315078669197743 0.6552343978659375 100 default
r 464 144 464 32 0 1000
w 464 144 464 176 0
w 464 208 464 256 0
g 464 256 464 288 0 0
r 384 192 304 192 0 10000
w 272 192 304 192 0
R 464 32 416 32 0 0 40 10 0 0 0.5
w 464 144 496 144 0
p 496 160 496 208 3 0 0 10000000
w 240 192 272 192 0
g 496 208 496 288 0 0
w 496 144 496 160 0
p 304 224 304 272 3 0 0 10000000
g 304 272 304 288 0 0
w 304 224 304 192 0
w 384 192 416 192 0
x 335 217 358 220 4 18 R3
x 427 93 450 96 4 18 R1
R 240 192 192 192 0 0 40 2.5 0 0 0.5
403 576 192 752 320 0 13_64_0_x2810d6_5_0.1_-1_3_10_1_0_9_0_1_0_9_0_Infinity_0_V(CE)
38 19 F1 0 0 10 -1 Voltage

Frage 4. Wie verhält sich die Ausgangsspannung (UCE) wenn man die EIngangsspannung (vor R3) von 0-10V verändert?

Lösung.

Bis zu einer Schwellspannung Uoin ist die Ausgangsspannung nahezu 10V (Transistor nicht leitend)
Ab der Schwellspannung (UBE ≈ 0.6V) wird der Transistor leitend und UCE nimmt ab bis (relativ schnell) UCE=0V ist
Der Verstärker ist invertierende (steigende Eingangsspannung folgt sinkende Ausgangsspannung)
Der Quotient UA/UE ist nicht konstant, alsi nicht lineare Übertragsungskennlinie.

Frage 5. Welchen Einfluss haben die Widerstände R1 und R3?

Lösung.

R3 wandelt die Eingansspannung in einen Basisstrom IB um. Je kleiner der Widerstand, desto größer der Stromfluss.
R1 bestimmt die "Steilheit" der Übertragsungskennlinie des Verstärker (quasi die Verstärkung).
Aber R1 bestimmt auch den Ateil der Nichtlinearität.

Wechselspannungen

Jetzt soll eine zeitabhängige Sinusfunktion (Frequenz 40 Hz, Amplitude variabel) verstärkt werden.

#label1
Der Wechselspannungsverstärker im Versuch

Die Schaltung für den Wechselspannungsverstärker (ist fertig, in CircuitJS kopieren)

$ 1 0.000005 7.010541234668786 50 5 50 5e-11
t 416 192 464 192 2 1 -3.053229551664682 0.6429030337986084 100 default
r 464 144 464 32 0 1000
w 464 144 464 176 0
w 464 208 464 256 0
g 464 256 464 288 0 0
c 208 192 272 192 4 0.000001 -0.7372889180454061 0.001 0
r 384 192 304 192 0 1000
w 272 192 304 192 0
v 176 272 176 192 0 1 40 0.1 0 0 0.5
g 176 272 176 288 0 0
R 464 32 416 32 0 0 40 10 0 0 0.5
c 496 144 576 144 4 1.0000000000000001e-7 3.5910131769435387 0.001 0
w 464 144 496 144 0
p 496 160 496 208 3 0 0 10000000
w 176 192 208 192 0
g 496 208 496 288 0 0
w 496 144 496 160 0
403 80 96 208 160 0 8_64_0_4098_0.15625_0.00009765625_-1_2_8_3
r 576 144 576 224 0 500000
g 576 224 576 288 0 0
p 304 224 304 272 3 0 0 10000000
g 304 272 304 288 0 0
w 304 224 304 192 0
r 448 144 400 144 0 45009.1
403 448 336 592 448 0 13_64_0_4098_10_0.1_-1_1
w 576 144 640 144 0
p 640 144 640 208 3 0 0 10000000
g 640 208 640 288 0 0
403 624 336 768 448 0 26_64_0_4098_1.25_0.1_-1_1
w 384 144 400 144 0
w 384 192 416 192 0
w 384 144 384 192 0
w 448 144 464 144 0
x 335 217 358 220 4 18 R3
x 427 93 450 96 4 18 R1
x 411 172 434 175 4 18 R2
38 8 F1 0 0 1 -1 Max\sVoltage
38 23 F1 0 10 500000 -1 Resistance

In dieser Schaltung gibt es zwei Kondensatoren (Kapazitäten), die auf- oder entladen werden. Zunächst sollte man bei einer geänderten Einstellung der Schaltung (z.B. Widerstandsänderung) mit einer Wechselspannung von 0V starten und den Ausgleich der Ausgangsspannung (über die Zeit) abwarten. Es gibt keinen Grennzwert, aber die mittlere Spannung am ausgang ohne Eingangssignal (Gleichanteil) sollte kleiner als 100 mV sein. Dann erhöht man die Wechselspannung bis zu dem gewünschetn Maximal(Scheitel)wert. Auch hier muss einen gewisse Zeit bis zur Stabilisierung der Ausgangssspannung gewartet werden (ca 3-5 Perioden der Sinusschwingung).

Frage 6. Wie groß ist bei den gegebenen Startwerten die Spannung UCE (ohne Signla), also vor dem Ausgangskondensator? Was passiert wenn man R2 wegnimmt, welche Aufgabe hat er? Wie hängt UCE von R2 und R1 ab?

Lösung.

UCE ist bei R1=1k und R2=45k ungefäht 3.5V
Ohne R2 ist UCE = 10V weil kein Basisstrom fliesst.
Der Widerstand R2 sorgt für einen "Ruhestrom" so dass der Transistor auch ohne Eingangssignal leitend ist.

Jetzt soll das Wechselsignalverhalten untersucht werden.

Aufgabe 7. Was passiert wenn man für R2 10k und 150k wählt? Was stellt R2 ein? Warum? Beachte vor allem die Abb. 6.18 im Buch.

Lösung.

Die Signalverstärkung steigt wenn R2 größer gewählt wird oder sinkt wenn R2 kleiner gewählt wird.
Der Arbeitspunkt auf der Transistorkennlinie wird verschoben. Da diese nichtlinear ist ändert sich die relative Steilheit (also die Verstärkung).

Aufgabe 8. Ändert sich nur die Verstärkung wenn man R2 (und sicherlich auch R1) ändert? Wähle R2=150k und Eingangsspanung mit Maximalwert 300 mV. Das Eingangssignal ist eine reine Sinuswelle, was kommt heraus? Wie sollte man R2 (ohne Signal) wählen?

Lösung.

Es tritt durch die nichtlineare Transistorkennlinie eine Verzerrung der Sinuswelle ein (positive Wellenzüge sind bauchiger).
Zunächst könnte man für eine möglichst große Signaldynamik so einstellen dassd UCE=US/2 ist (halbe Versorgungsspannung), hier bei R2=85k.

Aufgabe 9. Was passiert bei einer Änderung von R1?

Lösung.

Der Arbeitspunkt und die Verstärkung ändern sich.

Hilfe

Einreichung (Assignment #2025-98330)

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