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  Verstärkerschaltung aus npn- und pnp-Transistor |
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Ehemaliges_Mitglied
 |  Themenstart: 2017-07-13
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Gegeben sei folgende Transistorschaltung:
http://matheplanet.com/matheplanet/nuke/html/uploads/b/38113_Verst_rker.jpg
Ich habe dazu zwei grundlegende Fragen:
- Wann schaltet der npn- und wann der pnp-Transistor durch?
Soweit ich weiß, schalten beide Transistoren erst dann, wenn die Diffusionsspannung erreicht ist. Aber welche Spannung muss gleich der Diffusionsspannung bzw. größer sein? Ist es die Basis-Emitter-Spannung? Das wäre meine Intuition gewesen, da ja die Injektion der Elektronen in die Basis durch die Basis-Emitter-Spannung gesteuert wird (beim npn-Transistor). Ich erinnere mich allerdings auch, dass die an der Basis und am Kollektor angelegte Spannung etwas mit dem Schaltverhalten zu tun hat..
- Wie berechnet sich nun die Verstärkung?
Die Verstärkung ist ja gleich dem Quotienten aus Ausgangs- zu Eingangsspanung. Nun muss ich aber erstmal die Kollektor-Emitter-Spannung berechnen. Aus den Kennliniengleichungen?
Ich hoffe ihr könnt mir weiter helfen,
vielen Dank und liebe Grüße
Luke
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 | Beitrag No.1, eingetragen 2017-07-13
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Moin
Es soll sich hier offenbar um eine Gegentakt-Endstufe (Leistungsverstärker) in B-Schaltung handeln. Allerdins ist hier der untere Transistor ebenfalls ein npn-Transistor (Pfeil zeigt von der Basis weg), es sollte aber eigentlich ein pnp-Transistor sein.
\quoteon(2017-07-13 10:04 - Luke-11 im Themenstart)
Aber welche Spannung muss gleich der Diffusionsspannung bzw. größer sein? Ist es die Basis-Emitter-Spannung? Das wäre meine Intuition gewesen, da ja die Injektion der Elektronen in die Basis durch die Basis-Emitter-Spannung gesteuert wird (beim npn-Transistor). Ich erinnere mich allerdings auch, dass die an der Basis und am Kollektor angelegte Spannung etwas mit dem Schaltverhalten zu tun hat..
\quoteoff
Damit der Bipolartransistor schaltet, also einen Strom fließen lässt, muss die Diffusionsspannung zwischen Basis und Emitter überwunden werden. In der Regel sind dies bei npn-Transisotren aus Silizium die bekannten +0,7 V (-0,7 V bei pnp).
\quoteon(2017-07-13 10:04 - Luke-11 im Themenstart)
- Wie berechnet sich nun die Verstärkung?
Die Verstärkung ist ja gleich dem Quotienten aus Ausgangs- zu Eingangsspanung. Nun muss ich aber erstmal die Kollektor-Emitter-Spannung berechnen. Aus den Kennliniengleichungen?
\quoteoff
Die Verstärkung bestimmt sich im Allgemeinen durch die Dimensionierung der Schaltung.
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Ehemaliges_Mitglied
| Beitrag No.2, vom Themenstarter, eingetragen 2017-07-13
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Hi,
vielen Dank für die Antwort - ich glaube ich hab's begriffen!
Der Pfeil des unteren Transistors muss in die andere Richtung zeigen, dann erhalte ich einen pnp-Transistor. Wenn nun U_in = 0.7 V , dann schaltet der npn-Trannsistor die Spannung von + U_0 durch, die dann am Ausgang anliegt, da der pnp-Transistor sperrt. Die Verstärkung wäre in dem Fall U_out/U_in = U_0 / (0.7 V) .
Wenn U_in = -0.7V dann schaltet der pnp-Transistor die Spannung - U_0 durch, welche am Ausgang anliegt, da der npn-Transistor sperrt. Die Verstärkung ist dann (-U_0) / U_in = (-U_0) / (-0.7V) = U_0/(0.7V)
Stimmt das soweit?
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rlk
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| Beitrag No.3, eingetragen 2017-07-14
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Hallo Luke\-11,
das stimmt leider nicht. Die Transistoren werden hier nicht als Schalter betrieben. Ob etwa der NPN\-Transistor leitend wird, hängt nicht nur von der Eingangsspannung U_in ab.
Untersuche zuerst eine einfachere Variante dieser Schaltung, bei der statt des PNP\-Transistor ein Widerstand zwischen dem Emitter des NPN\-Transistors und der negativen Spannungsversorgung eingebaut ist. Welche Grundschaltung liegt dann vor?
Servus,
Roland
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Ehemaliges_Mitglied
| Beitrag No.4, vom Themenstarter, eingetragen 2017-07-14
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Oh.. schade. Ich dachte ich hätte's begriffen.
Also, die Vereinfachung müsste dann ja so aussehen:
http://matheplanet.com/matheplanet/nuke/html/uploads/b/38113_Vereinfachung.jpg
Und das ist eine Kollektorschaltung, weil der Kollektor auf einem festgelegten Potential liegt. Wenn die Basis-Emitter-Spannung größer oder gleich der Diffusionsspannung ist, dann wird U_0 durchgeschaltet.
Oder ist das schon falsch, weil du meintest, die Transistoren fungieren hier nicht als Schalter?
Was mir hier auffällt: Eine Masche verrät, dass
+U_0 + U_R - U_0 = 0
-> U_R = 0
Und das kann ja nicht sein. Ich meine die Spannung über den Widerstand ist 0 solange kein Strom fließt. Aber sobald ein Strom fließt nicht mehr.
Ich hätte jetzt trotzdem gesagt: Wenn U_in größer der Diffusionsspannung, dann liegt am Ausgang U_0 - U_R an. Das sollte auf jeden Fall dann der Fall sein, wenn am unteren Ende des Widerstands Masse anliegt.
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rlk
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|  Beitrag No.5, eingetragen 2017-07-15
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Hallo Luke\-11,
wie Du richtig feststellst, ist der Kollektorstrom I_C von der Basis\-Emitter\-Spannung U_BE abhängig. Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Eingangsspannung U_in und U_BE\.?
Die Maschengleichung stimmt nicht, wie kommst Du darauf? Wie hängt die Spannung U_R vom Emitterstrom I_E ab?
Wie ich bereits geschrieben habe, wird der Transistor hier nicht als Schalter betrieben. I_C ist eine stetige, monoton wachsende Funktion von U_BE\., weißt Du, wie sie ausieht?
Servus,
Roland
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Ehemaliges_Mitglied
| Beitrag No.6, vom Themenstarter, eingetragen 2017-07-15
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- Zusammenhang zwischen U_in und U_BE :
U_BE = U_B - U_E = U_in - U_out
-> U_out = U_in - U_BE
- Wie hänt U_R vom Emitterstrom I_E ab?
U_R = R*I_E
vorausgesetzt der Ausgang ist unbelastet.
Naja und I_C (U_BE) steigt exponentiell an. Der Strom ist temperaturabhängig.
Was bedeutet das jetzt für den Gegentakt-Verstärker?
Ich verstehe das nun so: Bei positiver Eingangsspannung fließt vor allem Strom über den npn-Transistor zum Ausgang. Bei negativer Eingangsspannung fließt vor allem Strom .. naja eigentlich vom Ausgang zum pnp-Transistor, zumindest wenn am Ausgang ein Vebraucher angeschlossen wird. Zu sagen, dass die Transistoren sperren ist vermutlich deshalb falsch, weil ja immer ein Strom fließt, auch wenn dieser sehr gering ist, wenn die Diffusionsspannung noch nicht erreicht ist.
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rlk
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| Beitrag No.7, eingetragen 2017-07-15
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Hallo Luke\-11,
Deine Überlegungen zur Kollektorschaltung sind richtig. Welche Verstärkung
dU_out/dU_in
ergibt sich, wenn Du zunächst mit der Näherung U_BE=0.7$V rechnest? Eine genauere Rechnung mit dem exponentiellen Zusammenhang zwischen U_BE und I_C ist eine gute Übung.
Bei der Gegentaktschaltung wird ein Lastwiderstand benötigt, damit überhaupt ein nennenswerter Strom durch den aktiven Transistor fließen kann. Es ist üblich, von gesperrten und leitenden Transistoren zu sprechen, auch wenn beides Zustände auf einem Kontinuum sind.
Servus,
Roland
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Ehemaliges_Mitglied
| Beitrag No.8, vom Themenstarter, eingetragen 2017-07-16
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Danke Roland!
Dann sollte sich diese Verstärkung näherungsweise einstellen:
(U_in - U_BE) / U_in
= 1 - U_BE / U_in
= 1 - 0.7 / U_in
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rlk
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| Beitrag No.9, eingetragen 2017-07-16
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Hallo Luke-11,
nein, mit der Verstärkung ist der Differentialquotient gemeint, den ich in Beitrag 7 aufgeschrieben habe. Welche Bücher hast Du zu diesem Thema gelesen?
Servus,
Roland
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hightech
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| Beitrag No.10, eingetragen 2017-07-18
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Hallo Luke-11,
was ist hier mit Verstärkung gemeint?
Spannungsverstärkung? Stromverstärkung? Leistungsverstärkung?
Die Methoden der Kleinsignalverstärkung können hier nicht angewandt werden, da
- hierzu der Arbeitspunkt der Transistoren auf der
Steuerkennlinie liegen müsste und
- die Aussteuerung nur um einen kleinen Bereich um den Arbeitspunkt
erfolgen darf.
Bezüglich der Ausgangsspannung ist unklar, wie Uout zustande kommen soll, da kein Lastwiderstand vorhanden ist. Egal welcher Transistor gerade durchgesteuert ist, der Emitter des jeweils betrachteten Transistor hängt ohne Lastwiderstand quasi "in der Luft". Das ist ein nicht definierter Zustand. Selbst wenn eine Durchsteuerung erfogen sollte, stellt sich die Frage wie groß ist in dem Fall Uout. U0 abzüglich der Restspannung UCE, rest?
Wenn man sich aber einen Lastwiderstand an den Klemmen der Ausgangsspannung denkt, kann man die Schaltung mit den Methoden der Großsignalverstärkung (Leistungverstärker) betrachten. Hierbei wird die Steuerkennlinie des Transsistors über einen großen Bereich ausgesteuert. Dann kann der Arbeitspunkt durchaus auch außerhalb der Steuerkennlinie liegen, wie hier im so genannten C-Betrieb, mit der Folge von Übernahme Verzerrungen (Crossover Distortion).
Um die Schaltung berechnen zu können sind aus meiner Sicht weitere Angaben erforderlich.
Gruß von hightech
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