Arbeitspunkteinstellung von Transistoren
Eigenschaften von Halbleitern
Transistoren sind Halbleiter und Halbleiter ändern ihre Eigenschaften, wenn sich deren Temperatur verändert. Wenn wir einen Transistor bei einer Umgebungstemperatur von z.B. 20°C betreiben, wird sich der Transistor im Betrieb erwärmen.
Sperrschichttemperatur
Die Sperrschichttemperatur nimmt umso stärker zu, je größer der Kollektorstrom ist. Mit steigender Temperatur verschiebt sich die Eingangskennlinie und die Sperrschicht zwischen Basis und Emitter wird dadurch besser leitend. Die erforderliche Spannung UBE nimmt um ca. 2mV/K ab. Die Eingangskennlinie und somit unser Arbeitspunkt verschiebt sich also bei Temperaturerhöhung (siehe Screenshot).
Um diesen Effekt entgegen zu wirken, müssen wir den Arbeitspunkt (AP) einstellen und entsprechend stabilisieren.
Arbeitspunkteinstellung mit Basisspannungsteiler
Bei dieser Schaltung wurde noch keine entsprechende Maßnahme zur Stabilisierung des AP getroffen. Bedingt durch den Spannungsteiler R1, R2 wird zwar die Eingangsspannung UBE auf einen konstanten Wert gehalten, aber in Folge der Temperaturerhöhung wird die Basis-Emitter-Strecke besser leitend und dadurch fließt ein höherer Basisstrom. Durch den höheren Basisstrom IB erhöht sich auch der Kollektorstrom IC. Der höhere Kollektorstrom IC bewirkt einen höheren Spannungsabfall an R3.
Um den ursprünglichen Basisstrom und damit auch den Kollektorstrom wieder einzustellen müßte die Basis-Emitterspannung auf einen kleineren Wert zurückgeregelt werden. Dies geschieht jedoch nicht, da der Spannungsteiler die Basis-Emitterspannung UBE konstant hält.
Dieser Temperatureinfluss auf den Arbeitspunkt ist erheblich, wie folgendes Beispiel aus der Praxis zeigt. Die obige Schaltung wurde nachgebaut und der Kollektorstrom über einen gewissen Zeitraum gemessen.
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Kurz nach dem Einschalten (der Transistor ist noch kalt) wurde ein Kollektorstrom von 25mA gemessen.
Durch den Stromfluss erwärmt sich der Transistor zunehmend und IC steigt nach 5 Minuten auf ca. 40mA an.
Lässt man den Transistor abkühlen, wiederholt sich der Vorgang. Im Beispiel links wurde die Schaltung alle 20 Sekunden deaktiviert.
Arbeitspunkteinstellung mit Basisvorwiderstand
Berechnung des Arbeitspunktes AP:
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Der AP soll für UCE in der Mitte der Betriebsspannung liegen, also UCE = UB / 2 = 5V. Der gewünschte Kollektorstrom ist 5mA.
Laut Datenblatt beträgt die Gleichstromverstärkung B=324 und UBE = 0,7V.
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Zu berechnen sind sämtliche
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Widerstände,
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Spannungen,
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Ströme
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und die Leistung.
Wenn wir die Schaltung mit OrCad simulieren, erhalten wir folgende Werte:
