Hallo,
ich wollte etwas Theorie in Praxis umsetzen und den Arbeitspunkt für
einen Transistor einstellen.
Dazu sollte ein 2N3904 NPN Transistor genommen werden. Weiters wollte
ich eine Arbeitspunktspannung von Uce = 5V und einem Kollektorstrom von
Ic = 10mA. Die Versorgungsspannung sollte Ub = 15V sein.
Schaltung siehe Anhang.
Nun hab ich im Internet und Büchern immer wieder folgende Formeln
gefunden:
Nun zur Berechnung des Spannungsteiler, des öfteren hab ich gelesen,
dass Ube ~ 0.7V anzunehmen ist, ebenso die Verstärkung B (hFE) mit etwa
100 (da diese nicht sehr genau zu bestimmen ist).
Da ich auch überprüfen wollte ob ich mit dieser Methode zu einem
richtigen Ergebnis gekommen bin, habe ich die Schaltung in dem Programm
LTspice simuliert. Ich erhalte jedoch nur Uce = 173mV. Weiters bin ich
weder mit unterschiedlichen Ube bzw. hFE Werten annähernd zum richtigen
Ergebnis gekommen. Entweder sperrt der Transisotr zuviel oder er
schaltet zuviel durch. Auch bei dem einfachen diskreten Schaltungsaufbau
konnte ich keine Uce = 5V messen.
Nun meine Frage, hab ich bei der Berechnung etwas falsch gemacht, bzw.
wie berechnet man den die Widerstände zur Arbeitpunkteinstellung richtig
für dieses Beispiel? Muss man auf bestimmte Werte des Datenblatts
aufpassen?
Datenblatt habe ich folgendes verwendet:
http://www.fairchildsemi.com/ds/2N/2N3904.pdf
Vielen Dank im voraus!
LG M
Sorry für den doppel post im Forum, hoffe der zweite Eintrag wird
gelöscht!
Deshalb antworte ich nur hier!
"Du hast nun erlebt was den Transistor so besonders macht: er verstärkt.
Kleinste Änderungen irgendwo und schon klebt die Kollektorspannung oben
oder unten. Du hast auch gelernt, dass es so offenbar gar nicht gehen
kann. Um den Arbeitspunkt stabil zu bekommen, brauchst die eine
Gegenkopplung."
@ ArnoR
Bei der Simulation werden keine Temp.änderungen berücksichtig. Sollte
der Arbeitspunkt dann nicht schon stabil sein?
@ Kai
ich hab mir das Video nun angesehen, jedoch wird die Spannung Uce sehr
experimentell bestimmt bzw. wird auch nicht auf den Kollektorstrom
eingegangen.
Was B betrifft, nun laut Datenblatt zwischen 100 und 300.. habs mit
mehreren Varianten gerechnet und simuliert jedoch hat dies auch nicht
zum gewünschten Ergebnis geführt.
> Sollte der Arbeitspunkt dann nicht schon stabil sein?
Ja schon, nur musst den erst mal finden.
> Bei der Simulation werden keine Temp.änderungen berücksichtig.
Von Temperaturänderungen schrob ich doch gar nichts. Allerdings werden
die in der Praxis zuverlässig verhindern, dass so eine Schaltung
funktioniert. Warum also nicht gleich richtig lernen?
ArnoR schrieb:> Ja schon, nur musst den erst mal finden.
Nur stellt sich mir die Fragen wie ich den finden kann, wenn die obigen
Berechnungen komplett fehlschlagen. Wozu dient dann diese Berechnung
bzw. Schaltung?
Das mit der Temperatur habe ich darauf bezogen was ich hier:
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/1506301.htm gelesen habe.
Hab nun mal einen Emitterwiderstand eingebaut. Nun ist die Konfiguration
folgende:
Rc = 800, Re = 200 (da ich annehme, dass 2V über den Re abfallen
sollen).
Nun erhalte ich etwa 5.5 V, könnte man die Kollektorspannung genauer
berechnen um auf exakte 5V zu kommen?
Kai schrieb:> Wenn Du simulierst, kannst Du Dir den Basisstrom und den Kollektorstrom> doch ausgeben lassen. Dann siehst Du doch die Stromverstärkung.
das ist klar, und wenn ich die berechne bekomme ich ein B von 300.
Wenn ich nun die ganz Berechnung wie oben anstelle... bekomme ich für
R1 = 39k und R2 = 2.1k, wenn ich dies wieder simuliere entspricht Uce ~
8V?
Der bipolare Transistor ist stromgesteuert, nicht spannungsgesteuert!
Die Vorgabe einer festen BE Spannung ist der falsche Ansatz.
Als ersten Start kannst du einen Vorwiderstand zwischen + und Basis
schalten, der einen Strom (Ub-0,7V)/Rb in die Basis einprägt. Den
Widerstand Rb stellst du so ein, dass der geforderte Kollektorstrom
fließt.
Eine vernesserte Variante wäre dann das Einfügen von einer
Temperaturstabilisierung in Form von Strom- oder Spannungsgegenkopplung.
Der von dir dimensionierte Spannungsteiler macht nur Sinn, wenn ein
ausreichend hoher Emitterwiderstand (Stromgegenkopplung) verwendet wird.
Vielen Danke mal für eure Antworten!
Jedoch ist mir das WARUM noch nicht ganz klar...warum funktioniert die
von mir beschriebene Arbeitpunkteinstellung nicht?
Man findet die Schaltung mit Spannungseinstellung (über Spannungsteiler)
ohne Stromgegenkopplung recht oft wenn man nach "Arbeitspunkteinstellung
Transistor" sucht, selbst im Buch "Halbleiterschaltungstechnik - Tietze,
Schenk" findet man diese. Wenn man dann über die
Gleichstromgegenkopplung ließt wird oft das Problem mit dem
Temperaturdrift beschrieben.
Deshalb bin ich davon ausgegangen, wenn ich keinen Temperaturdrift habe
(in der Simulation) sollte die Schaltung doch funktionieren?
Bzw.
ArnoR schrieb:>> Sollte der Arbeitspunkt dann nicht schon stabil sein?>> Ja schon, nur musst den erst mal finden.
Wie finde ich diesen rechnerisch oder in der Praxis?
Wenn Du so vorgehst:
> des öfteren hab ich gelesen,> dass Ube ~ 0.7V anzunehmen ist, ebenso die Verstärkung B (hFE) mit etwa> 100
Dann passiert das:
> Entweder sperrt der Transisotr zuviel oder er> schaltet zuviel durch.
Für die Formel die Du verwendest brauchst Du schon die >genauen< Werte
des Transistors oder Modells.
Sin schrieb:> Man findet die Schaltung mit Spannungseinstellung (über Spannungsteiler)> ohne Stromgegenkopplung recht oft wenn man nach "Arbeitspunkteinstellung> Transistor" sucht, selbst im Buch "Halbleiterschaltungstechnik - Tietze,> Schenk" findet man diese. Wenn man dann über die> Gleichstromgegenkopplung ließt wird oft das Problem mit dem> Temperaturdrift beschrieben.
Das ist eine rein theorische Betrachtung. Die hat mit der Praxis nicht
viel zu tun. Wenn du den Tietze-Schenk weiterlesen wuerdes werden dann
auch die Praxisrelevanten Schaltungen beschrieben. Ohne
Strom/Spannungsgegenkopplung geht es in der Praxis nicht. Temperatur
hast du immer mit dabei. Auch must du dich von der Vorstellung loesen
das man das auf 3 Stellen hinter dem Komma berechnen kann, dafuer ist
die Streuung der Transistorparameter viel zu gross. Wie gesagt eine
Gegenkopplung brauchst du in jedem Fall (Ausser Schaltanwendungen)
Helmut Lenzen schrieb:> Wenn du den Tietze-Schenk weiterlesen wuerdes werden dann> auch die Praxisrelevanten Schaltungen beschrieben.
soweit ich mich erinnern kann ist dort nur Angemerkt das diese Schaltung
im Hinblick auf Temperaturdrifts unbrauchbar ist, weswegen ich verwirrt
war bzgl. der Simulation.
Aber um die Thematik zusammenzufassen, das Problem bei dieser Schaltung
ist, dass man die exakten Parameter für die Arbeitspunkteinstellung
benötigt, diese jedoch nicht im Datenblatt so angeführt sind. Daher
lässt sich die fehlgeschlagene Arbeitpunkteinstellung meiner Schaltung
(siehe oben) erklären.
Deswegen verwendet man die Stromgegenkopplung um die Streuung der
Transistorparameter zu kompensieren (Abgesehen von dem Temperaturdrift).
Bitte um Richtigstellung sollte die Erklärung falsch sein!
Weiters würde mich noch interessieren, wie ihr das Problem der
Arbeitpunkteinstellung in der Praxis angeht? Werte grob schätzen und
dann probieren, oder exakt berechnen? Auf welche Werte muss man aus dem
Datenblatt besonders achten, nimmt man die Min- oder Maxwerte von hFE
bzw. Ube?
Helmut Lenzen schrieb:> Auch must du dich von der Vorstellung loesen> das man das auf 3 Stellen hinter dem Komma berechnen kann
Nun das 3 Stellen hinter dem Komma zuviel ist, ist mir klar, da mir
leider jeglicher Praxisbezug fehlt, wie genau ist es überhaupt möglich
bzw. sinnfoll den Arbeitspunkt einzustellen; +-10% oder +-20%??
> das Problem bei dieser Schaltung> ist, dass man die exakten Parameter für die Arbeitspunkteinstellung> benötigt, diese jedoch nicht im Datenblatt so angeführt sind. Daher> lässt sich die fehlgeschlagene Arbeitpunkteinstellung meiner Schaltung> (siehe oben) erklären.
Nein, das Problem ist, dass diese Parameter stark exemplarabhängig,
temperaturabhängig, herstellerabhägig, usw. sind, daher hat es keinen
Sinn diese anzugeben, weil die nur unter vollkommen praxisuntauglich
engen Bedingungen und nur für das jeweilige Exemplar gelten würden.
Zusammen mit der hohen Verstärkung der einfachen Schaltung und der
daraus resultierende großen Empfindlichkeit auf kleinste
Werteänderungen, ist es unmöglich etwas Funktionierendes zu bauen.
Sin schrieb:> Deswegen verwendet man die Stromgegenkopplung um die Streuung der> Transistorparameter zu kompensieren (Abgesehen von dem Temperaturdrift).
Die Temperaturdrift wird dabei ebenfalls kompensiert/verkleinert.
Die Kunst beim Schaltungsentwurf ist diese Streuung der Parameter zu
umgehen.
Das heist die Schaltung wird so ausgelegt (mir mehr Bauteilen) das im
Prinzip jeder Transistor der Serie dort funktioniert. Das ist ja gerade
der Trick dabei das die Gegenkopplung den Arbeitspunkt stabilisiert und
Exemplarstreuung unwirksam macht. Das beding halt einen leicht erhoehten
Bauteilaufwand.
Die exakten Parameter gibt kein Hersteller an er koennte sie auch gar
nicht in der Serie garantieren. Deshalb gibt es nur min,max und typische
Werte.
Man muss halt den Wert aus dem Datenblatt nehmen der fuer die eigene
Schaltung am relevantesten ist.
z.B. wird bei der Stromverstaerkung meistens nur der min Wert genommen.
Die Schaltung ist aber dahin auszulegen das auch ein Transistor mit
hoeheren Wert dort einwandfrei funktioniert.
Sin schrieb:> Weiters würde mich noch interessieren, wie ihr das Problem der> Arbeitpunkteinstellung in der Praxis angeht? Werte grob schätzen und> dann probieren, oder exakt berechnen? Auf welche Werte muss man aus dem> Datenblatt besonders achten, nimmt man die Min- oder Maxwerte von hFE> bzw. Ube?
Exakt berechnen bringt nix. Es muss die Schaltung so ausgelegt werden
das deren Parameter nur durch die Widerstaende bestimmt werden. Also
nicht die Verstaerkung der Stufe so weit aufreisen das ein Transistor
das bestimmt sondern das Verhaeltnis der Widerstaende zueinander.
Sin schrieb:> wie genau ist es überhaupt möglich> bzw. sinnfoll den Arbeitspunkt einzustellen; +-10% oder +-20%??
Die Spannung am Kollektor im Arbeitspunkt bei einer einfachen Stufe wird
so um die +-10% schwanken. Das ist normal. Willst du es praeziser Haben
greift man zu mehrstufigen Konzepten (Differenzverstaeker).
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