Habe die Schaltung im Anhang gegeben. Die Angabe ist:
U0 = 5V
RG = 50 Ohm
Ck = unendlich
Uf = 0.6 V
UT = 25 mV
B = 100
UCEsat = 0.1V
Ue0 = 2V
Ua0 = 3V
IC0 = 10mA
Iq0 = 20*IB0
-------------------------
Die Spannungswerte mit dem Index 0 (IC0, Ua0 ...) stellen die Werte des
Arbeitspunktes dar.
Ich habe die Widerstände so dimensioniert, dass der AP eingestellt ist:
Das stimmt ja alles noch.
Jetzt wird aber ein kleines Wechselspannungssignal ug (sinus) angelegt.
Gesucht ist die maximale Amplitude uA bei der keine groben Verzerrungen
auftreten. Weiters muss ich den zeitlichen Spannungsverlauf skizzierenn
wenn die Grenze um 50% überschritten wird.
Also ich habe dazu generell Verständnisprobleme was diese Schaltung
angeht. Und zwar ist mir die Sinnhaftigkeit der Funktionalität einfach
nicht sehr klar: Wenn ich der GS ein sinus überlagere, dann sinkt für
die positive Halbwelle der Basisstrom. Somit sinkt auch Ube und auch
Ic(sehr stark). Wenn Ic sinkt, dann steigt Uce. Aber gleichzeitig sinkt
auch UE (am Widerstand RE) und UC (am Widerstand RC).
Und jetzt kommt das Problem: Wenn nämlich UE sinkt, dann muss Ube größer
werden. Wenn aber Ube größer wird dann steigt somit auch wieder Ic. Wenn
jedoch Ic wieder steigt, dann steigt auch UE wieder. Und wenn aber UE
steigt, dann sinkt IB. Und all das passiert ca 1000 mal in einer
Zeiteinheit, während sich die EIngangsspannung nicht ändert.
Was bringt das aber alles? Ich habe mit dieser Denkerei den ganzen
Überblick verloren über die Schaltung. Wie funktioniert das wirklich?
Ich sitze schon seit einer Stunde da und denke mir diesen Teufelskreis
100 mal durch, jedoch komme ich einfach zu keinem Schluss, der mich auf
die Lösung bringt.
Vielleicht kann ja wer helfen?
Der Eingangswid. der Transistufe ist (140 + 2,6)x100
Dazu // 1k5 und 1,05k
Gibt Spgsteiler zu 50 Ohm.
Die Verstärkung der Stufe selbst ist 200/142,6 Ohm.
Denk zuerst in Kleinsignalausteuerung.
Großsignel ist eh angedeutet mit ohne grosse Verzerrungen.
Bei übersteuerung denke einfach an einen DC-Arbeitspunkt, wo die
Kollektorspg bis auf Vcesat zusammenstösst.Bis dahin gibts die wenigen
Verzerrungen.
Darüber klippt es dann.
Hab aber keine große Lust das jetzt auszurechnen.
Manuela schrieb:> Und jetzt kommt das Problem: Wenn nämlich UE sinkt, dann muss Ube größer> werden. Wenn aber Ube größer wird dann steigt somit auch wieder Ic. Wenn> jedoch Ic wieder steigt, dann steigt auch UE wieder. Und wenn aber UE> steigt, dann sinkt IB.
Das stimmt schon. Der Begriff dafür ist Gegenkopplung!
Aber dein Problem liegt darin, dass das das Maß, um den IB und damit IC
sinkt, geringer ist als die durch die steigende Eingangsspannug
hervorgerufene Anhebung.
Mit RE=0 ist die Verstärkung der Schaltung recht groß. Hier wird sie
reduziert auf etwa RC/RE.
RE bewirkt eine Gegenkopplung, also die Spannungverstärkung
wird dadurch verringert, und der Einganswiderstand wird
größer. Wenn man die Gegenkopplung unterdrücken möchte,
kann man zu RE einen Kondensator parallel schalten.
Die Gleichstromgegenkopplung bleibt aber weiterhin
erhalten, und stabilisiert dadurch den Arbeitspunkt
der Schaltung. Die Maximale Spitzenwechselspannung,
die der Verstärker verzerrungsfrei liefern kann
ist etwa halbe Betriebsspannung - Spannungsabfall an RE.
Du beschreibst sehr schön den Vorgang, durch die sich der Arbeitspunkt
einstellt.
Die Funktion der Schaltung ist aber "nebenbei" auch, daß ein
Eingangssignal verstärkt wird ;)
--
Einen grobe Verzerrung tritt ein, wenn du mit dem Ausgangssignal
entweder in die Nähe von U0 oder in die Nähe der Sättigung kommst. Die
Grenzen der Aussteuerbarkeit sind also IE=0 -> UC=U0 sowie
UC=UCE(sat)+IEmax.
Der Ruhezustand der Schaltung sollte so eingestellt sein, daß IC(0) etwa
in der Mitte zwischen diesen beiden Extremen liegt.
--
Vielleicht erleichtert dir das Verständnis, wenn du dir das
Simulationsprogramm LTSpice installierst und das ganze mal durchspielst.
Danke für die Antworten. Ich habe zwar eine Lösung des Ausgangs, jedoch
verstehe ich überhaupt nicht wieso die AUsgangsspannung so ausschaut wie
im Bild...
Das liegt daran, daß du nicht auf maximale Aussteuerbarkeit
dimensioniert hast.
Wenn du ein wenig mit den Werten herumspielst, könnte das auch so
aussehen.
rot=UB
blau=UE
grün=UC
Ich verstehe das trotzdem nicht. Es ist sooo schwierig sich im Kopf alle
Spannungen vorzustellen und dabei heruaszufinden wie sie sich verhalten
mit der Zeit. Und dabei ändert sich immer was, nicht zu vergessen.
Ich kenne das LTspice noch nicht. Bin auch leider Studienanfängerin:(
Du hast ja offensichtlich ein anderes Simulationsprogramm. Das reicht ja
hin!
Vielleicht ist es ein guter Trick, wenn du dir mehrere Kurven
übereinanderlegst.
Der Abstand zwischen UC und UE ist immer mindestens UCE(sat) und
höchstens U0.
Bei Auslegung des Arbeitspunktes ist es simmvoll, möglichst in der Mitte
davon zu landen. Dann ist die Aussteuerbarkeit am größten (und meist
auch die geringste Verzerrung zu erwarten)!
Ich darf nichts simulieren bei dem Vorrechnen. Ich muss alles an der
Tafel rechnen und erklären können. Nur ich komme mittels Rechnungen
nicht auf diesen komischen Verlauf, den du und meine Lösung auch
rauskriegen.
Was mir nicht so ganz einleuchtet ist, wenn ich den Transistor durch
sein Kleinsignalmodell ersetze, dann kann ich die Verstärkung von -1.4
berechnen. Ich weiß also, dass die wechselsignale um 1.4 verstärkt
werden. In diesem Modell spricht aber nichts dagegen dass die
Eingangsspannung beliebig groß sein kann. Damit kriege ich diese Kurven
also nicht. Aber wie dann? Ich muss das Uce irgendwie hineinkriegen,
oder besser gesagt die Funktionalität des Transistors. Jedoch kann ich
irgendwie nicht mehr denken.
Wieso beeinflussen sich diese zwei Kurveb die aufeinander treffen so?
Ich verstehe den Zusammenhang und das Zusammenspiel nicht. Da ist
irgendwas was dieses Verständnis blockiert. Ich weiß nicht was. Kennt
ihr das auch?
Manuela schrieb:> Also ich habe dazu generell Verständnisprobleme was diese Schaltung> angeht. Und zwar ist mir die Sinnhaftigkeit der Funktionalität einfach> nicht sehr klar: Wenn ich der GS ein sinus überlagere, dann sinkt für> die positive Halbwelle der Basisstrom. Somit sinkt auch Ube und auch> Ic(sehr stark). Wenn Ic sinkt, dann steigt Uce. Aber gleichzeitig sinkt> auch UE (am Widerstand RE) und UC (am Widerstand RC).
Ck entkoppelt den Gleichspannungsanteil im Signal.
Wenn am Ck eine Ladung sich befindet und es kommt eine positive
Halbwelle (wie du beschreibst), dann Ändert sich die Spannung am Ck
nicht sofort! (die Ladung kann nicht in femto-Sekunden abfließen :)
=> Basisstrom steigt an => Ic steigt an.
Rc wirkt der Eingangsspannung insofert entgegen, dass Vbe reduziert
wird.
(Gegenkopplung)
Rv/Rb stellen den Arbeitspunkt ein. Querstrom über Rv/Rb zur Masse
soll ca 10 mal grösser als Ib sein.
Ich mag deinen Lehrer/Dozenten. Nur dadurch beherrscht man die Theorie
wirklich. Auch wenn sich das grad jetz blöd anhört.. ;)
Der rechnerische Ansatz ist näherungsweise:
IE(max)=(U0-UCEsat)/(RE+RC) <<== Strom, wenn die Begrenzung einsetzt
V=RC/RE <<== Verstärkung
IE(0)=IE(max)/2 <<== Leerlauf
UB=RE*IE(0)+UBE
und den Rest kannste eh schon (siehe oben).
Manuela schrieb:
>Wieso hört die Grüne Kurve GENAU bei der blauen auf? Wieso nur?
Der Transistor ist voll durchgesteuert, und hat R10 und R11
sozusagen miteinander verbunden. Es ist ein Spannungsteiler
entstanden. Die Spannung in diesen Punkt ist:
Gesamtwiderstand, also R10 + R11 =300 Ohm
300 Ohm / R10 = 3
5 V / 3 = 1,667 V
1,667 V ist die Stelle wo sich die beiden Kurven berühren.
Günter Lenz schrieb:> Der Transistor ist voll durchgesteuert, und hat R10 und R11> sozusagen miteinander verbunden. Es ist ein Spannungsteiler> entstanden. Die Spannung in diesen Punkt ist:> Gesamtwiderstand, also R10 + R11 =300 Ohm> 300 Ohm / R10 = 3> 5 V / 3 = 1,667 V>> 1,667 V ist die Stelle wo sich die beiden Kurven berühren.
Ich denke das bringt mich schon näher dran, aber diese Blockade in
meinem Kopf ist immer noch da.
Mich stört es jetzt ehrlich gesagt auch schon, dass UCE0 im AP auf 1.6V
eingestellt ist. Außerdem ergibt für mich die Funktionalität immer noch
nicht sehr viel Sinn (auch nach euren Erklärungen), denn denkt bitte das
hier (was ich im ersten post geschrieben habe) noch einmal genau durch:
1
Wenn ich der GS ein sinus überlagere, dann sinkt für
2
die positive Halbwelle der Basisstrom. Somit sinkt auch Ube und auch
3
Ic(sehr stark). Wenn Ic sinkt, dann steigt Uce. Aber gleichzeitig sinkt
4
auch UE (am Widerstand RE) und UC (am Widerstand RC).
5
Und jetzt kommt das Problem: Wenn nämlich UE sinkt, dann muss Ube größer
6
werden. Wenn aber Ube größer wird dann steigt somit auch wieder Ic. Wenn
7
jedoch Ic wieder steigt, dann steigt auch UE wieder. Und wenn aber UE
8
steigt, dann sinkt IB. Und all das passiert ca 1000 mal in einer
9
Zeiteinheit, während sich die EIngangsspannung nicht ändert.
Woher weiß der Transistor zum Beispiel wie groß er Uce setzen soll, wenn
alles immer hin und her pendelt? Stellt euch das in einer Endlosschleife
vor. IC pendelt immer hin und her und Uce somit genau so. AUßerdem sind
das doch zwei verschiedene Diagramme UE und Ua. Ich kann daher überhaupt
nicht akzeptieren dass diese zwei sich einander beeinflussen und das
noch im selben Diagramm beide immer zusammentreffen (egal wie das Signal
aussieht). Das ist für mich noch wie ein Wunder, dass einfach so
entsteht wegen den Unklarheiten die ich noch habe. Ich möchte es aber
soooooo sehr verstehn!
Eine weitere Blockade, was das Kleinsignalmodell auf den Kopf wirft
schmeißt folgende Frage in den Wind: Wie kann es denn überhaupt
sein,dass die Kleinsignalverstärkung negativ ist?
Weil wenn ich mir das mit dem Transistor so überlege, dann ist ja Uce am
Anfang (ohne WS) 1.6V. Weiters kann Uce nicht negativ werden.
-) Wenn Ib größer wird, dann wird UE kleiner aber auch Uce kleiner. Und
da die gesamte AUsgangsspannung Ua = UE + UCE ist, kann es doch keine
Phasenverschiebung um 180° geben oder?? Diese gibt es aber, wenn ich mir
die Verstärkung aus dem Kleinsignalmodell anschaue und auch in den
Lösungen ist sie vorhanden.
So langsam wundert es mich wie manch schaltungen trotzdem funktionieren.
Ich dachte eigentlich dass ich gut im Analysieren von Schaltungen bin,
jedoch stelle ich gerade fest, dass der Transistor das schwierigste
Bauelement ist dass es gibt.
Vielleicht hilft die für ein solches Schaltungsmodell weiter, wenn du
dir die Spannung UBE als immer "fest" 0,6V vorstellst. Der Transistor
wird alles daran setzen, daß das so bleibt. Wir nutzen nur den
"Schmutzeffekt" aus, daß sich dadurch der Kollektorstrom ändert ;)
Basis-Spannungsteiler mit Kirchhoff.
gesetzt: Vorwiderstand (bei mir R12) 1500 Ohm.
I(R12)=(U0-UB)/R12=2,25mA
Widerstand nach Masse (bei mir R9):
I(R9)=I(R12)-IB=2,15mA
R9=UB/I(R9)=752 Ohm
Damit ist der Pflicht vermutlich genüge getan. Jetzt "die Kür":
Leider sehen wir jetzt - oh Schreck! - unsere Verstärkung ist gar nicht
mehr genau 1,4!
Woher das kommt:
1. die Quelle wird belastet mit dem Basis-Spannungsteiler und dem
Basisstrom. Unser Eingangswiderstand, die Parallelschaltung aus R9, R12
und (B*R10) ergibt einen äquivalenten Eingangsleitwert von
(1/1500)+(1/752)+(1/100*100)=2,096mS, das entspricht einem
Eingangswiderstand von 477 Ohm. Die Wechselspannung an der Basis ist
also nicht mehr z.B. 1V, sondern nur noch 905mV!
2. Bei der Berechnung von RC aus RE haben wir hinten runterfallen
lassen, daß durch RE nicht nur der Kollektorstrom fließt, sondern auch
der Basisstrom. Dadurch wird die Signalverstärkung noch mal um 1/B
geschwächt.
Die berechnete Schaltung verstärkt jetzt also um ziemlich genau
0,99 * 0,905 * 1,4=1,2545!
Es bietet sich eine 2. Iteration an, indem RC berechnet wird auf
(1,4/1,2545)*140 Ohm = 176 Ohm. Ich wähle dann 180 Ohm für diesen
Widerstand, da ich auch R9 noch mal anfasse. Der verringert sich auf
etwa 700 Ohm, und ich habe sowohl große Aussteuerbarkeit als auch die
gewünschte Verstärkung ziemlich genau erreicht.
Manuela schrieb:
>Wenn ich der GS ein sinus überlagere, dann sinkt für>die positive Halbwelle der Basisstrom. Somit sinkt auch Ube und auch
Nein, bei der positiven Halbwelle steigt der Basisstrom.
Der Steuerstrom fliest über Basis-Emitter. Basis-Emitter
ist sozusagen wie eine Diode in Durchlaßrichtung.
Wenn der Basisstrom steigt, steigt auch der Kollektorstrom
mit dem Faktor der Stromverstärkung. Die Kollektorspannung
sinkt, wegen Spannungsabfall von R11. Das ist die Ursache
der Phasenverschiebung von 180°.
Ahjetz. Blockade verstanden ;)
Angenommen, die Basisspannung steigt um 0,1V.
Die Spannung zwischen Basis und Emitter stelle dir als auf 0,6V
festgezurrt vor.
Daher steigt auch die Spannung am Emitter um 0,1V. Das geht aber nur,
weil der Transistor mehr Strom durch den Emitterwiderstand schickt.
Genau das macht er, indem er Strom in den Kollektor hineinsaugt,
bildlich gesprochen. Und genau da ist die Invertierung!
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