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Studienskripten (TSS)
Mit der preiswerten Reihe Teubner Studienskripten
werden dem Studenten ausgereifte Vorlesungsskripten
zur Unterstutzung des Studiums zur Verfugung ge
stellt. Die sorgfaltigen Darstellungen, in Vorle
sungen erprobt und bewahrt, dienen der EinfOhrung
in das jeweilige Fachgebiet. Sie fassen das fOr
das Fachstudium notwendige Prasenzwissen zusammen
und ermOglichen es dem Studenten, die in den Vor
lesungen erworbenen Kenntnisse zu festigen, zu ver
tiefen und weiterfuhrende Literatur heranzuziehen.
FOr das fortschreitende Studium kOnnen Teubner
Studienskripten als Repetitorien eingesetzt werden.
Die auch zum Selbststudium geeigneten ~erOffent
lichungen dieser Reihe sollen darOber hinaus den
in der Praxis Stehenden Ober neue StrOmungen der
einzelnen Fachrichtungen orientieren.
Zu diesem Buch
Dieses Skriptum enthiilt eine ausfiihrliche, praxisbezogene Darstellung der technischen
Transistor-Grundlagen.
Beim Leser werden nur die Kenntnisse der elementaren Grundlagen iiber Gleich- und
Wechselstrom sowie mathematische Grundkenntnisse vorausgesetzt. Es eignet sich be
sonders zum Selbststudium und zur Vorbereitung auf das Studium von weiterfiihrenden
Fachbiichern, die Grundkenntnisse iiber Transistoren voraussetzen.
Unter weitgehendem Verzicht auf die Halbleiterphysik werden aile Formeln abgeleitet
und viele praxisiibliche Niiherungen angegeben. Durch zahlreiche Beispiele, denen stets
Daten, Diagramme und Kennlinien der Industrie zugrunde liegen, wird der Leser mit
der spezifischen Datenbuchdarstellung und den Anwendungen des behandelten Stoffes
vertraut gemacht.
Dieses Buch wendet sich an die Studierenden der Elektrotechnik, Regelungstechnik und
Physik an Fachhochschulen und Technischen Universitiiten sowie an aile Interessenten,
die eine breite, praxisnahe Darstellung der Grundlagen bevorzugen.
Transistorverstarker
1
Technische Grundlagen
Von Dr.-lng. H.-D. Kirschbaum
Professor an der Fachhochschule
Rheinland-Pfalz Abteilung Koblenz
4., liberarbeitete und erweiterte Auflage
Mit 114 Bildern, 36 Beispielen
und 12 Tabellen
B. G. Teubner Stuttgart 1989
Dr.-lng. Hans-Dieter Kirschbaum
1936 geboren in Kehl a.Rh. Studium der Elektrotechnik
(Studienrichtung Nachrichtentechnik) an der Technischen
Hochschule Karlsruhe. 1963 Dipl.-lng. 1963 bis 1970 Wissen
schaftlicher Assistent am lnstitut fUr Hochfrequenztechnik
und Hochfrequenzphysik der Technischen Hochschule Karlsruhe.
SS 66 und WS 66/67 Lehrbeauftragter fUr Grundlagen der Elek
trotechnik an der Staatlichen Ingenieurschule in Karlsruhe.
1970 Promotion. 1970 Dozent fUr Hochfrequenztechnik an der
Staatlichen lngenieurschule Koblenz mit nachfolgender Be
rufung zum Professor an der Fachhochschule (1972). Seit 1983
Rektor der Fachhochschule in Koblenz.
CIP-Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Kirschbaum, Hans-Dieter:
Transistorverstarker / von H.-D. Kirschbaum. - Stuttgart
Teubner
1. Technische Grundlagen. - 4., Uberarb. u. erw. Aufl. - 1989
(Teubner-Studienskripten ; 62 : Elektrotechnik)
ISBN-13: 978-3-519-30062-5 e-ISBN-13: 978-3-322-88919-5
DOl: 10.1007/978-3-322-88919-5
NE: GT
Das Werk einschlieBlich aller seiner Teile ist urheber
rechtlich geschUtzt. Jede Verwertung auBerhalb der engen
Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des
Verlages unzulassig und strafbar. Das gilt besonders fUr
Vervielfaltigungen, tlbersetzungen, Mikroverfilmungen und
die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen
Systemen.
© B. G. Teubner Stuttgart 1989
Umschlaggestaltung: W. Koch, Sindelfingen
Vorwort zur 4.Aufiage
Durch die Erstellung des Manuskriptes im Computersatz wurde die Les
barkeit des Skriptums wesentlich verbessert. Die neue satztechnische
AusfUhrung erlaubte gleichzeitig eine Uberarbeitung und Erweiterung
des bisherigen Inhalts.
Meine Zielsetzung fur dieses dreibandige Werk ist unverandert geblie
ben:
In mathematisch einfacher, aber exakter Form sollen die unverzicht
baren Grundkenntnisse uber Transistoren vermittelt werden, die zur
Anwendung dieser Halbleiterbauelemente notwendig sind.
Ohne Uberbetonung der Halbleiterphysik werden alle wesentlichen Ge
sichtspunkte behandelt, die fur die Berechnung und das Verstandnis
von Transistorverstiirkern erforderlich sind.
Trotz der weit verbreiteten integrierten Schaltungen (Ie) und dem
damit einhergehenden Verzicht auf eine diskrete Schaltungsauslegung
bleibt m.E. das in diesem Buch vermittelte Basiswissen zum Einzel
halbleiter Transistor grundlegend wichtig und unentbehrlich. Der sehr
komplexe innere Aufbau von IC's eignet sich nicht zur Vermittlung
der Verstarkergrundlagen. Der verstandnismaBige Zugang zu diesen
hochkomplizierten Schaltungen wird nur uber die Vertrautheit mit der
diskreten Schaltungstechnik ermoglicht.
Der Stoff ist breit angelegt und erlaubt so ein schrittweises Einarbeiten
in das Themengebiet auch ohne groBe Vorkenntnisse. Die grundliche
Darstellung eignet sich besonders gut zur autodidaktischen Erarbeitung
des Stoffes. Dies ist angesichts des stark wachsenden und kurzen Inno
vationszyklen unterworfenen Stoffgebietes der Elektrotechnik ein ent
scheidender Vorteil: die Spezialvorlesungen im Hauptstudium mussen
auf diesen Grundlagen aufbauen konnen, wahrend das Vorlesungsange
bot im Grundstudium eine so ausfiihrliche Stoffdarstellung wegen der
Fiille der zu vermittelnden Grundlagen nicht bieten kann.
Urn den sicheren Umgang mit Vorzeichen von Stromen und Spannun
gen zu erreichen, befaBt sich das l.Kapitel bereits anhand einfacher
Verstiirkerschaltungen mit Ziihlrichtungen. Dabei werden grundlegende
Begriffe eingefiihrt sowie der Tansistor als Stromknoten und Span-
6
nungsmasche behandelt. Das 2.Kapitel legt dar, daB der Transistor
in seinen Grundschaltungen als Ubertragungsvierpol zwischen einem
Sender und einem Empfiinger aufzufassen ist und diese Schaltungsteile
durch die iiuBere Beschaltung gegeben sind. Dieses Kapitel bereitet
die im 2.Band ausfiihrlich behandelte Dimensionierung von Verstiirker
schaltungen anhand der Vierpolparameter vor. Anhand ausgewiihlter
Datenblatt-Ausziige werden die wichtigsten Transistor-Kennlinien im
3.Kapitel diskutiert. Nach dem Bezeichnungsschema fur Transistoren
werden im 5.Kapitel in mathematisch einfacher Form die Ausgangs-und
Eingangswiderstiinde der 3 Grundschaltungen, die Gleich-und Wechsel
stromverstiirkungen, die Steilheit und die SpannungsrUckwirkung und
viele praxisiibliche Niiherungen fUr diese KenngriiBen hergeleitet so
wie deren Bestirnmung aus den Kennlinien erkliirt. Je ein Kapitel ist
der Arbeitsgeraden und der dynamischen Kennlinie gewidmet. Letztere
legt die Grundlagen fUr den im 2.Band behandelten Transistor als steu
erbares Verstiirkerbauelement und bereitet gleichzeitig die ebenfalls im
2.Band angesiedelten Gegenkopplungsschaltungen anschaulich vor. Die
Dimensionierung von Kiihlfliichen wird im 8.Kapitel praxisnah erkliirt.
Hier wurden oberfliichenmontierte Transistoren (SMD) neu aufgenom
men. Ein wei teres Kapitel befaBt sich mit den Reststriimen und deren
Temperaturabhiingigkeit. Es liefert das Verstiindnis fur das folgende
Kapitel, in dem fur die Einstellung und Stabilisierung des Arbeits
punktes das unentbehrliche Praxiswissen vermittelt wird. Hinzugefiigt
ist hier jetzt die Stabilisierung mit einer Diode. Die fUr den Prakti
ker wichtige Kenntnis der Grenzdaten und der erlaubte Arbeitsbereich
fur den Transistor folgen im l1.Kapitel. Das letzte Kapitel bringt die
wichtigsten Grundlagen der Feldeffekttransistoren, die bisher aus re
daktionellen Grunden nur im 3.Band untergebracht werden konnten.
Dem Verlag B.G.Teubner danke ich fUr die gute Zusammenarbeit.
Besonderen Dank schulde ich meiner Frau fur Ihren Einsatz bei der
Textverarbeitung und meinem Sohn Andreas fUr den FleiB und die
Sorgfalt bei der Satzherstellung mit dem Computer.
Koblenz, im August 1989 H.D.-Kirschbaum
Inhalt
1. Zahlrichtungen und Vorzeichen fur
Transistorstrome und -Spannungen ........................... 9
2. Transistor-Grundschaltungen ............................... 25
3. Transistor-Kennlinien ....................................... 37
4. Bezeichnungsschema fur Transistoren ....................... 56
5. Grundlegende Gleich- und Wechselstromeigenschaften ....... 58
5.1. Wechselstrom-Arbeitswiderstand ....................... 58
5.2. Wechselstrom-Eingangswiderstand ...................... 68
5.3. Gleichstromwiderstande ................................ 75
5.4. Gleichstromverstarkung ................................ 76
5.5. Wechselstromverstarkung ............................... 79
5.6. Steilheit in Emitter-Schaltung .......................... 86
5.7. Spannungsriickwirkung ................................. 89
5.8. Darstellung der KenngroBen im Datenbuch ............. 91
5.9. Naherungsformeln fur die Praxis ....................... 94
6. Arbeitsgerade ............................................. 107
6.1. Gleichstrom-Arbeitsgerade ............................ 107
6.2. Wechselstrom-Arbeitsgerade ........................... 113
7. Dynamische Kennlinie ..................................... 121
8. Verlustleistung und Kristalltemperatur ..................... 126
8.1. Allgemeine Grundlagen ............................... 126
8.2. Dimensionierung von Kiihlblechen ..................... 134
8.3. Stationare Verlustleistung ............................. 136
8.4. Verlustleistungshyperbel .............................. 144
8.5. Berechnungsbeispiele .................................. 147
8.6. OberfHichenmontierte Transistoren .................... 155
9. Reststrome ................................................ 158
8
10. Einstellung und Stabilisierung des
Transistor-Arbeitspunktes ................................. 168
10.1. Konstante Versorgungsspannung UBE und UCE ....... 168
10.2. Prinzip der "halben Speisespannung" ................. 174
10.3. Gleichstrom-Gegenkopplung und
niederohmiger Basis-Spannungsteiler ................. 176
10.4. Basisvorwiderstand .................................. 186
10.5. Kollektor-Basis-Widerstand .......................... 188
10.6. Basisspannungsteiler mit NTC-Widerstand ........... 192
10.7. Arbeitspunktstabilisierung mit einer Diode ........... 196
11. Arbeitsbereiche, Grenzdaten, Durchbruch .................. 199
11.1. Arbeitsbereiche des Transistors ....................... 199
11.2. Grenzdaten, erster und zweiter Durchbruch ........... 202
11.3. Erlaubter Arbeitsbereich ............................. 209
11.4. Zur Wahl des Arbeitspunktes ........................ 211
12. Feldeffekttransistoren ...................................... 212
12.1. Sperrschicht-Feldeffekttransistoren ................... 213
12.1.1. Statische Eigenschaften/Kennlinien ........... 215
12.1.2. Steilheit ...................................... 220
12.2. MOS-Feldeffekttransistoren .......................... 222
12.3. Einteilung der FET-Typen ........................... 225
12.4. Temperaturverhalten ................................. 226
12.5. Arbeitspunkteinstellung .............................. 227
Literaturverzeichnis ............................................. 234
Liste der wichtigsten Formelzeichen .............................. 236
Sachregister ..................................................... 240
1 Zahlrichtungen und Vorzeichen fur Transistor-Strome
und -Spannungen
Das System eines bipolaren Transistors besteht aus einem Halbleiter
grundmaterial (meist Silizium oder Germanium), das drei Zonen auf
weist. Von den beiden auBeren Zonen wird die eine Emitter und die
andere Kollektor genannt. Diese sind entweder beide N- oder beide
P-leitend. Die schmale Mittelzone, die sog. Basis, gehort stets zum
entgegengesetzten Leitungstyp. Man unterscheidet demzufolge NPN
und PNP-Transistoren. Zu jeder der drei Zonen fUhrt ein sperrschicht
freier AnschluB.
Fur den Anwender ist der Transistor ein aktiver Dreipol mit drei An
schluBklemmen, die Emitter E, Basis B und Kollektor C genannt wer
den.
Als Schaltzeichen verwendet man die in Bild 1 angegebenen Symbole.
E
c)
Bild 1 Schaltzeichen und Zahlrichtungen fUr
einen NPN-Transistor (a), fUr einen PNP-Transistor (b).
Ohne Darstellung des Gehauses (c).
Der das Transistorgehause symbolisierende Kreis darf auch weggelas
sen werden (Bild Ic). Von dieser Moglichkeit wird besonders bei der
Detaildarstellung der inneren Funktion eines integrierten Schaltkreises
Gebrauch gemacht.
Zwischen den drei Transistorklemmen konnen drei Gleichspannungen
UCE, UCB und UBE bestehen, und in den drei Zuleitungen konnen drei
10
Gleichstrome Ie, IB und Ie flieBen. Das Vorzeichen des jeweiligen Zah
lenwertes dieser sechs GroBen liegt nur dann eindeutig fest, wenn man
die zugehOrige Ziihlrichtung angibt.
Die Ziihlrichtungen von Spannungen und Stromen in elektrischen Netz
werken konnen willkiirlich gewiihlt werden. Beim Transistor haben sich
jedoch einheitlich die in Bild 1 eingezeichneten Ziihlrichtungen durch
gesetzt, DIN 5489 und DIN 41785/1. Alle Angaben von Transistor
Spannungen und -Stromen in diesem Buch beziehen sich auf die Ziihl
richtungen in Bild 1 (Ausnahmen in Beisp.3 und 4).
Die Ziihlpfeile fUr die Transistorstrome wei sen alle zum Transistorinne
ren; sie werden in den Leitungsstrich gezeichnet.
Die Spannung zwischen zwei Transistorklemmen wird immer mit einem
Doppelindex angegeben. Der zugehorige Ziihlpfeil zeigt yom Punkt,
den der erste Index bezeichnet, zum Bezugspunkt, den der zweite Index
bezeichnet.
GemiiB der konventionellen Stromrichtung ist der Zahlenwert eines Stro
mes positiv, wenn die in der willkiirlich festgelegten Ziihlpfeilrichtung
sich bewegende elektrische Ladung positiv ist, d.h. wenn sich negative
Ladungen (Elektronen) entgegengesetzt zur Ziihlpfeilrichtung bewegen.
Der Strom hat einen negativen Zahlenwert, wenn sich negative Ladun
gen in der Ziihlpfeilrichtung bewegen.
Die elektrische Spannung ist als Potentialunterschied zwischen zwei
Netzwerkpunkten definiert. (Das Bezugspotential wird in den Schal
tungen durch ein Massezeichen gekennzeichnet). Durch die Richtung
des Spannungs- Ziihlpfeiles gibt man an, daB die Potentialdifferenz des
Punktes am Ziihlpfeilschaft gegeniiber dem Punkt an der Ziihlpfeilspitze
gemeint ist. Der Zahlenwert der so gekennzeichneten Spannung ist
positiv, wenn das Potential des Netzwerkpunktes am Ziihlpfeilschaft
groBer (positiver) ist als das Bezugspotential an der Ziihlpfeilspitze.
Er ist negativ, wenn der Punkt am Pfeilschaft ein kleineres (negative
res) Potential aufweist als der Bezugspunkt an der Pfeilspitze. Uber
grafter oder kleiner entscheidet man wie in der Mathematik bei ra
tionalen Zahlen, z.B. -7V < -1, 8V oder -5V > -5,2V und 4,7V
< 12V. Obwohl die Verwendung eines Doppelindexes und die Angabe
