Schaltungsentwurf - Wechselspannungsverstärker (Rechenaufgabe)

[O. A. (sokrates1989)]

Hallo,

ich habe das Modul Elektronik Gott sei Dank inzwischen bestanden und 
möchte jetzt einem Kollegen der es noch machen muss helfen. (Er hat 
leider wenig Ahnung..) Bei mir ist es ne Weile her.

Ich würde mich sehr freuen wenn hier jemand über meinen Entwurf mal 
schauen könnte und mir sagen würde wo was vll. völlig falsch ist. (Ich 
habe es noch nicht mit Spice simuliert).

Bei folgenden Schritten war ich unsicher.

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ist mein Ansatz für die Verstärkung a richtig?

a= Rc/RE_ges

wobei RE_ges der Widerstand bestehend aus der gemischten SChaltung 
R3,C2,R5 ist.

Wie bestimme ich R5 und C2 (C_E)?

Ich habe für CE= 1/(2*Pi*fg*Xc) als Formel gefunden, ist das richtig?

Wenn ja, wie ermittle ich Xc, da es nicht gegeben ist?
------------------------------------------------------------

Meine Werte:
(Wobei ich davon ausgehe dass R5, C2, C3 falsch sind.)

R1= 5,2 kOhm
R2= 32 kOhm
R3,(RE)= 180 Ohm
R4,(RC)= 1100 Ohm
R5 = 32 Ohm

C1= 580 nF
C2,(CE)= 50 uF
C3 = 32 nF

[Egon D. (Gast)]

O. A. schrieb:

> ist mein Ansatz für die Verstärkung a richtig?

Ja.


> R4,(RC)= 1100 Ohm

Wie kommst Du auf diesen Wert?

Wenn der Ausgangswiderstand gleich 50kOhm sein soll,
was zwar merkwürdig, aber vorgegeben ist, dann kann
der Kollektorwiderstand nicht 1,1kOhm sein. 51kOhm
wäre angemessen.

Genauso unklar ist, woher "Ic = 12mA" in den
handschriftlichen Aufzeichnungen stammt. Rc = 50kOhm
und Ic = 12mA gibt Uc = 600V (!!). Das klappt schonmal
nicht.

Und da der Eingangswiderstand größer/gleich 50kOhm
sein soll, können R1 und R2 nicht KLEINER als 50kOhm
sein, denn deren Parallelschaltung hat Einfluss auf
den Eingangswiderstand -- der Widerstand einer
Parallelschaltung ist aber stets KLEINER als der
kleinste Teilwiderstand.
Deine Dimensionierung ergibt eher 3kOhm als 50kOhm
Eingangswiderstand.

Uce = 5V im Ruhepunkt ist auch merkwürdig. Normalerweise
will man maximale Aussteuerbarkeit und thermische
Stabilität, d.h. man wählt Ub/2 als Ruhepunkt -- im
konkreten Falle kann man voher noch Ure abziehen, weil
die sowieso vom Aussteuerbereich abgeht.

[O. A. (sokrates1989)]

Egon D. schrieb:
> O. A. schrieb:

>> R4,(RC)= 1100 Ohm
>
> Wie kommst Du auf diesen Wert?

Soweit ich mich erinnern kann, hatten wir bei einer ähnlichen 
Laboraufgabe mit UCE=5V gerechnet. Und dann halt Urc= UB-5V-2V = 14V

Und dann Rc= Urc/Ic

Bzw. hier wird es genauso gemacht. (Auch dort wählen die UCE=5V )

https://www.roboternetz.de/phpBB2/files/berechnung_emitterschaltung.pdf

Ic= 12 mA, haben wir einfach als Anhaltspunkt aus der Kennlinie des 
BC549B gewählt. Vll. war das auch falsch.

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ICh werde das ganze dann nochmal mit UCE=10V und Ic=1mA machen.
Ich weiß aber immer noch nicht wie ich R5 und CE bestimme, würde mich 
sehr über eine Hilfe freuen.

[Lutz V. (lvw)]

O. A. schrieb:
> ICh werde das ganze dann nochmal mit UCE=10V und Ic=1mA machen.
> Ich weiß aber immer noch nicht wie ich R5 und CE bestimme, würde mich
> sehr über eine Hilfe freuen.

Ic=1mA ist mit Sicherheit zu groß.

Unter der vereinfachenden Annahme, dass der endliche Ausgangswiderstand 
des Transistors vernachlässigt werden soll/darf, muss der 
Koll.Widerstand R4 größer/gleich 50kOhm sein (weil Ausg. widerstand 
vorgegeben).

Wenn am Kollektor im Ruhezustand z.B. 10V liegen sollen, muss als 
Ruhestrom Ic=(10/50)mA=0,2mA gewählt werden.

Damit ist die Steilheit gm=0,2mA/25mV=0,008S und 1/gm=125 Ohm (nicht zu 
vernachlässigen).

Verstärkungsformel:
A=-R4/[(1/gm)+Re,eff]=-40

Damit muss sein Re,eff=R3||R5=1,125kOhm.
Damit kannst Du jetzt die Beiden Widerstände R3 und R5 wählen.

Der Eingangswiderstand ist mit 50kOhm sehr groß vorgeschrieben, denn ein 
hochohmiger Spannungsteiler ist sehr ungünstig für die Stabilität des 
Arbeitspunktes - aber OK. Nach Festlegung von R3 kennst Du die 
Emitter-Gleichspannung und damit auch die Basisvorspannung (0,7 V höher 
- eine bessere Schätzung haben wir nicht).

Dann ist es doch nicht so schwierig, den Basisteiler auszulegen, denn Du 
kennst ja die fließenden Ströme (über Ib=Ic/B, wobei Du B natürlich mit 
Hife des Datenblattes für den Transistor schätzen musst).
Beim Eing. widerstand (größer als 50k) ist natürlich auch der Eing. 
widerstand an der Basis zu berücksichtigen:
r1=(B/gm)[1+gm*Re,eff]

Bei der Grenzfrequenz (Hochpass-Wirkung durch die Kondensatoren) ist 
natürlich die kleinere Zeitkonstante der RC-Kombinationen 
ausschlaggebend

[Lutz V. (lvw)]

PS: Wenn der Koll.Widerstand so groß wie 50kOhm ist, dann sollte 
eigentlich auch der transistor-eigene Ausg.widerstand berücksichtigt 
werden, der bestimmt in der gleichen Größenordnung liegt.
Also kann/muss man R4 deutlich größer (z.B. 100kOhm) wählen und den 
Ruhestrom dann deutlich kleiner (z.B. 0,1mA nur) - mit allen 
Konsequenzen für gm und die Widerstände im Emiterkreis.

[Mark S. (voltwide)]

Lutz V. schrieb:
> der bestimmt in der gleichen Größenordnung liegt.

Nein. Der Ausgangsiderstand steigt mit fallendem Kollektorstrom, er 
dürfte in diesem Falle nebensächlich sein.

[Lutz V. (lvw)]

Mark S. schrieb:
> Nein. Der Ausgangsiderstand steigt mit fallendem Kollektorstrom, er
> dürfte in diesem Falle nebensächlich sein.

Ja, die Tendenz stimmt schon. Trotzdem: Auch wenn er z.B. 200kOhm 
betragen sollte, ist das nur der Faktor "4". Und ich weiß nicht, wie 
genau die Vorgabe mit Ausg.Widerstand 50k einzuhalten ist. Prüfen sollte 
man also den Einfluss schon....

[Manfred v. G. (Gast)]

Hallo Sokrates1989, der Kondensator C2 gehört parallel zu R3 
(Emitterwiderstand) gegen Masse. Damit leitest du die 
Wechselstromsignale gegen Masse. So wie die Schaltung jetzt aussieht, 
hast Du eine Gegenkopplung über R3, der die Verstärkung minimiert. R5 
brauchst man nicht. Gruss Manfred

[O. A. (sokrates1989)]

Danke für eure Antworten. Leider habe ich jetzt mehr Fragen als 
Antworten...
Wir hatten das so gelernt dass man die Spannung an RE einfach wählen 
kann. (ab 1V bis Ub/4)
Und damit berechnet man RE und anschließend RC.
Ihr schreibt aber alle was anderes.
Und wie man mit diesen Ein und Ausgangswiderständen die mit 50kOhm 
gegeben sind umgeht weiß ich gar nicht.

(Der EIngangswiderstand ist doch Re=R1||R2||rBE ? )

Auch weiß ich mit der Steilheit nicht genau umzugehen...Auch weiß ich 
nicht nach welchen Kriterien man jetzt Ic wählt...
Naja danke trotzdem!

Manfred v. G. schrieb:
> Hallo Sokrates1989, der Kondensator C2 gehört parallel zu R3
> (Emitterwiderstand) gegen Masse. Damit leitest du die
> Wechselstromsignale gegen Masse. So wie die Schaltung jetzt aussieht,
> hast Du eine Gegenkopplung über R3, der die Verstärkung minimiert. R5
> brauchst man nicht. Gruss Manfred

Aber die Schaltung ist doch die Vorgabe von dem Professor. Was soll ich 
denn da machen?

[Egon D. (Gast)]

Manfred v. G. schrieb:

> Hallo Sokrates1989, der Kondensator C2 gehört
> parallel zu R3  (Emitterwiderstand) gegen
> Masse.

Nein. "Gehört" stimmt nicht allgmein.


> Damit leitest du die Wechselstromsignale gegen
> Masse.

Richtig.
Will man aber gar nicht immer.


> So wie die Schaltung jetzt aussieht, hast Du
> eine Gegenkopplung über R3,

Korrekt.


> der die Verstärkung minimiert.

Nein. Sie "minimiert" die Verstärkung nicht, sondern
ermöglicht es, sie auf den geforderten Wert von 40
einzustellen.

[Egon D. (Gast)]

O. A. schrieb:

> Leider habe ich jetzt mehr Fragen als Antworten...

Nun ja... "Ohne Fleiss kein Preis".


> Wir hatten das so gelernt dass man die Spannung
> an RE einfach wählen kann. (ab 1V bis Ub/4)

Hmm. Okay. Etwas rustikal, aber nicht falsch.
Eine übliche Wahl sind ungefähr 2V.


> Und damit berechnet man RE

Wie das? Wie kommst Du von "2V" auf den Wert von
Re?


> Ihr schreibt aber alle was anderes.

Erstens scheint das nur so, und zweitens ist das hier
keine kostenlose Hausaufgabenagentur, von der Du nur
alles abschreiben musst, ohne es zu vestehen.
Wenn man erkennt, dass Du Dich aktiv mit dem Stoff
beschäftigst, sind meistens auch Leute da, die Dir
über die Klippen im Verständnis hinwegzuhelfen
versuchen.


> Und wie man mit diesen Ein und Ausgangswiderständen
> die mit 50kOhm gegeben sind umgeht weiß ich gar nicht.

Das ist ganz schlecht. Das ist nämlich der Schlüssel.


> (Der EIngangswiderstand ist doch Re=R1||R2||rBE ? )

Jein... die Grundidee ist schon richtig, aber rBE im
letzten Term ist falsch.
Sowohl der Emitterwiderstand als auch hfe haben
Einfluss auf den wirksamen Eingangswiderstand.


> Auch weiß ich mit der Steilheit nicht genau
> umzugehen...

Man muss nicht zwingend über die Steilheit rechnen;
meistens tut es auch eine Abschätzung über hfe. Ist
nicht ganz so genau, aber häufig ausreichend.


> Auch weiß ich nicht nach welchen Kriterien man
> jetzt Ic wählt...

Ist eigentlich alles schon beschrieben worden. Du
musst es nur lesen und verstehen.

[Lutz V. (lvw)]

Egon D. schrieb:
> Ist eigentlich alles schon beschrieben worden. Du
> musst es nur lesen und verstehen.

Stimmt - zur Wahl von Ic ist alles gesagt und sogar die genaue Formel 
für den Eingangswiderstand steht irgendwo.
Die Schaltung ist schon OK, denn eine gewisse Signal-Gegenkopplung ist 
immer gewünscht und vorteilhaft (weniger Verzerrungen, bessere Konstanz 
des Verstärkungswiderstandes, Erhöhung des Signal-Eingangswiderstandes).

[G. O. (aminox86)]

Irgendwie vermisse ich die obligate Spice-Simulation zum Thema. Na ja, 
was nicht ist, kann ja noch werden.

Bis es soweit ist hänge ich 'mal meinen Rechengang, insbesondere um dem 
TO ein bischen "in den Sattel zu helfen", als PDF an.

[O. A. (sokrates1989)]

G. O. schrieb:
> Irgendwie vermisse ich die obligate Spice-Simulation zum Thema. Na ja,
> was nicht ist, kann ja noch werden.
>
> Bis es soweit ist hänge ich 'mal meinen Rechengang, insbesondere um dem
> TO ein bischen "in den Sattel zu helfen", als PDF an.

Vielen Dank. Das ist mehr als hilfreich. Ich werde es mir anschauen und 
unabhängig davon auch noch mal ne eigene Berechnung inkl. Simulation 
machen.

Nochmals vielen Dank!

[Michel M. (elec-deniel)]

Zum direkten Berechnen
https://www.electronicdeveloper.de/TransistorEmitter1.aspx

https://www.instructables.com/How-to-Design-Common-Emitter-Amplifier/





sonst mit Ltspice
https://www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html

Scahltungsdatei Datei laden und anpassen  :-)
Beitrag "Transistor Biasing und Simulation in LTSpice"
Beitrag "Re: Dimensionierung Emitterschaltung"

Unter dieser Adresse finden sich weitere ladbare Schaltungen und 
Erklärungen.
https://wiki.analog.com/university/courses/electronics/electronics-lab-5