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Arbeitspunkt-Stabilisierung von Transistoren mit direckt geerdetem Emitter

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1. Allgemeines

Für die UHF/SHF-Bänder wurden bereits mehrfach Verstärkerstufen beschrieben, bei denen der Emitter des Transistors direkt an Masse liegt. Diese Schaltungstechnik bringt bei sehr hohen Frequenzen Vorteile, der Arbeitspunkt muß jedoch durch besondere Maßnahmen gegen Temperaturschwankungen stabilisiert werden. Unterläßt man dies - wie bei den in der erwähnten Literatur beschriebenen Geräten - so ist die gewünschte Funktion nur im wohltemperierten Kämmerlein möglich. Wie die folgenden Meßkurven zeigen werden, ist tragbarer oder Mobilbetrieb schlechthin unmöglich.

Es gibt für derartige Schaltungen ein äußerst einfaches Verfahren zur Arbeitspunktstabilisierung, das allgemein bekannt sein sollte. Der Mehraufwand ist praktisch zu vernachlässigen. Als Beispiel für die anzuwendende Schaltungstechnik und für die Messungen wurden die Stufen des in (1) beschriebenen 13-cm-Konverters benutzt.

2. Schaltungen

Bild 1 zeigt die untersuchten Schaltungen, wobei Bild 1a die im Konverter vorgesehene Originaldimensionierung der Gleichstromwege ist, während in Bild 1b die geänderte Schaltung für die erste HF-Stufe mit dem Arbeitspunkt 9 V / 3 mA dargestellt ist. Bild 1c zeigt die geänderte Schaltung für die zweite HF-Stufe mit dem Arbeitspunkt 6 V / 6 mA. Es wird hier eine Spannungsgegenkopplung wirksam: wenn der Kollektorstrom temperaturbedingt ansteigt, sinkt durch den Spannungsabfall am Gleichstromvorwiderstand RK die KollektorEmitter-Spannung und somit auch die Basis-Vorspannung. Dadurch wird der Stromanstieg teilweise ausgeglichen. Voraussetzung hierfür ist, daß am Kollektorwiderstand ein deutlicher Anteil der Gesamtbetriebsspannung abfällt. Damit ergeben sich eine hohe GleichstromLeerlaufverstärkung und ein genügend großer Gegenkoppiungsfaktor. Bild 1d zeigt schließlich einen Vorschlag für die Arbeitspunktstabilisierung der Mischstufe.

Bild 1
Bild 1: Schaltbilder. a) Original, b) 9 V/3 mA stab., c) 6 V/6 mA stab., d) Mischer stab.

2.1. Erste HF-Stufe

Der Arbeitspunkt der ersten HF-Stufe soll nach den Angaben in (1) bei Uce = 9 V und Ic = 3 mA liegen. Den Temperaturgang der Originalschaltung zeigt Bild 2a. Nimmt man an, daß die Schaltung bei einer Abweichung von ± 25 % vom Sollarbeitspunkt noch zufriedenstellend arbeitet, so ist dies nur im Bereich zwischen 16,5 und 23 °C der Fall, wenn der Sollwert bei 20 °C eingestellt wurde. Ohne Mehraufwand an Material, allein durch Umbau auf die Schaltung nach Bild 1 b ergibt sich die Temperaturabhängigkeit des Kollektorstromes nach Bild 2 b und der nutzbare Temperaturbereich erweitert sich auf -2 bis +39 °C! Würde man sogar eine Abweichung des Kollektorstroms von ± 50 % zulassen, so wäre mit der Originalschaltung zwischen +11,5 und +25,5 °C ein Betrieb möglich, mit der abgeänderten Schaltung aber zwischen -22 und +60 °C. Wählt man für RK in Bild 1b statt 750 Ω den leichter erhältlichen Wert 820 Ω, so ergibt sich bei Ic = 3 mA eine Spannung Uce = 8,7 V und eine noch geringfügig bessere Stabilisierung.

Bild 2
Bild 2: Temperaturgang der 1. Stufe. Original a) und stabilisiert b)

2.2. Zweite HF-Stufe

Der Arbeitspunkt der zweiten HF-Stufe soll bei Uce = 6 V, Ic = 6 mA liegen. Damit ergibt sich ein Temperaturgang des Kollektorstroms der Originalschaltung nach Bild 3, Kurve a. Setzt man hier wieder eine zulässige Abweichung von ± 25 % voraus, so ergibt sich ein Arbeitsbereich zwischen +14,5 und +25,5 °C. Etwa bei 37 °C geht die Stufe in Sättigung, die Verstärkung und damit auch die Empfindlichkeit brechen zusammen. Durch Anwendung der Gleichstromgegenkopplung nach Bild 1c erhält man einen Kollektorstromverlauf nach Bild 3, Kurve b, und damit einen nutzbaren Temperaturbereich zwischen -30 und +70 °C!

Bild 3
Bild 3: Temperaturgang der 2.Stufe

2.3. Mischstufe

Da die Mischstufe so eingestellt werden soll, daß ohne Oszillatoransteuerung gerade einige mA fließen, jedoch mit Injektion einige mA, ist an dieser Stelle die Spannungsgegenkopplung nicht anwendbar. Durch eine zusätzliche Siliziumdiode (Bild 1d) läßt sich auch hier eine gute Stabilisierung des Kollektorstroms erreichen. Geeignet ist hier jede Kleinsignal-Siliziumdiode, wie BAW76, 1N914, 1N4148, um nur einige zu nennen. Sollte sich beim Einstellen des Arbeitspunktes der Mischstufe zeigen, daß die verwendete Diode eine zu geringe Flußspannung aufweist, der Mischtransistor also nicht zu öffnen ist, so kann ein kleiner Vor-widerstand RV eingeschaltet werden. Er hebt das Gleichspannungspotential weit genug an, verschlechtert allerdings auch die Temperaturkompensation merklich, wie dies die Kurven in Bild 4 zeigen.

Bild 4
Bild 4: Temperaturgang der Schaltung 1d

Trotzdem ist auch hier der Kollektorstrom weit weniger temperaturabhängig, als ohne jede Kompensation. Außerdem kommt dazu, daß ja die Mischstufe durch die Oszillatorspannung erst richtig durchgesteuert wird, so daß über den ganzen in Frage kommenden Bereich eine einwandfreie Funktion zu erwarten ist.

3. Zusammenfassung

Mit sehr geringem Mehraufwand lassen sich am 13-cm-Transistorkonverter von DC0DA, wie auch an ähnlichen derartigen Stufen, die Gleichstromarbeitspunkte der Transistoren so weit stabilisieren, daß auch bei stark schwankender Umgebungstemperatur die Einsatzfähigkeit gewährleistet ist. Sicher kann man aufwendigere Schaltungen angeben, die eine noch bessere Stabilisierung ermöglichen; der Sinn dieses Artikels war es aber zu zeigen, mit welch geringem Aufwand sich auch bei Transistorschaltungen mit direkt geerdetem Emitter eine befriedigende Arbeitspunktstabilisierung erreichen läßt.

Wie man aus Bild 3 in (1) sehr gut sehen kann, können die vorgeschlagenen Änderungen im Konverter von DC0DA ohne Schwierigkeiten und ohne Eingriff in die HF-Schaltung durchgeführt werden.

4. Literatur

  1. Dahms, J.: Konverter für das 13-cm-Band mit 2 Vorstufen und aktivem Mischer, UKW-Berichte 16 (1976), Heft 3, Seite 130 - 137

DJ4BG, Eckart Schmitzer.