Kleinsignal-Ersatzschaltbild (ESB)
Einleitung
Beim Ersatzschaltbild wird mithilfe anderer Bauelemente versucht die Funktion des Bipolartransistors nachzubauen umso dessen Verhalten einfacher verstehen und berechnen zu können.
Das Kleinsignal Ersatzschaltbild versucht namensgebend das Verhalten des Bipolartransistors bei Kleinsignalansteuerung nachzubilden bzw. zu beschreiben.
⇨ Grundlagen des Bipolartransistor
Aufbau
Wie unten im Bild gezeigt, besitzt das Ersatzschaltbild 4 Anschlüsse.
– Basis
– Kollektor
– Und zweimal Emitter
Das Ersatzschaltbild kann in 2 Teilen betrachtet werden.
Links ist der Basis-Emitter-Widerstand zu sehen. Durch diesen fließt der Basisstrom IB.
Auf der rechten Seite ist eine Stromquelle dargestellt. Durch diese fließt ein Strom iT welcher dem Basisstrom multipliziert mit dem Verstärkungsfaktor entspricht.
Parallel zur Stromquelle liegt ein Widerstand welcher den Kollektor-Emitter-Widerstand darstellt.
Erklärung
Die Idee der Stromquelle liegt darin das Verhalten welches der Bipolartransistor aufweist, mithilfe anderer Bauelemente, nachzubauen.
Vom Bipolartransistor wissen wir folgendes:
In die Basis fließt ein Strom. Dieser Strom fließt verstärkt durch den Kollektor.
Genau dieses Verhalten weißt auch das Ersatzschaltbild auf.
Links fließt einfach der Basisstrom. Definiert ist dieser durch die angelegte Spannung und den Basiswiderstand (I = U/R)
Rechts erzeugt die Stromquelle einen Strom welcher dem vielfachen des Basisstrom entspricht (iT).
Entsprechend ergibt sich der Kollektorstrom ic durch die Summe aus Stromquellenstrom (iT) und Strom durch den Widerstand rce.
Was bedeutet Kleinsignal?
Dieses Ersatzschaltbild wirkt nur bei einer Kleinsignalansteuerung.
Konkret bedeutet das Folgendes:
Das Kleinsignalersatzschaltbild gilt nur wenn das Eingangssignal (AC) eine kleine Amplitude aufweist.
„Klein“ ist natürlich ein relativer Begriff (nicht eindeutig).
Die Kennlinie eines Bipolartransistors ist nicht linear.
Steuert man allerdings den Bipolartransistor mit einem kleinen Signal an, kann die Kennlinie in diesem Bereich als linear angenommen werden.
Berechnung
Kollektorstrom:
Basisstrom:
Steilheit:
Eingangsleitwert:
Erweitertes Kleinsignal-Ersatzschaltbild
Im oben gezeigten einfachen Kleinsignal-Ersatzschaltbild werden die parasitären Kapazitäten des Bipolartransistors vernachlässigt. Im erweiterten werden diese mitberücksichtigt. Dies ist besonders für eine Analyse des Frequenzverhaltens des Bipolartransistors wichtig.
Berechnung
Kapazität des Basis-Emitter-Übergang:
Transitzeit:
Sperrschichtkapazität: