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BIAS (Vorspannungserzeugung)

Übersetzt von www.ifwtech.co.uk/g3sek/tr-bias/tr-bias1.htm

1. Wozu braucht man BIAS?
2. Fehler beim Schaltungsentwurf
3. Zwei- Transistor- Ruhestrom-Schaltung
4. Schaltungsentwurf
5. Berechnung und Test

1. Warum BIAS?
Die Antwort ist, dass die Basisvorspannung eines bipolaren Transistors ungefähr 0.65V sein muss, damit ein kleiner Kollektorstrom fließt. Das ist wichtig für A- Betrieb (SSB). Dieses Problem gibt es bei FM und CW Betrieb nicht, da hier ein konstanter HF- Pegel an der Basis anliegt und den Transistor durchsteuert. Die Basis liegt hier über eine HF- Drossel an Masse (siehe Bild).

C- Betrieb


Diese Art Schaltung hat keinen Ruhestrom, ist nicht linear und darf nicht für SSB benutzt werden. Es ist eine Klasse "C" Schaltung. Für SSB Betrieb wäre das katastrophal und würde Unlinearität, Splatter und Intermodulation produzieren. Leise Modulationsanteile würden nicht übertragen, sondern nur starke Eingangssignale.
Fazit: Nie FM- Verstärker für SSB benutzen.
Für linearen Betreib ist es erforderlich, einen konstanten Ruhestrom einzustellen, damit Transistorstrom fließt bevor HF anliegt. Bei einem Transistor mit maximalem Kollektorstrom von 100 mA und einem Beta von 50 sollte der Strom mindestens 100 mA/Beta (50), also 2 mA sein. Die Ruhestromeinstellung sollte jedoch variabel sein, um auch für andere Transistoren mit anderen Werten einsetzbar zu sein.
2. Fehler beim Schaltungsentwurf
Bei einem Kollektorstrom von mehreren Ampere kann der Basisstrom einen Wert von mehreren 100 mA annehmen, die Ruhestromschaltung muss diesen Basisstrom zur Verfügung stellen. Die meisten Ruhestrom-Schaltungen tun dies nicht! Es ist sehr wichtig, dass die Ruhestromschaltung eine ziemlich konstante Ausgangspannung liefert, auch bei maximaler Ansteuerung. Ist dies nicht der Fall, wird der Verstärker bei HF- Spitzen in den "C" Betrieb abfallen (Splatter, Intermodulation). Eine andere Schwierigkeit ist, dass der Transistor bei Erwärmung einen höheren Kollektorstrom produziert und sich nach einiger Zeit verabschiedet. Dem muss die Ruhestromschaltung entgegenwirken. Die Lösungen zu diesem Problem ist zunächst ein großer Endstufen- Kühlkörper und eine BIAS- Schaltung , deren Ausgangsspannung bei Erwärmung abnimmt. Bild a) und b) zeigen 2 simple Schaltungen, die oft verwendet werden aber nicht sehr effizient sind.

BIAS mit Diode

BIAS mit Diode

Die Diode steht in thermischem Kontakt zum Leistungstransistor. Der einzustellende Strom über die Diode muss so ausgelegt sein, das er proportional zum maximal auftretenden Kollektorstrom ist, das heißt beispielsweise bei einem Leistungstransistor mit max. 14,5 A Kollektorstrom und einem Beta von 10 muss ein Strom von 1,45 A dauerhaft fließen. Die Ruhestromquelle liefert dauerhaft diesen Strom, der Vorwiderstand verheizt viel Leistung. Deshalb tendieren viele Anwender zu kleineren Ruheströmen , was zu Nichtlinearitäten bei max. Aussteuerung führt. Darüber hinaus wird der Leistungstransistor unnötig dauerhaft mit viel Basis-, bzw. Kollektorstrom betrieben.

Prinzip der BIAS Schaltung mit 2 Transistoren
2 Transistor Prinzip

In dieser Schaltung fließt durch TR1 ohne Ansteuerung Basis- und Kollektorstrom. Der RF- Rückwärts- Pfad geht über den Emitter von TR1 , Masse und die Ruhestromschaltung zur Basis TR1. Das bedeutet, dass die BIAS- Schaltung bei Vollaussteuerung den ganzen Basisstrom von TR1 liefern muss. Die BIAS- Schaltung stellt eine präzise, geregelte Spannung an der Basis von TR1 bereit. Die Spannung muss bei kleiner, sowie großer RF- Aussteuerung gleich sein. Der bei Erwärmung von TR1 größer werdende Kollektorstrom sollte durch die BIAS Schaltung ausgeregelt werden.

4. Hier die klassische zwei- Transistor- BIAS- Schaltung.

die 2 Transistor Schaltung

Sie funktioniert wie eine Standart- Spannungsregler- Schaltung.
Wenn die Ausgangsspannung fällt, versucht die Schaltung dies auszuregeln. Nimmt die Spannung VB (Basis- Spannung von TR1) ab, fließt durch TR2 weniger Strom, der Spannungsabfall an R1 nimmt ab, die Spannung an Kollektor TR2 und Basis von TR3 steigt. Durch TR3 fließt mehr Strom, VB steigt. Durch RV1 wird diese Regelschwelle eingestellt.
5. Berechnung und Test:
Wie groß ist der Kollektorstrom bei Vollaussteuerung?
100 W PA, UB 13,8 V, Wirkungsgrad von 50 %.
Leistungsaufnahme 200 W/ 13,8 V = IC 14,5 A.
Basisstrom bei Beta 10 = 14,5A/10 = 1,45 A.
TR3 muss also einen max. Strom von 1,45 A liefern können.
Berechnung von R2
Die Basisspannung von TR1 sollte 0,65V sein, was der Emitter- Spannung von TR3 entspricht, demzufolge sollte die Basisspannung von TR3 um nochmals 0,65 V höher sein (VB + 1,3 V). R2 begrenzt den Strom, wenn TR3 voll durchgeschaltet ist, die Kollektor/ Emitterspannung ist dann ca. 1V, der Spannungsabfall an R2 (13,8V- 1V) 12,8 V. R2 = 12,8V/ 1,45A = 8,82 Ohm und müsste an Leistung (12,8V x 1,45A) 18,56 W (gewählt 20 W Widerstand) können.
Andere Bauteile
Der Basisstrom für TR3 fließt über R1, sowie der Kollektorstrom für TR2. TR2 und TR3 sollten gleich sein, eine gute Auswahl wäre etwa der TIP41A (6A/65 W). Das Gehäuse ist TO- 220 und passt gut unter die Platine auf den Kühlkörper als Temperatursensor. TR2 ist der Temperatursensor.
Dar TIP41A hat einen typisches Beta von 50, das heißt, bei einem Kollektorstrom von 1,45 A beträgt der Basisstrom von TR3 1,45A/50 = 30 mA.
R1 berechnet sich also folgendermaßen: (13,8V-1,4V)/0,030 A = 413 Ohm. Gewählt wird ein Standartwert von 390 Ohm. Die Leistung des Widerstandes ist (13,8V-1,4V) x 0,030 A = 0,372 W, gewählt wird ein 0,5 Watt Typ. Der Strom durch TR2 ist vernachlässigbar.
R3 ist gewählt, so dass durch TR3 ein Minimum von Strom fließt, ca. 25mA, um die Schaltung zu stabilisieren. Der Wert wird aus der Basisvorspannung TR1 (0,65 V)/ 25 mA berechnet und ergibt 26 Ohm, gewählt wird ein Standartwert von 27 Ohm. Die Leistung des Widerstandes könnte sehr klein sein (0,65V x 0,025 A = 17mW), gewählt wird jedoch ein 1W Typ aus folgendem Grund:
Hat die BIAS- Schaltung einen Fehler und würde keine Vorspannung liefern, würde TR1 in den C- Betrieb gehen und den gesamten Basisstrom über R 3 ziehen. Brennt dieser dann auch noch durch, verabschiedet sich auch TR1 (teures Hobby !!).
Zum Schluss noch die Widerstände R4 und RV1, die den Ruhestrom bestimmen. R4 ist ein Sicherheitswiderstand, falls der Trimmer RV1 Kontaktschwierigkeiten hätte und der Ruhestrom dann hoch laufen würde. Für beide Widerstände wählt man 1 W Typen.
C1, C2, C3 verhindern HF- Einstrahlung.

Konstruktion
Mechanik

TR2 arbeitet als Temperatursensor und sollte in der Nähe von TR1 auf den Kühlkörper montiert werden (Glimmerscheibe und Isoliernippel nicht vergessen).
Test
Testen Sie die Schaltung vorsichtig, anstelle von TR1 einen billigen NF- Leistungstransistor probeweise einsetzen. (TR1 ist sehr teuer!!)
R3 ist eingebaut (wichtig), dann kontrollieren, ob sich die Basisvorspannung von TR1 zwischen 0,6V und 0,75 V variieren lässt und ein Kollektorstrom von ca. 100 mA fließt.
Heizen Sie den Kühlkörper mit einem Heißluftgebläse auf und beobachten Sie den Kollektorstrom, der Strom sollte konstant bleiben.
Ist dieser Test zufrieden stellend, können Sie den Originaltransistor TR1 einbauen und weitere Tests durchführen. Arbeitet der Verstärker korrekt, kontrollieren Sie, ob die BIAS- Schaltung unter max. Ansteuerung genug Strom liefert, die Basisspannung von TR1 sollte konstant sein (Messung mit Analoginstrument am kalten Ende der HF- Drossel).Sollte dies nicht der Fall sein, kann R2 minimal zu niedrigeren Werten hin korrigiert werden, jedoch Vorsicht, nicht zu klein wählen, damit es nicht zu unnötiger Gefährdung von TR1 kommt. Für RV1 einen guten, zuverlässigen Trimmer wählen, eventuell R4 etwas variieren.

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