vorläufiges Skript zur Vorlesung ES1 - Elektrotechnik

Skript zur Vorlesung ES1, Fassung vom 9.Mai 2006, Prof.Dr.Arnold, FB1, FH-Ge 25
3 Schaltungen mit gesteuerten Quellen
In diesem Abschnitt wird untersucht, welche Auswirkungen der Einbau einer gesteuerten Quelle
in eine elektronische Schaltung hat. Es können dabei Phänomene auftreten, die man in Schaltungen
ohne geteuerte Quellen so nicht beobachtet. So kann es passieren, dass die Schaltung
instabil wird, was ohne gesteuerte Quelle nicht möglich ist.
Aktive Bauelemente, wie bipolare Transistoren, Felde¤ekt-Transistoren, Operationsverstärkerschaltungen
etc. können erst durch das Konzept der gesteuerten Quelle verstanden werden.
3.1 Kopplung
Setzt man eine gesteuerte Quelle in einer elektronischen Schaltung ein, so tritt ein Phänomen
auf, das man bei rein passiven Schaltungen nicht beobachtet, die Schaltung kann instabil 4
werden. Stabilität und Instabilität einer Schaltung hängen von der Art und Weise ab, wie die
gesteuerten Quellen gekoppelt sind. Was versteht man unter Kopplung?
De…nition 3 Unter Kopplung versteht man die Art und Weise wie der Ausgang einer gesteuerten
Quelle auf den eigenen Steuereingang zurückwirkt.
Demnach ist die Kopplung keine Eigenschaft der gesteuerten Quelle, denn sie entsteht ja erst
durch die Schaltung, in die die Quelle eingebunden ist.
Die Rückwirkung - auch Rückkopplung genannt - auf den eigenen Steuereingang aufgrund der
äußeren Beschaltung der Quelle kann phasengleich oder gegenphasig erfolgen 5 . Im ersten Fall
spricht man von Mitkopplung, im zweiten von Gegenkopplung. Folgendes Verfahren erlaubt zu
entscheiden, um welche Kopplung es sich handelt.
3.1.1 Verfahren zur Bestimmung der Kopplung
Anhand einer spannungsgesteuerten Spannungsquelle wird im folgenden erläutert, wie man die
Kopplung einer gesteuerten Quelle in einer Schaltung bestimmt. Die Kopplung anderer gesteuerter
Quellen wird nach dem gleichen Vorgehen ermittelt, indem die Spannungsverstärkung e
durch die Transkonduktanz g, die Transimpedanz h bzw. die Stromverstärkung f ersetzt wird.
Man geht wie folgt vor:
(1) Konstante Quellen in einer Schaltung sind zur Bestimmung der Kopplung von gesteuerten
Quellen unerheblich und können abgeschaltet werden. Dies vereinfacht die Berechnung z.T. ganz
erheblich.
(2) Der gesteuerte Ausgang der Quelle wird ersetzt durch eine einstellbare, unabhängige Testquelle,
wobei die Steuerspannung Ust durch eine frei einstellbare Testspannung UT est ersetzt
wird. Die folgende Abbildung zeigt, was zu tun ist.
4 Spannungen- bzw. Ströme der Schaltung streben gegen Grenzwerte - in der regel unendlich - und verhalten
sich nicht mehr linear. Ein bedeutendes Anwendungsfeld der Elektronik beruht auf den Eigenschaften instabiler
Schaltungen: die Digital- und Speichertechnik.
5 Die Einteilung in gleichphasig (Mitkopplung) und gegenphasig (Gegenkopplung) ist zwar für ein erstes Verständnis
sehr hilfreich, greift aber zu kurz. Eine tiefgreifendere Erklärung ist erst im Kapitel über frequenzabhängige
Schaltungen möglich.