Transistorgrundschaltungen
In den beiden Praktika Transistor als Wechselspannungsverstärker und Schaltungsvarianten von Wechselspannungsverstärkern haben wir das Verhalten von Wechselspannungsverstärkern mit Transistoren betrachtet.
- Wir haben fast ausschließlich Verstärker untersucht, bei denen die Basis als Eingang und der Kollektor als Ausgang dienen.
- Eine weitere Variante haben wir indirekt, aber nicht explizit mit behandelt, nämlich die mit der Basis als Eingang und dem Emitter als Ausgang.
- Im Prinzip bleibt noch eine dritte Variante mit dem Emitter als Eingang und dem Kollektor als Ausgang.
Diese drei grundsätzlichen Verstärkerschaltungen werden
- Emitterschaltung,
- Kollektorschaltung und
- Basisschaltung genannt.
Hier werden nur Wechselspannungsverstärker betrachtet.
Die Grundschaltungen gelten natürlich auch für Gleichspannungsverstärker.
Prinzipschaltung
Wir gehen von der Transistorschaltung aus, die sich hinsichtlich der Arbeitspunkteinstellung als optimal erwiesen hat.
Wir untersuchen Transistorverstärker hinsichtlich ihres Verhaltens bei Wechselstrom und schließen an die drei Anschlüsse des Transistors Kondensatoren an, um Wechselspannungen ein- und auskoppeln zu können.
Emitterschaltung
Bei den Transistorverstärkern haben wir immer eine Spannung an die Basis des Transistors gelegt und die Ausgangsspannung am Kollektor gemessen. Außerdem haben wir untersucht, wie sich ein Widerstand hinter dem Kondensator C3 gegen Masse auf die Verstärkung auswirkt. Interessanterweise wurde die höchste Verstärkung erreicht, wenn der Wechselstrom am Emitter über den Kondensator C3 kurzgeschlossen wurde.
Der Emitterwiderstand ist wirksam.
Die Verstärkung ist V = - Uc / Ub = - 2,1 Vss / 1Vss = -2,1.
Der Emitterwiderstand ist über einen Kondensator an Masse gelegt.
Die Verstärkung ist V = - Uc / Ub = - 700mVss / 11mV ~ -63.
Bei einer Emitterschaltung im eigentlichen Sinne liegt der Emitter für Wechselstrom über einen Kondensator an Masse.
Ist ein Widerstand Rg über den Kondensator parallel zum Widerstand R4 geschaltet, so liegt er für Wechselstrom parallel. Es wirkt der effektive Emitterwiderstand Re = Rg || R4. Dieser Widerstand Re bewirkt eine sogenannte Stromgegenkopplung und die Verstärkung ist V = - RC / Re = - R3 / Re. Das Minuszeichen bedeutet, dass die Spannung am Kollektor invertiert ist.
Wenn der Widerstand R4 für Wechselstrom kurzgeschlossen ist, wäre Re = 0 und die Verstärkung sehr (unendlich) hoch. Das ist jedoch nicht der Fall, da die Verstärkung gemäß Bild 3 nur -63 beträgt.
Nach einer Faustformel ist die maximal mögliche Verstärkung
Vmax = - Uc / Ub = - R3 * IC / 26mV.
Dabei ist IC der Gleichstrom im Kollektor im Arbeitspunkt.
In der Schaltung in Bild 1 fließt ein Kollektorstrom von 1,7mA und somit ist die maximale Verstärkung Vmax = - R3 * IC / 26mV = - 1kΩ * 1,7mA / 26mV ~ -65. Wir haben in Bild 3 V=-63 gemessen.
Dieser Wert 26mV / IC wirkt als Gegenkopplungswiderstand.
Das ist der interne Emitterwiderstand Rei = 26mV / IC.
In der Schaltung in Bild 1 ist der interne Widerstand Rei = 26mV / IC. = 26mV / 1.7mA ~ 15Ω.
Am Ausgang eines Verstärkers in Emitterschaltung liegt zunächst der Widerstand R3. Der Transistor wirkt am Kollektor wie eine Stromquelle. Wenn parallel zum Widerstand R3 über den Kondensator ein Lastwiderstand RL an Masse angeschlossen wird, wirkt er parallel zu R3: Rc = R3 || RL. Die Verstärkung des Transistors ist damit V = - Rc / Re. Die Verstärkung und damit die Ausgangsspannung sinkt, wenn der Ausgang belastet wird.
Für eine Emitterschaltung gilt:
- Die Verstärkung ist V = (R3 || RL) / (R4 || Rg)
- RL ist der Lastwiderstand RL hinter C3 nach Masse.
- Rg ist ein Widerstand hinter C3 nach Masse.
- Die Verstärkung hängt (stark) vom Lastwiderstand RL ab.
- Die maximale Verstärkung Vmax = - R3 * IC / 26mV.
- Dann wird der Emitter für Wechselstrom über dem Kondensator C3 kurzgeschlossen.
- IC ist der Kollektorstrom im Arbeitspunkt.
- Ein Transistor hat einen internen Emitterwiderstand Rei = 26mV / IC.
Kollektorschaltung
Wir verwenden die Basis als Eingang und den Emitter als Ausgang.
Die Wechselspannung an Basis und Emitter gleich und die Verstärkung V = Ue / Ub = 1, obwohl der Emitter mit 1kΩ belastet ist.
Die Wechselspannung am Emitter wird bei hoher Belastung, hier mit 470Ω, nach unten begrenzt.
Die Verstärkung in der Kollektorschaltung liegt bei 1.
Der Kollektorwiderstand ist überflüssig, sogar störend und kann entfallen.
- Damit liegt der Kollektor für Wechselstrom über die Stromversorgung auf Masse.
- Die Gleichspannung am Emitterwiderstand R4 wird am besten auf die halbe Betriebsspannung eingestellt.
- Der Spannungsteiler an der Basis wird einfach auf die halbe Betriebsspannung eingestellt.
- Dadurch wird die Begrenzung der Ausgangsspannung verringert.
Grundsätzlich hat die Emitterschaltung einen geringen Ausgangswiderstand. Er entspricht dem internen Emitterwiderstand Rei = 26mV / IC.
Meistens wird ein Transistorverstärker in Kollektorschaltung als Emitterfolger bezeichnet.
Basisschaltung
Die beiden ersten Schaltungen leuchten sofort ein. Ein Verstärker mit dem Emitter als Eingang und dem Kollektor als Ausgang erscheint dagegen suspekt. Sie wird als Basisschaltung bezeichnet.
Wir untersuchen, was passiert, wenn wir eine Wechselspannung über den Kondensator C3 an den Emitter des Transistors und den Widerstand R4 legen. Wir messen einfach die Spannungen am Emitter, an der Basis und am Kollektor.
Der Emitter ist der Eingang und der Kollektor der Ausgang.
Die Ausgangsspannung am Kollektor ist tatsächlich verstärkt: V = 1,6Vss / 120mVss ~ 13.
Der Emitter ist der Eingang und der Kollektor der Ausgang. Die Spannung an der Basis wird zum Vergleich gemessen.
Die Ausgangsspannung an der Basis ist etwas kleiner als die Eingangsspannung am Emitter.
Die Basisschaltung liefert auch an der Basis eine Spannung. Sie ist etwas kleiner ist als die Eingangsspannung am Emitter. Eigentlich stört diese Spannung. Wir versuchen, sie mit einem Kondensator kurzzuschließen.
Die Verstärkung ist V = 650mV / 8mV ~ 81.
Wie bei der Emitter- und Kollektorschaltung sollte auch bei der Basisschaltung der Anschluss, der der Schaltung den Namen gibt für Wechselstrom an Masse gelegt werden.
Dann ergibt sich für die Basisschaltung eine hohe Verstärkung.
Die Verstärkung ist nach einer Faustformel Vmax = R3 * IC / 26mV.
Die Basisschaltung kann nur kleine Eingangsspannungen von wenigen mV verarbeiten. Sie hat einen geringen Eingangswiderstand, die dem internen Emitterwiderstand entspricht: Rei = 26mV / IC.
Zusammenfassung
Die Verstärkung, genauer die Spannungsverstärkung ist das Verhältnis der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung eines Verstärkers V = Uout / Uin.
Emitterschaltung
- Eingang Basis
- Ausgang Kollektor
- Ein Transistorverstärker in Emitterschaltung ist ein invertierender Verstärker.
- Emitter kann für Wechselstrom über einen Kondensator mit Masse verbunden werden (Rg=0).
- Die Verstärkung ist dann maximal Vmax = - Rc * IC / 26mV
- Rc ist der effektive Kollektorwiderstand Rc = RC || RL
- IC ist der Gleichstrom im Arbeitspunkt, RC der Kollektorwiderstand und RL die Last
- Zwischen Emitter und Masse kann über einen Kondensator ein Widerstand Rg zur Stromgegenkopplung gelegt werden.
- Dann gilt V = - Rc / Re
- Re ist der effektive Emitterwiderstand Re = RE || Rg.
- Die Emitterschaltung hat eine relativ hohe Verstärkung (bei hoher Betriebsspannung).
- Die Emitterschaltung wird häufig verwendet.
Kollektorschaltung oder Emitterfolger
- Eingang Basis
- Ausgang Emitter
- Der Emitterfolger hat eine Verstärkung von 1.
- Er kann relativ große Lasten treiben.
- Beim Emitterfolger sollte die Basis- oder Emitterspannung die Hälfte der Betriebsspannung betragen.
- Kollektor ist unmittelbar mit der Betriebsspannung verbunden und liegt daher für Wechselstrom an Masse.
- Die Kollektorschaltung wird häufig verwendet.
Basisschaltung
- Eingang Emitter
- Ausgang Kollektor
- Die Basis liegt über einen Kondensator für Wechselstrom an Masse.
- Die Basisschaltung hat eine Verstärkung von maximal Vmax = - Rc * IC / 26mV.
- Rc ist der effektive Kollektorwiderstand Rc = RC || RL
- IC ist der Gleichstrom im Arbeitspunkt, RC der Kollektorwiderstand und RL die Last
- Die Basisschaltung kann nur sehr kleine Spannungen unter 10mV verarbeiten.
- Die Basisschaltung wird selten verwendet.