Transistor als Verstärker

Zum Kopf

Bisher, z.B. im Praktikum Der Transistor, haben wir Transistoren hauptsächlich als Schalter verwendet. Heute werden Transistoren und insbesondere MOSFETs fast ausschließlich als Schalter eingesetzt - als Verstärker werden sie nur noch selten verwendet, meistens als Leistungsverstärker.

Verstärker

Ein Verstärker hat die Aufgabe,

eine Eingangsspannung oder einen Eingangsstrom am Ausgang verstärkt wiederzugeben,

und zwar so genau wie möglich, d. h. ohne Verzerrung.

Die Eingangsspannung soll um den Verstärkungsfaktor k verstärkt wiedergegeben werden:

U_aus = k * U_in

Dasselbe gilt für die Verstärkung des Stroms:

I_aus = k * I_in

Dieses bedeutet gleichzeitig, dass das Signal am Eingang am Ausgang mit einer höherer Leistung zur Verfügung steht.

Es gibt jedoch keinen linearen Verstärkungsfaktor, sondern oft wird die Leistung um k², also k*k verstärkt.

Bipolare Transistoren

Im Folgenden betrachten wir zunächst bipolare Transistoren.

Auf MOSFETs gehen wir später ein.

Transistor als Stromverstärker

Wir haben Transistoren als Schalter verwendet.

Dabei haben wir ausgenutzt, dass man mit einem kleinen Basisstrom einen großen Kollektorstrom steuern kann.

Eine Faustregel besagt, dass der Basisstrom I_b den 10-fachen Kollektorstrom I_c steuern kann.

In Bild 1 würde ein Widerstand R₁=10KΩ ausreichen, um die LED mit dem Vorwiderstand R₂=1kΩ zu schalten.

Einfacher Versuch

Ersetzen wir den Widerstand durch größere:

10kΩ	LED leuchtet
100kΩ	LED leuchtet
1MΩ	LED leuchtet schwächer

Offensichtlich kann ein Transistor mit einem wesentlich geringeren Basisstrom angesteuert werden. Der Faktor 10 ist nur üblich, wenn ein Transistor als Schalter verwendet wird.

Messung der Stromverstärkung

Hier untersuchen wir, wie die Ströme im Transistor zusammenhängen. Bei einem Bipolartransistor ist der Kollektorstrom ein Vielfaches des Basisstroms. Dieser Faktor h_FE wird als Stromverstärkung bezeichnet: I_c = h_FE * I_b. Für die Stromverstärkung ist neben dem h_FE noch das Formelzeichen B gebräuchlich.

Die Stromverstärkung ist ein typischer Parameter eines Transistortyps.

Transistoren sind erwartungsgemäß nicht perfekt. Die Stromverstärkung variiert mit dem Kollektorstrom. Auch innerhalb einer Charge eines Transistortyps gibt es erhebliche Schwankungen. Außerdem hängt die Stromverstärkung von der Temperatur des Transistors ab.

Mit der Schaltung in Bild 2 kann die Stromverstärkung eines Transistors bei einem bestimmten Kollektorstrom ermittel werden. Gemessen wird jedoch nicht die Stromverstärkung, sondern der Basisstrom bei einem bestimmten Kollektorstrom. Das Verhältnis von Kollektor- zu Basisstrom ist dann die Stromverstärkung. h_FE = I_c / I_b.

Bild 3: Typischer Verlauf der Stromverstärkung des BC337

Bild 3 zeigt, dass sich die Stromverstärkung eines BC337 mit dem Kollektorstrom I_c ändert. Dargestellt sind die typischen Kurven für drei Stromverstärkungsgruppen. Im Bereich bis I_c=30mA ist die Stromverstärkung in einer Stromverstärkungsgruppe relativ konstant. Bei einem anderen Hersteller (orange) ist dieses überhaupt nicht der Fall. Außerdem ist die Stromverstärkung temperaturabhängig (dünne gelbe und blaue Linien).

Mit anderen Worten: Wir müssen bei Transistoren mit stark schwankenden Stromverstärkungen rechnen. :-)

Hinzu kommt, dass die Stromverstärkung von Exemplar zu Exemplar, aber auch mit der Temperatur stark variiert.

Die BC337 werden in drei Stromverstärkungsgruppen geliefert:

Gruppe	minimal	typisch	maximal
BC337-16	100	160	250
BC337-25	160	250	400
BC337-40	250	400	630

Tabelle 1: Stromverstärkung des BC33/ bei I_c = 100mA

Fazit

Auf die Daten von Transistoren können wir uns nicht sehr verlassen.

Aber es gibt Schaltungen, die Transistoren dennoch in den Griff bekommen.

Transistor als Gleichspannungsverstärker

Ein Transistor verstärkt Ströme, der Kollektorstrom ist um den Stromverstärkungsfaktor größer als der Basisstrom.

Wir benötigen aber Spannungsverstärker.

Wir können Transistoren auch als Spannungsverstärker verwenden. Dazu müssen wir nur Ströme in Spannungen und Spannungen in Ströme umwandeln. Genau das machen Widerstände.

Wir schalten vor die Basis des Transistors einen Widerstand, an den wir eine Spannung legen und so einen Basisstrom erzeugen.

Den Kollektorstrom des Transistors wandeln wir über einen Widerstand in eine Spannung um.

Um den Emitterstrom in eine Spannung umzuwandeln, benötigen wir ebenfalls einen Widerstand.

Die folgende Schaltung fasst dieses zusammen.

Dir Emitterwiderstand R₄ von 500Ω in Bild 4 wird durch zwei parallel geschaltete Widerstände von 1KΩ gebildet. Dadurch ist der Emitterwiderstand halb eo groß wie der Kollektorwiderstand R₃.

Durch das Poti kann ein Strom I_b in den Transistor fließen. Dieser Basisstrom bewirkt, dass im Kollektor ein höherer Strom I_c fließt. Der Kollektorstrom fließt auch durch den Emitter. Der Emitterstrom ist dann I_e=I_c+I_b. In den meisten Fällen ist der Kollektorstrom viel größer, mehr als 100 mal größer als der Basisstrom. Aus Gründen der Einfachheit vernachlässigen wir den Basisstrom und setzen I_e=I_c .

Wir messen

die Spannung U_b an der Basis, das ist auch die Eingangsspannung U_i,

die Spannung am U_e am Emitter und

die Spannung U_c am Kollektor des Transistors.

Interessant sind außerdem

die Basis-Emitter-Spannung U_be und

die Spannung U₃ am Kollektorwiderstand R₃.

Diese beiden Spannungen können leicht berechnet werden:

U_be = U_b - U_e

U₃ = U_v - U_c

U_v ist die Versorgungsspannung von 5V.

Messen

Es wird empfohlen, die vorgeschlagenen Messungen durchzuführen. Es ist jedoch mit Abweichungen zu rechnen, da Transistoren stark voneinander abweichen können.

Die grafische Darstellung der Messergebnisse ist im Rezept Kennlinien aufnehmen und darstellen beschrieben.

Mit dem Poti werden verschiedene Eingangsspannungen U_i eingestellt und U_e und U_c gemessen. Die eingestellten Eingangsspannungen U_i müssen keine bestimmten Werte haben. Sie sollten jedoch gleichmäßig über den Bereich verteilt sein.

Es zeigt sich, dass Eingangsspannungen U_i größer als 2,8V nicht möglich sind.

U_i	U_e	U_c	U_be=U_i-U_e	U₃=U_v-U_c	U₃ / U_e
0.00	0.00	5.00	0.00	0.00
0.41	0.00	5.00	0.41	0.00
0.51	0.01	5.00	0.50	0.00
0.67	0.11	4.76	0.56	0.24	2.18
0.74	0.17	4.65	0.57	0.35	2.06
0.83	0.25	4.48	0.58	0.52	2.08
0.95	0.36	4.26	0.59	0.74	2.06
1.11	0.51	3.96	0.60	1.04	2.04
1.26	0.65	3.68	0.61	1.32	2.03
1.36	0.75	3.48	0.61	1.52	2.03
1.60	0.98	3.02	0.62	1.98	2.02
1.79	1.17	2.65	0.62	2.35	2.01
1.90	1.28	2.43	0.62	2.57	2.01
2.09	1.46	2.06	0.63	2.94	2.01
2.20	1.57	1.85	0.63	3.15	2.01
2.30	1.66	1.71	0.64	3.29	1.98
2.40	1.74	1.75	0.66	3.25	1.87
2.48	1.80	1.81	0.68	3.19	1.77

Tabelle 1: Messungen an der Transistorschaltung Bild 4

Die Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse der Messungen in den ersten drei Spalten. Die Basis-Emitter-Spannung U_be und die Spannung U₃ am Widerstand R₃ wurden berechnet.

Interessant ist das Verhältnis der Spannung an R₃ zur Emitterspannung U_e: U₃ / U_e. Die Spannung U₃ ist etwa doppelt so hoch wie die Eingangsspannung U_i.

Das Verhalten des Transistors lässt sich am besten beschreiben werden, wenn die Daten grafisch dargestellt werden.

Bild 5: Grafische Darstellung der Daten aus Tabelle 1

Unterhalb einer Eingangsspannung von 0,5V passiert nichts, da am Transistor eine Basis-Emitter-Spannung U_be von etwa 0,6V benötigt wird. Die Basis-Emitter-Spannung ist in Bild 5 blau dargestellt und beträgt bis zur Eingangsspannung U_i < 2,1V liegt zwischen 0,56 und 0,63V.

Die Emitterspannung U_e (violett) steigt über 0,6V linear (als gerade Linie) an.

Die Kollektorspannung U_c (grün) fällt zwischen 0,6V und 2,1 V linear ab. Entsprechend steigt die Spannung U₃ (orange) am Widerstand R₃ in diesem Bereich linear an.

Interessanterweise ist das Verhältnis U₃/U_e der Spannungen am Widerstand R₃ zur Emitterspannung U_e im Bereich von U_e 0,6V bis 2,1V immer 2 (gelb). Die Spannung U_e am Emitter wird gewissermaßen verstärkt.

Der Spannungsknick oberhalb von U_e=2,2V ist einfach zu erklären. Die Spannungen U_e und U_c am Emitter und am Kollektor des Transistors sind bis auf 0,1V gleich, d.h. zwischen Emitter und Kollektor liegt keine Spannung mehr. Der Transistor arbeitet als Schalter.

Im Bereich zwischen der Eingangsspannung von 0,6V und 2,1V sind die Kurven von U_e, U_c und U₃ linear. Dieses ist der Bereich, der für einen Verstärker genutzt werden kann.

Das Verhältnis U₃/U_e=2 zwischen den Spannungen am Widerstand R₃ und der Emitterspannung zeigt, dass eine Verstärkung möglich ist. U_e ist jedoch nicht die Eingangsspannung U_i, die um den konstanten Betrag der Basis-Emitter-Spannung U_be=0,6V höher ist.

Der Transistor als Verstärker

Der Transistor in Bild 4 arbeitet als einfacher Gleichspannungsverstärker.

Leider ist der Verstärker nicht perfekt.

Bei einem Verstärker interessieren die Ausgangsspannungen:

Die Spannung am Emitter und

die Spannung am Kollektor.

Diese Spannungen haben, wie Bild 5 zeigt, einen linearen Bereich.

Beim Emitter liegt der lineare Bereich zwischen 0,6V und 2,5V.

Beim Kollektor liegt der lineare Bereich zwischen 2V und 5V.

Diese linearen Bereiche könnten zur Verstärkung verwendet werden,

sie weisen jedoch Spannungsdifferenzen auf.

Die Spannungen an Emitter und Kollektor können nicht unmittelbar zur Verstärkung genutzt werden.

In folgenden Praktika werden wir untersuchen, wie diese Spannungsdifferenzen überwunden werden können:

mit einem Transistor als Wechselspannungsverstärker

oder einem Differenzverstärker.