Schaltungsvarianten von Wechselspannungsverstärkern
Im Praktikum Arbeitspunkt eines Transistorverstärkers haben wir uns mit der Arbeitspunkteinstellung eines Transistorverstärkers beschäftigt. Wir haben drei Schaltungsvarianten zur Einstellung des Arbeitspunktes bei Gleichspannung untersucht. Nun soll das Wechselspannungsverhalten dieser Schaltungsvarianten näher betrachtet werden.
Das Wechselspannungsverhalten untersuchen wir bezüglich der verarbeiteten Wechselspannungen:
- Wie hoch ist die Verstärkung und
- welche Wechselspannungen können höchstens verarbeitet werden.
Um die drei Schaltungsvarianten besser vergleichen zu können, gehen wir von ähnlichen Schaltungen aus:
- Ein BC337 mit einer mittleren Stromverstärkung von 300,
- einer Versorgungsspannung von 5V,
- einem Arbeitspunkt bei 2,6V und
- einem Kollektorwiderstand von 1kΩ.
Dieses Praktikum soll uns helfen, Transistorverstärker intuitiv zu verstehen.
Wir wollen keine Transistorverstärker entwickeln, sondern ihre Funktionsweise begreifen.
Deshalb führen wir Messungen an verschiedenen Verstärkerschaltungen durch.
Im Folgenden betrachten wir das Verhalten der drei Schaltungsvarianten bei sinusförmiger Eingangsspannung.
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Wir prüfen, ob der Arbeitspunkt für Gleichstrom eingehalten wird.
Abweichungen ergeben sich, weil der verwendete Transistor nicht genau die angenommene Stromverstärkung hFE=300 hat und die Widerstände nicht genau den berechneten Werten entsprechen, da sie der E24-Reihe entnommen sind.
- Wir ermitteln die Verstärkung der Wechselspannung V = Uaus~ / Uin~
- und die Auswirkung zu hoher Eingangsspannungen.
Transistor mit Basiswiderstand
- Der Basiswiderstand liegt unmittelbar zwischen der Stromversorgung und der Basis.
Der Arbeitspunkt von Uc = 2,6V wird mit 2,54V gut eingehalten.
Uein~ = 20mVss, Uaus~ = 1,6Vss
V = Uaus~ / Uin~ = 80
Bei 60mVss Eingangsspannung ergeben sich Verzerrungen am Ausgang.
Transistorverstärker mit Kollektor-Basis-Widerstand
Der Arbeitspunkt von Uc = 2,6V wird mit 2,51V gut eingehalten.
Uein~ = 20mVss, Uaus~ = 1,6Vss
V = Uaus~ / Uin~ = 80
Bei 60mVss Eingangsspannung ergeben sich Verzerrungen am Ausgang.
Transistorverstärker mit Emitterwiderstand
- Der Arbeitspunkt liegt wegen der Spannung am Emitterwiderstand etwas höher als 2,6V.
Der Arbeitspunkt von Uc = 3,3V wird mit 3,28V gut eingehalten.
Uein~ = 1Vss, Uaus~ = 2,1Vss
V = Uaus~ / Uin~ = 2,1
Bei 2VVss Eingangsspannung ergeben sich Verzerrungen am Ausgang.
Die Verstärkung für den Verstärker mit Basiswiderstand von der Stromversorgung und mit Kollektor-Basis-Widerstand ist gleich, nämlich 80.
Der Transistorverstärker mit Emitterwiderstand hat eine geringe Verstärkung von 2,1. Diese Verstärkung entspricht dem Verhältnis zwischen Kollektor und Emitterwiderstand:
V = RC / RE = 1kΩ / 470Ω ≈ 2,1
Wir können den Emitterwiderstand für Wechselstrom durch einen Kondensator überbrücken.
Transistorverstärker mit Emitterkondensator
- Für Wechselstrom wird ein Widerstand über einen Kondensator parallel zum Emitterwiderstand gelegt.
Uein~ = 20mVss, Uaus~ = 1,6Vss
V = Uaus~ / Uin~ = 80
Bei 60mVss Eingangsspannung ergeben sich Verzerrungen am Ausgang.
Fazit
Bei der Schaltungsvariante mit Emitterwiderstand entspricht die Verstärkung dem Verhältnis von Kollektor- zu Emitterwiderstand:
V = Uaus~ / Uin~ = RC / RE
Wird der Emitterwiderstand durch einen Kondensator überbrückt ergibt sich die gleiche Verstärkung wie bei den beiden anderen Schaltungsvarianten, nämlich 80.
Dieses ist offensichtlich die höchste erreichbare Verstärkung.
Es gibt eine einfache Faustformel, mit der die Verstärkung eines Transistors berechnet werden kann:
V = Uaus~ / Uin~ = RC * IC / 26mV
In unseren Schaltungen haben wir einen Kollektorstrom IC=2,4mA und einen Kollektorwiderstand von RC = R3 = 1kΩ, also
V = Uaus~ / Uin~ = RC * IC / 26mV = 1kΩ * 2,4mA / 26mV = 92.
Für Schaltung mit Emitterwiderstand ist IC=1,7mA:
V = Uaus~ / Uin~ = RC * IC / 26mV = 1kΩ * 1,7mA / 26mV = 65.
Mit der Faustformel liegen wir nicht weit von den tatsächlichen Werten für die Verstärkung entfernt.
Die mit der Faustformel berechnete Verstärkung gilt für alle Transistoren.
Sie bestimmt die maximal erreichbare Verstärkung. Die reale Verstärkung ist geringer.
Transistorverstärker mit Emitterwiderstand
Bei Transistorverstärkern wird am häufigsten die Schaltung mit Emitterwiderstand und Basisspannungsteiler verwendet. Sie gewährleistet den stabilsten Arbeitspunkt in Bezug auf Temperatur und Transistorparameter.
Sie ermöglicht auch die Einstellung der Wechselspannungsverstärkung über den Emitter- und Kollektorwiderstand.
Ein kleiner Emitterwiderstand erlaubt eine hohe Wechselspannungsverstärkung, verringert aber die Stabilität des Arbeitspunkts.
Es gibt eine einfache Möglichkeit beides, hohe Verstärkung und gute Stabilität des Arbeitspunkts miteinander zu verbinden:
Wir verwenden einen relativ großen Emitterwiderstand für die Einstellung des Arbeitspunkts und schalten dazu einem Widerstand über einen Kondensator parallel.
Mit dem Widerstand R5 kann die Verstärkung des Transistorverstärkers in Bild 13 eingestellt werden. Wir müssen allerdings beachten, dass die Widerstände R4 und R5 parallel geschaltet sind.
Die Verstärkung ist dann
V = RC / ( R4 || R5 )
In Bild 13 ist V = 1kΩ / ( 470Ω || 100Ω ) = 1kΩ / 82Ω = 12.
Die Verstärkung von 12 ist deutlich kleiner als die 65 nach der Faustregel. Damit sind wir auf der richtigen Seite.
Wir sollten uns noch überlegen, was passiert, wenn wir den Ausgang des Verstärkers über einen Koppelkondensator mit einem Widerstand RL belasten. Dann ist der Kollektorwiderstand R3 für Wechselstrom parallel geschaltet. Effektiv wirkt dann (R3 || RL) auf die Verstärkung.
Angenommen der Lastwiderstand RL ist gleich groß wie der Kollektorwiderstand R3. Dann wirken für die Verstärkung nur 1kΩ || 1kΩ = 500Ω, also der halbe Wert.
Die Verstärkung ist dann nur noch halb so groß wie ohne Last.
Wir gehen hier nicht auf die Berechnung der Widerstände für die Einstellung des Arbeitspunkts ein.
- Bei einem Operationsverstärker ist dieses nicht nötig und die Einstellung der Verstärkung ist einfacher.
Regeln
- Ein Transistorverstärker mit einem Emitterwiderstand RE, einem Kollektorwiderstand RC und einem Basisspannungsteiler (Bild 13) eignet sich am bestem für einen stabilen Arbeitspunkt.
- Dem Emitterwiderstand RE kann über einen Kondensator ein Widerstand R5 parallel geschaltet werden.
- Der wirksame Emitterwiderstand ist dann re = RE || R5.
- Ein Lastwiderstand RL wird über einen Kondensator parallel zum Kollektorwiderstand RC geschaltet.
- Der wirksame Kollektorwiderstand ist dann rc = RC || RL.
- Die Wechselspannungsverstärkung wird durch das Verhältnis von wirksamem Kollektor- zu wirksamem Emitterwiderstand bestimmt: V = rc / re.
- Die höchste Verstärkung eines Transistorverstärkers wird durch die Faustformel rc * IC / 26mV beschrieben.
- IC ist der Gleichstrom im Kollektor.