Transistor als Wechselspannungsverstärker
In diesem Praktikum werden wir keine exakten Fakten erarbeiten, sondern eine intuitive Einschätzung des Verhaltens von Transistorverstärkern entwickeln.
Im Praktikum der Transistor als Verstärker haben wir anhand der Schaltung
untersucht, wie Spannungen verstärkt werden können. Die Spannungen an Emitter und Kollektor können aber nicht unmittelbar zur Verstärkung verwendet werden, da zwischen ihnen und der Basis eine Spannungsdifferenz besteht.
Mit der Schaltung in Bild 1 kann eine Wechselspannung verstärkt werden, die an die Basis des Transistor einkoppelt wird.
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Wie Wechselspannungen gekoppelt werden, haben wir im Praktikum
Ein- und Auskoppeln von Wechselspannungen
untersucht: einfach über einen Kondensator.
Wir haben zwei Möglichkeiten eine Wechselspannung am Transistor auszukoppeln: am Emitter und am Kollektor.
Die Schaltung in Bild 2 entspricht der Schaltung in Bild 1, erweitert um die drei Kondensatoren C1 für die Basis, C2 für den Emitter und C3 für den Kollektor.
Um den Verstärkungseffekt zu untersuchen, wird eine Sinusspannung verwendet. Diese wird von einem Sinusgenerator erzeugt und kann mit einem Potentiometer eingestellt werden.
Eine Sinusspannung wird verwendet, weil damit Fehler und Grenzen des Verstärkers besser erkannt werden können als mit einer Rechteckspannung.
- Sinusgeneratoren werden in Sinus erzeugen vorgestellt.
- Eine Frequenz von 700Hz ist gut geeignet, da sie keine großen Kondensatoren erfordert und auch mit einfachen Oszilloskopen dargestellt werden kann.
Die Widerstände R5 und R6 deuten an, wie die Ausgänge des Verstärkers belastet werden können.
Im Folgenden untersuchen wir das Verhalten des Transistors bei verschiedenen Eingangsspannungen. Besonders interessieren uns die Ausgangsspannungen an Emitter und Kollektor.
- Wir können die Wirkung des Transistors gut beurteilen, wenn wir die Spannung an der Basis mit der Spannung am Ausgang vergleichen.
- Die Grenzen eines Transistorverstärkers lassen sich am besten verstehen, wenn wir die Spannungen mit ihrem Gleichspannungsanteil betrachten.
- Außerdem untersuchen wir, was passiert, wenn am Ausgang eine Last, ein Widerstand, angeschlossen wird.
Wenn wir Bild 5 in der Transistor als Verstärker betrachten, so ist es am günstigsten, an der Basis eine Spannung von 1,3V einzustellen.
Die Gleichspannung an der Basis wird mit dem Poti R2 auf 1,3V eingestellt.
Wie genau messen?
Wir messen hier an einem Verstärker mit einem Transistor, dessen Daten sehr ungenau sind. Abweichungen von 1 bis 2 sind normal.
Um das Verhalten des Transistorverstärkers beurteilen zu können, brauchen wir nicht übertrieben pingelig zu sein.
- Wir akzeptieren Abweichungen von 10% oder 20%.
Messung der Wechselspannungen
Zuerst untersuchen wir, wie sich die Transistorschaltung verhält, wenn wir am Eingang, d.h. an der Basis, eine Wechselspannung anlegen. Wir messen die Wechselspannung am Emitter und am Kollektor und vergleichen sie mit der Spannung an der Basis.
Die Wechselspannungen müssen durch Kondensatoren entkoppelt werden. Die Basisspannung wird vor C1, die Emitterspannung hinter C2 und die Kollektorspannung hinter C3 gemessen.
Die Spannungen werden mit einem Oszilloskop gemessen. Die Oszillogramme zeigen immer die Basisspannung auf Kanal 1 in gelb. Auf dem Kanal 2 (blau) wird die Emitter- bzw. Kollektorspannung dargestellt.
- Beim Vergleich der Oszillogramme ist die Skalierung der Spannungen zu beachten.
Wir messen mit einer Wechselspannung von 1Vss an der Basis. Die Spannung wird mit dem Poti R3 eingestellt.
Die Skalierung beträgt 200mV pro Teil.
Die Basis- und Emitterspannung sind nahezu identisch.
Die Skalierung ist 500mvV pro Teil.
Die Basis- und Kollektorspannungen sind entgegengesetzt, invertiert. Die Kollektorspannung ist etwa doppelt so hoch wie die Basisspannung.
Der Transistorverstärker liefert am Emitter die gleiche Wechselspannung wie an der Basis. Der Verstärkungsfaktor zwischen Basis und Emitter ist V=1.
Die Wechselspannung am Kollektor ist doppelt so hoch wie an der Basis, aber invertiert. Die Verstärkung zwischen Basis und Emitter ist V=-2.
Der Faktor 2 entspricht dem Verhältnis des Kollektorwiderstands R3 zum Emitterwiderstand R4: R3/R4=1kΩ/470Ω=2,1, also fast genau 
2. Das Minuszeichen beschreibt, dass die Basis- und Kollektorspannung invertiert sind.
Messung der Mischspannungen
Um das Verhalten des Transistorverstärkers zu verstehen, untersuchen wir die Mischspannungen an der Basis, dem Emitter und dem Kollektor des Transistors.
Wir legen wieder eine Wechselspannung von 1Vss an die Basis.
Die Skalierung beträgt 500mV pro Teil.
Die beiden Spannungen verlaufen gleich, sind aber um 0,6V verschoben. Der Wechselspannungsanteil an Basis und Emitter ist gleich hoch. Die Basisspannung liegt zwischen 0,8V und 1,8V, liegt also im Mittel bei der eingestellten Gleichspannung von 1,3V für die Basis. Die Spannung am Emitter liegt zwischen 0,3V und 1,3V.
Die Skalierung beträgt 1V pro Teil.
Die beiden Wechselspannungen sind invertiert. Die Kollektorspannung liegt zwischen 2,6V und 3,6V, im Mittel bei 3,1V. Dieses liegt in der Mitte des linearen Spannungsbereichs der Kollektorspannung in Bild 5 in der Transistor als Verstärker.
Verhalten bei höherer Wechselspannung
Diese Messungen sollen zeigen, was passiert, wenn der Transistorverstärker höhere Spannungen verarbeiten muss.
Wir legen eine Wechselspannung mit 1,5Vss an die Basis und messen wieder die Mischspannungen.
Die Skalierung beträgt 500mV pro Teil.
Wie in Bild 3 verlaufen die beiden Spannungen gleich, sind aber um 0,6V verschoben. Der Wechselspannungsanteil an Basis und Emitter ist gleich hoch. Die Basisspannung liegt zwischen 0,6V und 2,3V, liegt also im Mittel bei der eingestellten Gleichspannung von 1,5V für die Basis. Die Spannung am Emitter liegt zwischen 0V und 1,5V. Die Spannung am Emitter kann nicht kleiner als 0V werden, wird also begrenzt.
Die Skalierung beträgt 1V pro Teil.
Die Wechselspannungen sind invertiert. Die Kollektorspannung liegt zwischen 1,8V und 5V. Nahe 5V wird die Sinusspannung verzerrt.
Wir sehen, dass die höhere Wechselspannung vom Transistorverstärker nicht verarbeitet werden kann. Die Emitterspannung wird nach unten und die Kollektorspannung nach oben begrenzt.
Verhalten bei viel zu hoher Wechselspannung
Wir legen eine noch höhere Wechselspannung von 2,2Vss an die Basis und messen die Mischspannungen an der Basis, am Emitter und am Kollektor.
Die Skalierung beträgt 500mV pro Teil.
Die beiden Spannungen verlaufen ungefähr gleich und sind aber um 0,6V verschoben. Die Spannung am Emitter fällt nicht unter 0V.
Die Skalierung beträgt 1V pro Teil.
Die beiden Spannungen verlaufen in etwa invertiert. Die Kollektorspannung ist nach oben und unten begrenzt.
Die Wechselspannung von 2,2Vss ist für den Transistorverstärker viel zu hoch. Die Emitterspannung ist unten begrenzt, weil sie nicht unter 0V fallen kann. Die Kollektorspannung ist nach oben begrenzt, weil sie die Betriebsspannung von 5V nicht überschreiten kann. Die Verzerrung der Kollektorspannung unter 1,6V tritt auf, wenn die Emitterspannung so hoch ist, dass die Kollektor-Emitter-Spannung 0V wird.
Wechselspannung unter Last
Wir kehren zum Verhalten des Transistorverstärkers bei Wechselspannungen zurück, die zu keiner Begrenzung führen. Jetzt untersuchen wir, was passiert, wenn die Ausgänge hinter den Kondensatoren an Emitter und Kollektor mit einem Widerstand belastet werden.
Wir geben eine Wechselspannung von 1Vss auf die Basis und messen die Spannungen an Emitter und Kollektor.
Die Skalierung beträgt 200mV pro Teil.
Der Ausgang am Kollektor ist mit RL=1kΩ belastet, d.h. die Last ist genau so groß wie der Kollektorwiderstand R3.
Die Wechselspannung am Kollektor ist nur noch halb so groß wie in Bild 4.
Die Verstärkung ist etwa V=-1.
Die Skalierung beträgt 200mV pro Teil.
Die Spannung am Kollektor hat sich gegenüber Bild 11 noch weiter verringert, da der Ausgang mit RL=470Ω belastet ist.
Wechselspannungsmäßig liegen der Lastwiderstand RL und der Kollektorwiderstand R3 parallel. Bei einer Last von RL=1kΩ ist die Verstärkung nicht mehr R3/R4, sondern (RL || R3)/R4, also 500Ω/470Ω≈1.
Eine Last von RL=470Ω führt zu einer noch geringeren Ausgangsspannung am Kollektor.
Die Skalierung beträgt 200mV pro Teil.
Die Spannung am Emitter hat sich gegenüber Bild 12 nur geringfügig verringert, wenn der Ausgang mit 1kΩ belastet wird. Eine leichte Verzerrung bei 0V ist zu erkennen.
Die Skalierung beträgt 200mV pro Teil.
Die Spannung am Emitter bei einer Last von 470Ω hat sich gegenüber Bild 13 nur wenig verringert. Die Spannung ist jedoch nach unten begrenzt.
Am Emitter verringert sich die Ausgangsspannung nur geringfügig, wenn der Ausgang belastet wird. Ist Lastwiderstand am Emitter noch kleiner, ergibt sich eine Begrenzung nach unten.
Emitterwiderstand und Kollektorspannung
Wir betrachten hier wieder das Verhalten bei Wechselspannung und untersuchen, was am Kollektor passiert, wenn wir einen Widerstand hinter dem Kondensator am Emitter anschließen.
Dazu legen wir eine keine Wechselspannung von 120mVss bzw. 8mVss an die Basis.
Die Skalierung für die Basisspannung beträgt 20mV pro Teil, für den Kollektor 100mV pro Teil.
Die Wechselspannung an der Basis von 120mVss wird auf 500mVss am Kollektor verstärkt. Die Verstärkung beträgt etwa -4,2.
Die Skalierung für die Basisspannung beträgt 2mV pro Teil, für den Kollektor 100mV pro Teil.
Die Wechselspannung an der Basis von 8mVss wird auf 500mVss am Kollektor verstärkt. Die Verstärkung ist etwa 63.
Die Verstärkung des Transistorverstärkers ist nicht mehr R3/R4. Vielmehr müssen wir den wechselspannungsmäßigen Emitterwiderstand beachten. Mit dem Widerstand Rg hinter dem Kondensator haben wir einen Emitterwiderstand Re = R4 || Rg = 470Ω || 470Ω = 235Ω. Die Verstärkung beträgt damit V = - R3 / Re = - 1kΩ / 235Ω ≈ -4,3. Dieses stimmt recht gut mit der gemessenen Verstärkung von -4,2 überein.
Die Abweichung ist auf den nicht perfekten Transistor zurückzuführen.
Wird der Widerstand hinter dem Kondensator am Emitter weiter verringert, steigt die Verstärkung weiter an. Ein Transistor kann jedoch nicht beliebig verstärken. Wenn der Kondensator kurzgeschlossen wird, wird die maximal mögliche Verstärkung erreicht.
Zusammenfassung
- Mit der Schaltung nach Bild 2 können Wechselspannungen verstärkt werden.
- Die Eingangsspannung wird an der Basis über einen Kondensator eingekoppelt.
- An Emitter und Kollektor können Ausgangsspannungen ausgekoppelt werden.
- Bei zu hohen Eingangsspannungen werden die Ausgangsspannungen verzerrt.
- Die Spannungen an Basis und Emitter sind gleich groß, die Verstärkung ist V=1.
- Die Spannung am Kollektor wird verstärkt und invertiert.
- Die Verstärkung ist V = -RC / RE
- Die Verstärkung am Emitter bleibt 1, wenn der Emitter über einen Kondensator mit einem Widerstand belastet wird.
- Die Verstärkung am Kollektor ändert sich, wenn der Ausgang über einen Kondensator mit einem Widerstand belastet wird.
- Die Verstärkung am Kollektor wird erhöht, wenn ein Widerstand über einen Kondensator parallel zum Emitterwiderstand geschaltet wird.