Transistor Grundschaltungen

Der Bipolartransistor

 

2.0 Verstärker

Das wichtigste Einsatzgebiet von Bipolartransistoren ist das Verstärken von Niederfrequenten Signalen, die bspw. in der Audio-Elektronik vorkommen. Dazu gibt es zunächste drei Grundschaltungen, deren Bezeichnung sich immer aus dem gemeinsamen Bezugspunkt des Ein- und Ausgangssignals herleitet.

 

2.1 Emitterschaltung

Grundschaltung:

Die am häufigsten Eingesetzte Verstärkerschaltung wird Emitterschaltung genannt. Folglich bildet hier der Emitter den gemeinsamen Bezug für das Ein- und Ausgangssignal. Die Grundschaltung sieht daher folgerndermaßen aus:

 

16

 

Die Kondensatoren C1 und C2 dienen zur Entkopplung des Verstärker von etwaigen Gleichspannungsanteilen. Hierzu sind Werte im uF Bereich ausreichend. Entscheidend für die Funktion des Verstärkers ist die Begrenzung des Kollektorstromes, was in dieser Schaltung durch R2 geschieht. Dieser muss auf ein Maximum begrenzt werden, um ein Übersteuern des Verstärkers, was zu einer starken Verzerrung des Signals führt zu verhindern. Dabei sollte man die Grenzen des Transistors nicht ausreizen, da dies bereits zu einem verzerrten Signal führt. Hier soll ein maximaler Kollektorstrom von 10mA erreicht werden daher ergibt sich:

17

 

Jetzt muss noch der Widerstand R1 bestimmt werden. Da der Kollektorstrom aufgrund des Widerstandes R2 von 0 bis 10mA liegen kann, und eine gleich große Aussteuerung in beide Richtungen ermöglich werden soll, muss der Ruhestrom bei 5mA liegen. Die Verstärkung des Transistors soll 250 betragen. Daraus ergibt sich ein Basisstrom von:

18

 

Über der Basis-Emitter-Strecke des Transistors fällt eine Spannung von etwa 0,5V ab. bei einer Betriebsspannung von 10V und einem benötigten Basisstrom von 20µA ergibt sich daraus:

19

 

Der passende Wert aus der E12 Reihe wäre also ein 470K Widerstand. Eine mit diesen Werten aufgebaute Schaltung zeigt dann bei einer Signalquelle, die einen Sinus mit einer Amplitude von 10mV bei einer Frequenz von 1Khz ausgibt, folgenden Verlauf der Ausgangsspannung:

20

Die minimale Schwingung der Eingangsspannung ist grün gezeichnet. Der rote Verlauf zeigt die Ausgangsspannung, wobei die stark vergrößerte Amplitude deutlich zu sehen ist.

 

Gegenkopplung

Wie zu Beginn erwähnt, unterliegt die Verstärkung eines Transistors sehr großen Schwankungen, was eine präzise Verstärkung ohne vorherige Bestimmung des tatsächlichen Verstärkungsfaktor unmöglich macht. Daher wird eine so genannte Gegenkopplung eingesetzt, die die Toleranzen der Verstärkung ausgleicht. Dabei bedarf es nur eine kleine Veränderung der Schaltung:

21

Der Basiswiderstand liegt nun nicht mehr an der Betriebsspannung sondern am Kollektor des Transistors. Dies führt dazu, dass eine hoher Kollektorstrom zu einem niedrigen Basisstrom führt, wodurch die Toleranzen der Verstärkung ausgeglichen werden. Die Verstärkung fällt hierbei jedoch etwas geringer aus. Die Dimensionierung der Bauteile erfolgt ähnlich dem bisherigen Vorgehen. Zunächst wird ein maximaler Kollektorstrom festgelegt. dieser soll erneut 10mA betragen, was wieder zu einem Widerstand R2 von 1K führt. Die Dimensionierung von R1 kann bei dieser Schaltung mittels der Regel:

22

Damit würde sich für R1 ein Widerstand von 250K errechnen.

 

Stabilisierung des Arbeitspunktes

Um dem Transistor einen genauen Arbeitspunkt vorzugeben, wird ein sog. Basisspannungsteiler eingesetz. Zusätzlich wird neben deinem Kollektorwidersatnd auch noch ein Emitterwiderstand verwendet, welcher dann den Emitter und Kollektorstrom bestimmt:

23

Über das Verhältnis von R1 zu R2 wird der Arbeitspunkt des Transistors festgelegt. Dabei sollte der Strom durch diesen Spannungsteiler nicht zu klein gewählt werden, da sonst über die Basis fließende Ströme die Spannung zu stark beeinflussen. Soll ein Arbeitspunkt von 2V ein eingestellt werden, kann für R1 ein 10K, für R2 ein 40K Widerstand verwendet werden. Die Spannung am Emitter stellt sich dadurch auch ca. 1,6V ein. Über den Widerstand R3 kann dann der Emitterstrom festgelegt werden. Dieser soll 5mA betragen, was einen Widerstand R3 von 280Ohm voraussetzt. Über dem Kollektorwiderstand R4 soll 1K betragen. Damit fällt dort eine Spannung von 5V ab, was eine Kollektor-Emitterspannung von 3,4V zur Folge hat. Ein Sinusförmiges Signal mit einer Amplitude von erneut 10mV erzeugt folgenden Ausgangsspannungsverlauf.

24

Die Ausgangsspannung ist wieder rot gezeichnet. Es fällt auf das die verstärkung sehr viel kleiner ist als bei der anfänglichen Schaltung. Dies ist aufgrund der starken Rückkopllung der Fall. Um die verstärkung wieder zu erhöhen, muss dem Emitterwiderstand ein Kondensator parallel geschaltet werden:

25

Für C3 wird ebenfalls ein 22µ Kondensator verwendet. Dieser hebt die Gegenkopplund für Wechselspannunganteile praktisch auf und führt so zu einer größeren Verstärkung:

26

Nun ist die Verstärkung der Amplitude der Ausgangsspannung (rot) ähnlich hoch wie bei der Schaltung ohne Gegenkopplung. Die Dimesnionierung von C3 kann mit folgender Formel erfolgen:

26

Liegt die kleinste zu verstärkende Frequenz unter f, ist wirkt die Gegenkopplung vollständig. Frequenzen knapp darüber werden noch leicht abgeschwächt. Da sich für C3=33µF eine Frequenz von ca 26Hz ergibt, wird das 1Khz Signal am Eingang stark verstärkt.

 

Steilheit

Da ein Transistor für die Verwendung in einem Verstärker auf einen Arbeitspunkt eingestellt wird, und dieser sehr klein ist, kann der Zusammenhang zwischen Basis-Emitterspannung und Kollektorstrom für diesen Punkt als linear angenommen werden. Die Steigung dieser Geraden wird Steilheit genannt und beschreibt das Verhalten eines Transistors in einem bestimmen Arbeitspunkt. Dies Steilheit ist daher wie folgt definiert:

33

Mit der Steilheit lässt sich nun Vorraussagen, mit welchen Kollektorstrom Änderung der Transistor auf eine Änderung des Basisspannung um einen bestimmten Wert reagiert. Bei einer Steilheit von bspw. 50mA/V, führt eine Änderung der Basisspannung um 0,1V zu einer Änderung um 5mA.

Da der Kollektorstrom bei der Emitterschaltung die Ausgangsspannung über den Kollektorwiderstand bestimmt, lässt dich über die Steilheit ein Zusammenhang der Eingangs und Ausgangsspannung herleiten.

34

Damit lässt sich nun die Spanungsverstärkung des Verstärkers bestimmen. Bezogen auf die oben gezeigte Schaltung, und den dafür bestimmen Kollektorwiderstand von 1K, ergibt sich bei einer Steilheit von 50mA/V eine Spannungsverstärkung von 50.

 

2.2 Kollektorschaltung

Die Kollektorschaltung wird auch als Emitterfolger bezeichnet. Dies kommt daher, dass die Emitterspannung Spannungsänderungen an der Basisspannung folgt. Dabei liegt das Potential des Emitters ca. 0,6V unter dem der Basis. Weiter geht aus der Bezeichnung hervor, dass der Kollektor den gemeinsamen Bezug für Ein- und Ausgangsströme des Verstärkers bildet.

27

 

Betrachtet man nur Wechselspannungen die die Kondensatoren C1 und C2 passieren, beträgt die Spannungsverstärkung dieses Verstärkers 1. Ändert sich die Basisspannung am 50mV ändert sich auch die Emitterspannung um 50mV. Dennoch handelt es sich um eine Verstärkerschaltung, da zwar die Spannung gleichbleibt, dafür aber der Strom verstärkt wird. Der Arbeitspunkt wird wieder über R1 und R2 bestimmt. Werden diese große genug gewählt, hängt die Eingangsimpedanz nur noch von R3 und dem Verstärkungsfaktor des Transistors ab:

28

Daher zeigt sich folgender Verlauf der Ein- und Ausgangsspannungen:

27

Der grüne Graph zeigt die Eingangsspannung, der rote die Ausgangsspannung. Neben einer kleinen Minderung der Amplitude, tritt noch eine minimale Phasenverschiebung bedingt durch Kapazitäten im Transistor auf.

Verwendet man also für R3 einen 1K Widerstand, und geht von einem Verstärkungsfaktor von 300 aus, beträgt die Eingangsimpedanz bereits 300K. Diese Eingeschaft ist ein Vorteil der Kollektor gegenüber der Emitterschaltung und ermöglich die Verstärkung von Signalen, deren Quelle sehr hochohmig ist.

 

2.3 Basisschaltung

Folglich zu den anderen Schaltungen, bildet bei der Basisschaltung die Basis das gemeinsame Potential des Verstärkers.

 

29

 

Die Schaltung zeigt, dass der Eingangsstrom gleich dem Ausgangsstrom ist, vernachlässigt man den minimalen Stromfluss durch die Basis. Daher erreicht man mit diesem verstärker eine vollständige Kopplung des Eingangs und Ausgangsstromes. R2 bestimt hier den Arbeitspunkt, wobei R1 im Normalbetrieb keinen Einfluss auf das Verhalten des Verstärkers hat. Wird der Transistor jedoch Übersteuert, begrenzt dieser den Strom und verhindert eine Zerstörung des Verstärkers.

Der Nachteil dieser Schaltung besteht im sehr niedrigen Eingangswiderstand, was das Einsatzgebiet etwas einschränkt. Ein Vorteil ist jedoch die hohe Bandbreite dieses Verstärkers, die bis über 100MHz reicht.

 

2.4 Darlington Schaltung

Bei der Darlingtonschaltung werden zwei Transistoren direkt hintereinander geschaltet. Da sich dann die Verstärkungen multiplizieren, erreicht man Verstärkungen bis über 10000. Dadurch wird ein sehr hoher Eingangswiderstand erreicht, der auch an sehr niederohmigen Quellen eingesetzt werden kann. Durch die Verwendung von zwei Transisoren verdoppelt sich allerdings auch die Basis-Emitterspannung.

30

Als Schaltzeichen für einen Darlington Transistors wenden diese Symbole verwendet:

32

Links ist das Symbol für die pnp-, rechts für die npn-Ausführung zu sehen.

Das Paradebeispiel für die Verwendung eines Darlington Verstärkers ist folgene Schaltung:

31

Hier wird eine LED die an 5V anliegt über einen Darlingtonschaltung auf Masse geschaltet. Nun reicht die Berührung mit dem Finger an den Punkten S1 und S2 aus, um diese zum leuchten zu bringen. Über R1 wird der Strom für den Fall dass der Widerstand zwischen S1 und S2 sehr niedrig ist begrenzt, was bspw. auftritt wenn ein metallischer Leiter zwischen die beiden Kontakte gebracht wird. Dabei spielt der Wert keine große Rolle, und kann pauschal mit 1K angegeben werden. R2 begrenzt den Strom durch die Diode und hängt von der Betriebsspannung sowie von der verwendeten Diode ab.

Neueste Artikel
Anzeigen:
Aktuelle Newsbeiträge
Sie sind Besucher Nr. 1222649