NPN-Transistor in Emitter-Schaltung
Die Emitterschaltung ist die beliebteste Transistorschaltung, da man sie leichter kaskadieren kann als die anderen beiden Transistorgrundschaltungen, denn bei ihr ist der Unterschied zwischen Eingangswiderstand und Ausgangswiderstand am geringsten. Allerdings hat sie auch einige Nachteile. Betreibt man sie mit hoher Gegenkopplung, damit die Verzerrungen so gering wie möglich sind, dann hat sie nur eine recht geringe Verstärkung. Betreibt man sie mit geringer Gegenkopplung, damit die Verstärkung so groß wie möglich sind, dann hat sie einen hohen Grad an Verzerrungen. Im Verstärkerbereich wurde sie durch Operationsverstärker (OPV) abgelöst, in anderen Bereichen ist sie dagegen noch sehr verbreitet.
Die Emitterschaltung ist sehr Temperaturabhängig.
Die Arbeitspunkt-Stabilisierung mit Spannungsgegenkopplung ist schlechter als bei der Stromgegenkopplung. Deshalb nimmt man bevorzugt die Arbeitspunkt-Stabilisierung mit Stromgegenkopplung. Mit Hilfe eines Widerstandes zwischen Emitter und Masse (0V) wird die Arbeitspunktstabilisierung hergestellt. Dieser Widerstand wird als Emitterwiderstand RE bezeichnet. Wird die Emitterschaltung mit dem Emitterwiderstand RE betrieben, spricht man von Gleichstromgegenkopplung. Bei der Stromgegenkopplung geht es darum, dem Anstieg des Kollektorstroms bei ansteigender Temperatur des Transistors entgegenzuwirken.
Der Emitterwiderstand RE ist maßgeblich an einem wesentlich höheren Eingangswiderstand zwischen Basis und GND beteiligt. Er befindet sich funktionell in Reihe zum Basis-Emitter-Widerstand rBE. Dieser Eingangswiderstand bildet sich aus der Multiplikation von Emitterwiderstand RE und Wechselstromverstärkung ß.
Der Emitterwiderstand RE wirkt auch als Signalgegenkopplung. Vernachlässigt man die Leerlaufverstärkung bildet sich die durch RE gegengekoppelte Verstärkung aus RC/RE.
Für hohe Frequenzen ist bei großer Verstärkung die Rückwirkkapazität der Kollektor-Basis-Sperrschicht störend, wodurch die Verstärkung frequenzabhängig wird.
- Niederfrequenztransistor (NF): BC… (zum Beispiel: „BC547“)
- Hochfrequenztransistor (HF): BF… (zum Beispiel: „BFR106“)
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Die Röhre war gut - ein Plädoyer für den richtigen Verstärker
Verlustleistung
Im Buch „Elektronik Formelsammlung“ im Abschnitt „1.7.9. Verlustleistung und Verlusthyperbel“:
Im einem Transistor wird während des Betriebes elektrische Arbeit inWärme umgesetzt. Der Transistor wird dadurch erwärmt.Man unterscheiden zwischen der Kollektor-Emitter-Verlustleistung
PCEund der Basis-Emitter-VerlustleistungPBE:PCE = UCE * IC PBE = UBE * IB
Beide Verlustleistungen ergeben zusammen die Gesamtverlustleistung
Ptot = UCE * IC + UBE * IB
Die Basis-Emitter-Verlustleistung ist meist sehr viel kleiner als die Kol-lektor-Emitter-Verlustleistung und kann deshalb vernachlässigt werden
PCE ~ UCE * IC PCE ~ UCE^2 / RC
einfache Schaltung mit Stromgegenkopplung
+----------O | UB +-+ | | RC | | | | +-+ C2 | || +-----------+-----||---O | AP | || +-+ | | | RB | | | | | | / C1 +-+ | / E || | |/ O---||-----+-------| T1 || |\ | > \ | | Masse O----------------------+----------OBerechnung
Damit der Arbeitspunkt genau eingestellt werden kann, muss der genaue Verstärkungsfaktor des Transitor's bekannt sein. Dabei ist zu beachten, dass die Angaben in den Datenblättern nicht genau sind, die einzelnen Transistoren haben leicht unterschiedliche Verstärkungsfaktoren.
RC = UB / IC RB ~ B * RC
einfache Schaltung mit Spannungsgegenkopplung
Die Stromgegenkopplung stellt eine bessere Stabilität gegen Temperaturunterschiede dar.
+-----------+----------O | | UB +-+ +-+ | | R1 | | RC | | | | | | | | +-+ +-+ C2 | | || A | AP +-----||---O | | || | / C1 | | / E || | |/ O---||-----+-------| T1 || | |\ | | > | \ | | +-+ +-+ | | R2 | | RE | | | | | | | | +-+ +-+ | | Masse O----------+-----------+----------OBerechnung
Diese Schaltung bietet die größte Stabilität gegen Temperaturunterschiede, hat die größte Übertagungsbandbreite aber hat auch den geringsten Verstärkungsfaktor und eine recht kleine Ausgangsspannung.
Der Emitterwiderstand
REbestimmt die Güte der Stabilisierung. Je größer der Emitterwiderstand, desto stabiler ist der Arbeitspunkt.Der Widerstand
REbestimmt neben dem Basisspannungsteiler den Eingangswiderstand. Dadurch kann man einen Mindestwert für ihn bestimmen. Der Eingangswiderstand des Transistors berechnet sich in erster Näherung wie folgt:RT = B * RE + rBE
Wir dimensionieren den Emitterwiderstand
REin der Größenordnung des Basis-Emitter-Widerstand:RE ~ rBE
Wollen wir eine größere Temperaturstabilität, dann vergrößern wir
RE:Faktor = 1...20 RE = rBE * Faktor
Für geringe Verstärkungsfaktoren, was z.B. für Faktor 10 zutrifft, kann man die Verstärkung nach folgender, vereinfachter Formel berechnen:
V ~ RC / RE RC ~ RE * V
Vu ~ ((B / rBE) * RC) / RE
RS = (R1 * R2) / (R1 + R2) R2 = RS * (UB / (UB - UR2)) R1 = R2 * ((UB - UR2) / UR2)
C1 = 1 / (2 * Pi * f * RT) Rx = Eingangswiderstand der nachfolgenden Stufe C2 = 1 / (2 * Pi * f * Rx)
Die Bootstrap-Schaltung
Die Arbeitspunkteinstellung einer Transistorschaltung wird oft mithilfe eines Basisspannungsteilers und eines niederohmigen Emitterwiderstands vorgenommen. Beide beeinflussen den Eingangswiderstand (Eingangsimpedanz) des Verstärkers. Der Emitterwiderstand vergrößert den Eingangswiderstand. Eine gute Arbeitspunktstabilisierung wird mit einem hohen Querstromfaktor erzielt. Daraus ergibt sich ein relativ niederohmiger unterer Widerstand für den Basisspannungsteiler. Er bestimmt letztlich den Wert des Eingangswiderstands, der bei Emitterschaltungen dann nur einige Kiloohm beträgt. Soll das Signal einer hochohmigen Quelle, z.B. eines Kondensatormikrofons oder eines Parallelschwingkreises, weiter verstärkt werden, so wird es durch einen niedrigen Eingangswiderstand negativ belastet.
Mit einer speziellen Eingangsschaltung, der Bootstrap-Schaltung werden diese Nachteile weitgehend aufgehoben. (Bootstrap, engl. Stiefelschlaufe, sie dient als Anziehhilfe und wird hier sinngemäß als Ansteuerhilfe übersetzt).
