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5.1 Der Verstärker in Emitterschaltung


Die Emitterschaltung ist die am häufigsten eingesetzte Verstärkerschaltung. Der Name soll andeuten, dass hier der Emitter an das gemeinsame Massepotential der Schaltung gelegt wird. Gegenüber der Masse variiert die Basisspannung und die Kollektorspannung , aber die Emitterspannung bleibt immer gleich, hier z.B. 0 V. In Schaltbildern verwendet man das Massezeichen statt einer durchgehenden Masseleitung. Die Masse ist meist mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden.
Anwendung: Lichtschranke

Die Wechselspannungssignale, also z.B. Niederfrequenz- (NF) Signale eines Mikrofons, werden meist über Kondensatoren angekoppelt, die zwar Wechselströme leiten, für Gleichspannungen jedoch als Isolator wirken. Das Prinzip des NF-Verstärkers lässt sich mit einem Mikrofon am Eingang und einem Lautsprecher oder Kopfhörer am Ausgang zeigen.


Prinzip des NF-Verstärkers in Emitterschaltung

Ohne ein NF-Signal soll der Basisstrom z.B. 1 mA und der Kollektorstrom (Ruhestrom) 100 mA betragen. Nun soll ein Eingangssignal den Basisstrom zwischen 0,5 mA und 1,5 mA im Takt der aufgenommenen Tonschwingungen schwanken lassen. Der Kollektorstrom wird entsprechend im Bereich 50 mA bis 150 mA schwanken. Damit wurde der NF-Srom um den Faktor 100 verstärkt.
NF-Verstärker


Eingangs- und Ausgangsstrom des Verstärkers

Die Aufgabe eines NF-Verstärkers ist es, kleine NF-Signale möglichst hoch und unverzerrt zu verstärken. Starke Verzerrungen treten z.B. auf, wenn ein Verstärker übersteuert wird, d.h. wenn der Kollektorstrom in die Sättigung geht. Durch die Wahl der Bauelemente sei z.B. ein möglicher Kollektorstrombereich zwischen 0 mA und 200 mA gegeben. Im Betrieb sollte keiner dieser Eckwerte jemals erreicht werden, weil dies zu einer Verfälschung des Eingangssignals führen würde. Solche Verzerrungen lassen sich z.B. mit einem Oszilloskop leicht erkennen.


Verzerrungen durch Übersteuerung

Damit ein Verstärker einen möglichst großen unverzerrten Aussteuerbereich hat, muss der Kollektor-Ruhestrom die Hälfte des Sättigungsstroms betragen. Dann nämlich lässt sich der Strom in beide Richtungen gleich weit verändern, ohne dass es zu einer Begrenzung kommt. Die Einstellung des richtigen Ruhestroms ist aber nicht ganz einfach. Es kommt entscheidend auf die richtige Wahl der Widerstände an.

Ein Transistor mit der Stromverstärkung V=200 soll mit einem Kollektorwiderstand von 1 kOhm an einer Spannung von 5 V betrieben werden. Der maximale Kollektorstrom beträgt dann:

Der Ruhestrom muss also auf 2.5 mA eingestellt werden. Dazu ist ein Basisstrom von Ib = 0,0125 mA erforderlich.

Rechnet man mit einer Basis-Emitterspannung von 0,5 V, dann liegen noch 4,5 V am Basiswiderstand. Der Basiswiderstand muss also Rb = 360 kOhm betragen.


Einstellung des Arbeitspunktes

Bei einem Kollektorstrom von 2,5 mA ergibt sich am Kollektorwiderstand von 1 kOhm ein Spannungsabfall von U = 2,5V, also der halben Betriebsspannung.

Dementsprechend beträgt auch die Kollektor-Emitterpannung 2,5 V. Allgemein gilt für diese einfache Emitterschaltung die Regel: Die Kollektorspannung soll ohne Aussteuerung die Hälfte der Betriebsspannung betragen, was sich leicht nachprüfen lässt. Wenn man etwas vereinfacht und die Basis-Emitterspannung vernachlässigt, dann kann für den Basiswiderstand die Regel Rb= 2*V*Rc aufgestellt werden. Hier ergibt sich dann Rb= 400 kOhm, was noch ausreichend genau ist.

Simulationsprogramm: Arbeitspunkt und Aussteuerung (npn3.zip, 4kB, VBRUN300 erforderlich)
VB.Net-Version mit Quelltext: fkainka.de/vbnet/Arbeitspunkt.html

Übungsaufgaben

  • Ändern Sie für verschiedene Arbeitspunkte die Aussteuerung, bis gerade Verzerrungen einsetzen.
  • Finden Sie für unterschiedliche Stromverstärkungsfaktoren den besten Arbeitspunkt für maximale unverzerrte Aussteuerung.
  • Bestimmen Sie den erforderlichen Basiswiderstand für V=100, 200, 300.
  • Suchen Sie den besten Kompromiss für den gesamten Bereich von V=100 bis V=500.
  • Berechnen Sie den optimalen Basiswiderstand für V=250. Vergleichen Sie Ihr Ergebnis mit der Simulation.

YouTube-Kurzvortrag: Emitterschaltung
YouTube-Kurzvortrag: Arbeitspunkt