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Grundlagen |
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| Leider ist der Stromverstärkungsfaktor sehr
starken Streuungen unterworfen. Wenn man zehn Transistoren des exakt identischen
Typs kauft, lassen sich z.B. Streuungen im Bereich 200-fach bis 400-fach
feststellen. Damit streut auch der Arbeitspunkt, also der Kollektorstrom
in der Verstärkerschaltung. In der Praxis ist es aber kaum möglich,
jeden Transistor zuerst auszumessen, um dann seinen Basiswiderstand zu
bestimmen. Man könnte statt dessen ein Poti zur Einstellung des jeweils
günstigsten Basisstroms verwenden. Besser ist es aber, die Schaltung
so zu verändern, dass sich eine Streuung der Stromverstärkung
weniger oder praktisch überhaupt nicht mehr auswirkt. Anwendung in einem Radio |
Arbeitspunkteinstellung mit Gegenkopplung
| Die einfachste Änderung besteht darin, dass der Basiswiderstand nicht mehr an die Betriebsspannung, sondern an den Kollektor gelegt wird. Ein größerer Verstärkungsfaktor führt zu einem größeren Kollektorstrom und damit zu einem größeren Spannungsabfall am Kollektorwiderstand. Die Kollektor-Emitterspannung sinkt gleichzeitig, und damit auch die Spannung am Basiswiderstand, was wiederum zu einem verkleinerten Basisstrom führt. Im Endeffekt wird also ein größerer Verstärkungsfaktor durch einen kleineren Basisstrom teilweise ausgeglichen, sodass die Kollektorstrom weniger steigt. Man spricht hier von einer Gegenkopplung, weil der Vergrößerung des Kollektorstroms entgegengewirkt wird. Die Gegenkopplung führt hier auch zu einer geringfügig verkleinerten Verstärkung, zugleich aber auch zu geringeren Verzerrungen. |
| Auch bei dieser Schaltung gibt es für jede Stromverstärkung
einen eigenen, optimalen Basiswiderstand. In der Praxis kommt es jedoch
nur selten darauf an, dass ein Verstärker zu 100% ausgesteuert werden
kann. Ein Mikrofon-Vorverstärker wird z.B. nur zu 1% ausgesteuert.
Daher lässt sich für den Basiswiderstand ein guter Kompromiss
finden, der für einen weiten Bereich von Stromverstärkungen brauchbar
ist. Es ist also nun möglich, eine Schaltung zu planen, die mit jedem
Transistor funktioniert. Die Faustregel lautet: Rb = Rc*V, wobei für
V die mittlere zu erwartende Stromverstärkung eingesetzt wird.
Für einen Mikrofonverstärker reicht oft eine einzelne Verstärkerstufe nicht aus. Für praktische Versuche mit einem dynamischen Mikrofon und einem Kopfhörer von z.B. 600 Ohm oder 2 kOhm lässt sich ein einfacher Verstärker mit zwei Stufen aufbauen. |
Ein zweistufiger Mikrofonverstärker
| Eine noch genauere Einstellung des Arbeitspunktes erfordert etwas mehr Aufwand. Der Transistor erhält zusätzlich einen Emitterwiderstand. Mit einem Basis-Spannungsteiler wird eine feste Teilspannung eingestellt, wobei der Strom durch den Spannungsteiler ca. 10 mal größer als der Basisstrom sein soll, damit keine Rückwirkungen durch unterschiedliche Basisströme auftreten. Die Emitterspannung stabilisiert sich selbst auf einen Wert, der um die Basis-Emitterspannung (ca. 0,6 V) niedriger als die Basisspannung liegt. Dadurch ist auch der Emitterstrom stabil und damit der praktisch gleich große Kollektorstrom. |
Stabilisierung des Arbeitspunktes
| In der Beispielschaltung wird eine Basisspannung
von 2 V vorgegeben. Die Emitterspannung stellt sich auf 1,4 V ein. Bei
einem Emitterwiderstand von 1 kOhm ergibt sich ein Emitterstrom von 1,4
mA. Am Kollektorwiderstand von 3 kOhm fällt eine Spannung von 4,2V
ab. Es stellt sich also eine Kollektorspannung von 5,8 V bzw. eine Kollektor-Emitterspannung
von 4,4 V ein.
Die Schaltung verwendet eine starke Spannungs-Gegenkopplung. Eine relativ kleine Änderung der Emitterspannung wirkt sich direkt auf die Basis-Emitterspannung aus und führt aufgrund der steilen Basis-Kennlinie zu einer starken Änderung des Kollektor- und Emitterstroms. Da nur sehr kleine Änderungen der Basis-Emitterspannung nötig sind, stellt sich die Emitterspannung auf einen Wert ein, der um ca. 0,6 V unter der Basisspannung liegt. Die Funktion ähnelt der des sog. Emitterfolgers (auch: Kollektorschaltung). Die starke Gegenkopplung führt zu einer sehr geringen Spannungsverstärkung. Damit die Verstärkung für NF-Signale hoch genug ist, wird die Gegenkopplung durch einen Emitterkondensator aufgehoben. Sein Wert richtet sich nach der tiefsten zu verarbeitenden Frequenz (Hochpass). |
| Simulationsprogramm: Gegenkopplung
und Aussteuerung (npn4.zip, 4kB, VBRUN300 erforderlich) VB.Net-Version mit Quelltext: fkainka.de/vbnet/Gegenkopplung.html
Übungsaufgaben
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