Transistorgrundschaltungen, Emitterschaltung: Aufbau und Funktionsweise der Emitter-Schaltung incl. Berechnungsbeispiel

Die Emitterschaltung ist die wohl verbreiteste Transistorgrundschaltung. Hierbei wird das zu verstärkende Signal an die Basis angelegt, und das Ausgangssignal am Kollektor abgegriffen. Die Schaltung ist in Bild 1 anhand eines npn-Transistors schematisch dargestellt.

Bild 1: Emitter-Schaltung mit npn-Transistor

Diese Schaltung sieht ziemlich einfach aus. Trotzdem kann man die Werte der Widerstände und Kondensatoren nicht beliebig wählen, um eine funktionierende Schaltung zu erhalten. Nachfolgend können Sie zuerst einmal erfahren, wie die Schaltung grob funktioniert. Danach folgt eine weitergehende Erklärung der Wirkungsweise anhand der Transistorkennlinien und zuletzt wird die Dimensionierung der Schaltung erklärt - also salopp gesagt, wie man die Werte der Widerstände und Kondensatoren ermittelt.

Die Emitterschaltung zeichnet sich durch einen je nach Dimensionierung mittleren bis hohen Eingangswiderstand aus, wobei eine relativ hohe Spannungsverstärkung möglich ist. Der Ausgangswiderstand ist (ebenfalls dimensionierungsabhängig) mittel bis hoch, so daß der nachfolgende Schaltungsteil ebenfalls hochohmig ausgeführt werden sollte. Ist ein niederohmiger Ausgang erforderlich, kann man dies durch eine nachfolgende

Kollektorschaltung, besser bekannt als Emitter-Folger, erreichen.

Wirkungsweise (Grobübersicht)

Der Eingangskondensator C1 dient dazu, die Basis vom Eingangssignal gleichstrommäßig abzukoppeln. Kondensatoren lassen ja bekanntlich keinen Gleichstrom sondern nur Wechselstrom sprich in diesem Fall das Audiosignal passieren. Die Widerstände R1 und R2 sorgen dafür, daß die Basis bei fehlendem Eingangssignal auf einem definierten Wert liegt. Der Kollektor des Transistors ist über den Widerstand R3 mit der Betriebsspannung verbunden. Der Strom fließt durch diesen Widerstand in den Transistor hinein und kommt am Emitter wieder vollständig heraus. Hinzu kommt der Basisstrom, der sich zum Kollektorstrom addiert. Der Gesamtstrom fließt über Widerstand R4 nach Masse und damit zurück zur Spannungsquelle.

Wenn man sich die in Bild 2 dargestellte Eingangskennlinie anschaut, sieht man, daß eine im Vergleich zum Emitter positive Spannung an der Basis anliegen muß, damit ein Basisstrom fließen kann (und damit als Folge ein Kollektorstrom). Dies wird durch den aus R1 und R2 gebildeten Spannungsteiler gewährleistet.

Bild 2: Eingangskennlinie eines Kleinsignaltransistors

Dadurch, daß der Emitterstrom durch R4 fließt, fällt an ihm eine Spannung ab. Als effektive Basisspannung (oder genauer Basis-Emitter-Spannung) steht daher nicht der volle, durch den Basisspannungsteiler R1/R2 eingestellte Wert zur Verfügung, sondern nur der durch den Spannungsabfall an R4 reduzierte Wert. Erhöht man die Spannung des Basisspannungsteilers, hat dies einen höheren Emitterstrom zur Folge und damit einen höheren Spannungsabfall an R4. Dadurch fällt die Erhöhung der effektiven Basisspannung geringer aus, als die Erhöhung der Spannung am Basisanschluß vermuten läßt.

Diesen Effekt nennt man Gegenkopplung, weil das Ausgangssignal dank R4 gegen sich selbst arbeitet und sich dadurch selbst abschwächt. Dadurch wird die Arbeitspunkteinstellung stabilisiert, denn wenn der Emitterstrom z.B. wegen Temperatureffekten steigen will, vermindert die Gegenkopplung den Anstieg auf ein Minimum. Zusätzlich reduziert sie auch die Spannungsverstärkung der Schaltung. Auf der anderen Seite spielt der Verlauf der Eingangskennlinie immer weniger eine Rolle, je stärker die Gegenkopplung ist. Im Fachjargon sagt man, daß die Gegenkopplung den Kennlinienverlauf glattbügelt. Der Grund liegt darin, daß bei konstanter Signalspannung am Eingang immer weniger Spannungshub für die Basis übrigbleibt. Denn auch die krummste Kennlinie wird ziemlich gerade, wenn man nur einen kleinen Ausschnitt nutzt. Da aber die Eingangskennlinie von Bipolartransistoren gar nicht so krumm ist, ergibt sich dank Gegenkopplung nahezu eine Gerade. Aufgrund der hohen Spannungsverstärkung von Bipolartransistoren kann man im Gegensatz zu Röhren sehr stark gegenkoppeln, ohne daß die Verstärkung auf unakzeptable Werte absinkt.

Der Kollektorstrom fließt durch den Widerstand R3 und ruft an ihm einen Spannungsabfall hervor. Wenn sich bei einem positiven Eingangssignal der Basisstrom erhöht, erhöht sich auch der Kollektorstrom. Dadurch erhöht sich auch der Spannungsabfall am Widerstand R3, so daß bei konstanter Betriebsspannung die Ausgangsspannung sinkt. Denn die Betriebsspannung teilt sich auf in den Spannungsabfall an R3 und die Ausgangsspannung. Sinkt das Eingangssignal, sinkt auch der Kollektorstrom und damit der Spannungsabfall an R3, so daß die Ausgangsspannung steigt. Die Emitterschaltung verstärkt also nicht nur das Eingangssignal sondern invertiert es zusätzlich, d.h. dreht die Phase um konstant 180°, wie man im Fachjargon sagt. Man nennt solche Verstärkerstufen deshalb invertierende Verstärker. Klanglich hat die Signalinvertierung übrigens keinerlei Auswirkungen. Die Höhe der Spannungsverstärkung hängt von den Transistordaten und vor allem von der Dimensionierung ab. Der Ausgangskondensator C2 sorgt als letztes Bauelement dafür, daß am Ausgang keine unerwünschten Gleichspannungsanteile auftreten sondern ein Audiosignal, dessen Spannung symmetrisch um den Nullpunkt schwankt.

Üblicherweise reizt man Transistoren nicht gnadenlos aus, um eine möglichst hohe Verstärkung zu erreichen (dies könnte man wie bei Röhren durch Parallelschalten eines Kondensators zu R4 erreichen), sondern reduziert zugunsten einer möglichst guten Wiedergabequalität die Verstärkung durch eine starke Gegenkopplung. Um trotzdem eine hohe Verstärkung zu erreichen, schaltet man einfach zwei oder mehr Verstärkerstufen hintereinander, die in Summe das Signal deutlich weniger verfälschen als einige einzige Verstärkerstufe, die nur schwach oder garnicht gegengekoppelt ist (siehe

Verbundschaltungen (bipolar)). Denn Vorstufentransistoren sind extrem preiswert, so daß man zugunsten der Wiedergabequalität problemlos diesen Weg einschlagen kann, ohne daß hohe Kosten entstehen.

Detaillierte Wirkungsweise

Für die nachfolgende detaillierte Betrachtung wollen wir davon ausgehen, daß der Aussteuerbereich maximal sein soll. Die Ausgangsspannung soll also so groß wie möglich werden können, ohne allzu sehr zu verzerren. Es sei allerdings angemerkt, daß man hiervon bei der Verstärkung kleiner Eingangssignale oft abweicht. Denn wenn man ein Mikrofonsignal mit z.B. 10 mV um den Faktor 50 verstärkt, kommen am Ausgang nur 500 mV heraus. Ein maximaler Ausgangsspannungshub, der bei Transistorschaltungen nahezu so groß wie die Versorgungsspannung sein kann, wird in diesem Fall überhaupt nicht benötigt.

Die Eingangskennlinie, wie sie in der obigen Grobbetrachtung zur Erläuterung der grundsätzlichen Gegebenheiten herangezogen wurde, hat einen großen Nachteil: Sie gibt nicht die Abhängigkeit des Ausgangssignals vom Eingangssignal wieder. Man muß daher das Ausgangskennfeld berücksichtigen, das der Transistorhersteller üblicherweise im zugehörigen Datenblatt angibt (siehe Bild 3). Dieses sieht für Unbedarfte ziemlich wüst und unübersichtlich aus, ist es aber eigentlich nicht, wenn man weiß, was man daraus ablesen kann.

Bild 3: Ausgangskennlinien eines Bipolartransistors

Was man sieht, ist die Abhängigkeit des Kollektorstroms von der Kollektorspannung bei verschiedenen Basisströmen. Eine einzelne Kennlinie ist also immer nur für einen bestimmten Basisstrom gültig, deren Wert man an der jeweiligen Kennlinie vermerkt. Weil die Abhängigkeit vom Basisstrom wichtig ist, werden die Kennlinien für einige exemplarisch ausgesuchte Basisströme in das gleiche Diagramm eingetragen, so daß sich eine Kennlinienschar ergibt. Selbstverständlich gibt es nicht nur Kennlinien, die den festen Basisströmen im Diagramm entsprechen sondern unendlich viele dazwischen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurden im Diagramm aber nur einige wenige eingezeichnet.

Den Transistor kann man sich ganz grob als Widerstand vorstellen, dessen Wert über den Basisstrom einstellbar ist. Zusammen mit dem Kollektorwiderstand R3 ergibt sich daher ein Spannungsteiler, an dessen Eingang die Versorgungsspannung angeschlossen ist. Am Beispiel dreier Betriebsfälle ist dies in Bild 4 schematisch dargestellt.

Bild 4: Extreme Betriebswerte und Arbeitspunkt

Anmerkung: Genaugenommen verhält sich ein Transistor nicht wie ein Widerstand (d.h. mit steigender Spannung steigt der Strom linear an) sondern oberhalb einer bestimmten Mindestspannung wie eine Stromsenke (d.h. der Kollektorstrom bleibt unabhängig von der Kollektor-Emitter-Spannung konstant). Für das Verständnis des hier besprochenen Sachverhalts spielt dies jedoch keine Rolle, so daß man ganz grob betrachtet den Transistor als veränderlichen Widerstand betrachten darf. Man darf allerdings nicht annehmen, der Widerstand verändere sich linear mit dem Basisstrom.

Wenn wie links in Bild 4 der Transistor vollständig sperrt, ist der Kollektorstrom Null, und die Ausgangsspannung ist ohne äußere Belastung identisch mit der Betriebsspannung, weil bei fehlendem Strom kein Spannungsabfall am Kollektorwiderstand R3 entsteht. Dieser Betriebspunkt ist als P1 in das in Bild 5 erneut dargestellte Ausgangskennfeld eingezeichnet.

In Bild 4 ist rechts ein weiterer extremer Betriebspunkt dargestellt: Wenn der Transistor bei voller Aussteuerung einen satten Kurzschluß mit 0 Ω bildet (in der Praxis besitzt er allerdings einen bestimmten Restwiderstand), begrenzt der Kollektorwiderstand den Kollektorstrom auf einen bestimmten Maximalwert, der sich mit dem ohmschen Gesetz leicht berechnen läßt, wenn man der Einfachheit halber annimmt, daß R4 nicht vorhanden ist: I_C = U_B/R₃

In diesem Fall beträgt die Kollektorspannung 0 V(theoretisch - mehr dazu weiter unten). Es ergibt sich mit diesen beiden Werten für Kollektorstrom und -spannung der Betriebspunkt P2, der in dem in Bild 5 erneut dargestellten Ausgangskennlinienfeld eingezeichnet ist.

Zuletzt seien als dritter Punkt die Verhältnisse im Arbeitspunkt (d.h. ohne Eingangssignal, also sozusagen die Ruhestellung) dargestellt. Wenn eine maximale Aussteuerbarkeit das Ziel ist, wird man ihn so wählen, daß man die Kollektorspannung sowohl nach oben als auch nach unten hin gleichweit ändern kann, ohne daß starke Verzerrungen entstehen. Dies ist in erster Näherung dann der Fall, wenn der Arbeitspunkt bei halber Betriebsspannung liegt. Dies trifft gemäß Spannungsteilerregel dann zu, wenn der Widerstand des Transistors in diesem Betriebspunkt genauso groß ist wie der Kollektorwiderstand (Bild 4 Mitte). Der Kollektorstrom ist dann genau halb so groß wie im Betriebspunkt P2, weil der Widerstand zwischen Betriebsspannung und Masse genau doppelt so hoch ist (Kollektorwiderstand plus gleich großer Transistorwiderstand). Mit diesen Werten ergibt sich der Betriebspunkt A, den man als Arbeitspunkt bezeichnet.

Bild 5: Transistorkennlinien mit Arbeitsgerade

Verbindet man die Punkte P1 und P2 durch eine Gerade miteinander, erhält man die sogenannte Arbeitsgerade. Sie zeigt, welche Strom-/Spannungskombinationen bei dem vorgegebenen Kollektorwiderstand und der vorgegebenen Versorgungsspannung möglich sind. Erwartungsgemäß liegt auch der Arbeitspunkt A genau auf dieser Geraden. Im Arbeitspunkt befindet sich der Transistor, wenn keine Eingangsspannung anliegt; es ist also die "Ruhestellung". Wie man weiterhin sieht, schneidet zusätzlich die Kennlinie für Basisstrom 10 μA den Arbeitspunkt, d.h. um den Arbeitspunkt unter den vorgegebenen Umständen (Betriebsspannung/Kollektorwiderstand) einzustellen, muß der Basisstrom exakt 10 μA betragen. Dies erreicht man durch entsprechende Dimensionierung der Widerstände R1/R2 und R4: Einerseits liegt am Basisanschluß eine Spannung an, die durch R1 und R2 festgelegt ist, andererseits fällt an R4 durch den Kollektorstrom eine Spannung ab. Die Basisspannung ist die Differenz beider Werte. Die für den gewünschten Basisstrom erforderliche Basisspannung läßt sich aus der Eingangskennlinie ablesen.

Legt man nun eine Eingangsspannung an, so ändert sich auch die Basisspannung und damit der Basisstrom entsprechend, da sich die Basisspannung im Arbeitspunkt und die Eingangsspannung überlagern. Bei positiver Eingangsspannung steigt der Basisstrom und sinkt bei negativer Eingangsspannung. Der Arbeitspunkt wird daher zum aktuellen Betriebspunkt hin verlassen. Aufgrund des Emitterwiderstands R4, an dem durch den zunehmenden Emitterstrom eine höhere Spannung abfällt, wird allerdings nicht der volle Betrag der Eingangsspannung als Basisspannung und damit Basisstrom wirksam.

Nehmen wir einmal an, der Basisstrom erhöht sich von 10 μA auf 15 μA bzw. sinkt auf 5 μA ab. Den jeweiligen Betriebspunkt findet man auf der Arbeitsgeraden, wenn man den Punkt sucht, an dem die Kennlinie für den Basisstrom 15 μA bzw. 5 μA die Arbeitsgerade schneidet. Im jeweiligen Betriebspunkt kann man den Kollektorstrom bestimmen, indem man ihn an der linken Skala abliest. Dieser Strom fließt natürlich nicht nur durch den Transistor sondern auch durch den Kollektorwiderstand R3 und ruft an ihm einen Spannungsabfall gemäß dem ohmschen Gesetz hervor. Die Kollektorspannung U_C und damit die Ausgangsspannung läßt sich berechnen, indem man von der Versorgungsspannung den Spannungsabfall am Kollektorwiderstand abzieht. Man erhält folgende Formel:
U_C = U_B - R₃^. I_C

Wenn Sie sich die Diagramme genau angeschaut haben, wird Ihnen wahrscheinlich nicht entgangen sein, daß auch bei großen Basisströmen die Kollektorspannung keineswegs wie oben grob angenommen 0 V erreicht, sondern noch eine kleine "Restspannung" vorhanden ist. Man erreicht daher den Betriebspunkt P2 in der Praxis überhaupt nicht, sondern wird durch die Transistorkennlinien auf P2' begrenzt. Im Gegensatz zu Röhren ist diese "Restspannung" jedoch sehr gering und beträgt bei Vorstufentransistoren nur einige hundert Millivolt. Für einen maximalen Ausgangsspannungshub müßte man diese Spannung theoretisch berücksichtigen, aber in der Praxis spielt sie nur dann eine Rolle, wenn man die Schaltung für extrem niedrige Betriebsspannungen auslegt. Jedoch bilden die Widerstände R3 und R4 einen Spannungsteiler, der bewirkt, daß selbst bei bei total durchgesteuertem Transistor die Ausgangsspannung keinen Massepegel annehmen kann sondern noch einige Volt anstehen. Für einen maximalen Ausgangsspannungshub legt man daher den Arbeitspunkt in die Mitte zwischen dieser minimalen Ausgangsspannung und der Betriebsspannung.

Dimensionierung der Emitterschaltung

Nun kommen wir zur Berechnung der wenigen Bauteile. Zuerst muß man festlegen, wie groß die Verstärkung der Stufe und wie groß der Eingangswiderstand sein soll. Für das Beispiel wollen wir Faktor 10 sowie 50 kΩ annehmen. Die Versorgungsspannung betrage 20 V.

Für geringe Verstärkungsfaktoren, was für Faktor 10 zutrifft, kann man die Verstärkung nach folgender, vereinfachter Formel berechnen:

Der Widerstand R4 bestimmt neben dem Basisspannungsteiler den Eingangswiderstand. Dadurch kann man einen Mindestwert für ihn bestimmen. Der Eingangswiderstand des Transistors berechnet sich in erster Näherung wie folgt:
R_Transistor = β ^. R4 + r_BE
Wenn der Transistor eine Stromverstärkung (siehe Datenblatt) von β = 100 besitzt, was für Vorstufentransistoren gering ist, ergibt sich ein Emitterwiderstand von mindestens 50000 Ω / 100 = 500 Ω. Da der Basisspannungsteiler das Signal ebenfalls belastet, wählen wir einen deutlich größeren Wert, z.B. 10 kΩ. Das ergibt einen Eingangswiderstand von 1 MΩ, so daß der Eingangswiderstand fast ausschließlich durch den Basisspannungsteiler bestimmt wird. Bei zehnfacher Verstärkung ergibt sich nach der oben angegebenen Formel auch sofort der Wert von R3: Er muß zehnmal so groß wie R4 sein, was im Beispiel 100 kΩ ergibt.

Sicher ist Ihnen aufgefallen, daß der Basis-Emitter-Widerstand (es handelt sich um den differentiellen Widerstand des np-Übergangs von Basis zu Emitter) r_BE bei der Berechnung unter den Tisch gefallen ist. Dies hat einen guten Grund: Bei den üblichen Kollektorströmen von Vorstufen beträgt er normalerweise nur einige wenige kΩ und ist zudem auch noch arbeitspunktabhängig. Da sein Wert aber sehr klein gegenüber dem Eingangswiderstand (1 MΩ) ist, kann er vernachlässigt werden. Wenn der Wert von R4 aber deutlich geringer gewählt wird, gewinnt er an Einfluß und muß berücksichtigt werden.

Da wir den Arbeitspunkt in die Mitte des Aussteuerbereichs legen wollen, soll die Ausgangsspannung im Arbeitspunkt die Hälfte der Betriebsspannung betragen, also die Hälfte von 20 V. Wenn man diese 10 V durch den Wert des Kollektorwiderstands R3 dividiert, erhält man den Strom im Arbeitspunkt: 0,0001 A(= 0,1 mA). Am Emitterwiderstand R4 stellt sich durch diesen Strom nach dem ohmschem Gesetz eine Spannung von 1 V ein. Die Spannung am Basisanschluß (d.h. zwischen Basis und Masse), die mit dem Basisspannungsteiler R1/R2 erzeugt wird, muß also um genau 1 V höher sein als die Spannung, die der Transistor benötigt, um einen Kollektorstrom vom 0,1 mA fließen zu lassen. Diese Spannung kann man aus der Eingangskennlinie ablesen, wenn man den Basisstrom im Arbeitspunkt kennt. Den Basisstrom kann man in erster Näherung leicht berechnen, indem man den Kollektorstrom durch die Stromverstärkung β dividiert. Im Beispiel erhält man als Ergebnis 0,001 mA, also 1 μA, so daß man aus der Eingangskennlinie, die übrigens für jeden Transistor etwas anders aussieht, beispielsweise 0,5 V ablesen kann.

Jetzt steht noch die Berechnung des Basisspannungsteilers aus. Am Basisanschluß müssen im Beispiel 1 V + 0,5 V = 1,5 V anliegen (Spannung an R4 plus Basis-Emitter-Spannung). Als zusätzliche Bedingung muß die Impedanz des Spannungsteilers 50 kΩ betragen, wenn man vernachlässigt, daß der Eingangswiderstand des Transistors mit 1 MΩ diesen Wert geringfügig erniedrigt. Aus Sicht des Eingangssignals entspricht die Impedanz des Basisspannungsteilers der Parallelschaltung aus R1 und R2, denn R1 ist über die Betriebsspannung, die einen Innenwiderstand von 0 Ω besitzt, mit Masse verbunden und liegt daher wechselspannungsmäßig parallel zu R2. Die Impedanz des Spannungsteilers berechnet sich daher so:

Man kann diese Formel nach R2 auflösen und erhält dann Gleichung 1:

Zusätzlich gilt die Forderung, daß eine bestimmte Spannung am Basisanschluß durch den Basisspannungsteiler bereitgestellt werden muß. Es gilt folgende Formel:

Nach Auflösen nach R2 erhält man Gleichung 2:

Jetzt setzt man die nach R2 aufgelösten Gleichungen 1 und 2 gleich und löst nach R1 auf:

Nach Einsetzen der Werte aus dem Beispiel ergibt sich für R1 ein Wert von 54 kΩ. R2 kann dann entweder gemäß Gleichung 1 oder nach Gleichung 2 (beide Gleichungen liefern das gleiche Ergebnis) berechnet werden, wobei sich 667 kΩ ergeben.

Nachdem alle Widerstände bestimmt sind, kann man die Kapazität des Eingangskondensators C1 berechnen. Sein Wert hängt von der gewünschten unteren Grenzfrequenz an. Denn C1 bildet mit dem Eingangswiderstand der Schaltung einen Hochpaß, dessen Grenzfrequenz sich nach folgender Formel berechnet:

Bei einem Eingangswiderstand von 50 kΩ und einer gewünschten unteren Grenzfrequenz von 20 Hz erhält man als Ergebnis 1,59154^.10^-7 F sprich 159,154 nF. Der nächstgrößere Wert aus der Normenreihe ist 180 nF. Viel besser erhältlich ist aber der Wert 220 nF, wodurch sich eine untere Grenzfrequenz von ca. 14,5 Hz ergibt.

Den Ausgangskondensator C2 kann man nur berechnen, wenn man den Eingangswiderstand der nachfolgenden Stufe kennt. Die Berechnungsformel ist die gleiche wie für C1, wobei man als Widerstandswert den Eingangswiderstand der nachfolgenden Stufe einsetzen muß.

Der Eingangswiderstand der nachfolgenden Stufe spielt nicht nur bei der Berechnung von C2 eine Rolle, sondern er bildet zusätzlich mit dem Ausgangswiderstand der gerade betrachteten Stufe (dieser ist in guter Näherung identisch mit R3) einen Spannungsteiler. Da die effektive Verstärkung durch diesen Spannungsteiler reduziert wird, ist man bestrebt, die Schaltungen so zu dimensionieren, daß der Eingangswiderstand viel höher ist als den Ausgangswiderstand, so daß sich eine möglichst geringe Abschwächung ergibt. Ist der Ausgangswiderstand genauso groß wie der Eingangswiderstand, reduziert sich die effektive Verstärkung auf die Hälfte. Dies muß man beim Entwurf berücksichtigen, indem man die Verstärkung der Stufe so hoch wählt, daß sich trotz dieses Spannungsteilers die gewünschte Verstärkung ergibt.

Obwohl man die Schaltung leicht berechnen kann, wird sich in der Praxis selten genau der gewünschte Arbeitspunkt einstellen. Schuld daran ist nicht, daß die Berechnung durch die Näherungsformeln zu ungenau erfolgte. Die Abweichungen sind vielmehr durch Bauteiletoleranzen bedingt. Insbesondere die Eingangskennlinie und die Stromverstärkung unterliegen exemplarabhängigen Toleranzen. Da durch die steile Eingangskennlinie eine nur wenige Millivolt abweichende Basis-Emitter-Spannung große Kollektorstromänderungen bedingt, wirken sich selbst kleine Bauteiletoleranzen stark aus. Aus diesem Grund macht man den Basisspannungsteiler um den berechneten Mittelwert herum einstellbar, wenn der Arbeitspunkt relativ genau eingehalten werden muß. Wenn aber z.B. bei 20 V Versorgungsspannung der Ausgangsspannungshub nur 500 mV beträgt, ist es egal, ob der Arbeitspunkt bei 3 V, 7 V oder 17 V statt der gewünschten 10 V liegt, weshalb man bei Eingangsstufen, bei denen nur kleine Spannungen auftreten, auf die Einstellbarkeit verzichten kann.

Emitterschaltung mit pnp-Transistoren

Transistoren können im Gegensatz zu Röhren bekanntlich in komplementärer Technik hergestellt werden (siehe

Bipolartransistoren). Bei pnp-Transistoren sind sämtliche Polaritäten gegenüber npn-Transistoren umgedreht. Eine Emitterschaltung mit pnp-Transistoren (siehe Bild 6) wird dementsprechend mit einer negativen Versorgungsspannung betrieben.

Bild 6: Emitter-Schaltung mit pnp-Transistor

Manchmal wird die Schaltung auch vertikal invertiert gezeichnet, d.h. Masse oben und die negative Betriebsspannung unten. Die Schaltung funktioniert abgesehen von den umgedrehten Polaritäten genauso wie mit einem npn-Transistor und wird auch genauso berechnet. Auf das Signal selbst hat es keinerlei Einfluß, ob es mit einem npn- oder pnp-Transistor verstärkt wird.

Varianten der Emitterschaltung

Die in Bild 1 dargestellte Emitterschaltung ist nur eine Möglichkeit von vielen. Man kann sie in mehreren Details verändern. Beispielsweise muß man die Vorspannung am Basisanschluß nicht notwendigerweise mit einem Basisspannungsteiler einstellen. Zweck des Basisspannungsteilers ist ja lediglich, eine Spannung anzulegen, die infolge der Eingangskennlinie den gewünschten Basisstrom zur Folge hat. Man kann stattdessen auch direkt einen Strom in die Basis einspeisen, wenn man R1 wegläßt und R2 so hochohmig macht, daß der gewünschte Basisstrom im Arbeitspunkt fließt. Dadurch ergibt sich die in Bild 7 dargestellte Schaltung.

Bild 7: Emitter-Schaltung mit direkter Basisstromeinstellung

Wenn die Spannung am Widerstand R4 steigt, steigt automatisch auch die Spannung zwischen Basisanschluß und Masse. Durch die dann geringere Spannung an R2 sinkt der Basisstromanteil ein wenig, der durch R2 verursacht wird. Dieser wirkt der Stromerhöhung durch das Eingangssignal entgegen, so daß die Verstärkung ein wenig geringer ist als mit einem Basisspannungsteiler, was einer schwachen Gegenkopplung entspricht. Der Widerstand R2 ist viel hochohmiger als der Gesamtwiderstand eines Basisspannungsteilers, so daß sich ein deutlich höherer Eingangswiderstand realisieren läßt.

Die Spannungsversorgung des Widerstands R2 muß nicht notwendigerweise durch die Betriebsspannung geschehen. Man kann dazu auch das Signal am Kollektor verwenden (siehe Bild 8), wodurch sich eine zusätzliche Gegenkopplung ergibt. Diese Art der Gegenkopplung nennt man Spannungsgegenkopplung, weil man die phaseninvertierte Ausgangsspannung auf den Eingang zurückführt. Die Gegenkopplung, die sich durch den Widerstand R4 einstellt, wird dementsprechend als Stromgegenkopplung bezeichnet, weil der Emitterstrom zur Erzeugung des Gegenkopplungssignals herangezogen wird. Den Grad der Spannungsgegenkopplung kann man nicht ohne weitere Maßnahmen (sprich zusätzliche Bauteile) einstellen. Da er ohnehin relativ gering ist, wird die Spannungsgegenkopplung fast immer zusammen mit der Stromgegenkopplung eingesetzt.

Bild 8: Emitter-Schaltung mit Spannungsgegenkopplung

Man kann selbstverständlich die Stromgegenkopplung auch ganz weglassen, indem man den Widerstand R4 durch eine Drahtbrücke ersetzt, jedoch hat dies mehrere bedeutende Nachteile: Erstens ist die Verstärkung relativ hoch, nicht einstellbar und von den Exemplarstreuungen des Transistors abhängig (Stromverstärkung), zweitens ergeben sich infolge der schwachen Gegenkopplung relativ hohe Verzerrungen, drittens ist der Eingangswiderstand bei Entfall von R4 sehr gering und viertens driftet durch die schwache Gegenkopplung der Arbeitspunkt relativ stark, wenn sich die Temperatur ändert.

Einsatz und Verwendung

Die Emitterschaltung ist eine sehr simple Schaltung mit etlichen Nachteilen. Einerseits ist der Eingangswiderstand je nach Dimensionierung oft zu gering, andererseits ist der Ausgangswiderstand ziemlich hoch. Weiterhin läßt die erzielbare Verstärkung zu wünschen übrig, wenn man mit einer starken Gegenkopplung arbeitet, um die Signalverzerrungen gering zu halten. Diese Nachteile kann man mit mehrstufigen Verstärkern und insbesondere mit sogenannten

Verbundschaltungen vermeiden. Emitterstufen als eigenständige Verstärker werden im Audiobereich daher heutzutage höchstens noch in Geräten für einfachste Ansprüche verwendet. Bereits vor vielen Jahren wurden sie durch Verstärkerstufen mit

Operationsverstärker weitgehend verdrängt. Als Teil von umfangreichen Schaltungen spielt die Emitterschaltung jedoch nach wie vor eine große Rolle. Es ist daher sinnvoll, ihre Wirkungsweise zu kennen.

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