Transistorgrundschaltungen

Die Grundschaltungen eines Verstärkers sind nach der Elektrode benannt, welche auf einem fest definierten Potential liegt. Im Falle eines Bipolartransistors ergeben sich so die Emitterschaltung, die Kollektorschaltung und die Basisschaltung. Die Transistor-Grundschaltungen unterscheiden sich in den elektrischen Eigenschaften und daher im Verwendungszweck. Analog sind die entsprechenden Schaltungen auch mit Feldeffekttransistoren ( als Source-Schaltung, Drain-Schaltung/Source-Folger und Gate-Schaltung ) realisierbar.

Bei Trioden und anderen Elektronenröhren heißt das Analogon zur Basisschaltung Gitterbasisschaltung, das Analogon zur Emitterschaltung heißt Kathodenbasisschaltung, das Analogon zum Emitterfolger (Kollektorschaltung) heißt Kathodenfolger oder Anodenbasisschaltung.

Übersicht

Die Schaltungen werden üblicherweise wie im nachfolgenden Bild in der oberen Reihe dargestellt, um die jeweils gemeinsame Elektrode zu verdeutlichen. Die Funktionsweise wird allerdings deutlicher, wenn man die Schaltungen gemäß der unteren Reihe umzeichnet.

Die oben genannten Methode zur Ermittlung der jeweiligen Grundschaltung ist nicht immer streng erfüllt, so dass ein weiteres Kriterium angewendet werden muss:

„Die Bezeichnung der Grundschaltung erfolgt entsprechend dem Anschluss des Transistors, an welchem kein Ein- und Ausgang anliegt.“

Datei:Transistorgrundschaltungen.PNG

Emitterschaltung

Sie entspricht der normalen Funktionsweise eines Bipolartransistors. $C_{1}$ und $C_{2}$ blockieren die Gleichspannungsanteile an Ein- und Ausgang. Mit den Widerständen $R_{1}$ und $R_{2}$ wird der Arbeitspunkt festgelegt. Der Basis-Emitter-Strom steuert den um den Stromverstärkungsfaktor $\beta$ größeren Kollektor-Emitter-Strom. Der Eingangswiderstand ist klein und entspricht $(R_{1}\|R_{2})\|(r_{BE}+B\cdot R_{E})$ .(Wenn $C_{3}$ vorhanden ist, dann ist $R_{e}=r_{BE}$ ). Der Ausgangswiderstand ist die Parallelschaltung aus dem Arbeitswiderstand $R_{3}$ und dem Kollektor-Emitter-Widerstand $r_{CE}$ (dieser ist in der Regel $\gg R_{3}$ ). Die Spannungsverstärkung ist bei fehlendem $C_{3}$ das Verhältnis von $R_{3}$ und $R_{4}$ , ansonsten ist sie vom Transistortyp und der Temperatur abhängig. Der Emitterstrom ist gleich dem Kollektorstrom und dem Basisstrom.

Dimensionierung der Bauelemente

Die Spannung an $R_{4}$ sollte etwa 0,6 V betragen, die Spannung an $R_{2}$ also 1,2 V. $R_{3}$ soll so groß sein, dass die Spannung am Kollektor recht genau halb so groß ist wie die Betriebsspannung $U_{cc}$ , weil dann beide Halbwellen ihren maximalen Wert erreichen können. Die Schaltung im nebenstehenden Bild besitzt keine Wechselstrom-Gegenkopplung und verzerrt deshalb das Signal. Das lässt sich durch einen kleinen Widerstand von etwa 100 Ω in Reihe zu $C_{3}$ deutlich verbessern. Allerdings sinkt dadurch auch die Verstärkung.

Daten

Invertierung des Eingangssignals (entspricht Phasendrehung um 180°)
Stromverstärkung hoch
Spannungsverstärkung hoch
Leistungsverstärkung ca. 100–1000, etwa Spannungsverstärkung × Stromverstärkung
Eingangswiderstand: 500 Ω–2 kΩ
Ausgangswiderstand: 50–100 kΩ bzw. etwa gleich dem Arbeitswiderstand R₃
verzerrungsarme Verstärkung nur für sehr kleine Eingangsspannungen: wenn C₃ vorhanden <0,001 V, ansonsten abhängig vom Verhältnis ${\frac {R_{3}}{R_{4}}}$

Einsatzgebiete

Die Emitterschaltung wird in vielen Bereichen der Elektronik eingesetzt, zum Beispiel in Kleinsignal-Verstärkern und elektronischen Schaltern. Eine Emitterschaltung mit nachfolgender Basisschaltung ergibt einen Kaskodeverstärker, bei dem der Eingangswiderstand niedrig und der Ausgangswiderstand sehr hoch ist. Diese Schaltung hat besonders geringe Rückwirkungen und ist deshalb für HF-Anwendungen geeignet.

Stabilisierung des Arbeitspunktes

Datei:Gleichspannungsgegenkopplung.PNG

Abb. 2: Gleichspannungsgegenkopplung

Stabilisierung durch Emitterwiderstand beziehungsweise Gleichstromgegenkopplung (siehe Abb. 1)

Der Transistor erwärmt sich im Betrieb, dadurch wird er leitender und es fließt ein größerer Kollektorstrom. Der größere Kollektorstrom bewirkt einen größeren Spannungsabfall am Emitterwiderstand

R_{4}

. Die Basis-Emitterspannung nimmt ab und der Transistor sperrt mehr.

Gleichspannungsgegenkopplung (siehe Abb. 2)

Bei Zunahme des Kollektorstromes durch Eigenerwärmung des Transistors fällt mehr Spannung am Widerstand

R_{c}

ab. Dadurch wird die Basis-Emitterspannung und Kollektor-Emitterspannung kleiner. Der Transistor sperrt mehr und der Kollektorstrom wird kleiner.

Kollektorschaltung (Emitterfolger)

Die Spannungsquelle soll für das Signal keinen Widerstand besitzen (gegebenenfalls einen Kondensator parallel schalten), daher ist der Kollektor auf einem konstanten Spannungsniveau. In der Schaltung fließt ein kleiner Basis-Emitter-Strom und steuert einen größeren Kollektor-Emitter-Strom. Dieser wird vom Arbeitswiderstand $R_{3}$ bestimmt; an ihm liegt eine Spannung $U_{a}=U_{e}-U_{be}$ mit der Eingangsspannung $U_{e}$ und der Basis-Emitter-Spannung $U_{be}$ von circa 0,7 V.

Die Ausgangsspannung am Emitter folgt daher annähernd der Eingangsspannung, weshalb man auch von einer Emitterfolgerschaltung spricht. Da der Strom durch den Arbeitswiderstand am Eingang um den Faktor der Stromverstärkung verringert erscheint, ist die Eingangsimpedanz einer Emitterfolgerschaltung sehr hoch, die Spannungsverstärkung ist etwa 1. Dies macht die Schaltung zu einem Impedanzwandler.