Lautsprecherbau Grundlagen der Elektrotechnik Verstärkergrundlagen

Der Transistor II, Grundlagen

Dr.-Ing. Peter Strassacker
Email: peter@lautsprechershop.de
 

Arbeitspunktberechnung in der Emitterschaltung

Die Emitterschaltung ist die meist genutzte Schaltung, da sie Strom und Spannung verstärkt. Daher wollen wir hier anhand eines Beispiels die Berechnung des Arbeitspunkts zeigen. Eine ausführlichere Beschreibung über den Transistor findet man in Wikipedia. Nehmen wir an, dass wir eine Verstärkerstufe mit 20 V Versorgungsspannung dimensionieren wollen. Dann ist die erste Frage: welcher Strom wird am Kollektor benötigt (hoher Strom ist mit höherem Rauschen verbunden, dafür kann die Schaltung mehr Leistung abgeben). Für eine Vorstufe sind 3 mA bereits ein hoher Strom, den wir hier zugrunde legen wollen.

Wenn der Arbeitspunkt am Ausgang (also die Spannung am Kollektor) etwas oberhalb der halben Versorgungsspannung liegen soll, also beispielsweise um 11 V, dann fallen am Widerstand 20V - 11V = 9 V ab. Für einen Ruhestrom um 3 mA ist also ein Kollektorwiderstand von

Emittorschaltung
Bild oben: die Emitterschaltung
 

RC = 9V / 3 mA = 3 kΩ

zu wählen. Ein gängiger Wert der Widerstands-E12-Reihe ist 3,3 kΩ, den wir hier wählen.

Der Emitterwiderstand is so zu wählen, dass sich die Spannungsverstärkung VU passend einstellt, da wir keine weitere Gegenkopplung verwenden wollen. Für VU = 3,3 = RC / RE wäre ein Widerstand von

RE = RC / 3,3 = 1 kΩ zu wählen.

Da durch den Emitterwiderstand fast der gleiche Strom wie durch den Kollektorwiderstand fließt (IE = IC + IB und IB << IC) soll über den Emitterwiderstand (9V / 3,3 kΩ) * 1 kΩ = 2,7 V Spannung abfallen. Über die Basis-Emitter Strecke fallen meist um 0,7 V ab, womit die Basis auf einem Spannungsniveau von 2,7 + 0,7 = 3,4 V liegen soll.

Die Basisspannung wird durch einen Widerstandsteiler eingestellt. Dazu werden willkürlich 150 kΩ und 33 kΩ eingesetzt. Daraus ergibt sich ein Potential an der Basis von:

20 V * (33 kΩ/(150kΩ+33kΩ)) = 3,61 V

Die beiden Widerstände sind parallel geschaltet, weswegen sie einen Gesamtwiderstand von Rg = 1/((1/33kΩ) + (1/150kΩ)) = 27 kΩ aufweisen.

An ihnen fällt zusätzlich eine Spannung ab, da ein Strom in die Basis fließt. Geht man von einem Basisstrom von IB = IC / β = 3 mA / 300 = 0,01 mA
aus, so fallen zusätzlich 0,01 mA * 27 kΩ = 0,27 V ab.

Damit ist die Spannung an der Basis nicht die 3,61 V sondern 0,27 V weniger, also 3,34 V. Diese Spannung ist nahezu wie gewünscht (3,4 V).

Wir haben die Schaltung aufgebaut und die Arbeitspunkte (Spannungen, im Bild rot gekennzeichnet) gemessen. Sie stimmen mit den Berechnungen gut überein.
 
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