Transistorverstärker in Kollektorschaltung

Bei dieser Schaltungsvariante, die auch Emitterfolger genannt wird, liegt der Kollektoranschluss auf das Signal bezogen an Masse. Der Schaltungsaufbau entspricht einer Emitterschaltung ohne den Kollektorwiderstand. Der Arbeitswiderstand ist der Emitterwiderstand, der gleichzeitig für eine Arbeitspunktstabilisierung sorgt. Das Eingangssignal steuert die Basis an. Das folgende Bild zeigt eine typische Kollektorschaltung.
Kollektorschaltung
Ein Basisspannungsteiler ist nicht zwingend notwendig, oft reicht ein Basisvorwiderstand. Der Arbeitspunkt wird so eingestellt, dass am Emitterwiderstand etwa die halbe Betriebsspannung steht. Wird die Basisspannung erhöht, nimmt auch der Basisstrom und mit ihm der Kollektor- und Emitterstrom zu. Die Stromänderung bewirkt am Emitterwiderstand eine Spannungsänderung und die Emitterspannung folgt der Basisspannung.

Die Schaltung besitzt eine Stromgegenkopplung. Sie bewirkt, dass die Emitterspannung immer etwas kleiner als die Basissteuerspannung ist. Die Spannungsverstärkung der Kollektorschaltung ist daher immer geringfügig kleiner als 1.

Eine Phasendrehung oder Inversion des Ausgangssignals wie bei der Emitterschaltung gibt es bei der Kollektorschaltung nicht. Ausgangs- und Eingangssignal sind phasengleich. Die Spannungsverstärkung leitet sich aus dem Spannungsverhältnis her. Sie wird von der Stromgegenkopplung beeinflusst, kann aber nicht wie bei der Emitterschaltung durch einen parallel geschalteten Kondensator unterdrückt werden.

Formel zur Spannungsverstärkung

Bei einer Kleinsignalverstärkung reicht für eine gute Arbeitspunktstabilisierung 1 V Gleichspannung am Emitterwiderstand aus. Ist am Ausgang eine große Signalamplitude gefordert, muss natürlich auch die Gleichspannung am Emitter entsprechend hoch sein. Mithilfe der Wechselstromersatzschaltung lassen sich alle signalabhängigen Größen herleiten. Auf das Signal bezogen entspricht der positive Pol der Betriebsspannung der Signalmasse. Von der Eingangsseite gesehen bildet der Basisspannungsteiler eine Parallelschaltung. Der Transistor ist als ideale Stromquelle definiert. Auf der Ausgangsseite liegt der dynamische Transistorwiderstand der Kollektor-Emitterstrecke parallel zum Emitterwiderstand. Da rCE » RE ist, kann er vernachlässigt werden.

Signalersatzschaltung einer Kollektorstufe

Der Transistoreingangswiderstand

Die Eingangsspannung liegt an der Reihenschaltung, die vom dynamischen Widerstand der Basis-Emitterstrecke und dem Emitterwiderstand gebildet wird. Ist die Schaltung durch eine angeschlossene Folgestufe belastet, muss der zum Emitterwiderstand parallel liegende Lastwiderstand mit berücksichtigt werden. Dieser Parallelwiderstand wird von (1 + β)·iB durchflossen und ist somit um diesen Stromverstärkungsfaktor größer.

Berechnung der Transistor-Eingangsimpedanz

Der Stufeneingangswiderstand

Er errechnet sich aus dem Eingangswiderstand des Transistors und den dazu parallel liegenden Widerständen des Basisspannungsteilers. Der Eingangswiderstand kann sehr hoch sein, wenn anstelle des Basisspannungsteilers nur ein Basisvorwiderstand verwendet wird.

Berechnung der Stufeneingangsimpedanz

Die Ausgangswiderstände

Der Transistor wird als Wechselspannungsquelle mit dem Innenwiderstand raTr gesehen. Er entspricht der Reihenschaltung des Basis-Emitterwiderstandes rBE mit einem Generatorinnenwiderstand RGen der Signalquelle. Letzterer ist genau genommen die Parallelschaltung des Quelleninnenwiderstand RiG und der Widerstände des Basisspannungsteilers. Der Transistorinnenwiderstand raTr kann theoretisch beim Kurzschluss des Emitterwiderstandes ermittelt werden. Der Stufenausgangswiderstand ra ist dann die Parallelschaltung des Emitterwiderstandes RE zum so ermittelten Innenwiderstand.

Ersatzschaltung zur Berechnung der Stufenausgangsimpedanz

Die Kollektorschaltung hat einen sehr niedrigen Ausgangswiderstandswert. In den meisten Fällen kann bei der Berechnung der Wert des Emitterwiderstands vernachlässigt werden.

Die Spannungsverstärkung

Wie zu Beginn gezeigt, folgt bei der Kollektorschaltung die Ausgangsspannung am Emitterwiderstand der Eingangsspannung. Die Schaltung wird daher auch als Emitterfolger bezeichnet. Sie verstärkt die Eingangsspannung nicht, sodass die Spannungsverstärkung ungefähr 1 beträgt.

Berechnung der Spannungsverstärkung

Die Stromverstärkung

Der Ausgangsstrom fließt durch den Lastwiderstand. Er ist ein Teil des Emitterstroms, der die Parallelschaltung aus Lastwiderstand und Emitterwiderstand versorgt. Wird der hochohmige Basisspannungsteiler im Eingangskreis nicht berücksichtigt, dann entspricht der Eingangsstrom dem Basisstrom. Die Stromverstärkung ist das Verhältnis des Ausgangsstroms bezogen auf den Eingangsstrom.

Berechnung der Stromverstärkung

Die Stromverstärkung erreicht ihren größten Wert, wenn kein weiterer Lastwiderstand angeschlossen ist oder der Emitterwiderstand als Lastwiderstand arbeitet. In diesem Fall würde eine Folgestufe auch vom Transistorgleichstrom durchflossen werden. Je kleiner ein angeschlossener Lastwiderstand im Verhältnis zum Emitterwiderstand ist, desto größer ist die Signalstromverstärkung.

Zu den wichtigsten Eigenschaften der Kollektorschaltung zählen:

Es besteht keine Inversion zwischen dem Eingangs- und Ausgangssignal.
Die Kollektorschaltung hat einen sehr hohen Eingangswiderstand.
Die Kollektorschaltung hat einen sehr kleinen Ausgangswiderstand.
Die Schaltung eignet sich als Impedanzwandler. Sie passt eine hochohmige Signalquelle an eine niederohmige Folgeschaltung an.
Der Innenwiderstand der Signalquelle beeinflusst den Stufenausgangswiderstand.
Die Spannungsverstärkung ist kleiner 1.
Die Stromverstärkung ist hoch.
Die stets vorhandene Stromgegenkopplung minimiert die nichtlinearen Verzerrungen, die im Bereich der gekrümmten Eingangskennlinie entstehen.

Messtechnische Untersuchungen einer Kollektorschaltung

Mit dem Kleinleistungstransistor BC 107 wird eine Kollektorschaltung aufgebaut, um daran Strom- Spannungs- und Signalmessungen vorzunehmen. Insbesondere sollen die oben hergeleiteten Gleichungen am praktischen Beispiel überprüft werden.

Der Transistor hat eine Verlustleistung von 0,3 W. Die Betriebsspannung wird auf 20 V festgelegt. Für eine größtmögliche Signalaussteuerung soll die halbe Betriebsspannung am Emitterwiderstand messbar sein. Mit einem Kollektorstrom von 10 mA bleibt man deutlich unterhalb der Leistungshyperbel und überlastet den Transistor nicht. Der Stromverstärkungsfaktor liegt bei B=300. Die Schaltung soll mit einem Basisspannungsteiler und dem Querstromfaktor m = 3 versehen sein.

Die folgende Schaltung zeigt den Aufbau und die berechneten Bauteile. Eingetragen sind die Messergebnisse für den statischen Fall zur Festlegung des Arbeitspunkts und bei Signalansteuerung. Das Zeitdiagramm zeigt das Ausgangssignal am Lastwiderstand bei einem Eingangssignal von 1 kHz Sinus mit dem Amplitudenspitzenwert von 5 V.

Dimensionierung einer Kollektorschaltung

Dimensionierungsberechnung

Wird die Schaltung mit diesen Werten aufgebaut, so lassen sich die im Schaltbild angegebenen Strom- und Spannungswerte ermitteln. Eine Spannungsverstärkung des Signals findet nicht statt. Die Stromverstärkung für das Signal errechnet aus den dynamischen Stromwerten zu β = 300.

Verstärkungsberechnung

Die Messwerte der Spannungs- und Stromverstärkung stimmen mit den Werten aus den theoretisch hergeleiteten Gleichungen überein. Es wird noch der Stufeneingangswiderstand rechnerisch und messtechnisch ermittelt und miteinander verglichen. Die Bestimmung der Eingangsimpedanz erfolgt nach der Methode der halben Ausgangsspannung. Dazu wird das Eingangssignal über einen in Reihe geschalteten einstellbaren Vorwiderstand an den Einkoppelkondensator gelegt. Die Ausgangsspannung ohne Vorwiderstand ist der Bezugswert. Der Vorwiderstand wird solange verändert, bis die Ausgangsspannung nur noch halb so groß ist. Der Vorwiderstandswert ist dann identisch mit der Schaltungseingangsimpedanz. Für die Eingangsimpedanz wurden 33 kΩ ermittelt.

Berechnung der aktuellen Eingangsimpedanz

Im Rechenweg zeigt sich deutlich, dass der Widerstand der Basis-Emitterstrecke vernachlässigbar ist. Wegen der hohen Stromverstärkung bestimmen der Emitterwiderstand und der parallel liegende Lastwiderstand den Transistoreingangswiderstand. Da der hohe Stufeneingangswiderstand, die Eingangsimpedanz, durch die dazu parallel liegenden Widerständen des Basisspannungsteilers herabgesetzt wird, sollten deren Werte möglichst hoch sein.

Die Ausgangsimpedanz kann nicht mehr nach der halben Spannungsmethode bestimmt werden. Bei einer Verringerung des Lastwiderstands wird die Ausgangsspannung einseitig begrenzt, noch bevor sie sich um 1 V verringert hat. Zur Messung wird die ΔU-, ΔI-Methode angewendet. Hierbei wird die Ausgangsspannung einmal ohne Last und dann mit angeschlossener Last genau gemessen. Aus dem Verhältnis kann dann die Ausgangsimpedanz errechnet werden.

Berechnung der aktuellen Ausgangsimpedanz

Der Rechenweg zeigt deutlich, dass der Emitterwiderstand meistens vernachlässigt werden kann. Abschließend soll noch der Einfluss der beiden Koppelkondensatoren untersucht werden. Sie wirken sich negativ auf die untere Grenzfrequenz des Verstärkers aus. Kleinere Werte ergeben eine höhere Grenzfrequenz. Im Bodediagramm ist zu erkennen, dass der Auskoppelkondensator den größeren Einfluss auf die untere Grenzfrequenz ausübt.

AC-Frequenzanalyse-Diagramme

Anwendung der Kollektorschaltung

Durch ihre hohe Eingangs- und niedrige Ausgangsimpedanz eignet sich die Kollektorschaltung als Impedanzwandler. Sie kann einen wenig belastbaren hohen Innenwiderstand einer Signalquelle wie den eines Kondensatormikrofons in eine niedrige gut belastbare Ausgangsimpedanz umwandeln. In Leistungsendstufen dient die Kollektorschaltung der Stromverstärkung. Zusammen mit einer hohen Spannungsverstärkung aus der Vor- oder Treiberstufe erhält man eine sehr große Leistungsverstärkung. Die niedrige Ausgangsimpedanz dieser Endstufe ermöglicht den Anschluss eines niederohmigen Schallwandlers, einer Lautsprecherbox.