Transistorverstärker in Emitterschaltung
Von den drei Grundschaltungsarten mit bipolaren Transistoren findet man in der Verstärkertechnik oft die Emitterschaltung. Sie verfügt über eine hohe Strom- und Spannungsverstärkung und besitzt günstige Ein- und Ausgangsimpedanzen. Sehr ausführliche Erläuterungen zu den Eigenschaften als Signalverstärker findet man im Kapitel über den Kleinleistungsverstärker in Emitterschaltung. Vergleiche zur Basis- und Kollektorschaltung sind im Kapitel Grundschaltungen der Transistorverstärker aufgeführt.
Zusätzlich zu den allgemeinen Angaben zur Emitterschaltung werden Maßnahmen zur Stabilisierung des DC-Arbeitspunktes eingehender beschrieben. Das kann sowohl mit einer Stromgegenkopplung als auch Spannungsgegenkopplung erreicht werden. Beide Methoden sind auch zur Signalgegenkopplung geeignet, mit der Signalverzerrungen und der damit verbundene Klirrfaktor verringert werden.
Die Qualität des Ausgangssignals wird von der Lage des Arbeitspunkts und von der Verstärkung bestimmt. Durch eine zusätzliche Stabilisierung des Arbeitspunkts wird die Schaltung von der Betriebstemperatur unabhängig. Ebenso ermöglicht sie im Reparaturfall, dass beim Ersatz von Transistoren gleichen Typs trotz Exemplarstreuungen und Kennwerttoleranzen der Transistoren die Schaltung auch ohne Neuberechnung weiterhin gleich gut funktioniert.
Der Temperatureinfluss ist von besonderer Bedeutung, da er bei jeder Inbetriebnahme wirksam wird. Transistoren gehören wie alle Halbleiter zu den Heißleitern, die bei Erwärmung den Strom besser leiten. Die Temperaturerhöhung verschiebt die Eingangskennlinie in Richtung kleinerer Schwellspannungen. Bei gleicher Basisspannung und einer Temperaturerhöhung um 10° nimmt der Basisstrom durchschnittlich um den Faktor 2 zu. Die daraus folgende bessere Leitfähigkeit des Halbleiters erhöht über die Stromsteuerkennlinie den Kollektorstrom um den Faktor der Gleichstromverstärkung B. Die Verlustleistung des Transistors nimmt zu und er erwärmt sich weiter.
Der Arbeitspunkt verschiebt sich in Richtung kleinerer Kollektor-Emitter Ausgangsspannungen. Bei der Großsignalverstärkung wird der gesamte Kennlinienbereich genutzt, sodass durch die Arbeitspunktdrift die Verzerrungen des Ausgangssignals zunehmen. Im Bereich der Sättigungsspannung zwischen Kollektor und Emitter entstehen Signalbegrenzungen. Die Verlustleistung im Kristall nimmt durch den erhöhten Stromfluss zu, wobei anfangs nur kleine partielle Zonen betroffen sind. Insgesamt erwärmt sich der Kristall und verbessert vergrößert seine Leitfähigkeit. Gefährdet ist hierbei die Diodenstrecke zwischen Basis und Emitter, die sich durch die selbst unterstützende Strom-Wärmekopplung zerstört.
Der Arbeitspunkt muss gegen Temperatureinfluss und Exemplarstreuungen stabilisiert werden.
Einstellverfahren für den Arbeitspunkt
Die Arbeitspunkteinstellung durch den Basisstrom
Der Arbeitspunkt wird durch den Basisgleichstrom festgelegt. Für die Versorgungs- oder Betriebsspannung errechnet man einen den Basisstrom bestimmenden Vorwiderstand R1. Über die Stromsteuerkennlinie stellen sich der Kollektorstrom und die verbleibende Spannung zwischen Kollektor und Emitter ein und bestimmen die Lage des Arbeitspunkts. Bei der Temperaturerhöhung δ nehmen die Leitfähigkeit des Transistors und sein Kollektorstrom zu, wodurch die Spannung am Arbeitswiderstand Ra größer wird. Die Spannung am Kollektor verringert sich entsprechend, sodass sich der Arbeitspunkt etwas verschiebt. Da der Basisstrom vom Basisvorwiderstand bestimmt konstant bleibt, gibt es keine sich selbst unterstützende Strom-Wärmekopplung. Die Arbeitspunktstabilisierung ist noch nicht optimal, der sie Exemplarstreuungen hinsichtlich des Gleichstromverstärkungsfaktors B beim Ersatz des defekten Transistors nicht ausgleichen kann.
Die Arbeitspunkteinstellung mit zusätzlichem Emitterwiderstand
Die Arbeitspunktdrift kann durch einen kleinen Widerstand im Emitterkreis verringert werden. Vom Schaltungstyp her bleibt es eine Emittergrundschaltung, da der Emitter niederohmig zur Betriebsmasse verbunden ist. Die Spannung am Emitterwiderstand sollte nur 1 bis 2 Volt betragen, um den Einfluss auf die maximale Verstärkung gering zu halten.
Nimmt der Kollektorstrom bei Erwärmung zu, so erzeugt er als Emitterstrom am Emitterwiderstand die Spannung URE. Das Emitterpotenzial wird gegenüber dem konstant eingestellten Basispotenzial positiver und die Steuerspannung zwischen Basis und Emitter verringert sich. Die Basis-Emitterdiode leitet weniger und verringert den Basisstrom. Über die Stromsteuerkennlinie wird dadurch der Kollektorstrom geringer. Ein kleinerer Strom ist gleichbedeutend mit einem geringeren Leistungsumsatz und weniger Erwärmung. Es liegt ein automatischer Regelkreis vor, der den Arbeitspunkt wesentlich besser stabilisiert und Exemplarstreuungen beim Transistorwechsel gut ausgleichen kann.
Diese Stabilisierung kann weiter verbessert werden, denn beim abnehmenden Basisstrom verringert sich jetzt noch die Spannung am Basisvorwiderstand R1. Das Basispotenzial wird dadurch positiver und lässt den Basisstrom nicht so weit absinken, wie es für eine optimale Arbeitspunktstabilisierung notwendig wäre.
Die Arbeitspunktstabilisierung durch Basisspannungsteiler und Heißleiter
Bei Leistungsverstärkern wird manchmal der Arbeitspunkt durch einen NTC-Widerstand im Basisspannungsteiler stabilisiert. Anstelle des NTC kann ebenso gut eine Diode oder ein als Diode geschalteter Kleinleistungstransistor verwendet werden. Die Heißleiter werden in engen thermischen Kontakt zum Leistungstransistor oder in dessen Nähe auf dem Kühlblech montiert. Mit steigender Temperatur werden sie niederohmig und verringern die Spannung zwischen Basis und Emitter des Leistungstransistors. Sowohl sein Basisstrom als auch sein Kollektorstrom verringern sich und wirken einer Arbeitspunktdrift entgegen. Die niederohmige Eigenschaft des Heißleiters wirkt sich nachteilig direkt auf den Eingangswiderstand des Transistors aus. Diese Art der Stabilisierung findet man daher nur bei Leistungsendstufen.
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Emitterstrom-Gegenkopplung
Das Schaltungskonzept sieht einen Basisspannungsteiler und einen Emitterwiderstand vor. Zu jedem Arbeitspunkt gehört nach dem Mehrquadrantenfeld eines Transistors nicht nur der Basisstrom über die Stromsteuerkennlinie, sondern auch die dazu gehörige Basis-Emitterspannung entsprechend der Eingangskennlinie. So kann durch die Vorgabe einer UBE jeder gewünschte Arbeitspunkt eingestellt werden.
Der Basisspannungsteiler sorgt für eine konstante Basisspannung. Bei einer dynamischen Ansteuerung verändert sich der Basisstrom und der Spannungsteiler wird unterschiedlich belastet. Damit auch dann die Basisspannung konstant bleibt, muss der Teilerstrom ein Mehrfaches des Basisstroms sein. Am belasteten Spannungsteiler bleibt bei einem Querstromfaktor von 5 ... 10 die Teilerspannung weitgehend stabil. In den Gleichungen wird für den Querstromfaktor m verwendet. Die Basis-Emitterspannung ist damit nur von der Emitterspannung entsprechend dem sich ändernden Kollektorstrom abhängig.
Eine Gegenkopplung liegt vor, wenn ein Teil der Ausgangsgröße so auf den Eingang zurückgeführt wird, dass einer Änderung der Ausgangsgröße entgegen gewirkt wird.
Die Driftverstärkung
Eine optimale Stabilisierung des Arbeitspunkts wird dann erreicht, wenn bei äußeren Einflüssen sowohl die Änderungen des Kollektorstroms als auch der Kollektorspannung klein bleiben. Ein ΔIC führt zu einer Änderung der Emitterspannung ΔUE. Die Basisspannung des Transistors ist durch den Basisspannungsteiler fest eingestellt, sodass ΔUBE gleich −ΔUE ist. Je größer der Emitterwiderstand ist, desto besser wird er den Änderungen des Kollektorstroms entgegenwirken. Bei einem großen Kollektor- oder Arbeitswiderstand RC oder Ra genannt, entsteht aber schon durch eine kleine Stromänderung eine große Änderung der Kollektorspannung. Beide Änderungen werden in der Driftverstärkung erfasst.
Die Driftverstärkung gibt an, um wie viel Mal größer die Änderung der Kollektorspannung bezogen auf die der Basis-Emitterspannung ist. Mit einer kleinen Driftverstärkung erreicht man eine gute Stabilisierung. Zur Dimensionierung einer Emitterschaltung haben sich Werte zwischen 0,5 bis 10 als günstig erwiesen. Der weiter oben verwendete Wert RE = 0,1·RC entspricht der Driftverstärkung von 10. Zur Bemessung des Emitterwiderstands lassen sich auch Angaben wie UE = 0,2·U finden, das entspricht UD = 5.
Ein Transistorverstärker in Emitterschaltung mit Basisspannungsteiler und Emitterwiderstand ist gegen äußere Einflüsse gut stabilisiert. Sie lässt sich, wie neben der Schaltung dargestellt, recht einfach berechnen.
Der positive Einfluss einer Stromgegenkopplung auf einen stabilen Arbeitspunkt verringert die ohne Gegenkopplung maximal erzielbare Verstärkung. Ein Teil des verstärkten Eingangssignalstroms führt am Emitterwiderstand zu einer Signalspannung. Die Steuerstrecke beim Transistor ist die Basis-Emitter-Diode, deren Basissignal phasengleich zum Emittersignal der Gegenkopplung ist. Die Differenz beider Signale ergibt die neue wirksame Steuerspannung, die kleiner als die ursprünglich angelegte Signalspannung ist. Mit einem Emitterwiderstand ist die Signalverstärkung immer kleiner als ohne ihn.
Für die Signalverstärkung kann die Gegenkopplung aufgehoben werden, wenn parallel zum Emitterwiderstand ein Kondensator ausreichend großer Kapazität geschaltet wird. Sein niedriger Blindwiderstand ist in der Parallelschaltung nur für das Signal bestimmend. Der Kondensator legt den Emitter für das Signal fast auf Massepotenzial. Die den Arbeitspunkt bestimmenden Gleichspannungsverhältnisse ändern sich dadurch nicht. Der Emitterkondensator besitzt einen praktisch unendlich hohen Gleichstromwiderstand, sodass der parallel liegende Emitterwiderstand für die statische Stromgegenkopplung bestimmend ist.
△Spannungsgegenkopplung
Nimmt mit zunehmender Temperatur am Transistor seine Leitfähigkeit zu, dann verringert sich seine Kollektorspannung. Wird aus dieser Spannung über einen Vorwiderstand der Basissteuerstrom gewonnen oder mittels Basisspannungsteiler die Basissteuerspannung erzeugt, so verringert sich die Transistoransteuerung und wirkt dem Kollektorstromanstieg entgegen. Mit dem Prinzip der Spannungsgegenkopplung kann ebenfalls der Arbeitspunkt stabilisiert werden.
Auf der Eingangsseite des Transistors ändern sich der Basisstrom und die Spannung gleichzeitig. Die Spannungsgegenkopplung gleicht somit auch Exemplarstreuungen gut aus. Die Driftverstärkung ist ein Maß für die Güte der Stabilisierung. Je kleiner sie ist, desto weniger wird der Arbeitspunkt beeinflusst. Die beste Stabilisierung wird ohne Basisspannungsteiler und nur durch einen Vorwiderstand erreicht.
Die Driftverstärkung errechnet sich aus dem Verhältnis der Spannungsänderungen von UCE zu UBE. Ist ein Basisspannungsteiler vorgesehen, dann liegt die Basis-Emitterspannung an der Parallelschaltung vom Teilerwiderstand R2 und dem dynamischen Widerstand rBE der Basis-Emitterstrecke. Die Spannung UCE liegt somit über dem Basisvorwiderstand und der Parallelschaltung, während die Steuerspannung nur über der Parallelschaltung liegt.
Ist der Kondensator in der folgenden Schaltung nicht wirksam, dann verringert die Spannungsgegenkopplung die Signalverstärkung. Ein Teil des Ausgangssignals trifft mit 180° gegenphasig auf das Eingangssignal. Das ansteuernde Summensignal (rot) ist somit kleiner als das direkte Quellensignal (blau).
Ein Kondensator ausreichend großer Kapazität hebt die Signalgegenkopplung ohne Einfluss auf die statische Stabilisierung des Arbeitspunkts auf. Der Basisvorwiderstand R1 wird durch eine Reihenschaltung von zwei im Wert halb so großen Widerständen ersetzt. Der Kondensator ist dazwischen gegen Masse geschaltet, da er sonst entweder das gesamte Eingangs- oder Ausgangssignal nach Masse kurzschließt. Mit dem Kondensator wird die Signalrückkopplung zur Basis verhindert und ue steuert die Basis an.
Die in diesem Kapitel für eine Emitterschaltung beschriebenen Maßnahmen zur Arbeitspunkteinstellung und Stabilisierung gelten ebenso für eine Basisschaltung und zum Teil auch für eine Kollektorschaltung.
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