Transistor als Verstärker
Ein paar Worte zum Transistor
Der Transistor ist ein Halbleiter-Bauelement, welches zum Steuern niedriger elektrischer Spannungen und Ströme verwendet wird. Dabei kann der Transistor je nach Schaltungsart wie ein regelbarer Widerstand eingesetzt werden. Die im
Experimentierkasten EE2003 enthaltenen Transistoren werden in der Fachsprache auch als bipolar Transitoren bezeichnet und unterscheiden sich grundlegend in Bezug auf ihre Ansteuerung von unipolaren Transistoren (Feldeffekt Transistoren).
Auf das Thema Feldeffekt Transistoren wird im Rahmen des
Erweiterungskastens EE2010 weiter eingegangen. Bei den bipolar Transistoren werden zwei Typen, der PNP und der NPN, unterschieden. In Bezug auf ihre Funktion besteht deren Unterschied lediglich aus ihrer Polarität. Dem Experimentierkasten EE2003 wurden drei NPN Transistoren beigefügt. Experimente mit PNP Typen als auch der Aufbau von Grundschaltungen, die im Anleitungsbuch beschrieben sind, können mit dem EE2003 nicht durchgeführt werden (vgl. Seite 46 - 49).
Verwendet wird der bipolar Transistor zum einen als elektronischer Schalter wie beispielsweise bei den Kippschaltungen dargestellt, zum Anderen auch als linearer Verstärker u.a. für analoge Signale. Im Bezug auf die Ansteuerung als Verstärker spricht man beim Einsatz des bipolaren Transistors auch von Strom- bzw. Leistungssteuerung, da beim Anlegen der Schwellspannung (ca. 0,6 V) auch ein Strom in den Eingang fließt. In diesem Kapitel geht es vorrangig um Experimente rund um die Verstärkerfunktion des bipolaren Transistors, insbesondere um die Wechselspannungsverstärkung analoger Signale.
Weitere interessante Informationen zum Thema bipolare und unipolare Transistoren sind auf der Seite von elektronikinfo.de beschrieben.
Bei den Transistorschaltungen werden drei Grundschaltungsarten unterschieden (vgl. Seite 54 - 58). Deren Bezeichnung sind die Emitter-, Kollektor- und Basisschaltung wobei die Letztere überwiegend in Hochfrequenz-Verstärkerstufen eingesetzt wird (vgl. Geräteschaltung 5.04 UKW-Empfänger auf den Seiten 178-181 des Anleitungsbuches).
Je nach Grundschaltungsart ergeben sich Unterschiede in Bezug auf Ein- und Ausgangswiderstand sowie bei der Spannungs- und Stromverstärkung.
Die Emitterschaltung und die Kollektorschaltung sind die am häufigsten eingesetzten Schaltungsarten im Verstärkerbetrieb. Das folgende Experiment zeigt nun die Unterschiede in der Spannungsverstärkung beider Grundschaltungen (Schaltung Nr. 37 - Seite 57). Beim Betätigen des Potentiometers (od. auch eines Trimmpotis) müssen beide Glühlampen im Auge behalten werden. Schon ab einer geringen Basisspannung beginnt die Lampe im Kollektorkreis (Emitterschaltung) zu glimmen. Beim Anschlag des Potentiometers hat sie dann volle Helligkeit erreicht. Ganz anders verhält sich die Lampe im Emitterkreis (Kollektorschaltung). Erst im letzten Drittel des Potis fängt diese zu glimmen an und erreicht dabei nur eine geringe Helligkeit. In diesem Fall erwirken die Veränderung der Spannung an der Basis nur eine kleine Spannung im Emitterkreis. Die Spannungsverstärkung der Kollektorschaltung ist immer kleiner eins (>1). Die Kollektorschaltung hat im Gegensatz zur Emitterschaltung eine geringe Spannungsverstärkung. Das bedeutet, das Spannungsänderungen an der Basis nur geringfügige Spannungsänderungen am Emitteranschluß zur Folge hat. Eine Kollektorschaltung eignet sich deshalb nicht für Spannungs- und somit zur Leistungsverstärkung. Sehr wohl findet die Kollektorschaltung ihre Verwendung. Mit ihrem hohen Eingangswiderstand und kleinen Ausgangswiderstand eignet sich diese Schaltung sehr gut als Impetanzwandler d. h. mit ihr lassen sich Verstärkerstufe mit einem hohem Ausgangswiderstand an Verstärkerstufe mit einen kleinem Eingangswiderstand anpassen. Im Gegensatz zur vorherigen Schaltung arbeitet die Vorstufe mit dem roten Transistor in einer Ermitterschaltung. Das Eingangssignal in Form einer Wechselspannung wird bei dieser Grundschaltungsart höher verstärkt und anschließend, ebenfalls über einen Kopplungskondensator, der Endstufe zugeführt. Um die Vorstufe bzw. den Verstärkereingang an eine hochohmige Signalquelle anzupassen, ist der Basis des roten Transistors ein hochohmiger Widerstand vorgeschaltet.
Unterschied Emitter- und Kollektorschaltung
Der Transistor ist ein komplexes Bauteil. Für einen tieferen Einblick in die Arbeitsweise des bipolaren Transistors und seiner Anwendung, eignet sich auch das Anleitungsbuch aus der "Mach mit Serie - Elektronik Experimente von A-Z", speziell die Seiten 59 - 86. Hier werden u. a. Themen wie Verstärkungsfaktor, Verlustleistung, Arbeitspunkteinstellung, Gegenkopplungsmaßnahmen sowie die Darlington-Schaltung und der Differenzverstärker experimentell behandelt.
Zweistufiger Verstärker an der Hifi Anlage
Rein technisch gesehen ist der Verstärker eine Baugruppe bzw. ein Gerät, dass das an seinen Eingang anliegende Signal in Form von Spannung und Strom, weiterverarbeitet und an
seinen Ausgang größer zur Verfügung stellt. Verstärker werden in den unterschiedlichen Bereichen eingesetzt. In den nun folgenden beiden Experimenten werden Verstärker für akustische Signale mit Transisoren aufgebaut. Zum Testen der Funktion können diese Verstärker über geeignete Steckerverbindungen (Cinch Stecker, Diodenbuchse od. ähnlichem) mit dem Ausgang eines Tuners (Radioempfänger) oder auch eines MP3 Players verbunden werden.
Mit der Schaltung 1.01 - "Verstärker für Plattenspieler und Tonbandgerät" kann ein einfacher Verstärker aufgebaut werden. Die Leistung diese Gerätes ist relativ gering und eignet sich daher eher zum Ansteuern eines Kopfhörers und weniger für den Anschluß eines Lautsprechers. Nichts desto trotz lässt sich mit dieser einfachen Schaltung die grundlegende Funktion eines Transistorverstärkers experimentell erforschen. Am Eingang des Verstärkers ist der rote Transistor in Kollektorschaltung angebracht. Er erfüllt damit die Funktion eines Impetanzwandlers, das bedeutet, mit seinem hohen Eingangswiderstand wird die Signalquelle (Tuner, MP3-Player etc.) durch die Verstärkerschaltung wenig belastet. Die Kollektorschaltung eignet sich nicht für eine Leistungsverstärkung und so muss das an ihrem Emitter anliegende Wechselspannungssignal von einer zweiten Transistorstufe weiter verstärkt werden.
Die weitere Verstärkung erfolgt dabei durch den weißen Transistor, der in Emitterschaltung das durch ihn verstärkte Wechselspannungssignal als Endstufentransistor an den Lautsprecher weitergibt. Um die beiden Transistoren im Signalweg von der Gleichspannungs zu entkoppeln, wird zwischen Emitter des roten Transistors und der Basis des weißen Transistors (Signalweg) ein Koppelkondensator geschalten. Ohne ihn würde der Gleichspannungsanteil auf den Endstufentransistor einwirken und dabei seinen Arbeitspunkt nachteilig beeinflussen. Ein Kondensator verhält sich bei Gleichspannung ähnlich eines unendlich hohen Widerstandes. Mit anderen Worten, ein Kondensator sperrt Gleichsstrom, lässt Wechselstrom dagegen passieren.
Auch ein Kondensator kann für Wechselstrom ein Widerstand sein. Dieser hängt von der Höhe der Frequenz der zugeführten Wechselspannung und der Kapazität des Kondensators ab und wird auch als kapazitiver Blindwiderstand bezeichnet. Da die Koppelkondensatoren in den beschriebenen Schaltungen recht groß sind, kann allerdings die weitere Betrachtung des kapazitiven Blindwiderstandes außen vor bleiben.
Es gibt eine ganze Reihe an unterschiedlichen Verstärkerschaltungen mit Transistoren. Der weiße Transistor z. B. ist in der Emitterschaltung mit Spannungsgegenkopplung geschaltet. Diese Art der Schaltung wird sehr häufig bei den Experimenten des EE2003 angewand. Auf der Webseite von Electronic Developer wird dazu ein Tool zur Berechnung dieser Verstärkerschaltung zur Verfügung gestellt.
Leistungssteigerung mit dem Gegentakt-Verstärker
Im Vergleich zur vorherigen Schaltung unterscheidet sich dieser Verstärker (Geräteschaltung 1.03) deutlich in der Ausgangsstufe. Bei dieser Schaltung, handelt es sich um eine einfache Gegentakt-Endstufe, die aus zwei in Reihe geschalteten Transistoren besteht. In der Regel wird eine Gegentakt-Entstufe mit einem PNP und NPN Transistor aufgebaut. Der Vorteil dieser Schaltung ist, das jeder dieser Endstufen-Transistoren je eine Halbwelle verstärken. So verstärkt der Eine die Positive und der Andere die negative Halbwellen. Durch diese Teilung der Halbwellen kann der Arbeitspunkt der betroffenen Transistoren so eingestellt werden, das ohne Signalansteuerung ein geringer Ruhestrom anliegt. Gegenüber einem einfachen Transistor-Verstärker ist dadurch die Verlustleistung im Ruhezustand (keine Signalansteuerung) niedriger. Den Transistoren stehen somit ein größerer Bereich für die Wechselspannungs-Verstärkung zur Verfügung. Dem Experimentierkasten EE2003 liegen nur NPN Tansisoren bei. Die Gegentaktverstärkung arbeitet dabei nach einen anderen Prinzip aber im Gegentakt. Die beiden NPN Transistoren (weiß) sind in dieser Schaltung auf die halben Betriebsspannung eingestellt. Die Wechselspannung wird zuerst der Basis des T2 zugeführt. Dabei verursacht das verstärkte Signal im Kollektorkreis einen mehr oder weniger großen Spannungsabfall und steuert damit die Basis des T3 im Gegentakt. Die an dieser Gegentaktschaltung auftretende Spannung ist abhängig von der Polarität der zugeführten Wechselspannung. Steigt zum Beispiel die positive Spannung am Transistor T2, wird der Transistor T3 weniger angesteuert. Die Ausgänge des T2 und T3 werden über den gemeinsammen Koppelkondensator C6 gleichstromfrei mit dem Lautsprecher verbunden.
Ein Gegentaktverstärker mit zwei komplementären Transistoren (PNP und NPN Transistoren) ist auf der Seite Diverse Schaltungen aufgebaut.