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Verstärker in Emitterschaltung

Lehrpläne: Sek II, A-level (Electronics), electronics courses

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Ziel

Bauen Sie eine Transistor-Verstärkerstufe auf und bestimmen Sie ihren Arbeitspunkt und ihre Spannungsverstärkung.

Aufbau

Eine 9-V-Quelle versorgt einen NPN-Transistor (\(\beta\) = 100): den Kollektor über einen 2,2-kΩ-Widerstand, die Basis über einen 470-kΩ-Basisvorwiderstand, den Emitter über einen 470-Ω-Widerstand zur gemeinsamen Leitung. Eine Wechselspannungsquelle (Sinus, Amplitude 0,2 V, 1 kHz) führt das Signal über einen 10-µF-Kondensator der Basis zu. Oszilloskop: CH1 – der Ausgang der Wechselspannungsquelle (100 mV/div), CH2 – der Kollektor (500 mV/div, AC-Kopplung), 0,5 ms/div.

Durchführung

  1. Warten Sie nach dem Start des Versuchs ein paar Sekunden: Der Kondensator lädt sich auf, und der Arbeitspunkt stellt sich ein. Vergleichen Sie die beiden Kurven: den Spitze-Spitze-Wert und die Phase des Signals am Eingang und am Kollektor.
  2. Bestimmen Sie die Spannungsverstärkung: das Verhältnis des Spitze-Spitze-Werts am Kollektor zum Spitze-Spitze-Wert am Eingang.
  3. Wählen Sie für CH2 DC-Kopplung und 2 V/div und schätzen Sie die Gleichspannung am Kollektor ab.
  4. Erhöhen Sie die Amplitude der Wechselspannungsquelle auf 1 V und schalten Sie CH1 auf 0,5 V/div um.
  5. Ändern Sie in der Parameterkarte des Emitterwiderstands 470 Ω in 220 Ω und stellen Sie die Amplitude der Wechselspannungsquelle wieder auf 0,2 V.
Erwartetes Ergebnis

Das Signal am Kollektor ist größer als das Eingangssignal und gegenphasig zu ihm: etwa 1,8 V Spitze-Spitze gegenüber 0,4 V, eine Verstärkung von etwa 4,5 – nahe am Verhältnis von Kollektor- und Emitterwiderstand, 2,2 kΩ / 470 Ω. Die Gleichspannung am Kollektor beträgt etwa 5,4 V. Rechnerisch beträgt der Kollektorstrom etwa 1,6 mA, und der Emitter liegt bei etwa 0,77 V – diese Werte zeigt der Aufbau nicht an. Bei einer Amplitude von 1 V wird die Ausgangs-Sinusspannung abgeschnitten: Oben sperrt der Transistor, unten, nahe der Emitterspannung, geht der Transistor in Sättigung. Mit einem 220-Ω-Emitterwiderstand verdoppelt sich die Verstärkung ungefähr, und der Arbeitspunkt verschiebt sich. Ein einzelner Basisvorwiderstand legt den Basisstrom fest, und der Kollektorstrom ist das \(\beta\)-Fache davon, daher hängt der Arbeitspunkt von \(\beta\) ab. Reale Transistoren desselben Typs haben unterschiedliche \(\beta\), von 100 bis 300. Stellen Sie in der Parameterkarte des Transistors Stromverstärkung β = 300 ein: Der Basisstrom ergäbe jetzt einen Kollektorstrom von etwa 4 mA, mehr als die Widerstände von 2,2 kΩ und 470 Ω durchlassen können, und der Transistor geht bei etwa 3,3 mA in Sättigung. Ohne Signal liegt der Kollektor bei etwa 1,7 V, nur 0,2 V über dem Emitter; mit dem 0,2-V-Signal werden die unteren Halbwellen bereits abgeschnitten, und die Kollektorspannung beträgt im Mittel etwa 2,7 V. Deshalb erhalten reale Verstärker die Basisvorspannung über einen Spannungsteiler aus zwei Widerständen.

Fragen

  1. Warum ist das Ausgangssignal gegenphasig zum Eingangssignal?
  2. Wozu ist ein Kondensator zwischen der Wechselspannungsquelle und der Basis nötig?
  3. Warum lässt sich die Verstärkung nicht einfach mit einem doppelt so großen Kollektorwiderstand von 4,4 kΩ verdoppeln? Wo läge dann der Arbeitspunkt?
Antworten
  1. Wenn die Eingangsspannung steigt, wachsen der Basisstrom und der Kollektorstrom und damit auch der Spannungsabfall am 2,2-kΩ-Kollektorwiderstand. Die Kollektorspannung ist 9 V minus dieser Spannungsabfall, daher sinkt sie, wenn die Eingangsspannung steigt.
  2. Der Kondensator lässt das 1-kHz-Signal durch (sein Wechselstromwiderstand beträgt nur etwa 16 Ω) und sperrt Gleichstrom. Der andere Anschluss der Wechselspannungsquelle liegt an der gemeinsamen Leitung, daher würde die Quelle ohne den Kondensator die Basis über ihren kleinen Widerstand nahe 0 V halten: Die Vorspannung über den 470-kΩ-Widerstand ginge verloren, und der Transistor bliebe gesperrt, weil ein 0,2-V-Signal zu klein ist, um ihn zu öffnen.
  3. Der Kollektorstrom wird vom Basisstrom bestimmt und bleibt bei etwa 1,6 mA, daher würden an einem 4,4-kΩ-Widerstand etwa 1,6 mA · 4,4 kΩ ≈ 7,0 V abfallen, und der Kollektor läge bei etwa 2 V, nur etwa 1,2 V über dem Emitter. Der Arbeitspunkt würde nahe an die Sättigung rücken. Das Ausgangssignal, jetzt etwa 3,6 V Spitze-Spitze, würde nicht in den darunter verbleibenden Spielraum passen, und seine unteren Halbwellen würden schon bei 0,2 V am Eingang abgeschnitten.