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Inhalt:
 Allgemeines
 Wirkungsweise (Grobübersicht)
 Dimensionierung eines Emitterfolgers
 Emitterfolger mit pnp-Transistoren
  Verwandte Themen:
 Emitterschaltung
 Verbundschaltungen (bipolar)


Allgemeines

Der Emitterfolger (Kollektor-Schaltung) besitzt einen relativ niedrigen Ausgangswiderstand aber keine Spannungsverstärkung. Man verwendet ihn vorzugsweise als Impedanzwandler, wenn der hohe Ausgangswiderstand der  Emitter-Schaltung stört. Die Schaltung ist in Bild 1 schematisch anhand eines npn-Transistors dargestellt.

Emitterfolger
Bild 1: Schaltung eines Emitterfolgers

Diese Schaltung sieht ziemlich einfach aus. Trotzdem kann man die Werte der Widerstände und Kondensatoren nicht beliebig wählen, um eine funktionierende Schaltung zu erhalten. Nachfolgend können Sie erfahren, wie die Schaltung funktioniert. Danach wird die Dimensionierung der Schaltung erklärt - also salopp gesagt, wie man die Werte der Widerstände und Kondensatoren ermittelt.

Der Eingangswiderstand ist recht hoch, der Ausgangswiderstand hingegen relativ niedrig. Er ist aber bei den üblichen Vorstufentransistoren nicht so niedrig, daß man damit z.B. einen handelsüblichen Lautsprecher mit 4 oder 8 Ω Impedanz betreiben könnte. Verwendet wird der Emitterfolger daher beispielsweise als Ausgangsstufe für Vorverstärker aber auch als Treiberstufe in Endverstärkern mit Leistungstransistoren, die eine niederohmige Ansteuerung benötigen.


Wirkungsweise

Der Eingangskondensator C1 dient dazu, die Basis vom Eingangssignal gleichstrommäßig abzukoppeln. Kondensatoren lassen ja bekanntlich keinen Gleichstrom sondern nur Wechselstrom sprich in diesem Fall das Audiosignal passieren. Die Widerstände R1 und R2 sorgen dafür, daß der Basisanschluß bei fehlendem Eingangssignal auf einem definierten Wert, d.h. auf der Hälfte der Betriebsspannung liegt. Der Kollektor des Transistors ist im Gegensatz zur  Emitterschaltung nicht über einen Widerstand sondern direkt mit der Betriebsspannung verbunden. Der Strom fließt in den Transistor hinein und kommt am Emitter wieder vollständig heraus; hinzu kommt der Basisstrom. Nun fließt er über Widerstand R3 nach Masse und damit zurück zur Spannungsquelle.

Dadurch, daß Strom durch R3 fließt, fällt an ihm gemäß des ohmschen Gesetzes eine Spannung ab, die man nach der bekannten Formel U = R . I berechnen kann. Die Differenz zwischen Spannung an der Basis und Emitter bestimmt nun, was passiert: Steigt sie, wird der Transistor aufgesteuert und der Strom nimmt zu. Damit wird aber auch die Spannung an R3 größer und in Folge die Spannungsdifferenz zwischen Basis und Emitter kleiner. Wird hingegen die Differenz kleiner, wird der Transistor abgesteuert, wodurch letztendlich die Spannungsdifferenz zwischen Basis und Emitter ebenfalls kleiner wird. Es ergibt sich deshalb ein stabiler Zustand, in dem sich die Ausgangsspannung von der Eingangsspannung nur durch die Basis-Emitter-Spannung (Spannungsoffset) unterscheidet. Der Transistor ist, wie man im Fachjargon sagt, voll gegengekoppelt und stellt die Eingangsspannung mit relativ niedriger Ausgangsimpedanz und hoher Linearität zur Verfügung. Die Schaltung besitzt damit keine Spannungsverstärkung sondern nur eine Stromverstärkung. Die Spannung am Basisanschluß darf zwischen 0 V und Betriebsspannung betragen.

Die Linearität der Schaltung ist dank der Gegenkopplung ausgezeichnet. Im Gegensatz zu Röhren ist aufgrund der steilen Eingangskennlinie der Spannungsoffset zwischen Ein- und Ausgang nahezu konstant und variiert häufig nur um ein zehntel Volt (vgl. mehrere Volt bei Röhren).

In den meisten Fällen benutzt man einen Emitterfolger als Stromverstärker, um den Ausgangswiderstand einer Emitterschaltung herabzusetzen. In diesem Fall verbindet man die Basis des Emitterfolgers direkt (d.h. ohne R1/R2) mit dem Kollektor der vorausgehenden Verstärkerstufe. Die Vorspannung, die bei der eigenständigen Schaltung mit R1 und R2 künstlich erzeugt wird, ist bei ihr nämlich schon gleich vorhanden. Wie die Schaltung genau aussieht, können Sie in  Verbundschaltungen nachlesen.


Dimensionierung eines Emitterfolgers

Nun kommen wir zur Berechnung der wenigen Bauteile. Bei der eigenständigen Schaltung laut Bild 1 werden zuerst einmal die gleichgroßen Widerstände R1 und R2 festgelegt. Da bei Transistoren der effektive Eingangswiderstand und damit der Eingangsstrom vom Wert des Emitterwiderstands R3 und der Stromverstärkung abhängen, muß man zunächst diesen dimensionieren. Sein Wert hängt vom gewünschten Ruhestrom durch den Transistor ab. Kommt es auf einen geringstmöglichen Ausgangswiderstand an, wählt man ihn so, daß durch ihn (und damit auch durch den Transistor) bei voll durchgesteuertem Transistor der maximal zulässige Kollektorstrom fließt. Den maximal zulässigen Kollektorstrom entnimmt man dem Datenblatt. Gemäß ohmschem Gesetz braucht man dazu nur den Wert der Betriebsspannung durch diesen Maximalstrom zu dividieren. Allerdings gibt es eine weitere Grenze, nämlich die maximale Verlustleistung, die nicht überschritten werden darf. Ihr Wert ist im Datenblatt angegeben. Sie ist in der Schaltung am höchsten im Arbeitspunkt bei halber Betriebsspannung. Man muß daher lediglich die angegebene max. Verlustleistung durch die halbe Betriebsspannung dividieren und erhält dann den maximalen Strom im Arbeitspunkt für die jeweilige Betriebsspannung. Es ist günstig, wenn man den tatsächlichen Strom im Arbeitspunkt etwas geringer wählt, um genügend Reserven für z.B. hohe Umgebungstemperaturen zu haben.

Der Widerstand R3 berechnet sich ganz einfach, indem man die Spannung im Arbeitspunkt (d.h. halbe Betriebsspannung) durch den gewünschten Strom im Arbeitspunkt dividiert. Der Eingangswiderstand der Schaltung ohne R1/R2 ergibt sich dann durch Multiplikation mit der Stromverstärkung β des Transistors. Die Widerstände R1 und R2 sollten maximal ein Zwanzigstel des so errechneten Widerstands betragen, damit der Spannungsteiler nicht zu stark durch den Transistor belastet wird.

Wenn R1 und R2 festgelegt wurden, kann man den Wert von C1 bestimmen. Dieser bildet mit dem Eingangswiderstand der Schaltung (also in erster Näherung die Hälfte von R1 bzw. R2) einen Hochpaß. Dies bedeutet, daß Frequenzen unterhalb seiner Grenzfrequenz zunehmend abschwächt sprich leiser wiedergegeben werden. Für die Berechnung des Kondensators gilt bei vorgegebener Grenzfrequenz folgende Formel:


Beispiel: Bei einem Eingangswiderstand von 100 kΩ und einer gewünschten Grenzfrequenz von 20 Hz ergibt sich ein Wert von 7,9577.10-8 F sprich 79,577 nF. Der nächste Wert aus der Normenreihe ist 82 nF. Wenn der gewünschte Wert mitten zwischen zwei Normwerten liegt, sollte man übrigens zum größeren Wert greifen, was eine etwas geringere Grenzfrequenz ergibt. Statt 82 nF könnten Sie auch 100 nF verwenden, denn der Wert von C1 ist ziemlich unkritisch. Großzügiges Aufrunden ist erlaubt. Im Beispiel würde sich die untere Grenzfrequenz bei 100 nF auf ca. 16 Hz verringern.


Emitterfolger mit pnp-Transistoren

Transistoren können im Gegensatz zu Röhren bekanntlich in komplementärer Technik hergestellt werden (siehe  Bipolartransistoren). Bei pnp-Transistoren sind sämtliche Polaritäten gegenüber npn-Transistoren umgedreht. Ein Emitterfolger mit pnp-Transistoren (siehe Bild 3) wird dementsprechend mit einer negativen Versorgungsspannung betrieben.

Emitterschaltung mit pnp-Transistor
Bild 3: Emitterfolger mit pnp-Transistor

Manchmal wird die Schaltung auch vertikal invertiert gezeichnet, d.h. Masse oben und die negative Betriebsspannung unten. Die Schaltung funktioniert abgesehen von den umgedrehten Polaritäten genauso wie mit einem npn-Transistor und wird auch genauso berechnet. Auf das Signal selbst hat es keinerlei Einfluß, ob ein npn- oder pnp-Transistor verwendet wird.


Einsatz und Verwendung

Der Emitterfolger wird selten als eigenständige Schaltung verwendet, da er keine Spanungsverstärkung besitzt. Er wird vorzugsweise als Impedanzwandler eingesetzt, um beispielsweise den relativ hohen Ausgangswiderstand einer Emitterschaltung zu erniedrigen (siehe  Verbundschaltungen).
   

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Letztes Update dieser Seite: 23.08.2014 (Untergeordnete Seiten können aktueller sein)