Kollektorschaltung mit NPN-Transistor (Emitterfolger)

Kollektorschaltung (Emitterfolger)

Bipolare Transistoren (NPN- und PNP-Typen) haben 3 Anschlüsse: Emitter, Basis und Kollektor. Je nach dem, welcher Anschluss für den Bezugspunkt von Masse (Ground, GND) oder Betriebsspannung in der Schaltung verwendet wird, wird die Transistor-Schaltung als Emitter-, Basis- oder Kollektorschaltung bezeichnet. Jede Grundschaltung hat andere Eigenschaften, wegen der sie bei bestimmten Anwendungen bezeugt wird.

Eine einfache Kollektorschaltung besteht aus einem Transistor, dem Emitterwiderstand R_E, dem Basis-Vorwiderstand R_V. Der Emitter ist der Ausgang und die Betriebsspannung U_B am Kollektor-Anschluss ist für die Eingangs- und Ausgangsspannung der gemeinsame Bezugspunkt.

Strom- und Spannungsverteilung

Kollektorschaltung (Emitterfolger)

Bei der Kollektorschaltung stellen die Widerstände R₁, R₂ und R_E den Arbeitspunkt ein. Die Berechnung des Arbeitspunktes erfolgt wie bei der Emitterschaltung, nur ohne Kollektorwiderstand. Bei der Arbeitspunkteinstellung unterscheidet man generell zwischen Kleinsignalübertragung und Großsignalübertragung.
Der Emitterwiderstand R_E ist fester Bestandteil der Schaltung. Durch ihn wird der Arbeitspunkt bei der Kollektorschaltung immer durch Stromgegenkopplung stabilisiert. Im Gegensatz zur Emitterschaltung kann bei der Kollektorschaltung die Gegenkopplung nicht unterdrückt werden. Hier muss man damit leben, dass die Gegenkopplung sich sowohl auf die Gleichspannungen als auch auf die Signalspannungen auswirken.
Wird Wechselspannung verstärkt, so muss die Schaltung über die Koppelkondensatoren C_K mit der Signalquelle und der Last verbunden werden. Über die Koppelkondensatoren fließt kein Gleichstrom. Damit hat die Signalquelle bzw. Last keinen Einfluss auf den Arbeitspunkt. Die Spannungen des Arbeitspunktes lassen sich so unabhängig von den Gleichspannungen der Signalquelle und Last wählen.
Bei der Kollektorschaltung sind die Eingangsspannung U_e und Ausgangsspannung U_a phasengleich.

Emitterfolger

Die Kollektorschaltung wird auch als Emitterfolger bezeichnet. Das kommt daher, weil der Emitter scheinbar der Spannung an der Basis folgt. Die besonderen Merkmale dieser Schaltung sind eine Spannungsverstärkung von kleiner als 1 und eine sehr große Stromverstärkung, die vom differenziellen Stromverstärkungsfaktor ß des Transistors abhängig ist.
Die Bezeichnung Emitterfolger wurde aus der Röhrentechnik übernommen. Hier ist es die Kathodenfolgerschaltung. Jedoch ist bei Transistoren der Emitter das Äquivalent zur Kathode einer Röhre.

Emitterfolger als Impedanzwandler (nur bei ohmscher Belastung)

Zwei weitere Eigenschaften zeichnen den Emitterfolger aus. Das ist der sehr große Eingangswiderstand und der sehr kleine Ausgangswiderstand. Unter anderem deshalb wird diese Schaltung gerne als Impedanzwandler bezeichnet und auch verwendet.
Das gilt allerdings nur, wenn der Lastwiderstand bei den üblichen Transistorschaltungen nicht komplex ist. "Komplex" bedeutet, dass die Last einen induktiven oder kapazitiven Anteil hat. Beispielsweise ist beim Betrieb eines Lautsprechers die Phasenverschiebung nicht vorhersehbar. Hier sind sowohl die Amplitude als auch die Frequenz extrem variabel, was den Sound eines Verstärkers zerstört.

Andererseits kann am Ausgang, durch die induktive oder kapazitive Last, die Spannung größer sein, als der Emitterfolger gerade liefert. Das treibt den Transistor in den stromlosen Zustand. Die komplexe Last liegt offen am Emitteranschluss. Ist in diesem Moment die Spannung hoch genug, kommt es zum Emitter-Basis-Strom in umgekehrter Richtung und der Transistor verabschiedet sich.

Bei zu verstärkenden Wechselspannungen empfiehlt es sich mit einem Gegentakt-Emitterfolger spannungssymmetrisch zu arbeiten. In der selben Situation liefern und senken die beiden Transistoren des Gegentakt-Emitterfolgers den Strom, je nach dem, wer gerade Quelle spielt. Endstufe oder komplexe Last.

Kleinsignalübertragung

Die Emitterspannung U_E kann klein gewählt werden, muss aber mindestens 1 V betragen, wenn der Arbeitspunkt stabil sein soll. Ebenso muss die Emitterspannung U_E größer sein, als die Amplitude der Ausgangsspannung.

Die Größe des Kollektorstroms I_C richtet sich nach der Signalgröße und den geforderten Übertragungseigenschaften. Grundsätzlich sollte der Kollektorstrom I_C größer sein, als die Amplitude des Ausgangsstroms.

Großsignalübertragung

Bei Großsignalübertragungen wählt man für die Emitterspannung U_E in der Regel etwa halbe Betriebsspannung U_B.

Formel zur Berechnung der Emitterspannung

Der Kollektorstrom I_C richtet sich nach dem Lastwiderstand R_L. Der Kollektorstrom I_C ist als Ausgangsstrom zu verstehen. Hier gilt häufig die Leistungsanpassung. Das bedeutet, der Emitterwiderstand R_E wird gleich groß wie der Lastwiderstand R_L gewählt.

Formel zur Berechnung des Kollektorstroms

Eingangswiderstand r_e

Formel für Eingangswiderstand

Die Kollektorschaltung hat einen großen Eingangswiderstand r_e, der sich durch die Widerstände R₁, R₂, R_E || R_L und der Wechselstromverstärkung ß bildet.

Ausgangswiderstand r_a

Formel für Ausgangswiderstand

Die Kollektorschaltung hat einen kleinen Ausgangswiderstand r_a.

Spannungsverstärkung V_u

Formel für Spannungsverstärkung

Die Ausgangsspannung ist immer kleiner als die Eingangsspannung. Die Spannungsverstärkung V_u beträgt ungefähr 1.

Stromverstärkung V_i

Die Kollektorschaltung hat eine hohe Stromverstärkung. Die Leistungsverstärkung ist gleich der Stromverstärkung. Die größte Stromverstärkung erreicht man, wenn der Lastwiderstand der Emitterwiderstand R_E ist.

Anwendungen

Kollektorschaltung als Impedanzwandler
Bootstrap-Schaltung
Darlington-Schaltung
Spannungsstabilisierung mit Kollektorschaltung

Übersicht: Transistor-Schaltungen im Vergleich

Schaltung	Emitterschaltung	Basisschaltung	Kollektorschaltung
Eingangswiderstand r_e	100 Ω ... 10 kΩ	10 Ω ... 100 Ω	10 kΩ ... 100 kΩ
Ausgangswiderstand r_a	1 kΩ ... 10 kΩ	10 kΩ ... 100 kΩ	10 Ω ... 100 Ω
Spannungsverstärkung V_u	20 ... 100 fach	100 ... 1000 fach	<=1
Gleichstromverstärkung B	10 ... 50 fach	<=1	10 ... 4000 fach
Phasendrehung	180°	0°	0°
Temperaturabhängigkeit	groß	klein	klein
Leistungsverstärkung V_p	sehr groß	mittel	klein
Grenzfrequenz f_g	niedrig	hoch	niedrig
Anwendungen	NF- und HF-Verstärker Leistungsverstärker Schalter	HF-Verstärker	Anpassungsstufen Impedanzwandler