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Die Elektronik-Fibel, das Elektronik-Buch

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Mein Lob gilt der übersichtlichen und schönen Darstellung und der guten didaktischen Aufbereitung. Selten werden Schaltungen so gut erklärt, dass es auch noch Spaß macht sich damit zu beschäftigen.

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Kollektorschaltung (Emitterfolger)

Die Kollektorschaltung ist die Transistor-Grundschaltung, die in der Praxis am häufigsten verwendet wird, auch wenn einem das nicht so vorkommt. Die zweithäufigste Grundschaltung ist die Emitterschaltung gefolgt von der eher selten eingesetzten Basisschaltung.
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 ist eine Spannungsverstärkung von kleiner als 1, aber 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 das Äquivalent zur Kathode einer Röhre eben der Emitter.

Kollektorschaltung (Emitterfolger)
Eine einfache Kollektorschaltung besteht aus einem Transistor, dem Emitterwiderstand RE, dem Basis-Vorwiderstand RV und der Betriebsspannung UB. Der Emitter ist der Ausgang. Der Kollektor ist für Eingangs- und Ausgangsspannung über die Betriebsspannung UB der gemeinsame Bezugspunkt.

Strom- und Spannungsverteilung

Kollektorschaltung (Emitterfolger)
Bei der Kollektorschaltung stellen die Widerstände R1, R2 und RE 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 RE 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 CK 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 Ue und Ausgangsspannung Ua phasengleich.

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 nicht komplex ist. "Komplex" bedeutet, dass die Last einen induktiven oder kapazitiven Anteil hat.

Kleinsignalübertragung

Die Emitterspannung UE kann klein gewählt werden, muss aber mindestens 1 V betragen, wenn der Arbeitspunkt stabil sein soll. Ebenso muss die Emitterspannung UE größer sein, als die Amplitude der Ausgangsspannung.
Formel zur Berechnung der Emitterspannung
Die Größe des Kollektorstroms IC richtet sich nach der Signalgröße und den geforderten Übertragungseigenschaften. Grundsätzlich sollte der Kollektorstrom IC größer sein, als die Amplitude des Ausgangsstroms.

Großsignalübertragung

Bei Großsignalübertragungen wählt man für die Emitterspannung UE in der Regel etwa halbe Betriebsspannung UB.
Formel zur Berechnung der Emitterspannung
Der Kollektorstrom IC richtet sich nach dem Lastwiderstand RL. Der Kollektorstrom IC ist als Ausgangsstrom zu verstehen. Hier gilt häufig die Leistungsanpassung. Das bedeutet, der Emitterwiderstand RE wird gleich groß wie der Lastwiderstand RL gewählt.
Formel zur Berechnung der Emitterwiderstand
Formel zur Berechnung des Kollektorstroms

Eingangswiderstand re

Formel für Eingangswiderstand
Die Kollektorschaltung hat einen großen Eingangswiderstand re, der sich durch die Widerstände R1, R2, RE || RL und der Wechselstromverstärkung ß bildet.

Ausgangswiderstand ra

Formel für Ausgangswiderstand
Die Kollektorschaltung hat einen kleinen Ausgangswiderstand ra.

Spannungsverstärkung Vu

Formel für Spannungsverstärkung
Die Ausgangsspannung ist immer kleiner als die Eingangsspannung. Die Spannungsverstärkung Vu beträgt ungefähr 1.

Stromverstärkung Vi

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

Anwendungen

Übersicht: Die Kollektorschaltung im Vergleich

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

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