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Emitterschaltung mit Stromgegenkopplung

Eine einfache Emitterschaltung leidet unter Temperaturabhängigkeit. Das heißt, erhöht sich die Temperatur im Transistor, führt das zu einem Anstieg des Kollektorstroms IC. Dabei verschiebt sich der Arbeitspunkt, den man vorher sauber berechnet und eingestellt hat. Und auf einmal stimmt in der Schaltung nichts mehr. Deshalb findet man eine reine Emitterschaltung selten vor.
Man löst das Problem mit der Temperaturabhängigkeit dadurch, dass man bei steigender Temperatur die Basis-Emitter-Spannung UBE durch eine schaltungstechnische Maßnahme verkleinert und so den Anstieg des Kollektorstroms IC verhindert. Mit Hilfe eines Widerstandes zwischen Emitter und Masse (0 V) wird die Arbeitspunktstabilisierung hergestellt. Dieser Widerstand wird als Emitterwiderstand RE bezeichnet.
Emitterschaltung mit Stromgegenkopplung
Wird die Emitterschaltung mit dem Emitterwiderstand RE betrieben, spricht man von Gleichstromgegenkopplung oder nur Stromgegenkopplung. Bei der Stromgegenkopplung geht es darum, dem Anstieg des Kollektorstroms bei ansteigender Temperatur im Transistor entgegenzuwirken.
Der Emitterwiderstand RE ist massgeblich an einem wesentlich höheren Eingangswiderstand zwischen Basis und GND beteiligt. Er befindet sich funktionell in Reihe zum Basis-Emitter-Widerstand rBE. Dieser Eingangswiderstand bildet sich aus der Multiplikation von Emitterwiderstand RE und Wechselstromverstärkung ß.
Der Emitterwiderstand RE wirkt auch als Signalgegenkopplung. Vernachlässigt man die Leerlaufverstärkung bildet sich die durch RE gegengekoppelte Verstärkung aus RC/RE.

Strom- und Spannungsverteilung

Emitterschaltung ohne Wechselstrom-Gegenkopplung
Betreibt man die Emitterschaltung mit Emitterwiderstand (ohne Emitterkondensator CE), dann kann der Emitter als zusätzlicher Ausgang benutzt werden. Die Ausgangsspannungen Ua1 und Ua2 sind gleich groß, wenn der Emitterwiderstand RE und der Kollektorwiderstand RC gleich groß sind.
Hinweis: Die Ausgangsspannungen Ua1 und Ua2 sind gegeneinander um 180° in der Phase gedreht (nicht phasenverschoben).

Wie wirkt sich der Emitterwiderstand RE auf die Schaltung aus?

Eine einfache Emitterschaltung leidet unter Temperaturabhängigkeit, was die Erwärmung des Transistors als Ursache hat. Die Erwärmung des Transistors führt zu einem Anstieg des Basisstroms IB. Das hat den Anstieg des Kollektorstroms IC zur Folge. Dabei erhöht sich auch der Emitterstrom IE. Das heißt, durch den Emitterwiderstand RE fließt ein größerer Strom IE. Nach dem Ohmschen Gesetz fällt dort eine größere Spannung URE ab. Dadurch wird die Basis-Emitter-Spannung UBE kleiner. Dadurch wird auch der Basisstrom IB kleiner. Wodurch sich auch der Kollektorstrom IC und der Emitterstrom IE verringern. Am Emitterwiderstand RE fällt eine kleinere Spannung URE ab. Die Basis-Emitter-Spannung UBE wird dadurch wieder etwas größer. Dem Kollektorstromanstieg wird also entgegengewirkt. Dadurch bleibt der Kollektorstrom weitestgehend konstant und der Arbeitspunkt des Transistors stabil.
Diese automatische Regelung tritt bei jeder Stromänderung im Transistor auf. Dieser Regelkreis arbeitet selbständig und wird als Stromgegenkopplung bzw. Gleichstromgegenkopplung bezeichnet.

Formel zur Berechnung des Emitterstroms IE

Formel zur Berechnung des Emitterstroms IE
Formel zur Berechnung des Emitterstroms IE (vereinfacht)
Wichtiger Hinweis: Der Emitterstrom IE beträgt ungefähr so viel wie der Kollektorstrom IC. Nur wer pingelig ist berechnet IE aus IC + IB. Der Grund, der IB ist gegenüber IC verhältnismäßig klein und kann somit "fast" vernachlässigt werden. Es stört wenig, wenn zum Kollektorstrom mit 100 mA noch 0,5 mA Basisstrom dazukommt, also der Emitterstrom IE 100,5 mA beträgt. Der Unterschied zwischen IC und IE ist wegen dem geringen Basisstrom minimal. In der Praxis ist die Toleranz und die Schrittweite (E-Reihe) der Widerstände und deren Einfluss auf die Stromwerte um ein Vielfaches größer.

Dimensionierung des Emitterwiderstandes RE

Der Emitterwiderstand RE bestimmt die Güte der Stabilisierung. Je größer der Emitterwiderstand RE, desto stabiler ist der Arbeitspunkt. Die üblichen Werte für den Emitterwiderstand RE liegen zwischen 10 Ohm und 1 kOhm. Man orientiert sich dabei am Basis-Emitter-Widerstand rBE des Transistors. Dessen Wert ermittelt man am besten aus dem Transistor-Datenblatt.
Dimensionierung des Emitterwiderstandes RE
Bei einem sehr großen Emitterwiderstand RE kommt es schon bei einem sehr kleinen Stromanstieg zu einem Absinken der Basis-Emitter-Spannung UBE. Aber, der Arbeitspunkt ist erst stabil, wenn auch Kollektorstrom IC und Kollektorspannung UC stabil sind. Wenn der Kollektorwiderstand RC sehr groß ist, dann kann schon eine kleine Änderung des Kollektorstroms IC zu einer großen Änderung der Kollektorspannung UC führen.

Funktion des Emitterkondensators CE

Üblicherweise wird die Emitterschaltung immer mit Stromgegenkopplung betrieben und dabei ein Kondensator parallel zum Emitterwiderstand RE geschaltet. Der Grund: Wenn der Emitterwiderstand RE einer Kollektorstromänderung durch thermische Einflüsse entgegenwirkt, wirkt er natürlich auch einer Kollektorstromänderung durch das Eingangssignal Ue entgegen. Der Emitterkondensator CE führt zu dem Effekt, dass er alle Wechselspannungen kurzschließt, die das Eingangssignal Ue am Emitter erzeugen würde.
Der Emitterkondensator CE ist als Wechselstromwiderstand (kapazitiver Blindwiderstand XC) zu verstehen, der parallel zum Emitterwiderstand RE liegt. Bei einer Parallelschaltung von zwei Widerständen ist der Gesamtwiderstand kleiner als der kleinste Teilwiderstand. Da der Kondensator frequenzabhängig ist, heißt das, je höher die Frequenz, desto niedriger ist sein Widerstand (kapazitiver Blindwiderstand XC). Durch den kleineren Widerstandswert des Emitterkondensators CE (XC) wird der Emitterwiderstand RE wechselstrommäßig kurzgeschlossen. Anders ausgedrückt, für den Wechselstrom ist der Emitterwiderstand RE bzw. der Widerstand durch die Parallelschaltung aus Emitterwiderstand RE und Emitterkondensator CE sehr klein. Die Verstärkung steigt an.

Vereinfacht ausgedrückt führt der Kondensator CE zu einem wechselstrommäßigen Kurzschluss am Widerstand RE, der den Ausgangswiderstand auf wenige Ohm verringert. Dabei erfolgt eine Verstärkung um ein Vielfaches. Vorausgesetzt die Frequenz ist nicht so hoch, dass die Schaltung selbst frequenzbegrenzend (Millereffekt) wirkt.
Mit dem Emitterkondensator CE ist das Signal am Ausgang größer (lauter) als ohne. Trotz dieser Wirkungsweise hat der Emitterkondensator CE keinen Einfluss auf die Arbeitspunkteinstellung.
Der Nachteil des Emitterkondensators ist, dass bei sehr tiefen Frequenzen sehr große Kapazitäten notwendig sind. Deshalb ist der Emitterkondensator CE ein Elektrolytkondensator. Sein Wert liegt zwischen 10 µF und 1000 µF. Die Spannung, die anliegt beträgt nur wenige Volt.

Funktion der Koppelkondensatoren CK

Wird Wechselspannung verstärkt, so muss die Schaltung jeweils 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.
Der Koppelkondensator CK am Ausgang bildet mit dem nachfolgendem Lastwiderstand einen Hochpass. Der Koppelkondensator CK am Eingang bildet mit dem Eingangswiderstand der Verstärkerschaltung, der sich zur Hauptsache aus dem Parallelwiderstandswert aus R1 und R2 ergibt, einen Hochpass.
Die Koppelkondensatoren müssen so dimensioniert werden, dass die kleinste Frequenz des zu übertragenden Signals noch durch den Hochpass hindurch kommt. Gleichspannungen (0 Hz) gelangen nicht hindurch.

Formel zur Berechnung der Spannungsverstärkung

Formel zur Berechnung Spannungsverstärkung
Die Spannungsverstärkung kann vom Kollektorwiderstand RC und Emitterwiderstand RE festgelegt werden.

Eigenschaften der Emitterschaltung mit Stromgegenkopplung

Übersicht: Emitterschaltung

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