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.

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

Strom- und Spannungsverteilung

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 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.

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.

Eingangswiderstand r_e

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

Die Kollektorschaltung hat einen kleinen Ausgangswiderstand r_a.

Spannungsverstärkung V_u

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: Die Kollektorschaltung im Vergleich

Weitere verwandte Themen:

• Grundschaltungen des Transistors
• Emitterschaltung
• Basisschaltung
• Emitterschaltung mit Stromgegenkopplung
• Bipolarer Transistor

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