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Verstärker

Das Video zum Kapitel


Einstellbarer Widerstand

Elektrischer Widerstand eines Transistors
Abbildung 1:

Die obenstehende Kurve von Emitter-Kollektor-Widerstand zu Basisspannung wurde im Kapitel über die elektrischen Eigenschaften von Bipolartransistoren aufgenommen. Der Widerstand fällt von etwa 20MΩ unter 1kΩ während die Basisspannung von 0.6V auf 0.7V steigt.
Versuchsaufbau Bipolartransistor
Abbildung 2:
Die Zeichnung zeigt den vereinfachten Versuchsaufbau, Die Basisspannung kann durch drehen eines Potentiometers verändert werden und über die Messung des Spannungsabfalls an dem konstanten Lastwiderstand (390Ω), wurde der Emitter-Kollektor-Widerstand berechnet. Ihr werdet euch sicher daran erinnern, dass zu Beginn der Messreihe eine große Änderung der Basisspannung fast keine Änderung des Spannungsabfalls am Lastwiderstand oder des Stromflusses durch die Basis bewirkt hat. Wenn nicht, lest euch das Kapitel erneut durch, denn dieses Verhalten ist notwendig, um die Funktionsweise von Verstärkerschaltungen verstehen zu können. Ab einer Basisspannung von etwa 0.6V hat sich dieses Verhalten grundlegend geändert. Jetzt verursachte eine leichte Änderung der Basisspannung eine starke Änderung im Basisstrom und ebenfalls im Spannungsabfall am Lastwiderstand. wie ihr an der oberen Messkurve ablesen könnt, fällt der Emitter-Kollektor-Widerstand, womit der Spannungsabfall am Lastwiderstand steigt. Erinnert euch an den Zusammenhang von Gesamtspannung zum Spannungsabfall an einem einzelnen Widerstand in einem Spannungsteiler:
Unter Verwendung von
UGes / (RLast + RTransistor) = ULast / RLast
ergibt sich
ULast = RLast * UGes / (RLast + RTransistor)
Der Widerstandswert des Lastwiderstands ist konstant (390Ω), ebenso die Gesamtspannung (+12V). Im Gegensatz dazu variiert der Emitter-Kollektor-Widerstand von 20MΩ auf 1kΩ (und weniger), womit der Spannungsabfall am Lastwiderstand von 0.2mV auf 3.4V (und mehr) steigt.
Eine Änderung von nur 0.1V an der Basis verursachte eine Spannungsänderung am Lastwiderstand von 3.3998V.

Signalquelle

Lautsprecher als Signalquelle
Abbildung 3:
Um die Funktionsweise von Verstärkerschaltungen demonstrieren zu können, wird ein Eingangssignal benötigt. Ich verwende dazu einen Lautsprecher. Normalerweise werden diese als Ausgabegeräte verwendet: Ein sich ändernder Strom fließt durch die Windungen einer Spule, die sich im Magnetfeld eines Permanentmagneten befindet. Die Interaktion der Magnetfelder von Spule und Permanentmagnet verursacht eine Kraftwirkung auf eine Membran. Wird umgekehrt die Membran bewegt, wird eine Spannung in den Windungen der Spule induziert (siehe Kapitel Induktion). Das Bild zeigt das Oszillogramm eines einzelnen Pulses (Antippen der Membran mit meinem Finger) mit einer Spitze-Spitze Spannung von etwa 120mV und einer Pulslänge von circa 70ms.

Verstärkerschaltkreis

Die Absicht ist es nun, das Signal unserer Quelle zu verstärken - genau gesagt, dessen Wechselspannungsanteil. Um das zu erreichen, drehen wir das Potentiometer, bis eine Basisspannung von etwa 0.6V erreicht ist. Das ist der Arbeitspunkt oder auch die Vorspannung unseres Verstärkerschaltkreises. Am Arbeitspunkt ist der Spannungsabfall am Transistor gleich dem am Lastwiderstand. Steigt die Basisspannung leicht auf Werte oberhalb des Arbeitspunktes, steigt der Spannungsabfall am Lastwiderstand deutlich wegen des fallenden Emitter-Kollektor-Widerstands. Andererseits sinkt der Spannungsabfall am Lastwiderstand deutlich, sobald die Basisspannung leicht abfällt wegen des nun steigenden Emitter-Kollektor-Widerstands.
Das (wechselnde) Eingangssignal muss nun zu der (konstanten) Basisspannung am justierten Arbeitspunkt addiert beziehungsweise subtrahiert werden. Es gibt zwei Wege, das zu erreichen:
Verstärkerschaltkreis
Abbildung 4:
Wir können den Stromkreis zwischen Potentiometer und Masse öffnen und den Lautsprecher in Serie zum Potentiometer schalten.
Ein Nachteil dieser Vorgehensweise liegt im ohmschen Widerstand der Signalquelle (Lautsprecher), der zu dem des Potentiometers addiert wird. Wird die Signalquelle durch eine andere mit einem abweichenden ohmschen Widerstand ausgetauscht, muss der Arbeitspunkt neu eingestellt werden.
Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass ein konstanter Strom durch die Windungen des Lautsprechers fließt, auch wenn die Membran nicht bewegt wird.
Verstärkerschaltkreis mit Koppelkondensator
Abbildung 5:
Ein Kondensator wird an der Basis des Transistors angeschlossen. Die Signalquelle wird nun zwischen dem zweiten Anschluss der Kondensators und Masse geschaltet. Jetzt wird der Kondensator geladen, sobald der Schaltkreis an eine Spannungsquelle angeschlossen wird. Wird die Membran des Lautsprechers nicht bewegt, entspricht der Spannungsabfall am Kondensator exakt dem am Potentiometer und somit dem Arbeitspunkt. Wird die Membran des Lautsprechers bewegt, addiert sich die durch die Spule induzierte Spannung zu der des Kondensators.
Der Arbeitspunkt muss nicht rejustiert werden, wenn die Signalquelle gegen eine mit einem abweichenden ohmschen Widerstand ausgetauscht wird.
Der Stromkreis durch die Basis des Transistors wird Eingangskreis oder kurz Eingang genannt. Der Stromkreis durch den Emitter des Transistors (Spannung zwischen Masse und Emitter beziehungsweise zwischen Emitter und Pluspol) wird Ausgangskreis oder kurz Ausgang genannt. Entsprechend nennt man die Spannung am Eingangskreis Eingangssignal und die am Ausgang gemessene Spannung Ausgangssignal.

Spannungsverlauf

Die folgenden Spannungskurven wurden mit Hilfe eines Oszilloskops aufgenommen. Der Verstärkerschaltkreis war an eine Batterie mit einer Nennspannung von 12V angeschlossen, womit der Arbeitspunkt derart justiert wurde, dass der Spannungsabfall am Lastwiderstand dem am Transistor entsprochen hat - also je 6V. Die entsprechende Basisspannung war etwa 0.65V. Die Zeitbasis ist 2ms pro Division.

Oszillogramm Lautsprecher
Abbildung 6:
Spannungsverlauf an den Klemmen des Lautsprechers:
Die Einstellung für die Spannung entspricht 100mV pro Division, das Null-Volt-Level liegt in der Mitte des Bildschirms. Die gemessene Spitze-Spitze-Spannung ist etwa 250mV.
Oszillogramm Lastwiderstand
Abbildung 7:
Spannungsverlauf am Lastwiderstand:
Die Einstellung für die Spannung entspricht 2V pro Division, das 0V-Level befindet sich am unteren Bildschirmrand. Die gemessene Spitze-Spitze-Spannung entspricht etwa 8V.
Oszillogramm Transistor
Abbildung 8:
Spannungsverlauf am Transistor:
Die Einstellungen entsprechen der vorangegangenen Messung, die Spitze-Spitze-Spannung ist ähnlich. Der Kurvenverlauf weicht jedoch von dem vorhergehenden ab. Im Gegensatz zum Spannungsverlauf am Lautsprecher und dem Lastwiderstand, startet das Signal mit einer fallenden Flanke. Diesen Sachverhalt bezeichnet man als Phasenumkehr
Neben dem spiegelverkehrten Kurvenverlauf im Vergleich zum Lastwiderstand, dürften euch weitere Abweichungen mit Blick auf die Aufnahme an den Lautsprecherklemmen auffallen.

Verzerrungen

Oszillogramm Eingangssignal
Abbildung 9:
Die Aufnahme des Spannungsverlaufs des Eingangssignals ändert sich, sobald diese am Verstärkerschaltkreis angeschlossen wird (klickt auf die Oszillogramme, um die Vollansichten aufzurufen). Auffällig sind die fehlenden nadelförmigen Spitzen im Vergleich zur ersten Aufnahme. Das wird durch die Kapazität des Eingangskreises verursacht; erinnert euch an den zur Signalquelle in Serie geschalteten Kondensator. Die elektrische Leistung des Eingangssignals ist klein (daher versuchen wir ja, diese zu verstärken) und ein Teil der Leistung wird benötigt, um den Kondensator zu laden, weshalb die sich schnell ändernden Spitzen des Eingangssignals abgeschwächt werden.

Oszillogramm Eingangssignal nach Kondensator
Abbildung 10:
Warum verwendet man dann keinen möglichst kleinen Kondensator? Weil das den Stromfluss durch die Basis des Transistors ebenfalls reduzieren würde!
Das obere Oszillogramm des Ausgangssignals wurde unter Verwendung eines 4.7μF Kondensators aufgezeichnet...
Oszillogramm Eingangssignal mit großem Kondensator
Abbildung 11:
...und das untere mit einem 0.33μF Kondensator.
Ihr erinnert euch an die Beziehung zwischen Basisstrom und Basisspannung (siehe Kapitel Eigenschaften von Bipolartransistoren)? Steigt die Basisspannung, dann steigt auch der Basisstrom. Oder umgekehrt: Um die Basisspannung erhöhen zu können, muss ein höherer Strom durch diese fließen. Das Produkt aus Spannung und Strom ist die elektrische Leistung eines Schaltkreises (P = U * I). Es wird also elektrische Leistung benötigt, um den Verstärkerschaltkreis antreiben zu können und diese Leistung wird aus dem Kondensator bezogen. Ein Kondensator mit geringer Kapazität stellt weniger Energie zur Verfügung womit die bereitgestellte Leistung zu klein wird, um den Verstärkerkreis antreiben zu können. Die Kapazität des Eingangskreises beeinflusst den Widerstand für elektrischen Strom, wenn eine Wechselspannung an diesen angeschlossen wird. Die Maßeinheit dieses Widerstands nennt man Impedanz. Je geringer die Kapazität, um so höher ist die Impedanz und je höher die Impedanz, um so geringer wird der Strom den die Signalquelle bereitstellen muss.

Darlington Transistor

Schaltung Darlington Transistor
Abbildung 12
Der Stromverstärkungsfaktor von Leistungstransistoren beträgt etwa 10. Wird eine hohe Ausgangsleistung benötigt, muss das Eingangssignal einen Strom bereitstellen können, der etwa ein Zehntel des Ausgangsstromes beträgt. Ist die Signalquelle nicht in der Lage, einen derart hohen Strom zu liefern, so kann das Eingangssignal durch einen Kleinsignaltransistor vorverstärkt werden und das Ausgangssignal des Vorverstärkers dient als Eingangssignal des zweiten Verstärkers mit dem Leistungstransistor. Anstelle zweier vollständiger Verstärkerschaltkreise können auch zwei Bipolartransistoren derart miteinander verbunden werden, dass der Strom des ersten Transistors durch den zweiten weiterverstärkt wird. Einen derartigen Verbund zweier Bipolartransistoren nennt man Darlington Transistor oder Darlington-Schaltung.
Die Basisspannung am Arbeitspunkt ist etwa zweimal so hoch wie die eines normalen Transistors, da sich zwei Übergänge zwischen Basis und Emitter eines Darlington Transistors befinden.

Ausgangssignal

Koppelkondensator Ausgang
Abbildung 13
Unser Verstärkerschaltkreis hat die Spitze-Spitze-Spannung des Eingangssignals von nur 0.25V auf 8V erhöht, aber was ist mit der Ausgangsleistung? Schaltet ihr einen zweiten Lautsprecher an die Ausgangsklemmen, so könnt ihr an diesem nichts hören, wenn ihr auf die Membran des Lautsprechers am Eingangskreis tippt. Wenn ihr die Spannung an den Ausgangsklemmen überprüft, werdet ihr eine deutliche Änderung des Arbeitspunktes bemerken! Bedenkt den sehr niedrigen Gleichspannungswiderstand (normalerweise 4Ω oder 8Ω) eines Lautsprechers, der jetzt parallel zu dem Lastwiderstand geschaltet ist (390Ω). Schaltet euer Gehirn ein, bevor ihr den Arbeitspunkt neu justiert!. Der Spannungsabfall am Lastwiderstand beim Arbeitspunkt beträgt 6V, weswegen ein Stom von 6V / 390Ω = 15mA durch das Bauteil fließt. Sobald der Lautsprecher mit 8Ω Widerstand parallel zu dem Lastwiderstand angeklemmt wird, verringert sich der Widerstand der Gesamtlast auf nur (RLast * RLautspr) / (RLast + RLautspr) = 7.8Ω Wird jetzt der Arbeitspunkt neu eingestellt, steigt der Stromfluss durch (hauptsächlich) den Lautsprecher auf 6V / 7.8Ω = 769mA. Die vom Lautsprecher umzusetzende elektrische Leistung auch ohne anliegendes Eingangssignal beträgt ULautspr * ILautspr = 4.5W. Das könnte den Lautsprecher am Ausgangskreis zerstören!
Eine einfache Lösung des Problems besteht darin, einen Kondensator in Serie zum Ausgangskreis zu schalten. Jetzt wird der Gleichstromanteil des Ausgangskreises abgeblockt. Sobald sich der Spannungsabfall am Lastwiderstand (hervorgerufen durch eine sich ändernde Eingangsspannung) ändert, fließt ein Strom durch den Lautsprecher am Ausgang. Die Ausgangsleistung ist nach wie vor sehr gering, weswegen nur ein leises Geräusch zu hören ist. Bedenkt den geringen maximalen Gleichstrom durch den Lastwiderstand von nur 12V / 390Ω = 31mA. Die entsprechende Leistung ist 12V * 0.031A = 369mW. Ersetzen wir den Lastwiderstand durch ein Bauteil mit niedrigerem Widerstandswert, steigt die Ausgangsleistung. Mit einem 180Ω Widerstand erhalten wir 12V * 12V / 180Ω = 800mW. Bedenkt jedoch, dass der Stromfluss durch den Lastwiderstand am Arbeitspunkt jetzt auf 33mA steigt, was einem Leistungsabfall von 6V *6V / 180Ω = 200mW entspricht, womit wir uns nahe an der Leistungsgrenze von 250mW des verwendeten Widerstands befinden. Als Lösung des Problems verwendet man einen:

Gegentaktverstärker

Verstärker mit PNP-Transistor
Abbildung 14
Verwendet man einen PNP-Transistor anstelle des NPN-Typs, so muss die Schaltung leicht abgeändert werden. Jetzt steigt der Emitter-Kollektor-Widerstand (und damit der Spannungsabfall) des Transistors bei steigender (positiver) Eingangsspannung. Der Lastwiderstand ist zwischen Kollektor und Masse (Minuspol) geschaltet.
Schaltung Gegentaktverstärker
Abbildung 15
Ein Gegentaktverstärker besteht aus zwei Transistoren; einem NPN und einem PNP Transistor, die beide an das gleiche Eingangssignal angeschlossen sind. Die elektrischen Eigenschaften dieses Transistorpaares sind normalerweise identisch, abgesehen von der Polarität der angeschlossenen Spannungen. Derartige Transistorenpaare bezeichnet man als komplementär oder als komplementäres Paar.
Der Schaltkreis ist an zwei unabhängige Spannungsquellen angeschlossen (z. B. zwei Batterien mit einer Nennspannung von 12V). Der Pluspol der unteren Batterie ist an den Minuspol der oberen Batterie angeschlossen. Dieser Anschlusspunkt ist das Referenzpotential (Masse).
Der obere, NPN-Transistor wird leitfähig, wenn eine positive Spannung zwischen Masse und Eingangsklemme anliegt. Jetzt fließen Elektronen vom Masseanschluss über den Lautsprecher am Ausgang und den NPN-Transistor zum Pluspol der oberen Batterie. Der Minuspol befindet sich an der rechten Seite der Ausgangsklemmen (die Elektronen werden von rechts nach links durch den Lautsprecher gedrückt).
Wird eine negative Spannung zwischen Masse und Eingangsklemme gelegt, so wird der untere, PNP-Transistor leitfähig, womit Elektronen vom Minuspol der unteren Batterie über den PNP-Transistor und den Lautsprecher am Ausgang zum Masseanschluss fließen. Jetzt befindet sich der Pluspol auf der rechten Seite der Ausgangsklemmen (die Elektronen werden von links nach rechts durch den Lautsprecher gezogen).
Das Drücken beziehungsweise Ziehen der Elektronen durch den Lautsprecher am Ausgang hat im Englischen zu der Bezeichnung push-pull Verstärker geführt.
Oszillogramm Gegentaktverstärker
Abbildung 16:
Ohne eine Vorspannung an den Basisanschlüssen der Transistoren ergeben sich sogenannte crossover Verzerrungen am Ausgangssignal (Engl. crossover=kreuzen). Bedenkt, dass sich der Widerstand eines Bipolartransistors bei Basisspannungen im Bereich zwischen 0.0V und +0.6V (NPN) beziehungsweise 0.0V und -0.6V (PNP) nur wenig ändert. Somit bewirkt eine Variation des Eingangssignals im Bereich zwischen -0.6V und +0.6V keine Änderung der Ausgangsspannung.
Um diese Art der Verzerrung ausschalten zu können, muss eine Vorspannung an die Basisanschlüsse der beiden Transistoren gelegt werden. Das kann durch konstante oder einstellbare Widerstände (Potentiometer) oder durch in Durchlassrichtung geschaltete Dioden verwirklicht werden.
Das Anlegen der Vorspannung hat einen weiteren Effekt zur Folge: Der Widerstand beider Transistoren sinkt, womit ein höherer Strom vom Plus- zum Minuspol durch die Emitter-Kollektor Strecken beider Transistoren fließt. Dieser Strom fließt auch ohne anliegendes Eingangssignal.
Gegentaktverstärker mit einfacher Spannungsversorgung
Abbildung 17
Für die Aufzeichnung der crossover Verzerrungen habe ich einen einfacheren Schaltkreis mit nur einer Spannungsquelle verwendet:
R1=R4=27kΩ
R2=R3=1kΩ Potentiometer mit 2kΩ Widerstand in Serie.
C1=0.33μF
C2=3300μF
T1=BD649
T2=BDX34C

Nichtlineare Verstärkung

Das Maß für die Fähigkeit eines Verstärkerschaltkreises die Leistung oder Amplitude vom Eingang zum Ausgang zu verstärken, nennt man Verstärkungsfaktor (Engl.: gain). Werfen wir einen genaueren Blick auf den Verstärkungsfaktor der obigen Schaltung:
Oszillogramm Spannungsverstärkung
Abbildung 18:
Spitze-Spitze-Spannung des Eingangssignals (grüne Linie) = 0.4Divisions
Spitze-Spitze-Spannung des Ausgangssignals (gelbe Linie) = 1.0Divisions

Oszillogramm Spannungsverstärkung
Abbildung 19:
Spitze-Spitze-Spannung des Eingangssignals (grüne Linie) = 0.8Divisions
Spitze-Spitze-Spannung des Ausgangssignals (gelbe Linie) = 1.5Divisions. Ausgehend vom Verstärkungsfaktor der oberen Kurve, wäre eine Spitze-Spitze-Spannung von 2.0Divisions zu erwarten. Der Verstärkungsfaktor sinkt deutlich bei höheren Eingangswerten. Die Beziehung zwischen Eingangs-und Ausgangsspannung ist nicht linear.
Kennlinie Transistor
Abbildung 20:
Die nichtlineare Verstärkung wird von dem nichtlinearen (nicht geradlinigen) Zusammenhang zwischen Basisstrom und -spannung verursacht (siehe Kapitel elektrische Eigenschaften von Bipolartransistoren).

Übersteuern

Oszillogramm Übersteuern
Abbildung 21:
Die Ausgangsspannung eines Verstärkerschaltkreises kann die Spannung der verwendeten Spannungsquelle nicht übersteigen. Wird ein Verstärker derart angesteuert, dass das Ausgangssignal diese Maximalspannung übersteigen müsste, so wird das Ausgangssignal an diesem Wert abgeschnitten (Engl.: clipped). Das Ergebnis ist, dass eine Sinuswelle in Richtung einer Rechteckspannung verformt wird.

Zusammenfassung

Idealerweise sollte ein Verstärker die Leistung eines Signals erhöhen, ohne dieses in anderer Weise zu verändern. Wie wir gesehen haben, wird das Eingangssignal immer in irgendeiner Weise von dem Verstärkerschaltkreis beeinflusst. Nur ein paar dieser Einflüsse sind in diesem Kapitel erwähnt worden. Abhängig von der Qualität des verwendeten Schaltkreises können diese Einflüsse reduziert, jedoch nie ganz ausgeschlossen werden. Zufällige Veränderungen des Eingangssignals sind eine Eigenschaft aller elektronischen Schaltkreise. Diese zufälligen Variationen nennt man Rauschen. Reale Schaltkreise fügen dem Eingangssignal immer Verzerrungen und Rauschen hinzu.

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