Kapitel 6: Transistoren und Verstärker

Auch in diesem Kapitel gehen wir wieder von Ihrem Vorwissen aus dem Amateurfunklehrgang zur Klasse E aus. Die Kenntnisse aus Klasse E Kapitel 13 über den Aufbau und die Wirkungsweise des Transistors an sich werden vorausgesetzt. Es werden mehr Berechnungen durchgeführt und Verstärker-Schaltungen besprochen.


Inhaltsübersicht zu diesem Kapitel

Der Transistor


Der bipolare Transistor

Grundsätzlich unterscheidet man zwei Arten von Transistoren: Bipolare Transistoren und Feldeffekt-Transistoren (FET). Der bipolare Transistor aus drei Schichten (NPN oder PNP) ist der "gewöhnliche" Transistor. Er heißt bipolarer Transistor, weil der Strom zwei unterschiedlich "gepolte" Schichten (N-Schicht und P-Schicht) durchläuft. Der unipolare Transistor (Feldeffekt-Transistor) besteht aus nur einer dotierten Schicht im Kanalbereich, wo der Strom fließt. Er hat ein quer dazu liegendes elektrisches Feld zur Steuerung des Stroms. Die Wirkungsweise dieser Transistortypen wurde im Amateurfunklehrgang Klasse E ausführlich besprochen.

Überprüfen Sie Ihr Wissen durch Beantwortung der folgenden Prüfungsfragen zum bipolaren Transistor!


Prüfungsfrage
TC608    Welche Transistortypen sind bipolare Transistoren?
Dual-Gate-MOS-FETs
NPN- und PNP-Transistoren
Isolierschicht FETs
Sperrschicht FETs


Prüfungsfrage
TC601  Welche Bezeichnungen für die Bauelemente sind richtig?
1: N-Kanal-Transistor     2: P-Kanal-Transistor
1: PNP-Transistor          2: NPN-Transistor
1: NPN-Transistor          2: PNP-Transistor
1: P-Kanal-Transistor     2: N-Kanal-Transistor

Kommentar:PNP-Transistor (Pfeil nach Platte), NPN-Transistor: Nicht Pfeil nach ...



Prüfungsfrage
TC607   Welche Kollektorspannungen haben NPN- und PNP-Transistoren?
NPN-Transistoren benötigen positive, PNP-Transistoren negative Kollektorspannungen.
NPN- und PNP-Transistoren benötigen negative Kollektorspannungen.
PNP-Transistoren benötigen positive, NPN-Transistoren negative Kollektorspannung.
PNP- und NPN-Transistoren benötigen positive Kollektorspannungen.

Sie wissen ebenfalls aus dem Lehrgang Klasse E, dass ein bipolarer Transistor folgendermaßen betrieben wird. Die Basis-Emitter-Strecke muss in Durchlassrichtung und die Kollektor-Basis-Strecke in Sperrrichtung geschaltet sein. Ich erinnere nocheinmal an die Funktionsweise (Bilder 13-2 und 13-3), die in Klasse E ausführlich beschrieben wird.


Aus dem Lehrgang Klasse E, Lektion 13:

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 13-2: Aufbau (Schnitt) eines bipolaren Transistors älterer Bauart

Zur Erklärung der Stromverstärkung eines Transistors soll einmal obiger einfacher Aufbau eines Transistors angenommen werden (Legierungstransistor). Auf eine P-dotierte Germaniumscheibe als Grundplatte (Basis) werden auf beiden Seiten N-dotierte Kügelchen aufgebracht, die dann im Wärmeofen ineinander legieren (sich verbinden). Je länger der Legierungsprozess andauert, desto schmaler wird die Basiszone.

Denken Sie sich nun einen Ausschnitt aus der Basiszone des Legierungstransistors von Bild 13-2 als Bild 13-3.

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 13-3: Schema eines NPN-Transistors


Funktionsweise

Legt man zwischen Basis- und Emitteranschluss eine Spannung, so dass der PN-Übergang in Durchlassrichtung geschaltet ist, können die Ladungsträger (N = negative Ladungsträger, Elektronen) aus der Emitterzone (emittieren = aussenden) in die schwach dotierte Basiszone gelangen. Wegen der geringen Dotierung findet kaum eine Rekombination statt (Bild 13-3).

Liegt am Kollektoranschluss eine gegenüber der Basis positive Spannung, werden die Elektronen auf ihrem Weg durch die sehr dünne Basisschicht vom Kollektor angezogen (Kollekte = Sammlung). Je nach Dicke der Basiszone werden etwa 99 bis 99,9 % der Elektronen zum Kollektor gelangen, der Rest erreicht den Basisanschluss. Der Kollektorstrom ist also viel größer als der Basisstrom. Der Basisstrom beträgt nur etwa 1 % bis 0,1 % vom Kollektorstrom.

Erhöht man die Basis-Emitter-Spannung UBE , werden mehr Elektronen aus der Emitterzone in die Basiszone gelangen und sich sofort weiter in Richtung Kollektor bewegen. Eine Erhöhung der Basis-Emitter-Spannung hat zwar auch eine Zunahme des Basisstromes, aber eine viel größere Zunahme des Kollektorstromes zur Folge.

Merke: Mit einem kleinen Basisstrom kann man einen großen Kollektorstrom steuern. Man nennt diese Steuerwirkung Stromverstärkung des Transistors.


Prüfungsfrage
TC610    Wie groß ist der Kollektorstrom eines bipolaren Transistors, wenn die Spannung an seiner Basis die gleiche Höhe hat wie die Spannung an seinem Emitter?
Es fließt der maximale Kollektorstrom.
Es fließt kein Kollektorstrom.
Es fließen ca. 5 bis 10 Milliampere.
Es fließen je nach Kollektorspannung 0,01 Ampere bis 1 Ampere.

Kommentar: Die Basis-Emitterdiode muss in Durchlassrichtung geschaltet sein, damit Strom fließen kann. Hier ist die Diode gesperrt (0 Volt).



Prüfungsfrage
TC611    Bei welcher Basisspannung ist ein NPN-Transistor ausgeschaltet? Bei einer Basisspannung, die
mindestens 0,6 V positiver ist, als das Emitterpotenzial.
auf Höhe der Kollektorspannung liegt.
zwischen Kollektor und Emitterspannung liegt.
auf Höhe der Emitterspannung liegt.

Kommentar: Wie bei TC610!



Prüfungsfrage
TC612    Wie groß ist die Basisspannung eines NPN-Silizium-Transistors, wenn sich dieser in leitendem Zustand befindet?
Sie ist viel höher als die Emitterspannung.
Sie entspricht der Kollektorspannung.
Sie ist etwa 0,6 V höher als die Emitterspannung.
Sie liegt etwa 0,6V unter der Emitterspannung.

Prüfungsfrage
TC613    Bei einem bipolaren Transistor in leitendem Zustand befindet sich die Emitter-Basis-Diode
in Sperrrichtung.
im Leerlauf.
im Kurzschluss.
in Durchlassrichtung.


Prüfungsfrage
TC614    In einer Schaltung wurden die Spannungen der Transistoranschlüsse gegenüber Massepotenzial gemessen. Bei welchem der folgenden Transistoren fließt Kollektorstrom?

Kommentar: Beim NPN-Transistor muss die Basis um 0,6 Volt positiver sein als der Emitter und der Kollektor muss deutlich positiver sein als die Basis.


Prüfungsfrage
TC615    In einer Schaltung wurden die Spannungen der Transistoranschlüsse gegenüber Massepotenzial gemessen. Bei welchem der folgenden Transistoren fließt Kollektorstrom?


Prüfungsfrage
TC616    In einer Schaltung wurden die Spannungen der Transistoranschlüsse gegenüber Massepotenzial gemessen. Bei welchem der folgenden Transistoren fließt Kollektorstrom?


Prüfungsfrage
TC617    In einer Schaltung wurden die Spannungen der Transistoranschlüsse gegenüber Massepotenzial gemessen. Bei welchem der folgenden Transistoren fließt Kollektorstrom?

Der Feldeffekttransistor

Wiederholung: Der Sperrschicht-FET

Die Funktionsweise des Sperrschicht-FET wurde ebenfalls im Lehrgang Klasse E ausführlich besprochen. Sie wissen, dass er aus einem P- oder N-dotierten Kanal besteht, dessen Widerstand durch ein quer liegendes elektrisches Feld gesteuert wird. Prüfen Sie Ihr Wissen aus dem Lehrgang Klasse E durch Beantwortung der folgenden Prüfungsfragen.


Prüfungsfrage
TC609    Wie erfolgt die Steuerung des Stroms im Feldeffekttransistor (FET)?
Die Gatespannung steuert den Gatestrom.
Die Gatespannung steuert den Widerstand des Kanals zwischen Source und Drain.
Der Gatestrom ist allein verantwortlich für den Drainstrom.
Der Gatestrom steuert den Widerstand des Kanals zwischen Source und Drain.

Prüfungsfrage
TC602  Welche Bezeichnungen für die Bauelemente sind richtig?
1: Selbstsperrender P-Kanal-Sperrschicht-FET
2: Selbstsperrender N-Kanal-Sperrschicht-FET
1: Selbstsperrender N-Kanal-Sperrschicht-FET
2: Selbstsperrender P-Kanal-Sperrschicht-FET
1: Selbstleitender P-Kanal-Sperrschicht-FET
2: Selbstleitender N-Kanal-Sperrschicht-FET
1: Selbstleitender N-Kanal-Sperrschicht-FET
2: Selbstleitender P-Kanal-Sperrschicht-FET

Kommentar: Der Pfeil deutet den PN-Übergang an, also von P nach N. Er zeigt also immer auf die N-Scht, hier N-Kanal. Der selbstsperrende FET wird erst im folgenden Abschnitt erläutert. Dies hier sind selbstleitende (Sperrschicht-) Transistoren. Selbstleitend ist der Kanal, nicht etwa die Gate-Kanal-Strecke!


Der Isolierschicht-FET (IG-FET, MOSFET)

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 6-1: Aufbau und genormtes Schaltzeichen von Isolierschicht-FETs
A: Verarmungstyp (selbstleitend),
B: Anreicherungstyp (selbstsperrend)

Im Amateurfunklehrgang Klasse E wurde als FET nur der Sperrschicht-Feldeffekttransistor besprochen. Es folgt der Isolierschicht-FET. Bei Isolierschicht-Feldeffekttransistoren (oft als MOSFET bezeichnet, da die Isolierschicht früher meistens aus einer Metall-Oxid-Schicht bestand), besteht zwischen dem Gate-Anschluss und dem Kanal eine hochwertige Isolierschicht, so dass keine Sperrspannung mehr zum Aufbau einer Sperrschicht benötigt wird. Dadurch wird der Gatestrom noch geringer.

Mosfets werden heute normalerweise in Planartechnik hergestellt (Bild 6-1). Auf die Oberfläche eines P- oder N-leitenden Kristalls (Substrat) wird eine isolierende Quarzschicht aufgebracht. Durch Ausätzen schafft man Fenster, durch die man entsprechende Fremdatome (Dotierungsstoffe) eindiffundieren lässt. Damit erhält man in dem Substrat den entsprechenden Kanal, wobei man auch hier wieder N-Kanal- und P-Kanal-Typen unterscheidet.

Eine weitere Unterscheidung trifft man danach, ob der Kanal zwischen Drain und Source durch Dotierung dauernd vorhanden ist oder ob er erst durch die entsprechende Gatespannung entsteht. Im ersten Fall wird durch das elektrische Feld des Gates die Ladungsträgerbahn eingeschnürt und damit der Drainstrom verringert. Man spricht hier von einem Verarmungstyp (Bild 6-1, obere Reihe).

Beim Verarmungstyp fließt ohne angelegte Gate-Source-Spannung bereits ein bestimmter Drainstrom. Man sagt, der Verarmungstyp ist selbstleitend. Wird die Gate-Source-Spannung erhöht, wird der Kanal schmaler und der Drainstrom geringer. Polt man die Gate-Source-Spannung um, erhöht sich der Drainstrom.

Beim so genannten Anreicherungstyp (Bild 6-1 B) ist der Kanal zwischen Drain und Source nicht dotiert. Dadurch fließt kein Drainstrom, wenn die Gate-Source-Spannung UGS Null ist. Der Anreicherungstyp ist selbstsperrend. Legt man an das Gate eine Spannung, so werden durch das entstehende elektrische Feld entsprechende Ladungsträger aus dem Substrat in die Nähe des Gate gezogen. Sie bilden den eigentlichen Kanal.

Die Unterbrechung des Kanals zwischen Drain und Source wird im Schaltsymbol durch entsprechend gezeichnete Unterbrechungen gekennzeichnet. Die Isolierung des Gates wird durch den Abstand zwischen Gate und Kanal symbolisiert. Da beim Mosfet zwischen dem Substrat und dem Kanal ein PN-Übergang besteht, wird hier ein entsprechender Pfeil eingezeichnet. Der Pfeil (P-Schicht wie Dreieck bei der Diode) stellt auch hier den entsprechenden PN-Übergang dar. Beim N-Kanal-Typ zum Beispiel zeigt der Pfeil vom P-Substrat zum N-Kanal.

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 6-2:  A: N-Kanal, B: P-Kanal-Typ



Prüfungsfrage
TC605  Welcher der folgenden Transistoren ist ein selbstsperrender N-Kanal MOSFET?

Kommentar: Selbstsperrend wird durch die gestrichelte Linie gekennzeichnet (C und D) und N-Kanal bedeutet, dass der Pfeil auf den Kanal zeigen muss (D).



Prüfungsfrage
TC603  Der folgende Transistor ist ein

  

Selbstleitender N-Kanal-Isolierschicht FET (MOSFET).
Selbstsperrender P-Kanal-Isolierschicht FET (MOSFET).
Selbstsperrender N-Kanal-Isolierschicht FET (MOSFET).
Selbstleitender P-Kanal-Isolierschicht FET (MOSFET).


Prüfungsfrage
TC604  Welcher der folgenden Transistoren ist ein selbstleitender P-Kanal MOSFET?

Es gibt Mosfets mit zwei Gate-Anschlüssen (Dual-Gate-Mosfet, Bild 6-3), bei welchen man für Mischstufen zum Beispiel auf jedes Gate ein anderes Signal geben kann.

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 6-3: Schaltsymbol eines N-Kanal Dual Gate MOSFETs


Prüfungsfrage
TC606  Wie bezeichnet man die Anschlüsse 2 und 3 des folgenden Transistors?

2 = Source,       3 = Drain
2 = Drain,         3 = Source
2 = Drain,         3 = Emitter
2 = Gate 2,       3 = Gate 1

Kommentar: Die Anschlüsse 1 und 4 sind die beiden Gates, 2 ist auch hier Drain und 3 der Source-Anschluss.


Der Transistor als Schalter

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 6-4:  Transistor als Schaltstufe (A), Transistor als Spannungsverstärker (B)

Die zwei grundsätzlichen Anwendungen des Transistors sind der Transistor als Schalter(Bild 6-4 A) und der Transistor als Wechselspannungsverstärker (Bild 6-4 B) Der grundsätzliche Unterschied ist folgender. Beim Transistor als Schalter gibt es nur zwei Zustände des Transistors: Entweder er leitet oder er sperrt. Der Transistor als Verstärker kann jeden Zwischenwert annehmen.

Die Schaltung nach Bild 6-4 A arbeitet folgendermaßen. Liegt die Spannung 0 V am Eingang, sperrt der Transistor und am Kollektor liegt die Leerlaufspannung (Betriebsspannung). Wird eine positive Spannung an die Basis angelegt, fließt Basisstrom und ein entsprechend höherer Kollektorstrom. Die Spannung am Ausgang bricht bis auf einen kleinen Rest (zirka 0,1 Volt) zusammen.


Prüfungsfrage
TD431  Das folgende Signal wird an den Eingang nebenstehender Schaltung gelegt. Welches ist ein mögliches Ausgangssignal U2 ?
        
 
 
 
 

Erläuterung: Bei der Schaltung handelt es sich um einen Schaltverstärker. Der Transistor ist gesperrt, weil die Basis-Emitterspannung 0 V beträgt. Damit ist am Ausgang die Ruhespannung +10 V. Wenn die Eingangsspannung auf über 0,6 V steigt, fließt Basis- und damit auch Kollektorstrom und die Spannung am Kollektor (Ausgang) geht zurück.


Prüfungsfrage
TD432  Das folgende Signal wird an den Eingang nebenstehender Schaltung gelegt. Welches ist ein mögliches Ausgangssignal U2 ?
          

Die Erläuterungist ähnlich wie bei der vorigen Aufgabe. Allerdings lässt der Koppelkondensator die Gleichspannung nicht durch und es bildet sich am Ausgang der Mittelwert der Wechselspannung aus. Wählen Sie die Lösung mit 180° Phasendrehung, also Lösung A!

Eine häufig vorkommende Anwendungsschaltung des Transistors als Schalter sei hier vorgestellt. Es zeigt die Anwendung des Sperrschicht-FET als elektronischer Schalter für die Sendersteuerung der PTT mittels Computer. An der seriellen Schnittstelle steht entweder ein Pegel von +12/-12 Volt oder von +5 V und Null zur Verfügung. Für die PTT benötigt man eine niederohmige Verbindung nach Masse. Man leitet die +12 Volt bzw. +5 Volt über einen Widerstand an das Gate eines FET. Dadurch wird der Kanal niederohmig. Ist die Spannung am Eingang -12 Volt oder Null, wird der Kanal des FET hochohmig.

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 6-5: PTT-Schaltung mit FET

Bei Schaltstufen mit einer Relaisspule oder einem Transformator tritt folgendes Problem auf. Durch die plötzliche Ausschaltung (Stromänderung in der Induktivität) entsteht eine hohe Induktionsspannung, die den Transistor zerstören könnte. Durch Parallelschaltung einer Diode in Sperrrichtung für den normalen Betrieb (also N-Schicht zur Betriebsspannung) kann man diese Spannungsspitzen kurzschließen.

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 6-6: Schaltstufe mit Induktivität


Prüfungsfrage
TC528    In welcher der folgenden Schaltungen ist die Diode zur Spannungsbegrenzung einer Schaltstufe richtig eingesetzt?

Kommentar: Durch Parallelschaltung einer Diode in Sperrrichtung für den normalen Betrieb (also N-Schicht zur Betriebsspannung) kann man diese Ausschalt-Spannungsspitzen kurzschließen.


Verstärker

Der Transistor als Spannungsverstärker

Beim Transistor als Spannungsverstärker muss erst ein mittlerer Arbeitspunkt eingestellt werden. Es fließt etwas Basisstrom und etwas Kollektorstrom. Diesem Ruhestrom überlagert sich die über den Kondensator eingekoppelte Wechselspannung und der Kollektorstrom wird größer und kleiner. Am Kollektorwiderstand ändert sich entsprechend die Spannung. Dieser Wechselspannungsanteil wird über den Koppelkondensator ausgekoppelt.

Zeichnung: Eckart Moltrecht

Bild 6-7: Spannungsverstärker in Emitterschaltung mit Basisvorwiderstand


Um mit Hilfe der Stromverstärkung eines eines Transistors eine Spannungsverstärkung zu erreichen, wird die Stromänderung mit Hilfe eines Widerstandes in eine Spannungsänderung umgewandel. (RC in Bild 6-7). Man kann aber auch Transformatoren oder Schwingkreise dazu verwenden (Siehe transformatorische Kopplung beim Leistungsverstärker im folgenden Kapitel 7!).

Funktionsweise: Ändert man die Spannung an der Basis, indem über den Koppelkondensator C1 (Bild 6-7) eine Wechselspannung u1 eingekoppelt wird (Diagramm A, Bild 6-8), ändert sich auch der Basisstrom IB (Diagramm B). Damit ändert sich der Kollektorstrom Ic je nach Stromverstärkung des Transistors etwa hundertmal so stark (Diagramm C). An dem Arbeitswiderstand RL ändert sich die Spannung. Wenn der Strom steigt, wird die Spannung an RL größer und damit bleibt für den Kollektor weniger Spannung UCE übrig, UCE sinkt (Bild 6-8, D). Aus dieser Mischspannung wird der Gleichspannungsanteil durch den Kondensator C2 abgesperrt. Nur die Wechselspannungsanteile (Änderungen, ?UCE ) werden ausgekoppelt (Diagramm E).

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 6-8: Diagramme zur Spannungsverstärkung

Vergleicht man die Bilder 6-8 A und E, fällt außer der Verstärkung auf, dass bei einem Ansteigen der Eingangsspannung U1 die Ausgangsspannung U2 gleichzeitig sinkt. Man sagt: Bei der Emitterschaltung sind Eingangs- und Ausgangsspannung gegensinnig bzw. invertiert.


Prüfungsfrage
TC626  Folgendes Signal UE  wurde auf den Eingang gegeben.  In welcher Antwort sind alle dargestellten Signale phasenrichtig zugeordnet?
   

Kommentar: Vergleichen Sie mit Bild 6-8 und der Erläuterung darüber.


Das Verhältnis der Ausgangsspannungsänderung ?UCE zur Eingangsspannungsänderung ?UBE , bezeichnet man als

Die Stromverstärkung ist das Verhältnis aus Kollektorstromänderung zu Basisstromänderung.

Die Leistungsverstärkung ergibt sich aus dem Produkt von beiden.


Die Erzeugung der Basisvorspannung

Zeichnung: Eckart Moltrecht
 Bild 6-9: Basis-Vorspannungserzeugung, A: mit Vorwiderstand, B: mit Spannungsteiler


Um eine Wechselspannung verstärken zu können, muss der Mittelpunkt des Signals in die Mitte des Aussteuerbereichs geschoben werden. Man überlagert dazu die Wechselspannung einer mittleren Gleichspannung. Die Erzeugung dieser mittleren Gleichspannung nennt man Einstellung des Arbeitspunktes oder der Vorspannung.

Grundsätzlich muss man dazu zwei Spannungen einstellen, nämlich die Basis-Emitter-Spannung bzw. den Basisstrom und die Kollektor-Emitter-Spannung. Die Kollektor-Emitter-Spannung soll etwa die Hälfte der Betriebsspannung betragen. Man wählt dazu einen Kollektorstrom (für Vorverstärker 1 bis 5 mA) und berechnet damit den Kollektorwiderstand RC .

Um den notwendigen Basisgleichstrom IB zu erzeugen, gibt es zwei Möglichkeiten, nämlich die Basis-Vorspannungserzeugung durch einen Vorwiderstand (R1 in Bild 6-7 A) oder durch einen Spannungsteiler (R1 und R2 in Bild 6-7 B). Durch den Vorwiderstand R1 (Bild 6-7 A) fließt der Basisstrom IB . An diesem Vorwiderstand fällt so viel Spannung ab, dass noch 0,6 V über der Basis-Emitter-Strecke übrig bleiben. Die Berechnung üben wir anhand einer Prüfungsaufgabe.



Prüfungsfrage
TC618  Die Betriebsspannung beträgt 10 V, der Kollektorstrom soll 2 mA betragen, die Gleichstromverstärkung des Transistors beträgt 200. Berechnen Sie den Vorwiderstand R1 .

  

1 MΩ
940 kΩ
85,5 kΩ
47 kΩ

Lösung: Um R1 zu berechnen, benötigen wir U an R1 und I durch R1 (= IB ). U an R1 ist 10 V minus 0,6 V gleich 9,4 V. Den Strom berechnen wir aus der Stromverstärkung.


Prüfungsfrage
TC619  Die Betriebsspannung beträgt 10 V, der Kollektorstrom soll 2 mA betragen, die Gleichstromverstärkung des Transistors beträgt 200. Durch den Querwiderstand R2 soll der zehnfache Basisstrom fließen. Berechnen Sie den Vorwiderstand R1 .

  

540 kΩ
940 kΩ
76,4 kΩ
85,5 kΩ

Lösung: Die Spannung an R1 berechnet sich wie in der vorigen Aufgabe, ebenfalls der Basisstrom. Durch den Querwiderstand R2 soll der zehnfache Basisstrom fließen, also 100 µA. Durch R1 fließt dann die Summe, also 110 µA.



Prüfungsfrage
TD402  Welche Funktion haben die Widerstände R1 und R2 in der folgenden Schaltung?

Sie dienen zur ...

Einstellung der Basisvorspannung.
Reduzierung der Eingangsempfindlichkeit.
Verhinderung von Eigenschwingungen.
Festlegung der oberen und unteren Grenzfrequenz.

Arbeitspunktstabilisierung durch Stromgegenkopplung

Ein Problem bei den Transistor-Verstärker­schaltungen ist die Tatsache, dass sich ein einmal eingestellter Arbeitspunkt eines Transistors bei Erwärmung verändert. Um den Arbeitspunkt stabil zu halten, gibt es verschiedene Schaltungen. Die beiden wichtigsten sind: Gleichstromgegenkopplung und Gleichspannungsgegenkopplung.

Bei der Gleichstromgegenkopplung wird die Basisvorspannung UR2 durch einen Spannungsteiler möglichst stabil gehalten und in die Emitterleitung ein Widerstand geschaltet. Dieser Widerstand RE dient zur Stromgegenkopplung (Bild 6-8). Steigen durch Temperaturerhöhung der Kollektorstrom und damit auch der Emitterstrom an, erhöht  sich  der  Spannungsabfall  URE   am Emitterwiderstand. Wenn die Spannung UR2 konstant bleibt, muss sich dadurch UBE erniedrigen. Dadurch verringert sich der Basisstrom, was eine Verringerung des Kol lektorstromes zur Folge hat.

Also: Einer langsamen Erhöhung des Kollektorstromes durch Temperaturänderung steht eine Erniedrigung durch Regelung entgegen (Gegenkopplung). Das bedeutet Stabilisierung.

Zeichnung: Eckart Moltrecht

Bild 6-10: Grundschaltung eines Verstärkers in Emitterschaltung mit Stromgegenkopplung

Um aber für gewünschte schnelle Kollektorstromänderungen durch das Steuersignal an der Basis diese Gegenkopplung nicht wirksam werden zu lassen, wird ein Kondensator CE parallel zu RE geschaltet.



Prüfungsfrage
TC620  Die Betriebsspannung beträgt 10 V, der Kollektorstrom soll 2 mA betragen, die Gleichstromverstärkung des Transistors beträgt 200. Durch den Querwiderstand R2 soll der zehnfache Basisstrom fließen. Am Emitterwiderstand soll 1 V abfallen. Berechnen Sie den Vorwiderstand R1 .

 

540 kΩ
76,4 kΩ
85,5 kΩ
940 kΩ

Lösung: Basisstrom, Strom durch R2 und damit Strom durch R1 wird wie in der vorigen Aufgabe berechnet. Nur bei der Berechnung der Spannung an R1 gibt es eine Besonderheit. Die Spannung an R2 nämlich ist die Summe von 1 V (an RE ) plus 0,6 V, also 1,6 V. Damit bleiben für R1 noch 10 V minus 1,6 V also 8,4 V übrig.


Wenn man nur den Emitterwiderstand ohne den Überbrückungskondensator einbauen würde, ergäbe sich eine Wechselstromgegenkopplung, die die Verstärkung stark zurück setzt.

Erläuterung: Wenn über den Koppelkondensator zum Beispiel die positive Halbwelle eingekoppelt wird, soll der Basisstrom steigen und durch den verstärkten Kollektorstrom die Spannung am Kollektor stark sinken. Weil gleichzeitig aber auch der Emitterstrom steigt, würde sich zwischen Basis und Emitter nur ein geringer Teil der Wechselspannung auswirken. Die Verstärkung sinkt. In der Praxis sinkt sie so stark, dass die Spannungsverstärkung aus dem Verhältnis von Kollektor- und Emitterwiderstand bestimmt werden kann. Um diesen Nachteil zu vermeiden, hält man die Spannung am Emitter für die kurze Zeit einer Wechselspannungshalbwelle mittels einem Kondensator großer Kapazität (Elko) konstant. Langsame Änderungen durch Temperatur wirken sich aber aus und stabilisieren den Arbeitspunkt.



Prüfungsfrage
TC625  Bei folgender Emitterschaltung wird die Schaltung ohne den üblichen Emitterkondensator betrieben. Auf welchen Betrag etwa sinkt die Spannungsverstärkung?

1
1/10
10
0

Kommentar:Wenn dieser Kondensator fehlt, reduziert sich die Verstärkung auf das Verhältnis der Widerstände RC zu RE . Siehe Erläuterung oberhalb!

Nochmals ausführlichaufgrund einer Nachfrage Lösungsweg TD403 und TD404:

Da muss ich etwas mehr „ausholen“. Der Emitterwiderstand soll zur Arbeitspunktstabilisierung dienen. Ich muss dies ausführlich beschreiben, damit man die Notwendigkeit von C1 versteht.

Die Stabilisierung geht so: Will der Kollektorstrom zum Beispiel steigen, weil sich die Temperatur im Kristall erhöht, fällt am Emitterwiderstand mehr Spannung ab, weil ja auch der Emitterstrom dann steigt. Dadurch steigt das Potenzial am Emitter. Durch den Spannungsteiler bleibt aber das Potenzial an der Basis konstant, für die Basis-Emitterstrecke bleibt weniger übrig. Folge: Der Strom sinkt wieder. -> Stabilisierung.

Wenn nun aber durch das Eingangssignal gewollt der Kollektrostrom steigen soll, würde durch den Emitterwiderstand (ohne R1) der Strom wieder herunter geregelt, was der gewollten Wirkung entgegen steht. Um dies zu verhindern, wird ein Kondensator großer Kapazität (Elko) zu R1 parallel geschaltet. Dieser hält zumindest für eine Halbwelle der Signalspannung das Potenzial am Emitter konstant und die Gegenwirkung entfällt. Bei langsamen Änderungen (Temperatur) wird sich der Kondensator aber mit aufladen und die Schaltung „schützen“ (stabilisieren).

Quintessenz: TD403: In A steckt ungefähr die Wirkung. TC404: Wenn man C1 entfernt, wirkt also die unerwünschte Gegenkopplung und setzt die Verstärkung stark herab.


Prüfungsfrage
TD403  Welche Funktion hat der Kondensator C1 in der folgenden Schaltung?

 

Er dient zur ...

Verringerung der Verstärkung.
Überbrückung des Emitterwiderstandes für das Wechselstromsignal.
Stabilisierung des Arbeitspunktes des Transistors.
Einstellung der Vorspannung am Emitter.

Kommentar:Sie Erläuterung oberhalb der Aufgabe TC625.



Prüfungsfrage
TD404  Wie verhält sich die Spannungsverstärkung bei der folgenden Schaltung, wenn der Kondensator C1 entfernt wird?

 

Sie nimmt zu.
Sie bleibt konstant.
Sie nimmt ab.
Sie fällt auf Null ab.

Kommentar: Wenn dieser Kondensator fehlt, reduziert sich die Verstärkung auf das Verhältnis der Widerstände RC zu RE . Siehe Erläuterung oberhalb!


Arbeitspunktstabilisierung mit Spannungsgegenkopplung

Zeichnung: Eckart Moltrecht

Bild 6-11: Gleichspannungsgegenkopplung

Bei der Gleichspannungsgegenkopplung wird der Vorwiderstand beziehungsweise der Spannungsteiler statt an der Betriebsspannung am Kollektor angeschlossen. Steigt hier der Kollektorstrom infolge Temperaturerhöhung an, sinkt die Spannung UCE und damit gleichzeitig UBE . Der Kollektorstrom wird heruntergeregelt (Bild 6-11).



Prüfungsfrage
TC621  Die Betriebsspannung beträgt 10 V, der Kollektorstrom soll 2 mA betragen, die Gleichstromverstärkung des Transistors beträgt 200. Die Kollektor-Emitterspannung soll 6 V betragen. Berechnen Sie den Vorwiderstand R1 .

 

540 kΩ
76,4 kΩ
85,5 kΩ
1,98 kΩ

Lösung: Die Spannung an R1 ist Kollektorspannung minus 0,6 V, also 5,4 V. Der Basisstrom beträgt wieder 10 µA.



Prüfungsfrage
TC622  Die Betriebsspannung beträgt 10 V, der Kollektorstrom soll 2 mA betragen, die Gleichstromverstärkung des Transistors beträgt 100. Die Kollektor-Emitterspannung soll 6 V betragen. Berechnen Sie den Kollektorwiderstand RC .

 

85,5 kΩ
20,0 kΩ
1,98 kΩ
2,97 kΩ

Lösung: Bei dieser Aufgabe soll nicht der Basisvorwiderstand sondern der Kollektorwiderstand berechnet werden. Der Strom durch den Widerstand RC setzt sich aus dem Kollektorstrom und dem Basisstrom zusammen. Der Kollektorstrom ist gegeben und der Basisstrom wird wieder wie in den vorigen Aufgaben berechnet.

Damit beträgt der Strom durch RC :    Iges =2,02 mA.

Die Spannung an RC ist Betriebsspannung minus Kollektorspannung, also 4 V.

Nochmals, aufgrund einer Nachfrage Lösungsweg TC622:

Am Kollektor liegt ein Potenzial von 6 V (gegebene Kollektor-Emitter-Spannung). Bleiben für Rc noch 4 V (bei 10 V Betriebsspannung). Durch Rc fließen einerseits die 2 mA Kollektorstrom, andererseits der Basisstrom durch R1 . Der Basisstrom ist 1/100 von 2 mA, also 0,02 mA, macht zusammen 2,02 mA.

4 V durch 2,02 mA ist ... ?


Prüfungsfrage
TC623  Was passiert, wenn der Widerstand R2 durch eine fehlerhafte Lötstelle an einer Seite keinen Kontakt mehr zur Schaltung hat (Leerlauf)? In welcher Zeile sind beide Aussagen richtig?

Der Kollektorstrom steigt stark an. Die Kollektorspannung geht auf Betriebsspannung.
Es fließt Kurzschlussstrom und der Transistor wird zerstört.
Es fließt kein Kollektorstrom mehr. Die Kollektorspannung geht auf Betriebsspannung.
Der Kollektorstrom wird nur durch RC begrenzt. Die Kollektorspannung sinkt auf zirka 0,1 Volt.

Kommentar: Wenn R2 keinen Kontakt mehr hat, fließt Basisstrom, der nur durch R1 begrenzt wird. Damit fließt entsprechend viel Kollektorstrom und die Spannung am Kollektor bricht zusammen.

Nochmals anders, aufgrund einer Nachfrage Lösungsweg TC623:

Wenn R2 unterbrochen ist, liegt nur R1 direkt von Plus Betriebsspannung an der Basis. Dadurch fließt sehr viel Basisstrom und der Kollektorstrom würde entsprechend ansteigen. Er kann aber nicht höher werden als Betriebsspannung geteilt durch Rc und die Restspannung liegt beim durchgeschalteten Transistor bei etwa 0,1 V.



Prüfungsfrage
TC624  Was passiert, wenn der Widerstand R1 durch eine fehlerhafte Lötstelle an einer Seite keinen Kontakt mehr zur Schaltung hat (Leerlauf)? In welcher Zeile sind beide Aussagen richtig?

 

Der Kollektorstrom steigt stark an. Die Kollektorspannung geht auf Betriebsspannung.
Es fließt Kurzschlussstrom und der Transistor wird zerstört.
Der Kollektorstrom wird nur durch RC begrenzt. Die Kollektorspannung sinkt auf zirka 0,1 Volt.
Es fließt kein Kollektorstrom mehr. Die Kollektorspannung geht auf Betriebsspannung.

Kommentar: Wenn der obere Widerstand keinen Kontakt mehr hat, ist die Basis über R2 mit Masse verbunden. Deshalb fließt kein Basisstrom und damit auch kein Kollektorstrom.



Prüfungsfrage
TD405  Welche Funktion haben die Kondensatoren C1 und C2 in der folgenden Schaltung?

 

Sie dienen zur

Wechselstromkopplung
Festlegung der oberen Grenzfrequenz.
Erzeugung der erforderlichen Phasenverschiebung
Anhebung niederfrequenter Signalanteile.

Kommentar: Man nennt sie auch Koppelkondensatoren.


Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 6-12: Die Grundschaltungen des Transistors

Bisher wurde in diesem Lehrgang immer der Emitter des Transistors als gemeinsamer Anschluss für den Eingang und den Ausgang benutzt. Deshalb hat diese Schaltung den Namen Emitterschaltung.

Es ist möglich, eine der anderen Elektroden als gemeinsamen Anschluss für den Eingang und den Ausgang zu benutzen. Man erhält dann die Kollektorschaltung bzw. die Basisschaltung. Dann ändern die Schaltungen aber ihre Eigenschaften. Die wichtigsten Eigenschaften der drei Grundschaltungen werden in obiger Tabelle gegenübergestellt (Bild 6-10). In der Praxis erkennt man eine Grundschaltung daran, welche Elektrode über einen Kondensator mit Masse verbunden ist, beziehungsweise an der Elektrode, die weder als Eingang noch als Ausgang gebraucht wird.

Einige Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der Tabelle Bild 6-10. Die Emitter-schaltungwird für NF und für HF angewendet, wenn es auf eine hohe Leistungsverstärkung ankommt. Da die Leistungsverstärkung das Produkt ist aus Spannungs- und Strom-verstärkung, ergibt sich bei der Emitterschaltung eine Leistungsverstärkung von 2000- bis 50 000fach. Der Nachteil dieser Schaltung ist manchmal der niedrige Eingangswiderstand, der zwischen 20 Ohm und 5 Kiloohm liegen kann und die relativ niedrige Grenzfrequenz.



Prüfungsfrage
TD401  Bei dieser Schaltung handelt es sich um

 

einen Verstärker in Emitterschaltung.
einen Verstärker als Emitterfolger.
einen Verstärker in Kollektorschaltung.
einen Verstärker in Basisschaltung.


Prüfungsfrage
TD406  Was lässt sich über die Wechselspannungsverstärkung vU und die Phasenverschiebung f zwischen Ausgangs- und Eingangsspannung dieser Schaltung aussagen?

 

vU ist groß (z.B. 100 ... 300) und f=180°.
vU ist groß (z.B. 100 ... 300) und f=0°.
vU ist klein (z.B. 0,9 .... 0,98) und f=180°.
vU ist klein (z.B. 0,9 .... 0,98) und f=0°.


Prüfungsfrage
TD407  Was lässt sich über den Wechselstromeingangs-widerstand re und den Wechselstromausgangswiderstand ra dieser Vorverstärkerschaltung aussagen?

 

re ist klein (z.B. 100 Ω ... 5 kΩ) und ra ist gegenüber re groß (z.B. 5 kΩ ... 50 kΩ).
re ist groß (z.B. 10 kΩ ... 200 kΩ) und ra ist gegenüber re klein (z.B. 4 Ω ... 100 Ω).
re und ra sind beide relativ klein (z.B. 20 Ω ... 5 kΩ).
re und ra sind beide relativ groß (z.B. 10 kΩ ... 200 kΩ).

Die Kollektorschaltungwird auch Emitterfolgergenannt, weil der Ausgang dem Emitter folgt. Sie wird dann angewendet, wenn ein hoher Eingangswiderstand (typische Werte zwischen 10 Kiloohm und 200 Kiloohm) und ein niedriger Ausgangswiderstand (typische Werte zwischen 4 Ohm und 100 Ohm) gewünscht werden. Allerdings hat diese Schaltung keine Spannungsverstärkung (vu »1, genauer 0,90 bis 0,99), jedoch eine hohe Stromverstärkung. Man benutzt daher diese Schaltung als so genannten Impedanzwandler, z.B. auch in elektronisch geregelten Netzteilen (Lektion 19) als Längstransistor. Impedanzwandler bedeutet hier: Großer Eingangswiderstand und kleiner Ausgangswiderstand. Deshalb wird der Emitterfolger gern als Trennstufe (Pufferstufe) zwischen Oszillator und Folgestufe eingesetzt.



Prüfungsfrage
TD408  Bei dieser Schaltung handelt es sich um

einen Verstärker in Emitterschaltung.
einen Verstärker als Emitterfolger.
einen Oszillator in Kollektorschaltung.
eine Stufe in einer Basisschaltung.


Prüfungsfrage
TD409  Was lässt sich über die Wechselspannungsverstärkung vU und die Phasenverschiebung f zwischen Ausgangs- und Eingangsspannung dieser Schaltung aussagen?

vU ist klein (z.B. 0,9 .... 0,98) und f=0°.
vU ist groß (z.B. 100 ... 300) und f=0°.
vU ist klein (z.B. 0,9 .... 0,98) und f=180°.
vU ist groß (z.B. 100 ... 300) und f=180°.


Prüfungsfrage
TD410  In welchem Bereich liegt der Wechselstrom-Eingangs-widerstand eines Emitterfolgers?
1 kΩ ... 10 kΩ
10 kΩ ... 200 kΩ
100 Ω ... 1 kΩ
4 Ω ... 100 Ω


Prüfungsfrage
TD411  In welchem Bereich liegt der Wechselstrom-Ausgangs-widerstand eines Emitterfolgers?
100 kΩ ... 2 MΩ
10 kΩ ... 50 kΩ
100 kΩ ... 200 kΩ
4 Ω ... 100 Ω


Prüfungsfrage
TD412  Die Ausgangsimpedanz dieser Schaltung ist

in etwa gleich der Eingangsimpedanz und hochohmig.
in etwa gleich der Eingangsimpedanz und niederohmig.
sehr hoch im Vergleich zur Eingangsimpedanz.
sehr niedrig im Vergleich zur Eingangsimpedanz.

Prüfungsfrage
TD413  Diese Schaltung kann unter anderem als

Frequenzvervielfacher verwendet werden.
Spannungsverstärker mit hohem Gewinn verwendet werden.
Phasenumkehrstufe verwendet werden.
Pufferstufe zwischen Oszillator und Last verwendet werden.


Prüfungsfrage
TF321  Die Phasenverschiebung zwischen der Ein- und Ausgangsspannung einer Verstärkerstufe mit einem Transistor in Kollektorschaltung beträgt
0°.
90°.
180°.
270°.


Prüfungsfrage
TF322  Die Phasenverschiebung zwischen der Ein- und Ausgangsspannung einer Verstärkerstufe mit einem Transistor in Basisschaltung beträgt
0°.
90°.
180°.
270°.


Prüfungsfrage
TF323  Die Phasenverschiebung zwischen der Ein- und Ausgangsspannung einer Verstärkerstufe mit einem Transistor in Emitterschaltung beträgt
0°.
90°.
180°.
270°.

Die Basisschaltungwird wegen ihrer hohen Grenzfrequenz und der geringen Rückwirkung gern als HF-Verstärker im Eingang von UKW-Vorstufen verwendet.


Integrierte Schaltungen

Inzwischen stellt man komplexe Schaltungen her, die auf einem einzigen Halbleiterkristall einen kompletten Verstärker oder Oszillator oder sogar einen ganzen Empfänger darstellen. Jede dieser Schaltungen ist anders. Man benötigt unbedingt ein konkretes Datenblatt mit Beschaltungsvorschlägen. Moderne Amateurfunkgeräte werden praktisch aus einer Vielzahl solcher integrierten Schaltungen hergestellt.



Prüfungsfrage
TC701  Eine integrierte Schaltung ist
eine miniaturisierte, aus SMD-Bauteilen aufgebaute Schaltung.
eine aus einzelnen Bauteilen aufgebaute vergossene Schaltung.
eine komplexe Schaltung auf einem Halbleiterkristallblättchen.
die Zusammenschaltung einzelner Baugruppen zu einem elektronischen Gerät.

Der Operationsverstärker

Ein besonderer Typ von integrierten Schaltungen ist für den Selbstbauer sehr interessant. Sie nennt sich Operationsverstärker. Der Operationsverstärker (abgekürzt OP oder OPV) besteht aus einer großen Anzahl einzelner Verstärkerstufen, die alle Gleichstrom gekoppelt sind. Dadurch kann ein OP sowohl Gleichspannungen als auch Wechselspannungen mit einem hohen Verstärkungsfaktor verstärken. Dieser Verstärkungsfaktor wird durch eine gleichstrommäßige Gegenkopplungsschaltung eingestellt. Der Eingangswiderstand ist sehr hoch und der Verstärkungsfaktor ohne Gegenkopplung praktisch unendlich.

Zeichnung: Eckart Moltrecht

Bild 6-13: Typische Verstärkerschaltung mit OP



Prüfungsfrage
TC711  Was ist ein Operationsverstärker?
Operationsverstärker sind digitale Schaltkreise mit niedrigem Verstärkungsfaktor aber großer Linearität.
Operationsverstärker sind wechselstromgekoppelte Verstärker mit niedrigem Eingangswiderstand und großer Linearität.
Operationsverstärker sind in Empfängerstufen eingebaute Analogverstärker mit sehr niedrigem Verstärkungsfaktor aber großer Linearität.
Operationsverstärker sind gleichstromgekoppelte Verstärker mit sehr hohem Verstärkungsfaktor und großer Linearität.

Im Bild 6-13 ist eine typische Verstärkerschaltung mit einem OP dargestellt. Die Verstärkung berechnet sich hierbei sehr einfach als Verhältnis aus R2 zu R1 . R1 bestimmt die Größe des Eingangswiderstandes.

Das Minuszeichen vor dem Verhältnis UA /UE bedeutet, dass das Signal am Ausgang gegenüber dem Eingang invertiert ist. Man sagt auch, dies ist ein invertierender Verstärker.

Auch ist aus dieser Formel zu erkennen, wenn R2 wegfällt, also unendlich groß wird, dann wird vu theoretisch unendlich.



Prüfungsfrage
TC715  Der Eingangswiderstand der folgenden Operations-verstärkerschaltung soll 1 kΩ betragen und es wird eine Spannungsverstärkung von zirka 20 erwünscht. Wie groß muss der Rückkopplungswiderstand R2 sein?

zirka 1 kΩ
zirka 20 kΩ
zirka 400 kΩ
zirka 1,9 kΩ

Lösung: R2 muss zwanzigmal so groß sein wie R1 , also 20 kΩ.


Der Operationsverstärker wird mit einer symmetrischen Gleichspannung versorgt. Dadurch liegt der Arbeitspunkt in der Mitte bei null Volt und man benötigt keinenKoppelkondensator. Dadurch ist die Grenzfrequenz sozusagen null Volt. Die obere Grenzfrequenz liegt weit über 10 MHz.



Prüfungsfrage
TC713  Wie groß ist die Spannungsverstärkung UA /UE der folgenden Operationsverstärkerschaltung?

10
11
19,8
24,2

Hinweis: Es gilt die Formel R2 /R1



Prüfungsfrage
TC716  Welche der folgenden Operationsverstärkerschaltungen arbeitet als invertierender Spannungsverstärker richtig?

Nicht-invertierender Verstärker

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 6-14: Der Operationsverstärker als nicht-invertierender Verstärker

Der Operationsverstärker kann nach Bild 6-14 so geschaltet werden, dass das Signal nicht invertiert wird. Die Spannungsverstärkung berechnet sich dann zu

Diese Schaltung hat den Vorteil, dass sie einen sehr großen Eingangswiderstand hat. Deshalb wird sie häufig als Impedanzwandler in der Form angewendet, dass R2 zu null oder/und RQ unendlich gemacht (also weggelassen) werden. Damit wird die Verstärkung gleich 1, aber der Ausgangswiderstand ist sehr niedrig und der Eingangswiderstand sehr hoch. Dies nennt man Impedanzwandler. Man benötigt einen solchen Impedanzwandler, wenn man eine hochohmige Messspannung oder ein HF-Signal auf einen niederohmgen Eingang legen will.

Zeichnung: Eckart Moltrecht
Bild 6-15: Operationsverstärker als Impedanzwandler



Prüfungsfrage
TC714  Wie groß ist die Spannungsverstärkung UA /UE der folgenden Operationsverstärkerschaltung?

 

10
11
19,8
24,2

Hinweis: Es gilt die Formel 1 + R2 /RQ



Prüfungsfrage
TC712  Welche Eigenschaften hat folgende Operationsverstärkerschaltung? In welcher Zeile stimmen alle drei Eigenschaften?

Zeichnung: Eckart Moltrecht

Der Eingangswiderstand ist niedrig. Der Ausgangswiderstand ist sehr hoch. Die Spannungsverstärkung ist hoch.
Der Eingangswiderstand ist sehr hoch. Der Ausgangswiderstand ist niedrig. Die Spannungsverstärkung ist sehr hoch.
Der Eingangswiderstand ist sehr hoch. Der Ausgangswiderstand ist niedrig. Die Spannungsverstärkung ist gleich eins.
Der Eingangswiderstand ist sehr niedrig. Der Ausgangswiderstand ist hoch. Die Spannungsverstärkung ist niedrig.


Prüfungsfrage
TC717  Welche der folgenden Operationsverstärkerschaltungen arbeitet als nicht-invertierender Spannungsverstärker richtig?

Die Elektronenröhre

Zeichnung: Eckart Moltrecht

Bild 6-16: Beispiel für Sockelschaltungen verschiedener Elektronenröhren

Für Hochfrequenzleistungsverstärker werden beim Selbstbau oder für sehr große Leistungen noch immer Röhren verwendet. Sie arbeiten mit hohen Spannungen und können deshalb mit geringen Strömen bereits hohe Leistungen erzeugen. Im Lehrbuch zur Klasse E wurde das Grundprinzip der Steuerung einer Elektronenröhre in der Lektion 13 bereits vorgestellt.

Elektronenröhren bestehen zumeist aus einem luftleer gepumpten Glaskolben mit einem eingeschweißten gläsernen Fuß. Durch den als Fuß (Sockel) dienenden gepressten Glasteller führen Steckerstifte. Sie tragen im Innern der Röhre das Elektrodensystem. Der Röhrensockel passt in eine auf das Chassis montierte Röhrenfassung.

Da in einem luftleer gepumpten Glaskolben normalerweise keine Ladungsträger für die Stromleitung vorhanden sind, müssen künstlich Elektronen hineingebracht werden. Die­sen Vorgang nennt man Glühemission. Bei der Glühemission wird ein Leiter im Vakuum zum Glühen gebracht, ähnlich wie bei einer normalen Glühlampe. Je stärker nämlich ein Leiter erwärmt wird, desto schneller bewegen sich die in ihm befindlichen freien Elektronen.  Bei einer bestimmten Geschwindigkeit wird ihre Energie so groß, dass sie die Anziehungskraft der Leiterionen überwinden und aus der Oberfläche des Leiters austreten können. Diese Glühemission wird auch thermische Elektronenemission oder Edinson-Effektgenannt.

In einer Elektronenröhre muss also eine Elektrode immer zum Glühen gebracht (geheizt) werden. Diese Elektrode nennt man die Katode. Die Katode entspricht dem Emitter beim Transistor. Es gibt direkt und indirekt geheizte Katoden. Bei direkt geheizten Katoden ist der Heizfaden mit der wirksamen   Katodenschicht,  zum   Beispiel aus Barium-Strontium-Oxid überzogen. Die direkte Heizung wird nur bei schnell heizenden Senderöhren verwendet.

Zeichnung: Eckart Moltrecht

Bild 6-17: Schaltzeichen A: für direkt geheizte, B: für indirekt geheizte Katode, C: vereinfachtes Symbol für geheizte Katode, D: Kaltkatode

Bei indirekt geheizten Katoden sind Heizfaden und Katode elektrisch voneinander getrennt. Die wirksame Katodenschicht ist auf ein Metallröhrchen aufgetragen, das nur durch die Wärmestrahlung oder Wärmeleitung vom isolierten Heizfaden auf die notwendige Temperatur gebracht wird.

Im Bild 6-17 sind die genormten Schaltzeichen für die direkt und die indirekt geheizte Katode dargestellt. An die mit „f“ (Faden) bezeichneten Anschlüsse wird eine Spannungsquelle angeschlossen, so dass über den Heizdraht ein Strom fließt, der so stark sein muss, dass der Faden rot glüht. An diesem Glühen erkennt man bereits von außen, ob der Heizfaden einer Röhre noch in Ordnung ist.

Wenn es für ein zu zeichnendes Schaltbild nicht wichtig ist, wie die Katode geheizt ist, kann man das im Bild 6-17 C dargestellte, vereinfachte Schaltzeichen für eine geheizte Katode verwenden: Ein ausgefüllter, großer Punkt. Bei einer so genannten Kaltkatode für Ionenröhren (Gas gefüllte Röhren) wird dieser Punkt farblich nicht ausgefüllt, man zeichnet an dieser Stelle einen kleinen Kreis (Bild 6-17 D).

Die Röhrendiode enthält außer der Katode als zweite Elektrode noch die Anode. Die Anode dient zum Auffangen der Elektronen. Verbindet man die Anode mit dem Pluspol und die Katode mit dem Minuspol einer Gleichspannung, werden die von der Katode emittierten freien Elektronen durch den luftleeren Raum in der Röhre zur positiven Anode gesaugt. Es fließt ein Elektronenstrom von der Katode zur Anode. Man beachte auch hier, dass Elektronenstromrichtung und konventionelle (technische) Stromrichtung entgegengesetzt sind!

Polt man die Spannung zwischen Anode und Katode um, werden die Elektronen von der negativen Anode abgestoßen. Es fließt kein Strom. Die Röhrendiode lässt also genau wie die Halbleiterdiode den Strom nur in einer Richtung fließen.

Die zwischen Anode und Katode anliegende Spannung nennt man Anodenspannung Ua ; der vom Pluspol der Batterie über die leitende Diode fließende Strom heißt Anodenstrom. Hochvakuumdioden werden gelegentlich noch zur Gleichrichtung von Hochspannungen eingesetzt.

Wenn man zwischen Anode und Katode ein halbdurchlässiges Gitter (meist eine Drahtwendel) einfügt, lässt sich der Anodenstrom steuern. Die Steuerwirkung kommt folgendermaßen zustande. Die negativen Elektronen werden von der Anode angezogen. Auf ihrem Weg von der Katode zur Anode müssen sie durch die Gitterwendel fliegen. Wenn diese Gitterdrähte negativ geladen sind, werden die negativen Elektronen abgestoßen und kommen schlechter durch dieses elektrische Feld. Je negativer das Gitter ist, desto stärker wird die Abstoßung, desto geringer wird der Anodenstrom.

Die Elektronenröhre wird im Amateurfunk noch für HF-Leistungsverstärker gebraucht. Sie finden Schaltungen dazu im Prüfungsfragenkatalog, Aufgaben TG313 bis TG318. Die Schaltung soll hier schon mal gezeigt werden. Die Besprechung der HF-Schaltungen folgt später im Lehrgang.



Prüfungsfrage
TC718    Worauf beruht die Verstärkerwirkung von Elektronenröhren?
Das von der Gitterspannung hervorgerufene elektrische Feld steuert den Anodenstrom.
Die Anodenspannung steuert das magnetische Feld an der Anode und damit den Anodenstrom.
Die Heizspannung steuert das elektrische Feld an der Katode und damit den Anodenstrom.
Die Katodenvorspannung steuert das magnetische Feld an der Katode und damit den Gitterstrom.


Prüfungsfrage
TC719  In folgender Schaltung mit Elektronenröhre wird die Spannung -Ug am Steuergitter erniedrigt (negativer gemacht). Wie verändert sich der Anodenstrom?

Der Anodenstrom steigt.
Der Anodenstrom sinkt.
Der Anodenstrom verändert sich nicht.
Der Anodenstrom steigt erst und sinkt dann wieder.

Viel Erfolg beim Lehrgang wünscht Ihnen Eckart Moltrecht DJ4UF!


Zur Lehrgangs-Übersicht Technik Klasse A


Copyright-Hinweis:
Eckart K. W. Moltrecht Dieser DARC-Online-Lehrgang wurde mit freundlicher Genehmigung des Autors Eckart K. W. Moltrecht aus seinen Büchern "Amateurfunk-Lehrgang für das Amateurfunkzeugnis" aus dem VTH-Verlag für das Internet umgewandelt. Das Copyright liegt beim Autor und beim Verlag. Mehr über den Autor!
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Letzte Bearbeitung: 06.11.2016 DK2DQ, 16.06.2017 DJ4UF
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