Emitterschaltung

Die Emitterschaltung ist eine Universal-Verstärkerschaltung, die im niederfrequenten Bereich (NF) zur Erzeugung sehr hoher Spannungsverstärkungen genutzt wird. Doch bei hohen Frequenzen macht sich die Frequenzabhängigkeit der Schaltung bemerkbar. Steigt die Frequenz, sinkt die Verstärkung. Aus diesem Grund wird die Emitterschaltung nur mit kleiner Spannungsverstärkung betrieben. Weil der Transistor temperaturabhängig ist und sich der Arbeitspunkt mit der Temperatur verändert, wird die Emitterschaltung mit Arbeitspunktstabilisierung durch Stromgegenkopplung betrieben.
Die Emitterschaltung wird gerne auch zur Ansteuerung von Gegentakt-Endstufen verwendet.

Die Emitterschaltung besteht im wesentlichen aus einem Transistor, dem Kollektorwiderstand R_C, der Eingangssignalquelle U_e mit dem Basis-Vorwiderstand R_V oder einem Spannungsteiler (R₁ und R₂) und der Betriebsspannung +U_B. Der Kollektoranschluss des Transistors ist der Ausgang für die Ausgangsspannung U_a. Der Emitteranschluss ist der gemeinsame Bezugspunkt von Eingangs- und Ausgangsspannung. Deshalb wird diese Schaltung Emitterschaltung genannt.

Strom- und Spannungsverteilung

Die Wechselspannung U_e wird über den Koppelkondensator C_K angelegt. Über den Spannungsteiler R₁ und R₂ wird der Arbeitspunkt eingestellt. Dadurch wird die Basis-Emitter-Spannung U_BE je nach Transistor auf 0,3 V (Germanium) oder 0,6 V (Silizium) eingestellt.
Der Widerstand R_C ist maßgeblich an der maximalen Spannungsverstärkung beteiligt. Und er begrenzt den Kollektorstrom I_C für den Transistor.
Die Koppelkondensatoren C_K trennen das Wechselstromsignal von der Gleichspannung. Das verstärkte Signal wird über einen weiteren Koppelkondensator C_K als Wechselspannung U_a ausgegeben. Dabei muss man beachten, dass Eingangs- und Ausgangsspannung zueinander in der Phase um 180° verdreht sind.
Wichtig, Eingangs- und Ausgangsspannung sind nicht phasenverschoben, wie es in anderer Literatur zur Emitterschaltung geschrieben steht. Bei dieser Phasenverdrehung von 180° handelt es sich um eine Inversion oder Invertierung. Eine Phasenverschiebung tritt nur bei höheren Frequenzen auf, wenn der Miller-Effekt zum Wirken kommt (frequenzabhängige Phasenverschiebung).

• Amplifier-Attenuator mit symmetrischem Ausgang: Ab Kapitel "Phasenverschiebung oder Inversion, das ist hier die Frage.." (Illustration mit Bild 5)

Funktion der Koppelkondensatoren C_K

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.
Der Koppelkondensator C_K am Ausgang bildet mit dem nachfolgendem Lastwiderstand einen Hochpass. Der Koppelkondensator C_K 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 Gleichstromverstärkung B

Die Emitterschaltung verstärkt den Gleichstromanteil der Eingangsspannung U_e. Die Gleichstromverstärkung beträgt 10...50.

Wechselstromverstärkung ß

Häufig sind die Gleichstromverstärkung und die Wechselstromverstärkung ähnlich. Daher wird in den Transistor-Datenblättern nur die Gleichstromverstärkung angegeben.

Arbeitspunkteinstellung bei der Emitterschaltung

Damit die Emitterschaltung richtig funktioniert, müssen Spannungs- und Stromwerte richtig eingestellt sein. Dabei müssen die Kollektor- und Basisstromwerte des Transistors beachtet werden. Generell unterscheidet man zwischen zwei Möglichkeiten der Arbeitspunkteinstellung.

• Arbeitspunkteinstellung mit Basis-Vorwiderstand
• Arbeitspunkteinstellung mit Basis-Spannungsteiler

Arbeitspunktstabilisierung bei der Emitterschaltung

Alle Transistorwerte sind temperaturabhängig. Das bedeutet, auch der Arbeitspunkt des Transistors ist temperaturabhängig. Je nach Anwendung des Transistors und Ort des Betriebs, kann die Temperatur auf die Emitterschaltung einwirken und den Arbeitspunkt verschieben. Das Verschieben des Arbeitspunktes führt am Ausgang der Emitterschaltung zu nichtlinearen Verzerrungen.
In der Regel nimmt bei steigender Temperatur der Kollektorstrom I_C zu. Um dem entgegen zu wirken verkleinert man die Basis-Emitter-Spannung U_BE und verhindert so den Anstieg des Kollektorstroms I_C. Die Schwierigkeit ist, die Basis-Emitter-Spannung U_BE so zu verkleinern bzw. zu vergrößern, dass eine Arbeitspunktstabilisierung eintritt.
Bei der Arbeitspunktstabilisierung unterschiedet man zwischen Temperaturkompensation und Gegenkopplung.

• Stabilisierung mit Temperaturkompensation
  • Temperaturkompensation mit einem Heißleiter
  • Temperaturkompensation mit einer Diode
• Stabilisierung durch Gegenkopplung
  • Emitterschaltung mit Stromgegenkopplung
  • Emitterschaltung mit Spannungsgegenkopplung

Anwendungen der Emitterschaltung

• NF- und HF-Verstärker
• Leistungsverstärker
• Transistor als Schalter

Übersicht: Die Emitterschaltung 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°	0°	0°
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