Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Probleme beim Verständnis der Kollektorschaltung (Emitterfolger)


von Julian (Gast)


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Hallo Leute,

ich versuche gerade, Simulationsergebnisse von LTSpice bzgl. eines 
Emitterfolgers zu verstehen. Der Schaltplan und und die 
Simulationsergebnisse befinden sich im Anhang. Dabei ist V(n001) die 
Spannung des Basis-Eingangs, V(n004) die des Emitterausgangs und Ie(Q1) 
der Kollector-Emitter-Strom des Transistors.

Was ich nun nicht verstehe ist, warum der Transistor bei einer 
Basis-Spannung von ca. 5V sperrt und kein Strom mehr fließt. Die 
Basis-Emitter-Spannung ist doch eigentlich immer noch über den ca. 0,7 
V, oder? Ich habe das Gefühl, was Offensichtliches zu übersehen, aber 
trotz diverser Bücher kriege ich es nicht heraus.

Vielen Dank für Eure Hilfe im Voraus.

von Helmut S. (helmuts)


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Du hast zu wenig Ruhestrom um bei großer Amplitude die kapazitiv 
angekoppelte Last zu treiben. Erniedrige R3 auf beispielsweise 3,3kOhm. 
Damit kannst du dann schon deutlich mehr Hub ohne Spannungsbegrenzung 
machen.

: Bearbeitet durch User
von Mark S. (voltwide)


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Solange Dein Generator nur 10Vpp einspeist, kannst Du wohl kaum 14Vpp 
Ausgangsspannung erwarten.

von Dieter (Gast)


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Lasse mal Q1 weg und setze zwischen Basis und Emitter nur eine Diode. 
Dann schaue Dir den Spannungsverlauf zwischen C1 an.

von Julian (Gast)


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Vielen Dank für diese schnelle und richtige Antwort.

Leider verstehe ich immer noch nicht, was da genau passiert. Ist es so, 
dass der Kondensator in der einen Halbwelle nicht weit genug aufgeladen 
wird, sodass er in der zweiten Halbwelle zu schnell entladen ist? Und 
wie kann ich den Ruhestrom (und somit R3) so berechnen, dass er zur 
Kapazität des Kondensators passt?

Sorry, falls das dumme Fragen sind, ich finde nur tatsächlich nirgendwo 
eine Antwort darauf.

Vielen Dank für die Hilfe!

von Joachim B. (jar)


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Julian schrieb:
> Sorry, falls das dumme Fragen sind, ich finde nur tatsächlich nirgendwo
> eine Antwort darauf.

glaube ich nicht!
https://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0204133.htm

"Die Ausgangsspannung ist immer kleiner als die Eingangsspannung. Die 
Spannungsverstärkung Vu beträgt ungefähr 1."

also wieso erwartest du mehr?

von Ach Du grüne Neune (Gast)


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Bei Emitterschaltungen ist es normal, dass man den Emitterwiderstand im 
Bedarfsfall mit einem RC-Glied überbrückt, um die Verstärkung oder die 
Höhen anzuheben. Aber in einer Kollektorschaltung macht das keinen Sinn.

von Joachim B. (jar)


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Ach Du grüne Neune schrieb:
> Ach Du grüne Neune

Ach Du grüne Neune schrieb:
> um die Verstärkung ... anzuheben

na ja, eher um die Gegenkopplung für Wechselsspannung aufzuheben.
Der Emitterwiderstand dient zur AP Stabilisierung.

von Julian (Gast)



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Ich erwarte doch gar nicht mehr. Wenn V1 eine Amplitude von 10V hat, 
schwankt die Spannung an der Basis des Transistors zwischen 0 und 15.5V 
(siehe Anhang), ich sollte also eine Schwankung der Ausgangsspannung mit 
derselben Form und ungefähr derselben Amplitude erwarten.
Stattdessen ist die Spannung am Emitter bei der zweiten Halbwelle 
komisch abgeschnitten (siehe Anhang). Wie Helmut S. richtig sagte, liegt 
das daran, dass R3 und somit der Ruhestrom nicht richtig dimensioniert 
ist (Simulation mit 3.3kOhm verbessert das Ergebnis).

von Ach Du grüne Neune (Gast)


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Verkleiner doch nur mal zum Spaß die Widerstandswerte von R2, R3 und R5 
auf ein Zehntel, damit deine Kollektorschaltung leistungsfähiger wird!

von HST (Gast)


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Anbei ein detaiilierter Artikel über EF-Design. So eine Schaltung kann 
übrigens auch ins Schwingen geraten (Fig.9).

von Julian (Gast)


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Genau, dann wird es ja leistungsfähiger und funktioniert gut. Ich 
verstehe nur nicht, warum genau es davor nicht funktioniert. Warum ist 
der niedrigere Ruhestrom ein Problem, warum ist die Ausgangsspannung 
plötzlich ein konstanter Wert und über der Eingangsspannung?

von Axel S. (a-za-z0-9)


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Julian schrieb:
> Ich verstehe nur nicht, warum genau es davor nicht funktioniert.

Und ich verstehe nicht, was C2 und R4 in deiner Schaltung sollen. Soll 
R4 die Last am Ausgang des Verstärkers sein? Auf jeden Fall wirkt er so.

> Warum ist der niedrigere Ruhestrom ein Problem

Das ist keine Frage des Ruhestroms als vielmehr der Ausgangsimpedanz 
deiner Schaltung. Wie ein Vorposter schon anmerkte, kann der Transistor 
nur für positive Halbwellen Strom in die Last liefern. Für negative 
Halbwellen besorgt das der Widerstand R3. Und damit das klappt, muß R3 
halt kleiner sein als die am Verstärkerausgang angeschlossene Last 
(hier: R4). Bzw. wenn er das nicht ist, begrenzt er die erreichbare 
Amplitude am Ausgang.

Wenn du R3 kleiner machst, erhöht sich natürlich auch der Ruhestrom. 
Aber das ist eine Folge und keine Ursache.

von Helmut S. (helmuts)


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Julian schrieb:
> Genau, dann wird es ja leistungsfähiger und funktioniert gut. Ich
> verstehe nur nicht, warum genau es davor nicht funktioniert. Warum ist
> der niedrigere Ruhestrom ein Problem, warum ist die Ausgangsspannung
> plötzlich ein konstanter Wert und über der Eingangsspannung?

Der Kollektorstrom des Transistor geht bei der negativen Halbwelle in 
Richtung 0A, weil nur der Widerstand am Emitter die Spannung nach Minus 
zieht. Der Transistor kann nur in einer Richtung Strom liefern.

von Günter Lenz (Gast)


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Julian schrieb:
>Wenn V1 eine Amplitude von 10V hat,
>schwankt die Spannung an der Basis des Transistors zwischen 0 und 15.5V

Nein, zwischen 0 und 20V.

>(siehe Anhang), ich sollte also eine Schwankung der Ausgangsspannung mit
>derselben Form und ungefähr derselben Amplitude erwarten.

Nein, kannst du nicht erwarten, weil die 15V Betriebsspannung dafür
zu klein ist. Du brauchst dann mindestens 20V, wenn der Ausgang
nicht belastet wird. Du hast aber noch eine Last mit R4, also
muß die Betriebsspannung noch höher sein.

von Julian (Gast)


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Axel S. schrieb:
> Und ich verstehe nicht, was C2 und R4 in deiner Schaltung sollen. Soll
> R4 die Last am Ausgang des Verstärkers sein? Auf jeden Fall wirkt er so.
Genau, C2 soll die Last entkoppeln und R4 ist der Lastwiderstand.

Axel S. schrieb:
> Das ist keine Frage des Ruhestroms als vielmehr der Ausgangsimpedanz
> deiner Schaltung. Wie ein Vorposter schon anmerkte, kann der Transistor
> nur für positive Halbwellen Strom in die Last liefern. Für negative
> Halbwellen besorgt das der Widerstand R3. Und damit das klappt, muß R3
> halt kleiner sein als die am Verstärkerausgang angeschlossene Last
> (hier: R4). Bzw. wenn er das nicht ist, begrenzt er die erreichbare
> Amplitude am Ausgang.

Helmut S. schrieb:
> Der Kollektorstrom des Transistor geht bei der negativen Halbwelle in
> Richtung 0A, weil nur der Widerstand am Emitter die Spannung nach Minus
> zieht. Der Transistor kann nur in einer Richtung Strom liefern.

Ich verstehe nicht, warum der Transistor nur für positive Halbwellen 
durchschaltet. Wenn ich die Signalquelle auf eine Amplitude von 3V 
stelle, dann folgt die Spannung am Emitter doch perfekt der Spannung an 
der Basis minus ca. 0,7V (s. Anhang). In diesem Falle schaltet doch der 
Transistor die ganze Zeit durch, auch in der negativen Halbwelle, nur 
eben unterschiedlich gut. Wenn der Transistor nicht durchschalten würde, 
würde die Spannung am Emitter ja einfach konstant sein, oder? Was ich 
jetzt nicht verstehe, ist, warum der Transistor bei einer Amplitude von 
10V bei der Eingangsspannung irgendwann nicht mehr schaltet, was ja 
erklärt, dass die Spannung am Emitter ab diesem Punkt plötzlich konstant 
bleibt.

von Julian (Gast)


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Julian schrieb:
> s. Anhang

Ah, hier noch besagter Anhang

von Helmut S. (helmuts)


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Der Kollektorstrom kann nur positive Werte haben. Wenn er bei der 
negativen Auslenkung bis auf 0A gesunken ist, dann bleibt der Strom auf 
0A egal ob die Eingangsspannung noch weiter sinkt. Der Transistor ist 
dann im Sperrbetrieb.

: Bearbeitet durch User
von Ach Du grüne Neune (Gast)


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Deine Kollektorschaltung ist schlichtweg überlastet. Du hast noch nicht 
einmal Leistungsanpassung.

von Rainer V. (a_zip)


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Julian schrieb:
> Ich verstehe nicht, warum der Transistor nur für positive Halbwellen
> durchschaltet

Du hast die Basis mit R2/R5 auf etwa 8V (nicht gerechnet...) 
Ruhepotential gelegt und damit einen Kollektor-Ruhestrom festgelegt. Nun 
verschiebst du über den Kondensator diesen Ruhepunkt und damit auch 
deinen Kollektor-Strom. Die Grenzen dafür werden erst mal durch die 
Versorgungsspannung festgelegt. Lax gesagt, du kannst nicht unter 0V und 
nicht über 15V. Und der Kollektorstrom wird eben nicht "negativ", 
sondern im Rahmen seiner Grenzen nur größer oder kleiner! Mußt halt noch 
ein wenig mit der Simulation spielen, dann siehst du das auch.
Gruß Rainer

von Joachim B. (jar)


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Julian schrieb:
> Was ich
> jetzt nicht verstehe, ist, warum der Transistor bei einer Amplitude von
> 10V bei der Eingangsspannung irgendwann nicht mehr schaltet

wieso schreibst du von schalten?

1. du bist im Linearbetrieb
2. eine Kollektorschaltung hat immer eine Verstärkung von <1
3. dein R3 ist der Innenwiderstand deiner Schaltung und somit zu groß 
für deine Last
4. um R3 kleiner zu machen, also den Innenwiderstand deines Verstärkers 
zu senken muss mehr Basistrom fliessen können.

Zu all dem passen deine Widerstände nicht.

1. Ruhestrom einstellen auf UB/2 am Emitter!
2. R3 als Ri passend klein machen zur Last
3. Basiswiderstände auch passend machen zur geringsten Stromverstärkung 
die der 2N2222 haben könnte. (es sei denn du hast den vermessen!)

: Bearbeitet durch User
von GEKU (Gast)


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Mark S. schrieb:
> Solange Dein Generator nur 10Vpp einspeist

Wenn ich mich nicht täusche speist der Generator nicht 10Vpp sondern 
20Vpp ein. Das kann bei 15V Spannungsversorgung nicht gut gehen!

Die Spannungsverstärkung des Emitterfolgers ist kleiner 1.

von Rainer V. (a_zip)


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Im Übrigen würde auch die Emitterschaltung bei Ansteuerung mit 20Vss und 
Versorgung bei 15V versagen...
Gruß Rainer

von Julian (Gast)


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Helmut S. schrieb:
> Der Kollektorstrom kann nur positive Werte haben. Wenn er bei der
> negativen Auslenkung bis auf 0A gesunken ist, dann bleibt der Strom auf
> 0A egal ob die Eingangsspannung noch weiter sinkt. Der Transistor ist
> dann im Sperrbetrieb.

Wenn ich das also richtig verstehe, ist der Widerstand R3 zu groß, da 
während der negativen Halbwelle nicht genug Strom durch ihn fließt, um 
den Kondensator C2 schnell genug zu entladen, sodass er der Spannung am 
Emitter nicht schnell genug folgen kann. Durch die Spannung des 
Kondensators ist die Spannung am Emitter irgendwann höher als die am 
Kollektor => der Transistor sperrt?

von Egon D. (Gast)


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Julian schrieb:

> Helmut S. schrieb:
>> Der Kollektorstrom des Transistor geht bei der
>> negativen Halbwelle in Richtung 0A, weil nur der
>> Widerstand am Emitter die Spannung nach Minus
>> zieht. Der Transistor kann nur in einer Richtung
>> Strom liefern.
>
> Ich verstehe nicht, warum der Transistor nur für
> positive Halbwellen durchschaltet.

"Durchschalten" ist Quark. Vergiss' das.
Der Bipolartransistor hat eine Stromverstärkung.

Die kann aber nur zum Tragen kommen, wenn auch
wirklich Strom fließt -- also wenn die Spannungs-
verhältnisse stimmen. Die Basis-Emitter-Strecke
ist nämlich eine Diode, und die lässt nur dann
Strom fließen, wenn das Vorzeichen der anliegenden
Spannung stimmt.


> Wenn ich die Signalquelle auf eine Amplitude
> von 3V stelle, dann folgt die Spannung am Emitter
> doch perfekt der Spannung an der Basis minus
> ca. 0,7V (s. Anhang).

Ja.


> In diesem Falle schaltet doch der Transistor die
> ganze Zeit durch, auch in der negativen Halbwelle,
> nur eben unterschiedlich gut.

Blödsinn.

Die korrekte Erklärung ist: Solange das Emitterpotenzial
ausreichend niedriger ist als das Basispotenzial, ist
die Basis-Emitter-Diode in Flussrichtung gepolt, und
es fließt Basisstrom.
Dieser Basisstrom hat (infolge der Stromverstärkung des
Transistors) einen sehr viel größeren Kollektorstrom
zur Folge; die Summe beider Ströme fließt am Emitter
nach außen ab.

Der Emitterstrom ruft aber am Emitterwiderstand (und
an der Last) einen Spannungsabfall hervor, und dieser
Spannungsabfall wirkt der Eingangsspannung ENTGEGEN .

Man kann rechnerisch nachweisen, dass sich ein
Gleichgewichtszustand einstellt, in welchem die
Ausgangsspannung der Eingangsspannung in guter Näherung
folgt.


> Wenn der Transistor nicht durchschalten würde, würde
> die Spannung am Emitter ja einfach konstant sein, oder?

Quatsch.

Erstens "schaltet" der Transistor nicht "durch".

Zweitens ist der Transistor nicht der Liebe Gott, der
alles auf der Welt bestimmen kann.
Wenn kein Strom durch den Transistor fließt, hängen
die Spannungs- und Stromverhältnisse von der sonstigen
Außenbeschaltung ab.


> Was ich jetzt nicht verstehe, ist, warum der Transistor
> bei einer Amplitude von 10V bei der Eingangsspannung
> irgendwann nicht mehr schaltet, was ja erklärt, dass
> die Spannung am Emitter ab diesem Punkt plötzlich
> konstant bleibt.

Naja, der erste und grundlegende Fehler ist, dass Du
eine Analogschaltung ständig mit dem Begriff "schalten"
beschreiben und verstehen willst.

Daraus folgt dann der zweite Fehler, dass Du im großen
und ganzen nur die Spannungsverhältnisse betrachtest
und Dich überhaupt nicht für die fließenden Ströme
interessierst.

Damit hängt der dritte Fehler, nämlich die schräge
Dimensionierung der Schaltung, zusammen: Emitterfolger
werden i.d.R. zur Impedanzanpassung verwendet, d.h.
sie sollen deutlich mehr Strom liefern können als die
Quelle, aus der sie selbst gespeist werden.
Es ist daher nicht sehr sinnvoll, einen Emitterwiderstand
von 7.5kOhm zu verwenden, wenn die Quelle Ri = 10 kOhm
hat. Re = 1kOhm wäre wesentlich sinnvoller.

Viertens muss eine Emitterstufe nicht nur Strom liefern ,
sondern auch welchen aufnehmen können: Der
Koppelkondensator muss nämlich nicht nur aufgeladen,
sondern auch entladen werden. Deshalb gilt in vielen
Fällen die Faustregel, dass der Emitterwiderstand nicht
größer sein sollte als der Lastwiderstand.

von Egon D. (Gast)


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Julian schrieb:

> Wenn ich das also richtig verstehe, ist der Widerstand R3
> zu groß, da während der negativen Halbwelle nicht genug
> Strom durch ihn fließt, um den Kondensator C2 schnell
> genug zu entladen, sodass er der Spannung am Emitter nicht
> schnell genug folgen kann. Durch die Spannung des
> Kondensators ist die Spannung am Emitter irgendwann
> höher als die am Kollektor => der Transistor sperrt?

Sehr gut. Alles korrekt.

Verringere Re auf deutlich unter 4.5kOhm, und alles
wird gut.

Achtung:
1. Die Verlustleistung des Transistors im Ruhepunkt
   steigt dadurch natürlich an --> nicht übertreiben.
   1kOhm sieht nach einem sinnvollen Wert aus.
2. Auch die Belastung für die Quelle steigt; das ist aber
   nicht dramatisch. Als Näherung gilt ungefähr
   Eingangswiderstand = h_fe * Re.
3. Der Wunsch, am Ausgang "fast" Null erreichen zu wollen,
   führt zu unrealistischen Dimensionierungen. Dafür wurde
   die Gegentakt-Endstufe erfunden.

von Egon D. (Gast)


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Joachim B. schrieb:

> 3. dein R3 ist der Innenwiderstand deiner Schaltung

Leider stimmt das nicht.

So lange die Potenzialverhältnisse so sind, dass
der Transistor im Linearbetrieb ist, liegt der
(differenzielle) Ausgangswiderstand der Stufe in der
Größenordnung Re/h_fe, ist also ziemlich niedrig
(i.d.R. einige Dutzend Ohm oder weniger).

Wenn der Transistor aber verhungert, weil kein
Kollektorstrom mehr fließt, springt der
Ausgangswiderstand fast schlagartig auf R_e.

von Mark S. (voltwide)


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GEKU schrieb:
> Mark S. schrieb:
>> Solange Dein Generator nur 10Vpp einspeist
>
> Wenn ich mich nicht täusche speist der Generator nicht 10Vpp sondern
> 20Vpp ein. Das kann bei 15V Spannungsversorgung nicht gut gehen!
>
> Die Spannungsverstärkung des Emitterfolgers ist kleiner 1.
stimmt ja, die Amplitude beträgt 10V. So kann man sich irren!

von GEKU (Gast)


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Der Eingangswiderstand des Emitterfolgers sollte sehr groß sein. Größer 
als der durch den Spannungsteiler R5/R2 gebildete Widerstand an der 
Basis. Ist der Quellwiderstand inkl. Koppelkondensator C1 sehr klein 
gegenüber R5 // R2, dann pendelt die Eingangsspannung mit +/- 10V um die 
durch den Spannungsteiler R5 / R2 geteilte Versorgungspannung von 8,2V.

Übersteuerung durch die positive Halbwelle der Eingangsspannung : 8,2V + 
10V ist größer als die Versorgungspannung von 15V.
Übersteuerung durch die negative Halbwelle der Eingangspannung : 8,2v  - 
10V liegt unter der "negativen Versorgungsspannung" von 0V

Bei den Überlegungen  wurde die BE-Spannung von 0,7V vernachlässigt.

Eine höherer Innenwiderstand der Eingangspannungsquelle reduziert die 
Gefahr der Übersteuerung.

von Julian (Gast)


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Egon D. schrieb:
> Naja, der erste und grundlegende Fehler ist, dass Du
> eine Analogschaltung ständig mit dem Begriff "schalten"
> beschreiben und verstehen willst.

Ja, ich habe bis jetzt nur Vorlesungen über Digitaltechnik gehabt, das 
schlägt hier wohl durch :) Ich muss mich noch in die analoge Denkweise 
einfinden.

Egon D. schrieb:
> Viertens muss eine Emitterstufe nicht nur Strom liefern ,
> sondern auch welchen aufnehmen können: Der
> Koppelkondensator muss nämlich nicht nur aufgeladen,
> sondern auch entladen werden. Deshalb gilt in vielen
> Fällen die Faustregel, dass der Emitterwiderstand nicht
> größer sein sollte als der Lastwiderstand.

Alles klar, das ergibt Sinn!

Egon D. schrieb:
> Sehr gut. Alles korrekt.

Ich denke, dann habe ich es jetzt verstanden.

Ich danke herzlich allen Foristen, die hier ihre Zeit geopfert und mir 
weitergeholfen haben! Ich wünsche noch einen schönen Tag :)

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