Probleme beim Verständnis der Kollektorschaltung (Emitterfolger)

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

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!

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.

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).

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

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

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?

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.

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.

Julian schrieb:
> s. Anhang

Ah, hier noch besagter Anhang

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

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.

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?

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.

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.

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.

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.

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 :)