Elektronik für Elektroniker im 2. Lehrjahr

Elektronik
für Elektroniker im
2. Lehrjahr
von
Alexander Wenk
Quellen:
Unterlagen von Urs-Peter Quitt
Vogel Fachbücher Elektronik 1-3
Elektronik Unterlagen HTL Brugg-Windisch
und weitere ☺
© 2010, Alexander Wenk, 5079 Zeihen

Inhaltsverzeichnis
Der Bipolartransistor ______________________________________________________ 1
Laborübung NPN-Transistor __________________________________________________ 3
Erfassung von IB, UBE und IC_________________________________________________________ 4
Kennlinienfeld vom Transistor _________________________________________________ 5
Schlussfolgerung und Ersatzmodell _____________________________________________ 6
Der Transistor als Schalter ____________________________________________________ 8
Verlustleistung am Transistor__________________________________________________ 8
Feldeffekt-Transistoren ____________________________________________________ 9
Wo werden Feldeffekttransistoren eingesetzt _____________________________________ 9
Welche Eigenschaften haben Feldeffekttransistoren _______________________________ 9
Wie funktionieren Feldeffekttransistoren _______________________________________ 10
Messung der FET-Steuerkennlinien____________________________________________ 11
Auswertung der FET-Kennlinien ____________________________________________________ 13
FET als Konstantstromquelle _________________________________________________ 13
Leistungsendstufen_______________________________________________________ 16
Darlington Schaltung________________________________________________________ 16
Gegentaktverstärker ________________________________________________________ 16
Arbeitspunkt eines FET-Verstärkers___________________________________________ 17
FET-Analogverstärker ______________________________________________________ 18
FET-Analogverstärker ______________________________________________________ 18
Wechselstrombetrachtung am FET ____________________________________________ 19
FET-Typen ________________________________________________________________ 20
Funktion der KO-Eingangsstufe_______________________________________________ 15
Berechnung von Kühlkörpern ______________________________________________ 23
Der Transistor als Wechselstromverstärker _____________________________________ 25
Laborversuch: Verstärker mit Basisvorwiderstand _______________________________________ 25
Berechnung zum Wechselstromverstärker _____________________________________________ 26
Übung zum Wechselstromverstärker _______________________________________________ 27
Grosssignalverstärkung im Kennlinienfeld _____________________________________________ 28
Der Arbeitspunkt des Transistors ____________________________________________________ 29
Der Basisvorwiderstand _________________________________________________________ 29
Simulationsübung zur Arbeitspunkteinstellung _______________________________________ 30
Arbeitspunkt mit Kollektor-Basiswiderstand_________________________________________ 31
Berechnung der Basisvorwiderstände ______________________________________________ 32
Arbeitspunktstabilisierung__________________________________________________________ 33
Laborversuch zum analysierten Verstärker __________________________________________ 34
Berechnung der Verstärkung der stabilisierten Schaltung _______________________________ 35
Erhöhung der Verstärkung mit Emitterkondensator ___________________________________ 36
Repetitionsübungen zur Verstärkung _________________________________________________ 37
Optoelektronik-Präsentationen _____________________________________________ 37
Optoelektronik __________________________________________________________ 39

Solarzellen_________________________________________________________________ 39
Fotodiode__________________________________________________________________ 40
Fototransistor ______________________________________________________________ 41
Fotowiderstand_____________________________________________________________ 42
Optische Sendeelemente _____________________________________________________ 43
Optokoppler _______________________________________________________________ 44
Lichtschranken_____________________________________________________________ 44
Glasfasern & Lichtwellenleiter ________________________________________________ 45
Multimode-Stufenindexprofil _______________________________________________________ 45
Multimode-Gradientenindexprofil____________________________________________________ 45
Monomode-Stufenindexprofil _________________________________________________ 46
LCD Anzeige_______________________________________________________________ 47
IGBT _____________________________________________________________________ 48
Bistabile Kippstufe__________________________________________________________ 48
Monostabile Kippstufe_______________________________________________________ 49
Astabile Kippstufe __________________________________________________________ 50
Übung astabile Kippstufe __________________________________________________________ 51
Differenzverstärker _________________________________________________________ 51
Übung Differenzverstärker _________________________________________________________ 53
Schmitt-Trigger ____________________________________________________________ 53
Operationsverstärker _____________________________________________________ 54
Der ideale Operationsverstärker ______________________________________________ 55
Der reale OP _______________________________________________________________ 55
Der invertierende Verstärker _________________________________________________ 56
Leistungsendstufen mit OP als Vorverstärker ___________________________________ 57

Der Bipolartransistor
Wie können wir einen grossen Strom mit einem kleinen Strom steuern? 1948
entwickelten Forscher den ersten Transistor. Prinzipiell ist ein Transistor ein
Dreischicht-Element: Zwei gleich dotierte Schichten werden durch eine sehr
dünne, umgekehrt dotierte Schicht getrennt. Wir kennen entsprechend den
Anfangsbuchstaben der Dotierungsart NPN- und PNP-Transistoren.
Wie sind die Transistoren prinzipiell aufgebaut? Abbildung 1 erklärt die
beiden Transistortypen:
Abbildung 1: Transistoraufbau (Grundlagen der Elektronik S. 101)
Wir sehen die drei Anschlüsse des Transistors:
• C = Kollektor
• B = Basis
• E = Emitter
Die zwischen Emitter und Kollektor gezeichneten Dioden sind gegeneinander
gerichtet. Wenn wir also nur diese Anschlüsse verwenden, kann nie ein Strom
fliessen. Wenn ich die Basis-Emitter-Diode durch eine entsprechend gerichtete
Spannung leitend mache, beginnt der Transistor zu leiten. Dass aber nicht nur
ein Basis-Emitter Strom fliessen kann, sondern auch ein entsprechender
Kollektor-Emitterstrom, vermag das Dioden-Ersatzschaltbild nicht zu
veranschaulichen. Die Erklärung der Funktion finden wir nur, wenn wir die
drei Schichten so zeichnen, wie sie in Tat und Wahrheit auch aussehen.
Von der Diode her wissen wir, dass sich beim Kontakt zweier unterschiedlich
dotierter Schichten Raumladungszonen aufbauen. Da die Basisschicht sehr
dünn ist, erstreckt sich diese beim Transistor praktisch über die ganze Schicht.
Um diesen Effekt besser zu verstehen, zeichnen wir den Aufbau einmal stark
vergrössert:
Elektronik Alexander Wenk Seite 1

Aufbau vom NPN-Transistor ohne angelegte Basis-Emitter-Spannung
(Abbildung 2):
B
C
+ + + + +
- - - - -
+ + + + +
E
N
P
N
Abbildung 2: Transistor ohne
Spannung
Weil die freien Elektronen des N-Materials teilweise
in das angrenzende P-Material diffundieren, wird
das elektrische Gleichgewicht gestört, es bleiben
etwas mehr (feste) positive Ladungen in der N-
Schicht als Elektronen vorhanden sind. Umgekehrt
wird durch die eindiffundierten Elektronen die P-
Schicht negativ geladen. Das dadurch entstehende
elektrische Feld verhindert, dass Elektronen direkt
vom Emitter zum Kollektor gelangen können.
Der Grund ist das elektrische Feld zwischen Emitter
und Basis, das alle vom Emitter in die
Raumladungszone eindringenden Elektronen
zurückdrückt.
In der Basiszone (P-Schicht) gibt es ausser den
eindiffundierten Ladungen keine freien Elektronen,
die zum Kollektor gelangen könnten.
Es fliesst also kein Strom, selbst wenn wir eine Kollektor-Emitter-Spannung
UCE anlegen würden.
Nun legen wir eine Spannung UBE an. Dadurch wird die Raumladungszone
zwischen Basis und Emitter aufgehoben wie Abbildung 3 zeigt:
Nun fliesst zwischen Basis und
C
Emitter ein Strom, was die P-
N
Zone mit Elektronen aus der N-
Zone des Emitters
überschwemmt. Diese Elektronen
werden zum grossen Teil durch
+ + + + +
das elektrische Feld zwischen
B - - - - - P
Kollektor und Basis zum
Kollektor katapultiert.
Voraussetzung dafür ist natürlich,
dass auch eine Kollektor-
Emitterspannung UCE vorhanden
N
ist.
Abbildung 3: Transistor mit angelegter Spannung
E
Es gelingt also mit einem relativ
kleinen Strom direkt den grossen
Kollektorstrom zu steuern.
Elektronik Alexander Wenk Seite 2

Nehmen wir den Basisstrom wieder weg, entsteht zwischen Basis und Emitter
wieder die isolierende Raumladungszone. Der Stromfluss wird also wieder
unterbrochen.
Der PNP Transistor funktioniert ähnlich, nur ist alles umgekehrt polarisiert.
Um Verwirrungen vorzubeugen, wollen wir darauf aber erst später wieder zu
sprechen kommen.☺
Vielleicht hilft uns zum prinzipiellen Verständnis vom Transistor noch eine
weitere Grafik. Abbildung 4 zeigt uns den prinzipiellen Elektronenfluss am
NPN-Transistor:
Abbildung 4: Elektronenfluss im NPN Transistor (Grundlagen Elektronik S. 103)
Wie werden die Ströme und Spannungen
am Transistor bezeichnet? Abbildung 5
zeigt uns das Schaltzeichen und die dazu
gehörenden genormten Bezeichnungen:
Hierbei ist zu erwähnen, dass die
gezeichnete Spannungsquelle mit UBE
etwas irreführend ist. Da die Basis-
Emitter-Diode ja in Durchlassrichtung
steht müssen wir den Basistrom mit
Abbildung 5: Bezeichnungen am Transistor
( Grundlagen Elektronik S.104)
einem Basiswiderstand begrenzen, damit der Transistor nicht zerstört wird.
Laborübung NPN-Transistor
Es ist nun an der Zeit, dass wir wichtige Kenngrössen am Transistor
messtechnisch erfassen. Wir wollen die Kenndaten vom Transistor ausmessen,
indem wir verschiedene Messungen durchführen und damit Kennlinien
aufzeichnen. Am Schluss der Laborübung seid ihr im Besitz vom
Kennlinienfeld Eures Transistors, den ihr selbst ausgemessen habt.
Elektronik Alexander Wenk Seite 3

Erfassung von IB, UBE und IC
Im Prinzip können wir den Transistor einfach ausmessen, indem wir eine
Stromquelle an die Basis anhängen und damit einen definierten Eingangsstrom
IB einspeisen
Allerdings besitzen wir keine Stromquelle. Deshalb verwenden wir eine
Spannungsquelle und einen genügend grossen Basiswiderstand (RB. = 10 kΩ),
so wie es Abbildung 6 zeigt.
+
RB
Uein
+
IB
A
T1
+
V
UBE
+
A
Ic
+
V
UCE
Abbildung 6: Kennlinien-Messschaltung
+
Wir verwenden die Schaltung aus
Abbildung 6 für unsere Messung.
Wir haben wahrscheinlich nicht 4
Messgeräte pro Arbeitsplatz zur
Verfügung. Wir können deshalb auch
nur dort ein Multimeter einsetzen, wo wir gerade einen Effekt messen wollen.
Mindestens 2 Geräte müsst ihr aber haben, um problemlos messen zu können.
Anleitung:
• Baue die Schaltung auf mit RB = 10 kΩ
• Fülle die Tabelle mit deinen Messergebnissen aus:
UCE IB UBE IC
10 V 0 mA
10 V 1 mA
10 V 2 mA
10 V 5 mA
Uce
10 V 10 mA
10 V 20 mA
10 V 50 mA (nur kurz
messen)
• Zeichne die Kennlinien grafisch auf:
o Kennlinie 1: IC = f(IB) � IB als X-Achse verwenden.
o Kennlinie 2: IB = f(UBE) � UBE als X-Achse verwenden.
• Wenn Du noch Zeit hast…: Lasse die Basisspannung konstant, und
verändere die Spannung UCE. Beobachte dabei den Strom IC. Was stellst Du
fest?
Elektronik Alexander Wenk Seite 4

Kennlinienfeld vom Transistor
In der Laborübung haben wir zwei Kennlinien vom Transistor ausgemessen.
Aus diesen Kennlinien können wir uns ein vereinfachtes Modell für den
Transistor entwickeln. Allerdings gibt es noch weitere Kennlinien, die wir für
dieses Modell benötigen. Die wichtigsten sind IC = f(IB) und IC = f(UCE) und
UB = f(IB) Weniger von Bedeutung ist die Rückwirkung vom Ausgang auf den
Eingang (Abbildung 7).
Lasst uns hier nochmals diese Kennlinien betrachten, diesmal in einer
speziellen Darstellung:
Abbildung 7: Kennlinienfeld vom Transistor (Bauelemente S. 173)
Was könnten wir für Vereinfachungen aus unseren Kennlinienfeldern lesen?
• UBE ist konstant und beträgt etwa 0.7 V
• Der Verstärkungsfaktor ist konstant.
Er beträgt β = IC / IB
• IC ist fast unabhängig von UCE, sofern UCE > 1 V
� IC ist konstant (gesteuerte Stromquelle)
Elektronik Alexander Wenk Seite 5

Wie gross ist der Stromverstärkungsfaktor β bei deinem gemessenen
Transistor?
β = IC / IB = 125; 145; 117; 120 …
Wie gross ist RCE bei Deinem Transistor
RCE = ∆UCE/∆IC = …
Schlussfolgerung und Ersatzmodell
Der Transistor ist also ein Stromverstärker. Wenn wir ein erstes einfaches
Modell für den Transistor entwickeln, berücksichtigen wir nur UBE und β
(Abbildung 8)
B
C
E
B
Elektronik Alexander Wenk Seite 6
+
U BE = 0.7 V
Abbildung 8: Ersatzmodell für Transistor
C
E
I C = β⋅I B
Interessant ist nun, dass wir mit dieser Ersatzschaltung einen Transistor relativ
einfach mit uns bekannten Bauelementen beschreiben können!
Übungen zu den Transistoren:
Westermann S. 181 Nr. 1, 3, 4, 5.

Lasst uns die Transistor-Ersatzschaltung gerade einmal mit einer ersten
Steuerschaltung testen.
Erstelle unter Verwendung Deines ausgemessenen Transistors die dargestellte
Schaltung, und messe sie aus.
Zeichne dazu die Ein- Ausgangskennlinie Ua(Ue). Was für einen Faktor spielt
hier eine sich ändernde Stromverstärkung?
+
RB 100k
Ue 15
Rc 1k
T1 BD135
+
V
Ue UCE = Ua
0 V 15 V
0.6 V
1 V
2 V
4 V
6 V
8 V
10 V
12 V
14 V 0.14 V
Ua
Wer noch Zeit hat: Simuliere die Schaltung und erstelle die Ein-
Ausgangskennlinie automatisch.
+
Ub 15
Elektronik Alexander Wenk Seite 7

Der Transistor als Schalter
Häufig werden Transistoren als Schalter eingesetzt. Wir können mit
Transistoren LED's Relais oder sogar Motoren ansteuern. Ist der Transistor als
Schalter eingesetzt, wollen wir möglichst kleine Verlustleistungen realisieren.
Deshalb muss im ausgeschalteten Zustand der Strom 0 sein (logisch☺).
Andererseits soll der Transistor im leitenden Zustand fast keinen
Spannungsabfall bewirken, also in der Sättigung sein. Um dies zu erreichen,
übersteuern wir den Transistor, wir geben ihm also einen höheren Basisstrom
als eigentlich erforderlich wäre. Wir sprechen hier vom Übersteuerungsfaktor,
der üblicherweise zwischen 2..10 liegt. Das Schema zum Schalten einer
Ohmschen Last sieht folgendermassen aus:
Übungen zum Thema: Westermann S. 241 Nr. 1-3, 7
Verlustleistung am Transistor
Die Verlustleistung vom Transistor ist einfach zu berechnen. Die gesamte
Verlustleistung ist die Leistung des Eingangskreises summiert mit der
Leistung des Ausgangskreises:
PV = PE + PA = UBE⋅IB + UCE⋅IC
Die erzeugte Verlustleistung im Transistor bewirkt eine Erwärmung dieses
Bauteils. Wenn wir nicht für genügend Kühlung sorgen, wird der Transistor
durch zu starke Erwärmung zerstört!
Übungen: Westermann S. 191 Nr. 2
Elektronik Alexander Wenk Seite 8

Feldeffekt-Transistoren
In diesem Kapitel werden wir zunächst eine Anwendung vom
Feldeffekttransistor betrachten. Dann werdet Ihr die theoretische Funktion
vom FET kennen lernen. Schliesslich werdet Ihr die Kennlinie des neu
eingeführten Bauteils Feldeffekttransistor aufnehmen.
Wo werden Feldeffekttransistoren eingesetzt
Das dargestellte Schema stellt die Eingangsstufe von einem Kathodenstrahl-
Oszilloskop (KO) dar.
KO-Eingänge besitzen sehr hohe Innenwiderstände (1 MΩ). Das muss also
heissen, dass die eingesetzte Schaltung am Eingang sehr hochohmig ist.
Welche Eigenschaften haben Feldeffekttransistoren
Wir möchten unser neues Bauteil im Vergleich zu einer Transistorschaltung
kennen lernen. Dazu nehmen wir eine LED-Ansteuerung, realisiert mit einem
Bipolar- und mit einem Feldeffekt-Transistor:
+
A
Bipolartransistor-Schaltung
R2 12k
IB
SW1
R1 220
LED1 CQX35A
T1 BD135
+
Ub 5
+
A
Feldeffekttransistor-Schaltung
IG
SW2
R1 220
LED1 CQX35A
T2 BF245C
Elektronik Alexander Wenk Seite 9
+
+
Ub 5
UGS 5

Wie gross ist der Strom an den Eingängen der beiden LED-Ansteuerungen?
Und was machen die LED's?
Bipolartransistor-Schaltung Feldeffekttransistor-Schaltung
SW1 offen:
LED ist dunkel
IB = 0
SW1 zu:
LED leuchtet
IB ≠ 0 (280 µA)
SW2 ist oben:
LED leuchtet
IG = 0
SW2 ist unten:
LED ist dunkel
IG = 0
Fazit: Mit einem Feldeffekttransistor können wir also einen Ausgang steuern,
ohne dazu einen Eingangsstrom zu benötigen.
Wie funktionieren Feldeffekttransistoren
Im Gegensatz zum stromgesteuerten Bipolartransistor ist der
Feldeffekttransistor, wie das Wort schon sagt, feldgesteuert. Dies gibt den
grossen Vorteil, dass wir einen Strom leistungslos steuern können! Es muss
also kein Steuerstrom durch den Eingang fliessen.
Der einfachste Feldeffekttransistor ist der Sperrschicht-FET. Er wird auch
JFET genannt (von Junction-FET).
Schaltsymbol und Anschlüsse vom N-Kanal-JFET:
D: Drain = (Elektronen)-Abfluss
G: Gate = Tor (Steuereingang)
S: Source = (Elektronen)-Quelle
Funktionsbilder vom N-Kanal-JFET:
G P
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
N
N
D
S
JFET ohne Spannungen JFET mit UDS
Elektronik Alexander Wenk Seite 10
G P
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
N
N
D
S

G P
JFET mit UGS (und UDS)
Erkenntnisse aus den Funktionsbildern:
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
• Was isoliert den Gate-Eingang von der Drain-Source-Strecke?
Die Sperrschicht vom PN-Übergang.
N
N
D
S
• Wie muss UGS gewählt werden, damit der N-Kanal-JFET sperrt?
UGS muss genügend negativ sein.
• Was passiert, wenn UGS irrtümlich falsch polarisiert angelegt wird?
Der PN-Übergang beginnt zu leiten.
� Vorsicht: Fehlfunktion!
Messung der FET-Steuerkennlinien
Nachdem wir das Funktionsprinzip vom JFET verstehen, wollen wir einen
realen JFET ausmessen. Die aus diesem Versuch ermittelten Daten werden wir
für weitere Experimente benötigen. Es ist deshalb wichtig, dass die Nummer
der verwendeten Platine notiert wird.
Die wichtigste Kennlinie vom FET ist die Eingangskennlinie ID = f(UGS)
Sie sagt aus wie gross der Drainstrom bei bestimmten Gate-Source-
Spannungen ist.
Ferner interessiert auch das Ausgangskennlinienfeld, weil ID auch von UDS
abhängig ist.
Elektronik Alexander Wenk Seite 11

Messanleitung:
+
+
UDS
UGS
+
ID
A
Rv 120 k Ω
+
V
UGS
UDS UGS ID
10 V 0
10 V -0.5 V
10 V -1.0 V
10 V -1.5 V
10 V -2.0 V
10 V -3.0 V
10 V -4.0 V
10 V 0 mA
• Notiere hier die Platinen-Nr:_______
(Damit Du für die nächsten Versuche
denselben FET verwenden kannst)
• Baue nebenstehende Messschaltung
auf. (Der Widerstand Rv dient hier
nur zu Schutzzwecken).
• Bestimme bei verschiedenen
Gatespannungen UGS den Drainstrom
ID. Achtung: Beim N-Kanal-JFET
muss UGS negativ sein. Führe Deine
Messsungen gemäss der Tabelle aus
und halte die Messergebnisse fest:
• Zeichne die resultierende Kennlinie grafisch auf (ev. Excel-Darstellung):
o ID = f(UGS) � UGS als X-Achse verwenden.
Wenn Du noch Zeit hast…:
G
D
T1
S
• Nehme den Strom ID in Funktion von UDS auf für UGS = 0 V.
� Für grafische Aufzeichnung: UDS als X-Achse nehmen, ID als Y-Achse.
Richte Dein Augenmerk vor allem auf kleine UDS.
Achtung: UDS maximal 10 V wählen (wegen Verlustleistung des FET's)
• Nehme danach dieselbe Funktion für weitere UGS auf, die einen
mittleren/kleinen Drainstrom ID bewirken.
� Eine gute Dokumentation erleichtert die Arbeit in den folgenden Versuchen
Elektronik Alexander Wenk Seite 12

Auswertung der FET-Kennlinien
Betrachten wir uns zuerst die Kennlinie ID = f(UGS):
Strom (A)
Sie zeigt quadratisches Verhalten.
Es gilt ungefähr die Formel:
= I
⎛
⎜
U
⋅ 1−
⎜
⎝ U
Bestimme zu dieser Formel die Parameter IDSS
und UP für Deinen FET:
D
DSS
Die zweite Kennlinie war ID = f(UDS):
Strom (A)
14.83m
7.42m
0.00
14.83m
7.42m
-3.00 -1.50
Eingangsspannung (V)
0.00
0.00
0.00 5.00 10.00
Eingangsspannung (V)
I
Elektronik Alexander Wenk Seite 13
GS
p
⎞
⎟
⎠
2
Legende:
ID: aktueller Drainstrom
IDSS: Drain-Source-
Kurzschlussstrom
(bei UGS = 0)
UGS: aktuelle Gate-
Sourcespannung
UP: Pinch-off-voltage;
Abschnürspannung =
UGS, wo ID = 0 wird.
An ihr sehen wir im Unterschied zum
Bipolartransistor, dass bei UDS nahe von
0 V die Kennlinien verschiedene
Steilheiten aufweisen, was darauf
hindeutet, dass wir mit UGS tatsächlich
den Widerstand der Drain-Source-
Strecke verändern.
FET als Konstantstromquelle
Wir haben in der Einleitung das Schema einer KO-Eingangsstufe betrachtet,
wessen Funktion wir noch etwas näher betrachten wollen:
Der untere FET im Schema hat
zwischen Source und Gate nur ein
Widerstand geschaltet. Der Strom
im FET muss sich also so
einstellen, dass die dem Strom
zugehörige Gate-Source-
Spannung sich einstellt. Dieser
Teil der Schaltung ist also im
Prinzip eine Konstantstromquelle.

Lasst uns die Vereinfachung dieses Schaltungsteils einmal realisieren:
• Berechne den Wert dieses
Sourcewiderstandes R1, so dass ein
mittlerer Drainstrom zu fliessen kommt.
T1 BF245C
Verwende zur Lösung dieser Aufgabe
VS2 15V die Steuerkennlinie aus Deiner
Messung.
• Baue die Schaltung auf derselben
Laborplatine wie beim vorigen Versuch
auf.
• Messe nach, ob Erwartungen und Messung übereinstimmen.
RG 100k
Notizen:
R1 150
+
Elektronik Alexander Wenk Seite 14

Funktion der KO-Eingangsstufe
Zur Einleitung hatten wir die Eingangsstufe eines KO's betrachtet. Zum
Abschluss dieses Kapitels wollen wir nun die Frage lüften, was diese Stufe
macht. Wir bedienen uns hier eines vereinfachten Modells der KO-
Eingangsstufe.
Aufgabe:
+
UE
C2 47u
Notizen:
R4 332 R3 332 R2 332
T1 BF245C C1 47u
I
UA
T1 BF245C
R1 7.13k
+
+
VS1 12
VS2 12
• Zeichne die Schaltung in Tina.
• Stelle UE auf 100 mV und 50 Hz
• Beobachte was der Ausgang UA
sowie der Strom I in der Schaltung
macht.
• Interpretiere die Funktion der
Schaltung. Was macht der obere
Teil, was der untere?
Elektronik Alexander Wenk Seite 15

Leistungsendstufen
In diesem Kapitel wollen wir einige Leistungsendstufen-Schaltungen
betrachten.
Darlington Schaltung
Gerade Leistungstransistoren haben den Nachteil, dass sie nicht unwesentliche
Eingangsströme benötigen, um durchgesteuert zu werden. Durch eine
Serieschaltung von 2 Transistoren können wir diese entscheidend verkleinern
Wie gross ist die Stromverstärkung dieser Stufe, wenn wir annehmen, beide
Transistoren hätten das gleiche β?
T1 BD135
T2 BD135
Gegentaktverstärker
Elektronik-Schaltungen dienen eigentlich immer der Ansteuerung von
irgendwelchen Aktoren (Motoren, Anzeigen, Antennen etc.)
Für diese Anwendungen benötigen wir natürlich eine gewisse Leistung, die
wir mit Leistungsendstufen erzeugen können. Eine sehr gute Endstufe ist die
AB-Leistungsendstufe:
Was für Aufgaben haben die beiden Transistoren?
+
VG1
R2 1k
D2 1N1183D1 1N1183
R1 1k
U4
IEnd
U3
T5 !NPN
UA
T7 !PNP
Wozu dienen die Dioden?
Elektronik Alexander Wenk Seite 16

Strom- und Spannungsquellen
Alt:
Wir ergänzen nun unseren Differenzverstärker mit einer AB-Endstufe. Wir
sehen hier eine Möglichkeit das zu tun. Es gibt dazu sehr viele Variationen,
wie auch der Einblick ins Datenblatt vom OP-LM324 zeigt.
+
+
U1
Vk1 10V
Rc1 10k
T1 !NPN
-Ub
Re 10k
Rc2 10k
Ub
T2 !NPN
+
U2
+
Vk1 10V
R2 4.7k
Z1 BZX79C5V6
Rc3 2.2k
Ua3 Ua4
T3 !NPNT4
!NPN
-Ub
T6 !NPN
R1 500
Elektronik Alexander Wenk Seite 17
Ub
Rc4 2.2k
P1 50k
Versuche die Funktion dieser Endstufe zu interpretieren:
+
VS1 28V
T9 !NPN
R4 100k
Arbeitspunkt eines FET-Verstärkers
Wenn wir einen Verstärker mit FET aufbauen wollen, müssen wir wie bei den
Bipolartransistoren zunächst den Arbeitspunkt einstellen, dies können wir mit
genau der Schaltung von der Konstantstromquelle realisieren: Wir stellen den
Arbeitspunkt vom FET durch Zuschalten eines Sourcewiderstandes ein.
Übungen: Westermann S. 211 Nr. 1, 2; S. 213 Nr. 2, 3
D2 1N1183 D1 1N1183
T8 !PNP
U4
IEnd
U3
T5 !NPN
UA
T7 !PNP

FET-Analogverstärker
Die Arbeitspunktschaltung muss natürlich noch ergänzt werden bis ein
Verstärker realisiert ist. Wie dies geschehen kann, zeigt folgende Schaltung.
• Baue die Schaltung auf:
+
Ue
RG 100k
Rd 1k
Cs 10uF
C3 1uF
C1 1uF +
T1 BF245C
Rs 150
Ua
Ub 15V
• Speise ein Wechselstromsignal von maximal 100 mV ein und bestimme
den Verstärkungsfaktor.
• Was bewirken die Kondensatoren C1, C3 und Cs?
• Lasse zunächst Cs weg. Wie gross ist die Verstärkung der Schaltung bei
kleinen (z.B. 100 Hz)und bei grossen Frequenzen 10 kHz? Wo ist die
untere Grenzfrequenz und durch welche Grössen wird sie bestimmt?
• Baue nun Cs ein. Wie sieht die Verstärkung in Funktion der Frequenz aus?
o Messe im Bereich 10 Hz bis 10 kHz.
Elektronik Alexander Wenk Seite 18

Wechselstrombetrachtung am FET
Wenn wir uns den Versuch mit der Wechselstromverstärkung auf der vorigen
Seite nochmals betrachten, finden wir sicher gewisse Ähnlichkeiten zum
Bipolartransistor-Verstärker mit Emitterwiderstand. Wir könnten die
Verstärkung des Feldeffekttransistors berechnen, wenn wir wie beim
Transistor die Steilheit s vom FET kennen würden.
Nun haben wir ja eine mathematische Funktion die uns die Steuerkennlinie
vom FET näherungsweise voraussagt. Es ist dies
2
⎛ ⎞
⎜
UGS
I 1 ⎟
D = I DSS ⋅ − Wie stark ändert nun der Drainstrom ID, wenn sich UGS
⎜ ⎟
⎝ U p ⎠
ändert? Oder anders gesagt: Wie gross ist die Steilheit s = ∆ID / ∆UGS?
Mit höherer Mathematik (von der ich Euch verschonen möchte) können wir
diese Frage beantworten. Es ist
∆I
s =
∆U
D
GS
2⋅
=
Wie gross ist die Steilheit von Eurem FET bei einem mittleren Drainstrom?
Wie gross ist die Steilheit im Vergleich zu der vom Transistor, mit dem wir
damals den Verstärker aufgebaut haben?
2 ⋅
s =
I
U
DSS
p
⋅ I
D
2⋅
=
15mA⋅
6.
72mA
= 6.
7mA
/ V
3V
Wir wollen nun nicht die gleiche Herleitungsschlage wie beim Transistor
niederschreiben. Ich halte hier gerne die Schlussformel für Euch fest:
+
Ue
RG 100k
Rd 1k
C3 1uF
C1 1uF +
T1 BF245C
Rs 150
Cs 10uF
Ua
Ub 15V
∆U
Elektronik Alexander Wenk Seite 19
E
I
U
s ⋅ ∆U
DSS
p
GS
⋅ I
D
= ∆I
= ∆U
GS
D
+ ∆I
∆U
E ∆I
D =
1
+ RS
s
∆U
E ⋅ R
∆U
A = −
1
+ RS
s
D
D
⋅ R
S
∆I
=
s
D
+ ∆I
Berechne mit dieser Formel die erwartete Verstärkung für Deinen FET-
Verstärker und vergleiche mit der Messung.
∆U
R
1kΩ
ohne Cs; ∆U
A
A D = − = −
= 3.
34
= −R
⋅ s = −1
kΩ
⋅6.
7mA
/ V = 6.
7 mit Cs
D
∆U
1 1V
∆U
E
E + RS
+ 0.
15kΩ
s 6.
7mA
D
⋅ R
S

FET-Typen
Wir haben bis jetzt nur den JFET betrachtet. Bei diesem Typ wurde die
Isolationsschicht vom Gate durch die Sperrschicht selber realisiert. Es gibt
aber noch die grosse Gruppe der MOSFET's. Bei ihnen wird mit einem Oxyd
das Gate vom Drain-Source-Kanal isoliert. Solange diese Isolationsschicht
nicht zerstört wird, kann bei diesen Typen nie ein Gatestrom fliessen. Dies gilt
allerdings nur bei Gleichspanung…
Während die JFET's nur Verarmungstypen sind (Sperrschicht wächst mit
zunehmender Sperrspannung) können wir mit MOS-Technik sowohl
Verarmungs- und Anreicherungstypen realisieren.
Folgende Übersicht zeigt die verschiedenen Feldeffekttransistoren:
Elektronik Alexander Wenk Seite 20

Der kleine Sperrschicht FET, auch JFET genannt ist häufig als
Hochfrequenzverstärker im Einsatz.
Power MOSFETS dienen zum Schalten hoher Ströme und Spannungen. Mit
ihnen können auch leistungsfähige Motoren angesteuert werden, oder wir
können verlustarme Wechselrichter damit bauen.
Während wir die prinzipielle Funktion vom JFET schon kennen, sind uns die
MOSFET's neu. Die Schaubilder zeigen die Funktion:
Beim Verarmungstyp kann durch positive Spannung der N-Kanal noch
verbreitert werden, indem Elektronen in die N-Schicht hineingezogen werden.
Durch negative Spannung können wir die Sperrschicht soweit verbreitern dass
wie beim JFET irgendwann keine freien Elektronen mehr im Kanal vorhanden
sind.
Beim Anreicherungstyp sieht die Sache ähnlich aus. Nur haben wir bei
UGS = 0 V gar keine freien Ladungsträger zwischen Drain und Source,
respektive einer der PN-Übergänge sperrt wie eine Diode.
Wenn wir nun ans Gate eine positive Spannung legen, verziehen wir quasi die
Sperrzone soweit, dass sich Elektronen auf der ganzen Länge zwischen den
beiden N-Schichten ansammeln und so ein leitender Kanal zwischen Source
und Drain entsteht. Da wir umso mehr Ladungsträger in den Kanal ziehen, je
höher die Spannung UGS ist, wird der FET immer besser leitend!
Elektronik Alexander Wenk Seite 21

G P
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
N
N
D
S
G P
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
N
N
D
S
G P
Elektronik Alexander Wenk Seite 22
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
N
N
D
S

Berechnung von Kühlkörpern
Wir haben im vorigen Kapitel die Verlustleistung von Transistoren berechnet.
Die Verlustleistung fällt in Form von Wärme an, die durch Kühlung abgeführt
werden muss, damit das Bauteil nicht zerstört wird. Doch wie hängen
Verlustleistung, Temperatur und Wärmewiderstand zusammen? Das
Phänomen der Wärmeleitung beschreibt diese Zusammenhänge.
Wärmeleitung ähnelt der Stromleitung, deshalb können wir eine Analogie zum
elektrischen Stromkreis ziehen:
∆T = Rth⋅PV
Temperaturdifferenz ∆T [K, °C] ↔ Spannung U
Wärmewiderstand Rth [K/W] ↔ Widerstand R
Wärmestrom Iq = PV [J/s = W] ↔ Strom I
Wie sieht nun die Wärmeübertragungsstrecke vom Bauelement zur Umgebung
aus? Das Wärmeflussschema zeigt uns, welche Elemente berücksichtigt
werden müssen.
Der gesamte
Wärmeübertragungswiderstand
beträgt folglich:
Rth= RthG+RthGK+RthKU
Bei kleinen Bauelementen kommen nicht immer alle Teilwiderstände vor. Bei
Kleinsignaltransistoren ohne Kühlkörper z.B. wird meistens der
Gesamtwärmewiderstand vom Bauteil bis zur Umgebung angegeben.
Elektronik Alexander Wenk Seite 23

Werte für die entsprechenden Wärmewiderstände finden wir in den
Datenblättern von Bausteinen und Kühlkörpern.
Übung zur Kühlkörperberechnung:
Westermann S. 189 Nr. 1 – 4, 6, 11, S. 191 Nr. 1, 3
Elektronik Alexander Wenk Seite 24

Der Transistor als Wechselstromverstärker
Häufig stehen wir vor dem Problem, dass wir eine Spannung nicht nur
schalten, sondern linear verstärken möchten. Gerade in der Audio- und
Videotechnik handelt es sich dabei um Wechselspannungen. Wie funktioniert
ein Transistor-Verstärker und was benötigen wir dazu alles, damit ein solcher
Verstärker funktioniert? Diese Fragen klären wir in diesem Kapitel. Bauen wir
doch einfach einmal einen solchen Verstärker auf und schauen mal wie er
wirkt…
Laborversuch: Verstärker mit Basisvorwiderstand
+
C1 1uF
Ûe = 10 mV
RB 191k
Rc 1k
T1 !NPN
+
V
Ua
+
• Baue den Verstärker
gemäss Schema auf und
stelle mithilfe von RB
den Arbeitspunkt so ein,
dass in Ruhelage
UCE = Ua = 7.5 V ist.
• Messe die Ausgangsspannung, indem Du ein Wechselspannungssignal
ÛE = 10 mV, f = 5 kHz einspeist und die Ausgangsspannung mit dem KO
misst. Betrachte den Unterschied der Kurven, wenn Du zwischen AC und
DC Kopplung beim KO umstellst. Zeichne die Kurven vom KO ab oder
erstelle einen Screenshot vom KO-Bild und importiere es in Deinen PC-
Bericht.
• Wie gross ist die Verstärkung der Schaltung? Du erhältst sie, indem Du
V = Ua / Ue berechnest.
• Wie verhält sich die Verstärkung in Funktion der Frequenz? Messe die
Ausgangsspannung bei konstanter Eingangsspannung bei f = 50 Hz, 100
Hz, 500 Hz, 1 kHz, 10 kHz, 50 kHz.
Ub 15V
� Dokumentiere diese Versuchsreihe in einem Laborbericht. Es sollte zum
Ausdruck kommen, wie die theoretischen Berechnungen und das
Versuchsergebnis übereinstimmen und wie allfällige Abweichungen zustande
kommen.
Elektronik Alexander Wenk Seite 25

Berechnung zum Wechselstromverstärker
Wie funktioniert die ausgemessene Schaltung?
Wir führen über den Kondensator C1 eine Wechselspannung an die Basis, die
sich der vorhandenen Gleichspannung (zur Arbeitspunktstabilisierung)
überlagert. Wir müssten nun den neuen Basisstrom kennen, um zu berechnen,
wie stark sich die Spannung am Ausgang verändert, wenn wir ein Signal
einspeisen.
Um aus der Eingangsspannungsänderung ∆UBE die Basisstromänderung ∆IB
berechnen zu können müssten wir den Eingangswiderstand des Transistors
kennen. Dieser ändert sich jedoch in Funktion der angelegten Spannung, so
wie wir dies bereits bei der Diode kennen gelernt haben. Wir erhalten also:
Differentieller Eingangswiderstand: rBE = ∆UBE / ∆IB
Wenn wir nun die Spannungsverstärkung rechnen wollen und annehmen, wir
haben den zugehörigen rBE können wir also folgendes rechnen:
∆IB = ∆UBE / rBE ∆IC = β⋅∆IB
∆UCE = - RC⋅∆IC = - RC⋅(β / rBE)⋅∆UBE
Um die Berechnung von Verstärkern zu vereinfachen wurde die Steilheit s
definiert:
s = ∆IC / ∆UBE s⋅∆UBE = ∆IC
Mit dieser Vereinfachung wird ∆UCE = - RC⋅s⋅∆UBE
Natürlich können wir die Steilheit aus Stromverstärkung und Basiswiderstand
berechnen. Es ist s = β / rBE
Häufig kennen wir den Stromverstärkungsfaktor β, der Basiswiderstand ist
uns aber unbekannt.
Wir können die Steilheit s des Transistors jedoch auch näherungsweise
ermitteln. Shockley hat hierzu eine Näherungstheorie entwickelt. Er hat
herausgefunden, dass bei einer Temperatur T = 300 K folgendes gilt:
s = IC⋅38.5 / V IC ist hier der Kollektor-Ruhestrom, also der
Kollektorstrom beim eingestellten Arbeitspunkt des
Transistors.
Elektronik Alexander Wenk Seite 26

Übung zum Wechselstromverstärker
Wir wollen diese Formeln gerade anwenden und den Verstärker auf voriger
Seite berechnen.
• Wie gross wird die Spannungsverstärkung vU = UA / UE?
Berechnung:
Elektronik Alexander Wenk Seite 27

Grosssignalverstärkung im Kennlinienfeld
Wir haben die Steilheit mit einer Faustformel berechnet und in etwa
Übereinstimmung mit der Messung festgestellt. Je nach Signalgrösse war das
Ausgangssignal aber verzerrt (nicht genau gleichförmig mit dem
Eingangssignal), was wir mit der linearisierten Faustformel nicht erklären
können. Wenn wir diese Details sehen wollen, müssen wir zurück ins
Kennlinienfeld. Lasst uns die Signalverstärkung deshalb im Kennlinienfeld
betrachten:
Wir sehen den Arbeitspunkt im Ausgangskennlinienfeld mit 'A'
gekennzeichnet. Die Wechselspannung pendelt zwischen A1 und A2. Weil
insbesondere die Eingangskennlinie IB = f(UBE) gekrümmt ist, wird das Signal
beim Verstärken verzerrt.
Zeichne zur Verdeutlichung dieses Effektes die Arbeitspunktlinie durchs
Diagramm und vergrössere auch ∆UBE.
Elektronik Alexander Wenk Seite 28

Der Arbeitspunkt des Transistors
Häufig setzen wir Transistoren nicht nur für die Gleichspannungsverstärkung
ein, sondern wollen Wechselspannungen verstärken.
Der Transistor kann aber eigentlich nur Gleichspannungen verstärken. Aus
diesem Grund müssen wir dem Transistor eine bestimmte Ruhespannung
geben, damit das Wechselstromsignal eine Auslenkung um diesen Ruhe- oder
Arbeitspunktpunkt bewirken kann. Wie stellen wir diesen Arbeitspunkt
möglichst günstig ein? Wir wollen hier verschiedene mehr oder weniger
geeignete Verfahren kennen lernen.
Der Basisvorwiderstand
Eine einfache Möglichkeit den Arbeitspunkt einzustellen ist der Einsatz eines
Vorwiderstandes an der Basis. Das Grundprinzip dieser Schaltung hast Du
bereits in der Messübung zur Gleichspannungsverstärkung kennen gelernt. So
ändert sich die Schaltung eigentlich auch nur unwesentlich: Die Basis wird
nun ebenfalls von der Versorgungsspannung angespeist.
RB 191k
Rc 1k
T1 BD135
+
V
Ua
+
Ub 15V
Wir nehmen zu dieser Schaltung an,
der Transistor habe ein
β = 100 und UBE = 0.7 V
Wie gross ist die Ausgangsspannung
Ua dieser Schaltung?
Wir legen meistens Wert darauf, dass bei Verstärkerschaltungen die
Ruhespannung am Transistor ungefähr halb so gross wie die
Versorgungspannung ist. Dies ermöglicht eine fast lineare Verstärkung über
einen grossen Spannungsbereich.
Wir wollen die Eigenschaft dieser Schaltung noch etwas näher untersuchen:
Wie gross wird die Ausgangsspannung UA in obiger Schaltung, wenn ein
Transistor mit einem β = 150 eingesetzt wird?
Elektronik Alexander Wenk Seite 29

Simulationsübung zur Arbeitspunkteinstellung
Um das bisher Gelernte anzuwenden, wollen wir eine Arbeitspunkteinstellung
mittels Tina von vorne weg vornehmen. Damit es noch etwas interessanter
wird, nehmen wir einen neuen Transistortyp, den BC 238C
Weil wir die genaue Stromverstärkung noch gar nicht kennen müssen wir
diese zunächst ausmessen. Anschliessend müssen wir den Vor- und
Kollektorwiderstand richtig berechnen und schlussendlich die Richtigkeit
unserer Berechnungen kontrollieren.
Zu dieser Arbeit erwarte ich einen schönen Bericht mit den Beschreibungen
der ausgeführten Schritte inklusive Schemas, Messergebnisse und den
vollständigen Berechnungen.
1. Bestimmen der Transistorkenndaten
Zeichne eine Schaltung in Tina um die Stromverstärkung und UBE des
gegebenen Transistors zu ermitteln. Vorschlag: Speise dazu den Basiseingang
des Transistors mit einer Konstantstromquelle und messe IC und UBE.
2. Rechnen von RB und RC
Unsere Schaltung soll an einer Spannung UB = 12 V betrieben werden.
Berechne RC, um bei UA = 6 V ein Strom IC = 10 mA zu erhalten.
Berechne RB, so dass UA = 6 V wird.
3. Kontrolliere Deine Schaltung und halte das Ergebnis fest.
Elektronik Alexander Wenk Seite 30

Arbeitspunkt mit Kollektor-Basiswiderstand
Wie wir bei der Arbeitspunkteinstellung mit Basisvorwiderstand unschwer
sehen können, variiert die Kollektor-Emitterspannung UCE stark mit der
Stromverstärkung vom eingesetzten Transistor. Wir können diesem Verstellen
des Arbeitspunktes entgegenwirken, indem wir den Basisvorwiderstand nicht
direkt an die Versorgungsspannung hängen, sondern an den Kollektor des
Transistors. Wir sprechen in diesem Fall vom Kollektor-Basiswiderstand.
RB 92k
Rc 1k
T1 BD135
+
V
Ua
Was passiert bei dieser Schaltung,
wenn die Stromverstärkung β des
Transistors grösser wird?
Wenn β steigt, so würde bei gleichem
UCE mehr Strom fliessen. Wenn der
Strom steigt, verkleinert sich UCE
aber, und der Basisstrom wird damit
kleiner.
Wir sprechen in diesem Zusammenhang von einer
Gegenkopplung.
Nehmen wir an, dass wir denselben Transistor wie beim Basisvorwiderstand
einsetzen: β = 100 und UBE = 0.7 V
Wie gross ist die Ausgangsspannung Ua dieser Schaltung?
+
Ub 15V
Was ändert sich nun, wenn wir wieder annehmen, die Stromverstärkung werde
β = 150?
Elektronik Alexander Wenk Seite 31

Berechnung der Basisvorwiderstände
Nachdem wir nun zwei Schaltungen zur Arbeitspunktstabilisierung kennen,
möchten wir die erforderlichen Widerstände auch berechnen können.
Lösen wir dazu doch eine Aufgabe:
Wir haben einen Transistor mit den Kenndaten: β = 200 und UBE = 0.7 V.
Die Versorgungsspannung ist UB = 12 V.
Wie gross muss der Kollektorwiderstand RC gewählt werden, wenn bei
IC ≈ 20 mA die halbe Betriebsspannung am Widerstand abfallen soll?
Wie gross muss der Basisvorwiderstand gewählt werden, um am gewählten RC
die halbe Betriebsspannung einzustellen?
Berechnung und Schaltung für Vorwiderstand an Versorgungsspannung:
Berechnung und Schaltung für Kollektor-Basis Vorwiderstand:
Weitere Übungen: Westermann S. 182 Nr. 1 – 6, S. 183 Nr. 1, 4, 6,
S. 187 Nr. 13, 14
Elektronik Alexander Wenk Seite 32

Arbeitspunktstabilisierung
Als weiteren Effekt sahen wir im Laborversuch, wie stark der Arbeitspunkt
vom Idealpunkt wegdriftete und wie umständlich die Wahl des
Basisvorwiderstandes sein kann.
Einfacher haben wir es, wenn wir den Arbeitspunkt stabilisieren. Eine
Möglichkeit haben wir dazu bereits gesehen, eine weitere werden wir im
Folgenden kennen lernen.
Eine effiziente Möglichkeit ist die Stromgegenkopplung. Sie wird mit
folgender Schaltung realisiert:
Berechnen wir doch einmal die
Bauelemente dieser Schaltung:
C1
R1
R2
Rc
RE
T1
Ub beträgt 15 V. Wir wollen RC =
1 kΩ einsetzen und an RE soll im
Arbeitspunkt 1.5 V abfallen.
Näherungsweise können wir
sagen, dass im voll
durchgesteuerten Zustand die
Spannung an RE doppelt so hoch
sein wird. Für die Wahl des Arbeitspunktes bleibt also 15 V – 3V = 12 V
übrig. Die günstigste Ruhespannung an RC ist also 12 V / 2 = 6 V.
Mit diesen Angaben lässt sich die Schaltung im Ausgangsstromkreis
berechnen:
IC = URC / RC = 6 V / 1 kΩ = 6 mA
RE = URE / IE = 1.5 V / 6 mA = 250 Ω
+
V
Jetzt müssen wir den Eingangsspannungsteiler berechnen. Wir nehmen dazu
eine Stromverstärkung β = 100 und UBE = 0.7 V an. Damit der
Spannungsteiler R1, R2, der die Basis mit Spannung versorgt genügend stabil
ist muss der Querstrom, also der Strom durch R2 mindestens 5 mal grösser
sein wie IB. Für unser Beispiel nehmen wir ein Querstromverhältnis von
m = 10 an: IQ = 10⋅IB. IB = IC/β = 6 mA/100 = 60 µA.
Damit wird IQ = 10⋅IC / β = 0.6 mA.
Mit diesen Angaben können wir auch R1 und R2 berechnen:
R2 = U2 / IQ = (1.5 V + 0.7 V)/0.6 mA = 3.7 kΩ
R1 = U1 /(IQ+IB) = (15 V – 2.2 V)/0.66 mA = 19.4 kΩ
Übungen: Westermann S. 185 Nr. 1, 2, 5
Ua
+
Ub
Elektronik Alexander Wenk Seite 33

Laborversuch zum analysierten Verstärker
Wir wollen den entwickelten Verstärker nun einmal einsetzen.
Baue diesen Verstärker auf und speise Ûe = 0.5 V am Eingang ein. Der
Eingangskondensator ist C1 = 1 µF
• Kontrolliere den Arbeitspunkt.
• Wie gross sind die Ausgangsspannung und die Verstärkung der
Schaltung?
• Warum ist die Verstärkung viel kleiner als beim letzten Versuch?
• Schalte parallel zu RE einen Kondensator mit C = 10 µF. Senke die
Eingangsspannung Ûe = 20 mV und messe die Spannungsverstärkung bei
f = 1000 Hz.
• Welche Funktion hat der eingesetzte Kondensator?
• Variere die Frequenz zwischen 100 Hz .. 50 kHz und beobachte, wie sich
die Verstärkung ändert.
Dokumentiere Deine Feststellungen in einem Laborbericht. Mithilfe des
Berichtes soll es möglich sein, den Versuch und deine Interpretationen
nachzuvollziehen.
Viel Spass!
Elektronik Alexander Wenk Seite 34

Berechnung der Verstärkung der stabilisierten Schaltung
Wir haben den Arbeitspunkt bei der Transistorschaltung mit der
Stromgegenkopplung berechnen können. Allerdings haben wir die
Verstärkung erst im Laborversuch nachgemessen. Wir wollen nun die
Verstärkungsformel für diese Schaltung herleiten:
Wie früher schon gehen wir von der Kleinsignalverstärkung aus, für die
näherungsweise gilt: ∆IC = s⋅∆UBE
Wir müssen bei unserer Schaltung
aber beachten, dass ∆UBE nicht mehr
C1
R1
R2
Rc
RE
T1
+
V
Ua
+
Ub
der Eingangsspannung entspricht.
Versuche nun die
Verstärkungsformel herzuleiten,
indem Du zunächst annimmst, ∆UBE
sei bekannt.
Elektronik Alexander Wenk Seite 35

Erhöhung der Verstärkung mit Emitterkondensator
Der Laborversuch zeigte uns, dass ein parallel zum Emitterwiderstand
geschalteter Kondensator den Verstärkungsfaktor vergrössern kann:
+
VG1
C1 1uF
R1 19.4k
R2 3.7k
Rc 1k
RE 250
T1 !NPN
C2 10uF
C3 10uF
+
V
Ua
+
Ub 15V
Verstärkung (dB)
Frequenz (Hz)
Verstärkung mit C 2
Verstärkung ohne C 2
10 100 1k 10k 100k 1M
Wie lässt sich das begründen?
Der Kondensator schliesst Wechselspannung höherer
Frequenz kurz. Deshalb ist die Stromgegenkopplung
nur noch für langsame Veränderungen wirksam.
Das ist natürlich ein entscheidender Vorteil. Währenddem RE uns den
Arbeitspunkt durch Stromgegenkopplung stabilisiert können wir dank CE
weiterhin grosse Verstärkungsfaktoren erzielen. Allerdings sehen wir im
gezeigten Beispiel, dass die Verstärkung erst ca. ab 10 kHz stabil bleibt.
Im dargestellten Schema sehen wir auch den Auskopplungskondensator C3.
Dieser hat die Aufgabe, reine Wechselspannung (ohne DC-Anteil) am
Ausgang der Verstärkerstufe zur Verfügung zu stellen.
Elektronik Alexander Wenk Seite 36
50.00
25.00
0.00

Repetitionsübungen zur Verstärkung
1. Berechne zur angegebenen Schaltung die Verstärkung, wenn folgende
Werte gegeben sind:
+
Rc = 3.3 kΩ
Ub = 24 V
UCE = 12 V
2. a) Wie gross ist die Verstärkung der Schaltung mit folgenden Werten?
+
Ûe = 10 mV
Ue
C1
C1
RB
R1
R2
Rc
Rc
RE
T1
T1
C2
+
V
+
V
Ub = 18 V
UCE = 8 V
Rc = 2.2 kΩ
RE = 220 Ω
β = 250
b) Wie gross wäre die Verstärkung, wenn wir zu RE einen genügend grossen
Kondensator parallel schalten?
Optoelektronik-Präsentationen
Ua
Ua
+
Solarzellen Patrick, Mike
Fotodiode Mino, Michel
Fototransistor David, Thomas
Fotowiderstand Simon, Ricco
Optische Sendeelemente(LCD,
OLED, LED)
Fabian, Christian, Adrian
Ub
+
Ub
Elektronik Alexander Wenk Seite 37

Lichtschranken, Optokoppler
Laserdioden Tobias, Matias
Elektronik Alexander Wenk Seite 38

Optoelektronik
Wir können mit elektronischen Bauteilen Licht erzeugen. Diese Bauteile
kennen wir bereits als LED. Andererseits können wir Licht auch messen: Mit
Solarzellen, Fotowiderständen und Fotodioden können wir aus Licht
elektrische Signale generieren.
Solarzellen
A
P
- - - - -
+ + +
N
+ +
K
Solarzellen erzeugen Strom aus Lichtenergie. Wie geschieht
das? Im Gegensatz zur normalen Diode kann Lichtenergie auf
die Sperrschicht einwirken. Ankommende Lichtquanten sind in
der Lage, Ladungen aus der Sperrschicht herauszulösen. Durch
die in der Sperrschicht wirkenden elektrischen Felder werden
die nun freien Ladungsträger aus der Sperrzone verdrängt. Es
fliesst ein Strom, wie wir im Diagramm sehen können.
Wir sehen, dass der Kurzschlussstrom linear mit der Beleuchtungsstärke
zunimmt. Die Leerlaufspannung pendelt sich ab einer gewissen
Beleuchtungsstärke ein, d.h. sie wird nicht beliebig grösser. Der tatsächlich zu
erzielende Laststrom hängt natürlich auch von der Zellspannung ab. Aus
Elektronik Alexander Wenk Seite 39

diesen Kurven könnten wir herausfinden, in welchem Lastfall die optimale
Leistung aus der Solarzelle herausgeholt werden kann.
Solarzellen können natürlich nicht mehr elektrische Energie erzeugen, wie sie
Lichtleistung einfangen kann. Deshalb benötigen wir grosse Flächen, um
Solarstrom erzeugen zu können. Theoretisch würde ca. 1 kW Lichtleistung pro
m 2 auf der Erde ankommen. Allerdings absorbiert die Athmosphäre, Dunst
und Wolken einen gewissen Teil dieser Lichtleistung. Und Solarzellen haben
eher geringe Wirkungsgrade: Nur ca. 10 % der Lichtenergie wird in
elektrische Energie gewandelt.
Fotodiode
Fotodioden dienen zum Messen von Beleuchtungsstärken oder als
Lichtdetektor. Sie liefern wie Solarzellen auch elektrische Energie. Sie sind
aber nur sehr kleinflächig, deshalb sind die Ströme sehr klein. Wenn wir sie
als Lichtmesser benutzen wollen, setzen wir sie in Sperrrichtung ein. Der
Strom ist dann proportional zur Lichtstärke, die auf die Zelle trifft. Solche
Fotodioden werden eingesetzt als Lichtmesser in Fotoapparaten oder bei
Lichtschranken. Betrachten wir uns doch mal den Aufbau und die Kennlinie
von einer Fotodiode:
Elektronik Alexander Wenk Seite 40

Wir sehen die sehr geringen Ströme der Fotodiode. Sie bewegen sich im µAbereich.
Fototransistor
Fototransistoren erzeugen durch Lichteinwirkung weit grössere Ströme als
Fotodioden. Im NPN-Transistor ist die Kollektordiode in Sperrrichtung in
Betrieb Wenn wir diese Kollektordiode als Fotodiode ausbilden, fliesst in ihr
ein zur Lichtstärke proportionaler Sperrstrom. Dieser Sperrstrom gelangt in
die Basiszone und wird wie ein Basisstrom vom Transistor verstärkt.
Es gibt Fototransistoren mit und ohne Basisanschluss. Ist ein Basisanschluss
herausgeführt, können wir durchs Anschliessen eines Widerstandes wie oben
gezeichnet einen Teil des Fotostromes ableiten. Wir können so insbesondere
die Schaltung schneller machen, oder die Empfindlichkeit justieren.
Elektronik Alexander Wenk Seite 41

Fotowiderstand
Eine andere Möglichkeit als Licht in elektrischen Strom oder Spannung zu
wandeln bieten Fotowiderstände. Wir haben sie bereits in der Elektrotechnik
als lichtabhängige Widerstände kennen gelernt. Durch den Lichteinfluss wird
im Halbleitermaterial zusätzliche Ladung freigesetzt, damit wird die
Leitfähigkeit des Halbleitermaterials besser, je heller es beleuchtet wird.
Fotowiderstände zeichnen sich dadurch aus, dass der Widerstand von mehr als
1 MΩ bei Dunkelheit auf unter 1 kΩ bei Helligkeit fallen kann. Die
Diagramme zeigen die Empfindlichkeit eines Fotowiderstands:
Elektronik Alexander Wenk Seite 42

Optische Sendeelemente
Für optische Systeme benötigen wir natürlich auch Lichterzeuger. Wir kennen
LED's und Laserdioden. LED's kennen wir bereits. Wir möchten hier deshalb
nur noch zeigen, dass Leuchtdioden sehr unterschiedliche Kennwerte haben:
Vor allem zur Einkopplung in Glasfasern werden gerne Laserdioden
verwendet. Wie unterscheiden sie sich von normalen Dioden? Wir haben
prinzipiell einen "Resonanzraum" zwischen zwei verspiegelten Flächen. Die
Spiegel begrenzen die Leuchtschicht der LED. Zwischen diesen Spiegeln kann
sich Lichtenergie von ganz bestimmter Wellenläge aufschaukeln. Das über
den halbdurchlässigen Begrenzungsspiegel ausgekoppelte Licht ist polarisiert
und von einer einzigen Wellenlänge. Die Lichtintensität ist sehr hoch. Das
Prinzipbild zeigt die Laserdiode.
Elektronik Alexander Wenk Seite 43

Optokoppler
Manchmal wünschen wir eine galvanische Trennung zwischen zwei
elektrischen Systemen. Dazu könnten wir mit einer LED Licht erzeugen, das
in einem Fototransistor einen steuerbaren Strom hervorruft. Solche Systeme
nennen wir Optokoppler. Das Bild zeigt uns einen solchen Optokoppler
schematisch:
typischerweise zwischen 0.5 < k < 3.
Eine wichtige Kenngrösse von
Optokopplern ist der
Kopplungsfaktor k.
k = IC / IF
Die Koppelfaktoren werden bei
einem bestimmten Diodenstrom IC
angegeben. Sie liegen
Es gibt aber auch offene Optokoppler. Wir nennen sie allerdings dann eher
Lichtschranken…
Lichtschranken
Mit Lichtschranken können wir zum Beispiel Gegenstände zwischen Sender
und Empfänger detektieren. Lichtschranken gibt es sowohl als
Gabellichtschranken oder reflexionsschranken. Natürlich können wir auch
Sender und Empfänger getrennt einsetzen. Das Bild zeigt uns die prinzipielle
Funktion:
Elektronik Alexander Wenk Seite 44

Glasfasern & Lichtwellenleiter
Licht besitzt eine sehr hohe Frequenz. Wir können deshalb mit Lichtwellen
sehr grosse Datenmengen übertragen. Wir müssen es nur hinkriegen, das Licht
vom Sender zum Empfänger zu leiten. Dies gelingt mit Glasfaserkabeln. Das
Prinzip sehen wir in dem Schnittbild:
Die Glasfaser besitzt einen optisch
dichten Kern, umgeben von einem
optisch weniger dichten Material. Die
Faser wird zudem von einer meist
gummiartigen Beschichtung geschützt.
Das Licht wird im Kern geleitet. Wie
funktioniert das? Vielleicht seid ihr im
Schwimmbad schon mal mit der
Taucherbrille abgetaucht habt Euch auf
den Rücken gedreht und emporgeschaut.
Ihr habt dann gesehen, dass ihr nur in
einem begrenzten Kreis aus dem Wasser
in die Luft sehen konntet, der Rest war
wie verspiegelt. Diesen Effekt nennen
wir Totalreflexion. Dieses Prinzip benutzt die Glasfaser. Der Lichtstrahl wird
an der Grenzschicht zurück in den Kern reflektiert. Es gibt verschiedene
Fasertypen mit unterschiedlichen Eigenschaften:
Multimode-Stufenindexprofil
Die LWL sind von einem Mantel umgeben, der einen kleineren
Brechungsindex besitzt als der Kern. Der Kerndurchmesser beträgt ca. 100
µm, der Manteldurchmesser ca. 200 µm. Im Bild 8.45a ist der Verlauf von 3
Lichtstrahlen dargestellt, die unter verschiedenen Einfallswinkeln
eingekoppelt werden. Es ist erkennbar, dass die Weglängen der Strahlen vom
Eingang bis zum Ausgang verschieden lang sind. Strahlen mit
unterschiedlichen Weglängen werden auch als Moden bezeichnet. Aufgrund
der unterschiedlichen Weglängen benötigen die einzelnen Moden zum
Durchlaufen der Faser verschiedene Zeiten und treten daher nicht gleichzeitig
am Ausgang aus (Dispersion). Ein kurzer eingespeister Impuls wird deshalb
am Ausgang breiter und flacher (Bild 8.45a). Der nächste Impuls kann erst
übertragen werden, wenn der vorhergehende Impuls abgeklungen ist. Die
Bandbreite dieser Fasern ist deshalb auf ca. 50 MHz begrenzt, der Einsatz
erfolgt nur für kurze Übertragungsstrecken und einfache Signalübertragungen.
Multimode-Gradientenindexprofil
Bei diesen Glasfasern nimmt der Brechungsindex des Kerns von seiner Mitte
bis zum Rand graduell ab. Die Lichtstrahlen durchlaufen die Faser nicht
zickzackförmig, sondern wellenförmig (Bild 8.45b). Die zurückgelegten
Elektronik Alexander Wenk Seite 45

Weglängen sind zwar hier auch unterschiedlich, aber mit der Entfernung der
Strahlen von der Mittellinie nimmt ihre Geschwindigkeit aufgrund der kleiner
werdenden Brechungszahlen zu. Dadurch wird der Laufzeitunterschied der
einzelnen Moden klein gehalten. Die Bandbreite dieser Fasern kann bis zu ca.
10 GHz betragen. Kern- und Manteldurchmesser haben etwa die
Abmessungen wie beim Stufenindexprofil.
Monomode-Stufenindexprofil
Bei vorgegebener Wellenlänge kann eine Faser durch geeignete Wahl des
Kerndurchmessers so dimensioniert werden, dass sich das Licht nur noch mit
einem Mode in Längsrichtung ausbreiten kann (Bild 8.45c). Der
Kerndurchmesser beträgt nur ca. 5 µm, der Manteldurchmesser ca. 100 µm.
Da es bei nur einem Mode zu keinen Laufzeitunterschieden kommen kann, ist
der Ausgangsimpuls nur geringfügig verbreitert. Die Bandbreite dieser Fasern
ist deshalb wesentlich höher als bei Gradientenindexprofilen und kann bis zu
1000 GHz betragen. Als Lichtsender werden hier, wie auch bei den anderen
LWL-Typen, Laserdioden oder IRED eingesetzt (Abschn. 8.3.1, 8.3.2); als
Empfänger dienen PIN- oder Avalanche-Fotodioden (Abschn. 8.2.3). Die
Monomode-LWL haben große Bedeutung bei Informationsübertragungen über
große Entfernungen. Die Lichteinkopplung ist jedoch wegen des geringen
Kerndurchmessers schwieriger, die Anforderungen an Spleiße (dauerhafte
Verbindungsstellen) und Steckverbindungen sind höher, was den Einsatz
dieser LWL verteuert.
Elektronik Alexander Wenk Seite 46

LWL-Kabel enthalten Fasern in Form von Einzel- oder Bündeladern. Sie sind
als Innen- oder Außenkabel erhältlich. Spezielle Verlegungstechniken sind
allgemein nicht zu beachten, jedoch darf der minimale Biegeradius nicht
unterschritten und die maximale Zugkraft beim Kabeleinziehen nicht
überschritten werden.
LCD Anzeige
Natürlich kann Optoelektronik auch zur Anzeige von Informationen
angewendet werden. Wir möchten hier stellvertretend für alle anderen
Prinzipien die LCD Technik kurz streifen. Liquid Cristal Displays benötigen
nur wenig Energie. Schauen wir das Prinzip im Bild an:
Flüssigkristalle verhalten sich elektrisch wie ein galvanisches Bad: Wenn wir
Gleichstrom einspeisen, wird sie über kurz oder lang zerstört. Wir müssen sie
also mit reinem Wechselstrom anspeisen. Dies können wir mit folgender
Schaltung realisieren. Wie funktioniert sie?
Elektronik Alexander Wenk Seite 47

IGBT
Bistabile Kippstufe
Die Namen von Grundschaltungen sind manchmal verwirrend, so wie dieser
hier. Das schadet aber nichts, denn dies gibt uns die Möglichkeit, selber zu
überlegen, was die konkrete Schaltung ausführt. Betrachten wir uns deshalb
einmal das Schema der bistabilen Kippstufe:
Rc2 1k
UA2 Rb1 10k
Rb2 10k UA1
Re2 10k
Ue2
Re2 10k
Ue1
Elektronik Alexander Wenk Seite 48
Rc1 1k
T2 BC237C T1 BC237C
Fragen zu dieser Schaltung:
• Welche Zustände können die Ausgänge UA1 und UA2 annehmen?
• Wie können wir die Schaltung mittels der Eingänge Ue1 und Ue2
beeinflussen?
• Was hat diese Schaltung für eine Funktion?
Versuche eine Antwort auf die gestellten Fragen zu finden, indem Du
zunächst annimmst dass Du nur eine Spannung an den Eingang Ue1 anlegst.
Finde heraus, wie der Transistor T1 bei ändernder Eingangsspannung reagiert
und wie sich dies auf den Transistor T2 auswirkt.
+
Ub 12

Monostabile Kippstufe
Wir verändern unsere erste Kippschaltung ein wenig und erhalten damit die
monostabile Kippstufe. Die Funktion der Schaltung wird durch einen Puls auf
der Eingangsstufe Ue bewirkt. Wir wollen nun diese Schaltung analysieren:
Rc1 1k
Ub1
Rb1 10k
UA1 Rb2 10k
C1 138u UA2
Re2 10k
+
Elektronik Alexander Wenk Seite 49
Rc2 1k
T1 BC237C T2 BC237C
Fragen zu dieser Schaltung:
• Wie verhalten sich hier die Ausgangszustände UA1 und UA2?
• Was hat diese Schaltung für eine Funktion?
• Baue die Schaltung im Simulator auf und bestätige Deine Aussagen von
oben.
Gehe zur Lösungsfindung wieder gleich vor wie bei der bistabilen Kippstufe.
Ue
+
Ub 12

Astabile Kippstufe
Bei der monostabilen Kippschaltung mussten wir einen einzelnen Puls
initiieren. Wenn wir diese Schaltung symmetrisch, d.h. beide
Transistoransteuerungen gleich gestalten, erhalten wir die Astabile
Kippschaltung oder den Multivibrator. Wie er genau funktioniert, möchten wir
im Folgenden austesten und theoretisch hinterfragen:
Rc1 1k
Rb2 10k
C2 138u
C1 138u
UA1 + -
+ - UA2
Ub1
Rb1 10k
Elektronik Alexander Wenk Seite 50
Rc2 1k
T1 BC237C T2 BC237C
+
Ub 12
• Überlege Dir zu dieser Schaltung zunächst, was UA1, UA2 UBE1 und
UBE2 machen. Zeichne dazu den zeitlichen Verlauf dieser Spannungen
auf.
• Baue die Schaltung auf und beobachte, was sie macht. Stimmen Deine
Überlegungen mit dem tatsächlichen Verhalten überein?
• Überlege Dir, wie Du die Schaltzeiten berechnen kannst.

Übung astabile Kippstufe
Mit den hergeleiteten Formeln der astabilen Kippstufe wollen wir nun eine
eigene solche Schaltung designen. Folgende Eckwerte sind dazu gegeben:
f = 1 kHz, RBx = 5 .. 100 kΩ, UB = 15 V. C ist zu berechnen. Die anderen
Werte lassen wir wie im Schaltplan auf der vorigen Seite.
Gehe zum Lösen dieser Aufgabe wie folgt vor:
• Bestimme das erforderliche τ = R⋅C, um die erforderliche Frequenz zu
erhalten.
• Wähle eine geeignete Kombination für R und C, damit wir die Schaltung
auch effektiv aufbauen können.
• Da Tina zu doof ist, um einen 1 kHz Multivibrator richtig zu simulieren,
bedienen wir uns eines Tricks: Wir geben der Schaltung zum
Anschwingen einen Stromstoss:
Rc1
UA1 C1
C2 UA2
IG1
Rb2
Rb1
Rc2
T1 T2
+
Ub
• Baue die berechnete Schaltung auf einer Steckplatine auf und überprüfe,
ob die Messresultate mit der Schaltungsberechnung übereinstimmen.
� Wir kommen mit dem praktischen Schaltungsaufbau wieder einmal in den
Genuss, einen KO in der Schule anzuwenden, was als Vorbereitung für die
Teilprüfungen sicher nicht das dümmste ist…
Differenzverstärker
Eine weitere wichtige Grundschaltung ist der Differenzverstärker. Er verstärkt
die Differenz zweier Spannungen, wie schon das Wort verrät. Doch wie genau
funktioniert diese Schaltung?
Elektronik Alexander Wenk Seite 51

Ua1 Ua2
+
U1
T1 !NPN
Rc1 10k
-Ub
Re 10k
Rc2 10k
Ub
T2 !NPN
Am besten analysieren wir die
Schaltung in 2 Schritten:
Indem wir U2 = U1 setzen,
untersuchen wir die sogenannte
Gleichtaktverstärkung.
Wenn wir U2 = -U1 setzen, beobachten wir die Differenzverstärkung
+
U2
Elektronik Alexander Wenk Seite 52

Übung Differenzverstärker
Baue einen Differenzverstärker gemäss Schema und messe für diesen
Ub • die Gleichtaktverstärkung mit U1 = U2 =
100 mV
Ua1
T1 !NPN
Ua2
T2 !NPN
• die Gegentaktverstärkung mit U1 = -U2 = 10
mV (Sinus mit 180° Phasenverschiebung)
VGleichtakt =
VGegentakt =
Vergleiche diese Verstärkungen mit unseren theoretischen Berechnungen:
s = 38.5⋅IC / V= ………
VGleichtakt =
VGegentakt =
Erweitere den Differenzverstärker entsprechend dem folgenden Schema. Was
Ub
Ub
ist an dieser Schaltung
anders als bei der obigen?
Ua1
+
+
+
U1
U1
Vk1 10V
VGleichtakt =
VGegentakt =
Rc1 10k
T1 !NPN
Rc1 10k
-Ub
Re 10k
-Ub
Re 10k
Rc2 10k
Rc2 10k
T2 !NPN
Messe auch hier
• die Gleichtaktverstärkung
mit U1 = U2 = 1 V
• die Gegentaktverstärkung
mit U1 = -U2 =
100 µV
Überlege Dir, wie eine Leistungsendstufe aussehen muss, damit wir am
Ausgang ein Signal UA im Bereich von +Ub bis –Ub erzeugen können
Schmitt-Trigger
+
Ua2
+
U2
U2
+
Ua3 Ua4
Vk1 10V
R2 4.7k
Z1 BZX79C5V6
Rc3 2.2k
-Ub
T6 !NPN
R1 500
Rc4 2.2k
T3 !NPN T4 !NPN
Elektronik Alexander Wenk Seite 53

Operationsverstärker
Wir haben Transistoren für Verstärkungsschaltungen gebraucht. Wir haben
dort bereits gesehen, dass wir mit einer Stabilisierung des Arbeitspunktes, d.h.
einer Rückkopplung ein lineareres Verhalten vom Verstärker hinkriegen.
Allerdings war die Verstärkung unserer Schaltungen doch eher gering. Wie
wäre es, wenn wir einen Baustein mit fast unendlich hoher Verstärkung haben,
den wir dann auf den gewünschten Verstärkungsfaktor zähmen? Diese
Bausteine heissen Operationsverstärker:
Operationsverstärker haben eine invertierenden und einen nicht invertierenden
Eingang. Nebst der unendlich hohen Verstärkung bilden sie die Differenz
dieser Eingangssignale. Die Ausgangsspannung rechnet sich mit folgender
Formel:
Wir wollen nun einen Operationsverstärker gemäss Schema ausmessen:
• Stelle einige Spannungen U1 ein und messe am Ausgang. Welche Werte
messe ich? Und wann ändern sie?
• Wie gross ist der Eingangsstrom in den OP?
• Wie erreiche ich, dass der OP bei U1 = 5 V schaltet?
Elektronik Alexander Wenk Seite 54

• Wie gross ist der Ausgangswiderstand vom OP?
Der ideale Operationsverstärker
Ausgehend von unserem Experiment können wir den idealen OP definieren:
• Die Verstärkung vom OP ist unendlich gross: Folgerung: Sobald wir eine
Eingangsspannungsdifferenz haben, geht der Verstärker in die positive
oder negative Sättigung.
• Der Eingangswiderstand vom OP ist unendlich gross: Er nimmt durch die
Eingänge keinen Strom auf.
• Der OP verstärkt nur die Differenz der Eingangssignale. Setze ich U1 =
U2 = Ue und variiere diese Spannung, so hat das keinen Einfluss auf den
Ausgang Ua:
• Der Ausgangswiderstand vom OP ist 0: Er kann jede Last treiben.
Der reale OP
Selbstverständlich gib es solch ideale Bedingungen gar nicht. Jeder OP hat
Fehler, es kommt eigentlich nur auf die Betriebsart an, ob diese einen Einfluss
haben oder nicht. Betrachten wir einmal, was beim OP alles schief gehen
kann:
• Die Verstärkung vom OP ist endlich, typischerweise 100'000. Die
Verstärkung nimmt zudem mit steigender Frequenz ab.
• Der OP verstärkt nicht nur die Differenz der Eingangssignale. Er ist also
nicht nur ein Differenzverstärker. Wenn wir U1 = U2 = Ue setzen und
diese Spannung variieren so stellen wir am Ausgang eine Veränderung
fest. Wir sprechen von der Gleichtaktverstärkung Allerdings ist die
Gleichtaktverstärkung bei einem OP klein, typischerweise viel kleiner als
1 wir werden diesen Effekt studieren können, wenn wir den
Differenzverstärker mit Transistoren betrachten.
• Der Ausgangswiderstand vom OP ist nicht 0: Er liefert in der Regel nur
einige mA. Zudem ist er kurzschlussgeschützt, d.h. er besitzt meist eine
Strombegrenzung. Die Ausgangskennlinie ist also gekrümmt:
Elektronik Alexander Wenk Seite 55

Der invertierende Verstärker
Um den OP auch anwenden zu können, wollen wir damit eine erste
Verstärkerschaltung aufbauen. Die einfachste Schaltung ist der invertierende
Verstärker. Bei ihm wird der Minuseingang vom Eingangssignal beeinflusst,
der Pluseingang an Masse gelegt. Es muss uns nun gelingen, die unendlich
hohe Verstärkung durch eine Widerstandsbeschaltung zu bändigen. Wir
müssen also eine Rückkopplung erstellen.
Zeichne dazu eine mögliche Schaltung und analysiere sie:
Wie gross wird die Verstärkung dieser Schaltung?
Wie gross ist der Eingangswiderstand?
Und wie gross der Ausgangswiderstand?
Versuch: Dimensioniere einen invertierenden Verstärker mit v = 10. Baue die
Schaltung auf. Gebe eine Wechselspannung ein und beobachte die
Ausgangsspannung. Variiere die Frequenz zwischen 100 Hz und 100 kHz.
Was beobachtest Du?
Zusatz: Baue den Verstärker mit v = 100. Variiere die Frequenz auch wieder
im selben Bereich und beobachte damit das Frequenzverhalten.
Elektronik Alexander Wenk Seite 56

Übungen: Westermann S. 220 Nr. 1 – 6
Leistungsendstufen mit OP als Vorverstärker
Unser OP-IC kann nur einen Ausgangsstrom von maximal 25 mA liefern. Wie
können wir einen stärkeren Strom erzeugen? Wir wollen eine solche Endstufe
einmal selber entwickeln. Versucht eine Leistungsendstufe so mit einem OP
zu koppeln, dass die Verstärkung trotzdem linear ist, aber die Stromstärke am
Ausgang mindestens 100 mA betragen kann.
Nach einer Kontrolle können wir die Schaltung in Tina austesten und
allenfalls korrigieren.
Elektronik Alexander Wenk Seite 57