Im zweiten Teil der Reihe "Transistor Basics" ging es um den Stromverstärkungsfaktor (hFE, B). Bei den praktischen Versuchen stellte sich heraus, dass die Stromverstärkung eines Transistors breit gestreut ist. Dient der Transistor in einer Schaltung lediglich als "Schalter", hat dieses Problem kaum einen Einfluss auf die Schaltung und ist vernachlässigbar. Werden mit einem Transistor analoge Signale verstärkt, spielt dies in den meisten Fällen eine große Rolle und muss bei der Schaltungsplanung berücksichtigt werden. In diesem Artikel geht es um eine Schaltung (Gegenkopplung), die den Basisstrom je nach Stromverstärkungsfaktor etwas erhöht oder reduziert und somit die Streuung kompensiert.

Die breite Streuung

Die breite Streuung des Stromverstärkungsfaktors entsteht bereits während der Produktion eines Transistors. Ein frisch produzierter BC547 Transistor wird nach der Produktion automatisch gemessen und je nach Verstärkungsfaktor in drei Kategorien (A, B & C) einsortiert. Trotzdem kann ein Transistor in der Kategorie B einen Stromverstärkungsfaktor von 200 bis 450 haben. In der Praxis bedeutet dies Folgendes: Bekommt der Transistor einen Basisstrom von 0,01 mA (10 µA), so fließt ein Kollektorstrom je nach Verstärkungsfaktor zwischen 2 und 4,5 Milliampere.

Versuch mit zwei BC547B

Um die breite Streuung des Stromverstärkungsfaktors zu beweisen, wurde ein Experiment mit der Schaltung vom zweiten Teil durchgeführt. In der Schaltung wurden zwei verschiedene Transistoren vom Typ BC547 von zwei verschiedenen Herstellern verbaut. Dabei wurde zuerst ein bestimmter Basisstrom fest eingestellt und der erste Transistor (Q1) in die Schaltung eingebaut. Anschließend wurde der Strom zwischen R1 und Kollektor gemessen. Mit Q1 wurde dabei ein Kollektorstrom von 4,89 mA erreicht. Als Nächstes wurde der Transistor Q1 durch einen baugleichen Transistor eines anderen Herstellers ersetzt. Eine erneute Messung vom Kollektorstrom mit dem gleichen Basisstrom brachte 7,65 mA. Der Kollektorstrom zwischen den beiden Transistoren weicht über 2,5 mA voneinander ab, obwohl beide Transistoren der Kategorie B zugeordnet sind. Folgender Schaltplan wurde für diesen Versuch verwendet:

Welche Probleme können entstehen?

Bei der Verstärkung von analogen Signalen möchte man immer einen möglichst durchgängigen mittleren Basisstrom haben, damit der Transistor schön nach unten und oben aussteuern kann. Ist der Verstärkungsfaktor eines Transistors hoch, kann der Basisstrom oft schon zu hoch sein, sodass der Transistor in die Sättigung kommt. Ein Sinus wäre in der Spitze dadurch angeschnitten. Ebenfalls kann auch eine sehr kleine Stromverstärkung zu Problemen führen.

Die Gegenkopplung

Ziel dieser schaltungstechnischen Maßnahme ist es, dass der Kollektorstrom trotz unterschiedlicher Stromverstärkung möglichst unverändert bleibt. Eine vollständige Kompensation ist in der Praxis kaum möglich, aber die Abweichung liegt deutlich unter einem Milliampere. Der Basisvorwiderstand wird dabei nicht an die Versorgungsspannung angeschlossen, sondern an den Kollektor. Ein Transistor mit einer hohen Stromverstärkung verursacht einen höheren Kollektorstrom. Dadurch sinkt die Spannung zwischen R1 und Kollektor, der Basisstrom geht zurück. Umgekehrt, wenn die Stromverstärkung klein ist, steigt die Spannung zwischen R1 und Kollektor an. Der Transistor bekommt dadurch mehr Basisstrom.

Die Größe von R2 ist abhängig vom Eingangssignal. Für einen praktischen Versuch mit reiner Gleichspannung eignet sich ein Bereich von etwa 30 bis 70 Kiloohm. In der Praxis wird zusätzlich noch ein analoges Signal eingekoppelt, was die Spannung erhöht. Über R2 fließt dadurch weniger Strom, sodass dieser Widerstand in der Praxis einen Wert von mehr als 100 Kiloohm besitzt.

Schaltung in der Praxis

In der Praxis wird ein analoges Signal an der Basis über CK1 eingekoppelt, über den Transistor verstärkt und zwischen R1 und Q1 mit größerer Amplitude über CK2 wieder ausgekoppelt. Weitere Informationen über Koppelkondensatoren gibt es in diesem Artikel. Bei einem praktischen Versuch wurde ein Sinus-Signal mit 200 mV Pk-Pk und einer Frequenz von 1 MHz über CK1 in folgende Schaltung eingespeist:

Als Erstes wurde ein Transistor mit einer Stromverstärkung von 283 eingebaut. Über P1 wurde der Basisstrom so eingestellt, dass am Oszilloskop ein schöner Sinus mit einer Spannung von rund 5 Volt Pk-Pk angezeigt wurde:

Anschließend wurde der Transistor Q1 durch den stärkeren Transistor ersetzt. Die Messung mittels Multimeter ergab einen Stromverstärkungsfaktor von 317. Im nächsten Screenshot vom Oszilloskop sieht man einen Sinus, der an der Unterseite etwas abgeschnitten ist:

Der Basisstrom war bei beiden Transistoren gleich eingestellt. Beim zweiten Transistor mit dem größeren Stromverstärkungsfaktor war der Basisstrom schon so hoch, dass der Transistor in die Sättigung geraten ist. In dieser Schaltung wird die Phase um 180 Grad gedreht. Steigt die Basisspannung an, fließt über den Transistor auch mehr Kollektorstrom. Zwischen R1 und Kollektor fällt dann auch mehr Spannung ab. Folgende Schaltung mit Gegenkopplung löst dieses Problem:

In der Praxis funktionieren mit dieser Schaltung beide Transistoren problemlos. Der Transistor kommt nicht in die Sättigung und die Amplitude wird schön nach unten und oben ausgesteuert.