Für Verstärkerschaltungen nimmt man im NF-Bereich häufig die Emitterschaltung. Zum NF-Bereich (Niederfrequenz-Bereich) gehören die hörbaren Signale, also beispielsweise Sprachsignale.

Eine Anwendung der Emitterschaltung wäre daher zum Beispiel die Verstärkung eines Mikrophonsignals, um es auf einem Lautsprecher ausgeben zu können.

Die Emitterschaltung heißt so, weil Eingangssignal und Ausgangssignal als gemeinsamen Bezugspunkt den Emitteranschluss des Transistors haben.

Denkt man sich die Koppelkondensatoren weg, kann man das sehr leicht am Schaltbild erkennen. Das Eingangssignal liegt dann zwischen Basis und Emitter, währende das Ausgangssignal zwischen Kollektor und Emitter abgegriffen wird.

Bei dieser einfachen Schaltung ist dieser Zusammenhang noch sehr schön zu erkennen.

Bei Schaltungen, die wir in Zukunft analysieren, ist das leider nicht mehr ganz so einfach.

Der Aufbau der Emitterschaltung

Im Video wird zunächst einmal der Aufbau einer Emitterschaltung erläutert.

Der gewünschte Arbeitspunkt wird über die Widerstände eingestellt. Über Kondensatoren werden die Eingangsignale und Ausgangssignale an die Schaltung angekoppelt, bzw. die Arbeitspunkteinstellung abgekoppelt..

Zunächst wird gezeigt, wie man die Widerstände dimensioniert, um den gewünschten Arbeitspunkt einzustellen.

Der Basisvorwiderstand begrenzt hierzu den Basistrom. Man sucht sich also den gewünschten Basisstrom und kann damit dann die Größe des Basisvorwiderstandes berechnen.

Über den Kollektorwiderstand kann man den gewünschten Arbeitspunkt im Ausgangskennlinienfeld festlegen. Die Spannung U_CE wir häufig auf die Hälfte der Betriebsspannung eingestellt. Der Transistor arbeitet dann im sogenannten A-Betrieb.

Nach der Berechnung der Widerstandswerte zur Einstellung des Arbeitspunktes wird die Schaltung im Video mit Hilfe von LTSpice simuliert.

Die Einstellung des Arbeitspunktes wird zunächst überprüft. Nach zusätzlichem Anlegen des Eingangssignal erkennt man im Video die Verstärkung des Signals. Sehr schön erkennt man auch die Phasenverschiebung um 180° des Ausgangssignals im Vergleich zum sinus-förmigen Eingangssignals.

Am Ende des Videos werden noch die Eingangs- und Ausgangsimpedanzen und die Gesamtverstärkung der Emitterschaltung berechnet.

Das Video

In den nächsten Videos wird es vor allem um die Verwendung des Transistors als Verstärker gehen.

Zunächst einmal wird im heutigen Gastvideo die Funktionsweise von Bipolartransistoren und die typischen Kennlinienfelder erläutert.

Zu Beginn des Videos wird gezeigt, wie Transistoren aus unterschiedlichem Halbleitermaterial aufgebaut sind.

Dotierte Halbleiter als Grundmaterial für Transistoren

Bei den meisten Transistoren wird als Halbleitergrundmaterial Silizium verwendet.

Das 4-wertige Silizium wird auf zwei unterschiedliche Arten dotiert.

Hierzu nimmt man entweder 3-wertiges Material und erhält dann sogenannten  p-dotiertes Halbleitermaterial, in dem die Löcher überwiegen.

Die zweite Möglichkeit der Dotierung ist die Verwendung von 5-wertigem Material, zur Erzeugung von sogenanntem n-dotierten Halbleitermaterial, in dem die Elektronen überwiegen.

Der Aufbau von Bipolartransistoren

Das unterschiedlich dotierte Material kann man nun auf zwei Arten zusammenbringen und erhält so entweder einen npn oder einen pnp Transitor mit den Anschlüssen Basis, Kollektor und Emitter.

Zwischen Basis und Kollektor bzw. Basis und Emitter erhält man jeweils einen pn-Übergang.

Leitungsvorgang am Beispiel des npn Transistors

Im heutigen Video wird die Funkionsweise am Beispiel eines npn-Transistors erklärt.

Wenn der pn-Übergang der Basis-Emitter-Strecke durch das Anlegen einer Spannung abgebaut ist, wird die Kollektor-Emitter-Strecke leitend. Anschließend können Elektronen vom Emitter zum Kollektor fließen.

Nach der grundsätzlichen Funktionsweise wird die Schaltung in LTSpice nachgebaut und erläutert.

Im Video werden die wichtigen Kennlinien Einganskennlinie, Stromsteuerkennlinie und das Ausgangskennlinienfeld mit den charakterisierenden h-Parametern aufgenommen.

Bei der Abhängigkeit des Kollektorstroms vom Basisstrom sieht man die annähernd lineare Abhängigkeit.

Die Stromsteuerkennlinie, die die Abhängigkeit des Kollektorsstroms vom Basisstroms beschriebt ist also eine Gerade.

Man sieht hier sehr schön, dass der Transistor ein Stromverstärker ist.

Verstärkungsfaktoren liegen bei Kleinsignaltransistoren bei ca. 200 –300.

Wie geht’s weiter

Wie am Ende des Videos gezeigt wird, können geeignete Arbeitspunkte mit Hilfe von Widerständen eingestellt werden.

In den nächsten Folgen wird anhand der Transistor-Grundschaltungen gezeigt, wie das genau funktioniert.

Der Vorteil von Transistoren als Schalter gegenüber Relais besteht darin, dass elektrische Signale ohne mechanische Bewegungen geschaltet werden können.

Somit sind Transistoren praktisch verschleissfrei.

Eingesetzt werden Transistoren als Bestandteil elektronischer Schaltungen in der Nachrichtentechnik, der Leistungselektronik und in Computersystemen.

Immer häufiger werden Transistoren in integrierten Schaltkreisen verwendet, was die derzeit weit verbreitete Mikroelektronik ermöglicht.

In dieser Reihe zum Thema Transistoren werden ich zunächst einige Gastvideos vorstellen.

Heute geht es um eine kleine Einführung des mittlerweile wichtigsten Bauteils in der Elektronik. Das Video wurde von Sudenten des Studienganges Technikjournalismus der FH-BRS gedreht.

Laborversuche mit dem Transistor

Im heutigen Video unternimmt ein Student namens Tobias einen Laborversuch.

Bevor es mit der praktischen Umsetzung einer Verstärkerschaltung los geht, lernt Tobias, was ein Transistor ist, wie er funktioniert und was man damit machen kann.

Der Dozent, Dr. Ohm, erklärt zunächst den Aufbau und die Funktionsweise eines sogenannten npn-Transistors  mit den Anschlüssen Basis, Kollektor und Emitter.

Anschließend geht es aber sofort zur Sache.

Die erste Transistorschaltung wird aufgebaut.

Tobias erhält die Aufgabe eine einfache Transistor-Verstärkerschaltung aufzubauen.

Hierzu benötigt er lediglich einen Transistor, Widerstände zum Einstellen des Arbeitspunktes und Kondensatoren zum An- und Auskoppeln der Wechselsignale.

Das Einganssignal soll um das 100-fache verstärkt werden, damit es stark genug ist, um über einen Lautsprecher ausgegeben werden zu können.

Zwar hat Tobias beim Aufbau des Verstärkers noch einige Probleme (Ähnlichkeiten mit real existierenden Studenten sind zwar nicht beabsichtigt, können aber auch nicht ausgeschlossen werden), mit Dr. Ohms Hilfe funktioniert der Verstärker zu guter Letzt aber ausgezeichnet.

Der Transistor als Schalter

Neben der Verwendung als Verstärker werden Transistoren auch als Schalter eingesetzt. In einer Integrierten Schaltung (Chip) befinden sich beispielsweise mehrere Millarden Transitoren, die als winzige elektronische Schalter das Schalten elektrischer Signale mehrere Milliarden mal pro Sekunde ermöglichen.

Dieser Artikel ist als nicht ganz ernst gemeinte Einführung in das Thema Transistoren gedacht. In den nächsten Artikeln wird es dann aber ernsthafter – versprochen

Das Video

Für viele Aufgaben in der Elektrotechnik gibt es mittlerweile Standard-Bausteine, die sich über Jahre bewährt haben und immer wieder gerne eingesetzt werden.

Ein Standard-Baustein ist der Timerbaustein NE555.

Ob zur Taktung digitaler Schaltnetze oder zur Realisierung einfacher Blinkerschaltungen, häufig werden leicht aufzubauende zeitabhängige Kippschaltungen mit einstellbarer Impuls- und Pausenzeit benötigt.

Realisieren lassen sich solche Schaltungen zwar auch mit mit Hilfe von Transistorschaltungen, rückgekoppelter Operationsverstärker oder RS-Flipflops.

Ein Standardbaustein für den Aufbau von Kippschalungen ist jedoch der Timer-Baustein NE555. In einer dreiteiligen Artikelserie möchte ich den Aufbau einer einfachen Blinkerschaltung, eines sogenannten Astabilen Multivibraors oder einer astabilen Kippstufe, mit Hilfe des Timerbausteins NE555 zeigen.

Da die Erklärung der Schaltung etwas umfangreicher geworden sind, habe ich das Thema in 3 Artikel aufgeteilt.

In diesem Artikel wird der innerer Aufbau des NE 555 erklärt.
Der zweite Artikel beschäftigt sich mit der Realisierung des astabilen Multivibrators.
Im dritten Artikel werden dann die Takt-Zeiten für Impuls und Pause berechnet.

Der Aufbau eines NE 555 Bausteins

Das Verhalten des Bausteins NE555 wird durch die externe Beschaltung bestimmt. Um jedoch zu verstehen, wie man mit dem Baustein Ne555 Schaltungen aufbaut, die das gewünschte auch tatsächlich tun, muss man verstehen, wie der Baustein intern aufgebaut ist. Der Baustein allein realisiert nämlich noch keine Zeitfunktion. Der NE555 besteht aus einigen integrierten Komponenten, wie beispielsweise Komparatoren und einem RS-Flipflop. Zusammen mit wenigen externen Bauteilen wird die gewünschte Funktion, z.B. die eines Astabilen Multivibrators realisiert.

Zum Verständnis der Funktionsweise wird daher im ersten Video zunächst der innere Aufbau des NE555 erläutert.

In den weiteren Artikeln geht es dann um die externe Beschaltung, die aus dem NE555 eine astabile Kippstufe macht. In der dritten Folge kommt dann ein bißchen Mathematik dazu. Dort erläutere ich, wie man die Zeiten bzw. die Blinkfrequenz des Astabilen Multivibratrs berechnen kann.

Hier noch einmal die Links zur 2. und 3. Folge des Artikels.

Der zweite Artikel beschäftigt sich mit der Realisierung des astabilen Multivibrators.
Im dritten Artikel werden dann die Takt-Zeiten für Impuls und Pause berechnet.

In den beiden ersten Teilen der Kurz-Serie über den Astabilen Multivibrator mit dem Baustein NE555 ging es um den internen Aufbau des NE555 und um die prinzipielle Funktionsweise der Schaltung. In diesem Artikel wird es nun um die Berechnung der Impuls- und Pausezeiten gehen.

Das Datenblatt des NE555 gibt zur Berechnung der Zeiten einen Faktor 0,693 an.

Da die Ladung- und Entladefunktion den Verlauf einer e-Funktion hat, wird es in dem folgenden Video etwas mathematisch. Um zu verstehen, woher der Faktor 0,693 kommt, sollten Die die Begriffe „e-Funktion“ und „natürlicher Logarithmus“ für das folgende Video geläufig sein.

Die Funktionsweise der Schaltung

Nach dem Einschalten der Schaltung ist der Kondensator zunächst entladen. Die Spannung am Kondensator beträgt also U_C=0V.

Wie im vergangenen Video bereits gezeigt, wir wird der Kondensator anschließend geladen, bis er die Schwellspannung von 4 V erreicht hat.

Dann schaltet der NE555 die Ausgangsspannung auf Masse und der Kondensator entlädt sich wieder. Aber nur bis er die untere Schwellspannung von U_C=2V erreicht hat. Danach wird der Ausgang des NE555 wieder auf die Betriebsspannung geschaltet. In unserem Beispiel sind das 6V schaltet.

Das Aufladen von 0V auf 4V erfolgt also nur beim ersten Mal. Die späteren Ladezeiten sind kürzer, weil der Kondensator bereits auf 2 V aufgeladen ist.

Berechung der Ladezeit

Wie berechnen wir nun aber die Zeit zwischen der Aufladung von 2 V auf 4 V.

Hierzu kann man folgenden Trick anwenden.

Man berechnet zunächst die Aufladezeit von 0 bis 4 V und zieht dann die Zeit ab, die der Kondensator für die Aufladung von 0V auf 2 V benötigt hätte.

Berechnung der Entladezeit

Die Entladezeit ist einfacher zu berechnen.

Der Kondensator ist auf 4 Volt aufgeladen und entlädt sich dann auf 2 V. Hierfür haben wir eine einfache e-Funktion, mit der wir die Entladezeit berechnen können..

Im Video werde ich das ganze einmal durchrechnen .

Abschließend werde ich noch zeigen, wie man annähernd gleiche Zeiten für Puls und Pause realisieren kann.

Der Baustein NE 555 ermöglicht den Aufbau von zeitabhängigen Schaltungen mit nur wenigen externen Bauteilen.

Zentrale Komponenten zur Festlegung von Zeitkonstanten ist wie bei vielen Kippstufen ein RC-Glied. Die Funktion der Schaltung wird beim NE 555 über zwei Widerstände und einen Kondensator festgelegt.

Dieser Artikel ist der zweite Teil der dreiteiligen Kurz-Serie zum Astabilen Multivibrators mit Hilfe des NE555. Im 1.Teil ging es um den internen Aufbau des NE555.

Im folgenden Video zeige ich die äußere Beschaltung des NE 555 und die Funktionsweise der Schaltung.