Emitterschaltung

Ein dynamisches Mikrofon liefert ein paar Millivolt, ein Piezo-Tonabnehmer oder ein Sensor kaum mehr. Bevor so ein Signal in einen Analog-Digital-Wandler oder einen Kopfhörerverstärker geht, muss es größer werden. Die einfachste Stufe dafür besteht aus einem NPN-Transistor, vier Widerständen und drei Kondensatoren: die Emitterschaltung. Ihren Namen hat sie, weil der Emitter für Ein- und Ausgang der gemeinsame Bezugspunkt ist; das Signal geht an die Basis hinein und am Kollektor heraus.

Unter allen drei Grundschaltungen des Bipolartransistors bringt sie als einzige zugleich Spannungs- und Stromverstärkung. Du findest sie als Vorverstärker, als Treiberstufe vor einer Gegentakt-Endstufe und als Baustein in fast jedem diskreten Verstärker.

Schaltplan

• T1, BC547B: der Verstärker. Seine Stromverstärkung liegt laut Datenblatt zwischen 200 und 450.
• R1 100 kΩ und R2 18 kΩ: der Basisspannungsteiler. Er legt die Gleichspannung an der Basis und damit den Arbeitspunkt fest.
• RC 5,6 kΩ: der Kollektorwiderstand. Er setzt die Stromänderung des Transistors in eine Spannungsänderung um.
• RE1 220 Ω und RE2 1 kΩ: der Emitterwiderstand, in zwei Teile geteilt. Zusammen stabilisieren sie den Gleichstrom, RE1 allein bestimmt die Wechselspannungsverstärkung.
• CE 100 μF: überbrückt RE2 für das Signal, nicht aber für Gleichstrom.
• C1 und C2, je 1 μF: Koppelkondensatoren. Sie lassen das Wechselsignal durch und halten die Gleichspannungen von Quelle und Folgestufe vom Arbeitspunkt fern.

So funktioniert die Schaltung

Ohne Signal fließt ein fester Ruhestrom von knapp 1 mA durch den Transistor. Am Kollektor stellt sich dadurch eine Spannung von etwa 6,8 V ein, ungefähr in der Mitte zwischen Emitter und Versorgung. Von dort kann der Ausgang nach oben wie nach unten gleich weit ausschwingen.

Kommt eine Wechselspannung an die Basis, folgt ihr die Emitterspannung fast genau, denn zwischen Basis und Emitter liegen immer rund 0,65 V. Weil CE den Widerstand RE2 für Wechselstrom kurzschließt, liegt die ganze Signalspannung an RE1 und am kleinen inneren Emitterwiderstand r_e des Transistors. Der Emitterstrom ändert sich also um u_e / (r_e + R_E1). Fast derselbe Strom fließt durch RC und erzeugt dort den Spannungsabfall, der am Kollektor als Ausgangssignal erscheint.

Steigt die Basisspannung, fließt mehr Strom, an RC fällt mehr ab, und der Kollektor sinkt. Das Ausgangssignal ist deshalb invertiert: Ein- und Ausgang stehen gegeneinander, bei Sinus also um 180° versetzt.

Der innere Emitterwiderstand hängt vom Ruhestrom ab: r_e = U_T / I_C mit der Temperaturspannung U_T ≈ 26 mV. Er ist nicht linear. Ohne RE1 würde schon ein Eingangssignal von 10 mV Scheitelwert den Kollektorstrom um +47 % und −32 % schwanken lassen; die Sinuskurve wird schief, und es entstehen Verzerrungen. RE1 ist um ein Vielfaches größer als r_e und nimmt den Großteil der Signalspannung auf. Diese Stromgegenkopplung kostet Verstärkung, macht die Stufe aber linear und nahezu unabhängig vom Exemplar. Wie sie den Gleichstrom-Arbeitspunkt stabil hält, zeigt Arbeitspunkt und Stromgegenkopplung.

Dimensionierung

Die Vorgaben: 12 V Versorgung, Spannungsverstärkung um 20, untere Grenzfrequenz unter 20 Hz, Transistor BC547B.

1. Ruhestrom. Etwa 1 mA ist für einen Kleinsignaltransistor ein guter Kompromiss aus Rauschen, Bandbreite und Stromaufnahme.

2. Emitterspannung. Rund ein Zehntel der Versorgung, also 1,2 V. Damit fängt die Stufe Temperaturdrift gut ab und verschenkt wenig Aussteuerbereich:

3. Kollektorwiderstand. Der Kollektor soll in der Mitte zwischen Emitter und Versorgung liegen, bei (12 V + 1,2 V) / 2 = 6,6 V:

4. Basisspannungsteiler. Die Basis braucht 1,2 V + 0,65 V ≈ 1,85 V. Der Querstrom durch den Teiler soll mindestens zehnmal größer sein als der Basisstrom. Im ungünstigsten Fall, mit h_FE = 200, sind das 5 μA; also sind 50 μA das Minimum. Mit R1 = 100 kΩ und R2 = 18 kΩ fließen 12 V / 118 kΩ ≈ 0,10 mA, und unbelastet liegen an der Basis:

Der Basisstrom zieht sie über den Innenwiderstand des Teilers (R₁ ‖ R₂ = 15,3 kΩ) um rund 0,05 V herunter. Mit typischer Stromverstärkung 290 ergibt sich:

Am Emitter liegen 1,13 V, an der Basis 1,78 V, am Kollektor 12 V − 5,6 kΩ · 0,92 mA = 6,82 V. Mit einem BC547B von h_FE = 200 wären es 0,91 mA, mit 450 dann 0,94 mA: kaum ein Unterschied.

5. Verstärkung. Der innere Emitterwiderstand ist r_e = 26 mV / 0,92 mA ≈ 28 Ω. Der gesamte Emitterwiderstand von 1,2 kΩ wird in RE1 = 220 Ω und RE2 = 1 kΩ aufgeteilt; nur RE1 bleibt für das Signal stehen:

Das sind 27 dB (Dezibel). Das Minus steht für die Invertierung.

6. Eingangs- und Ausgangswiderstand. In die Basis hinein wirkt (h_FE + 1) · (r_e + R_E1) = 291 · 248 Ω ≈ 72 kΩ, parallel dazu der Teiler:

Der Ausgangswiderstand ist praktisch RC, also 5,6 kΩ. Belastest du den Ausgang mit 10 kΩ, sinkt die Verstärkung auf (5,6 kΩ ‖ 10 kΩ) / 248 Ω ≈ 14,5. Für niederohmige Lasten gehört ein Emitterfolger dahinter.

7. Kondensatoren. Jeder Koppelkondensator bildet mit dem Widerstand dahinter einen Hochpass. C1 sieht 12,6 kΩ:

C2 sieht RC plus die Last; mit 47 kΩ Folgestufe liegt seine Grenze bei 3 Hz. CE wirkt gegen den kleinen Widerstand R_E2 ‖ (r_e + R_E1) ≈ 1 kΩ ‖ 248 Ω ≈ 199 Ω, mit 100 μF bei 8 Hz. Zusammen ergibt sich eine untere Grenzfrequenz von etwa 17 Hz.

Das Diagramm zeigt die Wirkung von RE1. Überbrückt CE den ganzen Emitterwiderstand, verstärkt die Stufe fast 200-fach – aber nur so lange, wie Temperatur, Exemplar und Signalgröße mitspielen, und der Kondensator müsste fünfmal größer sein, um dieselbe untere Grenze zu erreichen. Ohne CE bleibt die Verstärkung bei 4,4.

Bauteilliste

Alle Widerstände 0,25 W, Metallschicht mit 1 % Toleranz rauscht weniger als Kohleschicht.

Varianten

Andere Verstärkung. RE1 ändern und den Rest stehen lassen: 100 Ω ergeben etwa 44-fach, 470 Ω etwa 11-fach. RE1 + RE2 sollte bei rund 1,2 kΩ bleiben, damit der Arbeitspunkt stimmt.

PNP-Version. Mit einem BC557B und gespiegelten Spannungen funktioniert alles genauso; das braucht man, wenn die Signalquelle auf der Plusschiene sitzt.

Zweistufig. Zwei Stufen hintereinander, gleichstromgekoppelt und über eine gemeinsame Gegenkopplung stabilisiert, verstärken mehrere hundertfach und bleiben trotzdem stabil. Wer so viel Verstärkung braucht, greift heute oft zum nichtinvertierenden Verstärker mit Operationsverstärker.

Mikrofon. Für ein Elektretmikrofon kommt ein Speisewiderstand vor C1 dazu, siehe Elektret-Mikrofonverstärker.

Typische Fehler

• Kollektorspannung nahe 12 V: Der Transistor sperrt. Basisspannung messen; liegt sie unter 1 V, stimmt der Teiler nicht oder R2 ist zu klein.
• Kollektorspannung unter 2 V: Der Transistor ist gesättigt, meist weil RE kurzgeschlossen ist, R1 zu klein gewählt wurde oder Kollektor und Emitter vertauscht sind.
• Ausgangssignal oben oder unten abgeflacht: Eingangssignal zu groß oder Arbeitspunkt nicht in der Mitte. Mit dem Oszilloskop siehst du, welche Halbwelle zuerst abschneidet.
• Bass fehlt: CE oder C1 zu klein. Eine untere Grenzfrequenz misst du, indem du die Frequenz senkst, bis der Ausgang auf 71 % fällt.
• Brummen oder Pfeifen: Die Versorgung ist nicht sauber. Ein Abblockkondensator von 100 μF parallel 100 nF direkt an der Stufe hilft, bei mehreren Stufen zusätzlich ein RC-Siebglied in der Versorgung.

Selbsttest