Kollektorschaltung (Emitterfolger)

Eine Verstärkerstufe mit 5,6 kΩ Ausgangswiderstand liefert schöne 2 V Signal – solange niemand daran zieht. Hängst du ein Lautstärkepoti mit 1 kΩ, ein langes Kabel oder den Eingang einer Endstufe daran, bricht das Signal auf einen Bruchteil ein. Die Lösung ist eine Stufe, die die Spannung nicht vergrößert, sondern nur weitergibt, dabei aber viel Strom liefern kann: der Emitterfolger. Der Ausgang liegt am Emitter und folgt der Basis im Abstand von etwa 0,7 V.

Fachlich heißt er Kollektorschaltung, weil der Kollektor fest an der Versorgung hängt und für das Signal der gemeinsame Bezugspunkt von Ein- und Ausgang ist. Du findest ihn als Puffer hinter Verstärkern und Filtern, als Treiber für Leitungen, in jeder Gegentakt-Endstufe und als Stellglied im Längsregler mit Transistor.

Schaltplan

• T1, BC547B: ein NPN-Transistor für 100 mA und 625 mW, hier mit gut 8 mA Ruhestrom.
• R1 22 kΩ und R2 27 kΩ: legen die Basis auf gut 6,6 V, damit der Ausgang ungefähr in der Mitte der Versorgung ruht.
• RE 680 Ω: führt den Ruhestrom ab und zieht den Ausgang in der negativen Halbwelle nach unten.
• C1 1 μF und C2 22 μF: Koppelkondensatoren für Ein- und Ausgang. C2 ist groß, weil er gegen die niederohmige Last arbeitet.
• RL 1 kΩ: die Last, die du treiben willst.

So funktioniert die Schaltung

Der Transistor regelt seinen Emitterstrom so, dass zwischen Basis und Emitter immer etwa 0,7 V liegen. Hebt das Signal die Basis um 1 V, muss auch der Emitter um fast 1 V steigen. Die Spannungsverstärkung ist deshalb knapp 1, und Ein- und Ausgang sind gleichphasig. Das ist eine hundertprozentige Stromgegenkopplung: Die ganze Ausgangsspannung wirkt der Eingangsspannung entgegen (Arbeitspunkt und Stromgegenkopplung).

Der Gewinn liegt im Strom. Den Laststrom liefert der Kollektor aus der Versorgung; die Basis muss nur den h_FE-ten Teil davon aufbringen. Von der Basis aus gesehen erscheint jeder Widerstand am Emitter deshalb etwa (h_FE + 1)-mal größer. Umgekehrt sieht die Last am Emitter den Innenwiderstand der Quelle um denselben Faktor verkleinert. Daher der zweite Name Impedanzwandler: hochohmig hinein, niederohmig hinaus.

Einen Haken hat die Stufe. Nach oben treibt der Transistor beliebig viel Strom in die Last. Nach unten kann er nur seinen Strom zurücknehmen – bis auf null. Dann sperrt er, und allein RE zieht den Ausgang herunter. Reicht der Ruhestrom dafür nicht, wird die negative Halbwelle abgeschnitten:

Dimensionierung

Vorgabe: 12 V Versorgung, Last 1 kΩ (wechselstromgekoppelt), Ausgangssignal bis 3 V Scheitelwert, Quelle mit 5,6 kΩ Innenwiderstand – etwa der Ausgang einer Emitterschaltung.

1. Emitterspannung. Für große Signale in der Mitte: etwa 6 V. Dann ist nach oben und unten gleich viel Platz.

2. Ruhestrom aus der negativen Spitze. In der negativen Halbwelle muss der Strom durch RE und RL zusammen vom Transistor kommen, ohne dass er auf null fällt. Mit U_E als Ruhespannung muss gelten:

Mit Reserve wählst du 680 Ω aus der E12-Reihe; das ergibt rund 8,8 mA Ruhestrom bei 6 V.

3. Basisteiler. Der Basisstrom beträgt bis zu 8,8 mA / 200 = 44 μA. Damit er die Basisspannung kaum verschiebt, soll der Innenwiderstand des Teilers unter h_FE,min · R_E / 10 = 200 · 680 Ω / 10 = 13,6 kΩ bleiben. Gewählt R1 = 22 kΩ und R2 = 27 kΩ:

Am Emitter liegen 5,57 V. Zwischen h_FE = 200 und 450 schwankt der Strom nur zwischen 8,0 und 8,4 mA.

4. Aussteuerung prüfen. Die tiefste Ausgangsspannung, bevor der Transistor sperrt:

Die geforderten 3 V passen also. Nach oben ist bis etwa 11,7 V Platz.

5. Verstärkung, Eingangs- und Ausgangswiderstand. Der innere Emitterwiderstand ist r_e = 26 mV / 8,2 mA ≈ 3,2 Ω.

Die Quelle mit 5,6 kΩ Innenwiderstand sieht jetzt 11 kΩ statt 1 kΩ, und die Last sieht 16 Ω statt 5,6 kΩ.

6. Koppelkondensatoren. C1 arbeitet gegen Quelle plus Eingangswiderstand, 5,6 kΩ + 11 kΩ; mit 1 μF liegt die Grenzfrequenz bei 9,6 Hz. C2 arbeitet gegen die Last: 1 / (2π · 1 kΩ · 22 μF) ≈ 7,2 Hz. Beide nachrechnen kannst du mit dem Rechner RC-Grenzfrequenz.

Der Emitterfolger braucht also Ruhestrom. Für jede Lastspitze, die er nach unten liefern soll, muss mindestens derselbe Strom ständig fließen. Diese Verschwendung beseitigt erst die Gegentaktstufe.

Bauteilliste

Varianten

Bootstrap. Der Basisteiler drückt den Eingangswiderstand auf 11 kΩ, obwohl der Transistor 119 kΩ böte. Trennst du die Basis über einen zusätzlichen Widerstand von etwa 47 kΩ vom Teilerpunkt und koppelst diesen Punkt über einen Kondensator von 10 μF an den Emitter, schwingt der Teilerpunkt mit dem Signal mit. Über den 47-kΩ-Widerstand fließt dann kaum Signalstrom, und der Eingangswiderstand steigt auf rund 100 kΩ.

Darlington. Zwei Transistoren hintereinander multiplizieren die Stromverstärkung. Ein Darlington-Transistor treibt auch Lasten von wenigen Ohm, verliert aber 1,2 bis 1,4 V zwischen Basis und Emitter.

Gleichspannungsgekoppelt. Hinter einer Emitterschaltung kannst du die Basis direkt an den Kollektor hängen; dann entfallen Teiler und C1. Den Arbeitspunkt bestimmt die Vorstufe.

Gegentakt. Ein NPN-Folger für die positive und ein PNP-Folger für die negative Halbwelle brauchen kaum Ruhestrom: die Gegentakt-Endstufe. Für Gleichspannung mit Z-Diode an der Basis wird aus dem Folger ein Längsregler.

Typische Fehler

• Untere Halbwelle abgeflacht: Ruhestrom zu klein für die Last. Prüfe I_E · (R_E ‖ R_L) > û, und verkleinere RE.
• Obere Halbwelle abgeflacht: Basis zu hoch eingestellt oder Signal zu groß. Der Emitter kann nicht über etwa 11,7 V steigen.
• Schwingen bei hohen Frequenzen: Emitterfolger mit kapazitiver Last, etwa einem langen Kabel, neigen zu Schwingungen im MHz-Bereich. Ein Widerstand von 100 bis 220 Ω direkt an der Basis oder von 47 bis 100 Ω in Reihe zum Ausgang beruhigt sie. Mit dem Oszilloskop siehst du das als verschmierte Linie.
• Transistor stirbt beim Abziehen: Ein geladener Ausgangskondensator oder eine kapazitive Last kann den Emitter über die Basis heben und die Basis-Emitter-Strecke in Sperrrichtung über ihre erlaubten 6 V treiben. Eine Diode von Emitter nach Basis (Kathode an der Basis) schützt.

Selbsttest