6.1 Gegenkopplung
Beschreibung der Schaltung
Burkhard Kainka:
Während
Widerstände mit Toleranzen von nicht mehr als 5 % gefertigt werden, muss man
beim Stromverstärkungsfaktor eines Transistors mit wesentlich größeren
Abweichungen rechnen. Ein BC547C kann einen Verstärkungsfaktor im Bereich 420
bis 800 haben. Da ist es eine Herausforderung, Schaltungen zu entwickeln, die
trotzdem in jedem Fall gleich gut funktionieren. Eine der einfachsten und oft
schon ausreichenden Maßnahmen, ist die Gegenkopplung vom Kollektor auf die
Basis. Wenn
man den Basiswiderstand nicht nach Plus verbindet sondern zum Kollektor, stellt
sich ein mittlerer Kollektorstrom ein. Wäre nämlich der Transistor immer noch
voll durchgesteuert, würde er sich selbst den Basisstrom abschalten. Ein
größerer Kollektorstrom bewirkt einen größeren Spannungsabfall am
Arbeitswiderstand und damit eine kleinere Spannung am Basiswiderstand. Dieses
Prinzip nennt man Gegenkopplung. Es führt automatisch zu einem mittleren
Kollektorstrom. Das kann man daran erkennen, dass die LED bei einer externen
Verbindung zwischen Kollektor und Emitter deutlich heller wird.
Schaltungssimulation mit EveryCircuit
SCHALTER OFFEN
Durch die Gegenkopplung Kollektor - Basis
teilt sich der Laststrom in der Höhe von 2,27 mA am Eingang des Kollektors von
T1 auf: 4,53 uA fließen als Basisstrom IB über R2 nach der Basis von
T1 ab und 2,26 mA gehen als Kollektorstrom IC
durch die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors. 2,27 mA (= IC + IB)
verlassen T1 als Emitterstrom IE gegen Masse. Damit ist das erste Kirchhoffsche Gesetz,
der Knotenpunktsatz (Knotenregel) erfüllt:
In einem Knotenpunkt eines elektrischen
Netzwerkes ist die Summe der zufließenden Ströme gleich der Summe der
abfließenden Ströme.1
Berechnung der Stromverstärkung B
B = IC / IB
B = (2,26 * 10-3A) / (4,53 * 10-6A) ~ 499
Damit stellt der Transistor durch die
Gegenkopplung nahezu die maximale Stromverstärkung her, die seiner
Verstärkungsklasse (hier C) entspricht. In der Simulation wurde für den
Transistor B = 500 als Bauteilwert eingegeben,
die somit (fast) erreicht werden.
Zum Vergleich die Stromverstärkung bei B = 100
B = IC / IB
B = (1,2 * 10-3A) / (11,9 * 10-6A) ~ 101
SCHALTER GESCHLOSSEN
Über Schalter S1 werden Transistor und
Gegenkopplung gegen Masse kurzgeschlossen. Es fließt somit kein Strom durch T1
und R2. Der Laststrom, der LED1 betreibt, erreicht über
R1 als Vorwiderstand 3,27 mA - das entspricht einer Differenz von +1 mA gegenüber
der Schaltung mit aktiviertem Transistor.
Fazit
Das Beispiel zeigt, dass der Transistor über
die Gegenkopplung nicht voll durchgeschaltet wird und daher ein geringerer
Laststrom fließt. Die LED leuchtet somit weniger hell. Die Annahme von Burkhard Kainka (s. oben
„Beschreibung der Schaltung“), dass – im Umkehrschluss – die LED bei
Überbrückung (Kurzschließen) des Transistors gegen Masse heller leuchtet, ist
durch die Simulation bestätigt. Bei einem Nennstrom von 20 mA für eine LED
bedeutet eine Differenz von 1 mA einen deutlich sichtbaren
Helligkeitsunterschied, der auch in der Simulation angezeigt wird (grüner
„Halo“ der LED).
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1https://de.wikipedia.org/wiki/Kirchhoffsche_Regeln