8.4 Weniger Strom
Beschreibung der Schaltung
Burkhard Kainka:
Wenn
der Stromspiegel einen geringeren Strom liefern soll, kann man eine
Emitter-Gegenkopplung des rechten Transistors einsetzen. Der Spannungsabfall am
Emitterwiderstand, hebt die Emitterspannung an und verringert damit die
Spannung zwischen Basis und Emitter. Damit verringert sich der Kollektorstrom
des rechten Transistors. Bei einem Emitterwiderstand von 1 kΩ wurde ein
LED-Strom von nur noch 50 µA gemessen.
Schaltungssimulation mit EveryCircuit
Schaltung
1 und Schaltung 2
Zum Vergleich die Schaltung einmal mit
Emitterwiderstand (links) und einmal ohne Emitterwiderstand (rechts).
Transistor 1 gibt jeweils die Basisspannung
für Transistor 2 vor (Stromspiegel, s.
auch die Besprechung „Mehr Strom“).
Schaltung
1: Durch den Emitterwiderstand R3 fällt an der
Basis-Emitter-Strecke von Transistor 2 nicht die komplette Basisspannung in der
Höhe von 688 mV, sondern nur 640 mV ab. Die Differenzspannung in der Höhe von
48,4 mV ergibt sich als Spannungsabfall am Emitterwiderstand, der damit die
Spannung an der Basis-Emitter-Strecke reduziert. Damit fließt auch weniger
Basisstrom.
Eine verminderte Basis-Emitter-Spannung –
und somit auch weniger Basisstrom - erhöht wiederum den Widerstand der
Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors. Damit reduziert sich an Transistor 2
der Kollektorstrom IC, der gleichzeitig den Laststrom durch die LED
darstellt. Als Ergebnis leuchtet die LED schwächer als in der Schaltung 2, bei
der kein Emitterwiderstand geschaltet ist.
In
Schaltung 2 – ohne Emitterwiderstand R3 - fällt hingegen die gesamte
Basisspannung an der Basis-Emitter-Strecke von Transistor 2 ab, es fließt damit
auch mehr Basisstrom. Der Widerstand der Kollektor-Emitter-Strecke wird in der
Folge kleiner, es fließt mehr Kollektorstrom - und damit auch mehr Laststrom
durch die LED, die als Ergebnis heller leuchtet.
Zum besseren Verständnis sind in den beiden
Schaltbildern - zusätzlich zu den Potentialen - auch die Spannungsabfälle an
den Bauteilen sichtbar gemacht (virtuelles Voltmeter). Ebenso der jeweilige
Basisstrom (virtuelles Amperemeter), der in der zweiten Schaltung größer ist.
Spannungsgeschehen
am Transistor
Zum besseren Verständnis des
Spannungsgeschehens am Transistor hilft es, sich die beiden Reihenschaltungen,
die grundsätzlich am Bauteil wirksam werden und über die die Betriebsspannung
abfällt, anzusehen. Jede Station in dieser Reihe bildet einen Widerstand, der
eine Teilspannung hervorruft.
·
Einerseits die Reihe Basiswiderstand -
Basis-Emitter-Strecke und Emitterwiderstand (falls vorhanden), über die der
Basisstrom nach Masse abfließt.
·
Und andererseits die Reihe Last (falls vorhanden, hier die
LED mit Vorwiderstand R2) – Kollektor-Emitter-Strecke
und Emitterwiderstand (falls
vorhanden), ebenfalls nach Masse.
·
Über beide Strecken fällt die
Betriebsspannung jeweils zur Gänze ab (Maschenregel nach Kirchhoff).
Den Transistor als Schalter (wie in diesen
beiden Fällen) kann man dabei als variablen Widerstand verstehen, der durch den
Basisstrom gesteuert wird. Maximaler Basisstrom macht die
Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors nahezu niederohmig, Null Basisstrom
hochohmig. Daher sollte immer auch die jeweilige Leistungsgrenze des
Transistors beachtet werden, damit sich über der Schaltung kein spontanes
Rauchwölkchen bildet ;-)
Simulation
und Wirklichkeit – zwei unterschiedliche Bühnen
Gerade bei Transistorschaltungen lohnt sich
die Arbeit mit Schaltungssimulations-Programmen. Die Vorgänge in der Schaltung
sind komplex, die Berechnung der jeweiligen Spannungen und Ströme ist nicht
ganz einfach, gerade im Zusammenspiel mit anderen Bauteilen.
Wie immer gilt, dass Simulation und
Wirklichkeit zwei unterschiedliche Bühnen sind. Auch die beste Simulation kann
die reale Situation – zB am Steckbrett – nicht nachbilden. Bauteiletoleranzen,
Stabilität der Spannungsversorgung, Kontaktprobleme, Umgebungstemperatur und
andere Einflüsse spielen mit, was sich dann meist auch an abweichenden
Messergebnissen bei der realen Schaltung zeigt. Aber man hat mit der Simulation
bereits einen ersten Anhaltspunkt, ob die Dimensionierung und Berechnung der
Schaltung auf dem richtigen Weg ist.
Anmerkung BK: Man kann in Halbleiterschaltungen
den statischen Widerstand betrachten oder den differentiellen Widerstand. Der
statische Widerstand beschreibt einfach das Verhalten mit den ermittelten
Spannungen und Strömen. Der differenzielle Widerstand (auch Impedanz)
beschreibt die Verhältnisse bei kleinen Strom- oder Spannungsänderungen. Zwischen
Basis und Emitter ist die Impedanz viel kleiner als der statische Widerstand,
weil wenig Spannungsänderung den Strom stark ändert (vgl. Steilheit und Innenwiderstand). Zwischen Kollektor und Emitter
ist es umgekehrt. Die Impedanz ist sehr groß, weil eine große Spannungsänderung
den Strom nur wenig ändert.