Spannungsfolger-Verstärker: Design, Aufbau und Messanleitung

Bauteile & Materialien

• Ein NPN-Transistor – Modelle 2N2222 oder 2N3403 empfohlen. Ein 15er-Pack (Radio Shack #276-1617) eignet sich ideal für dieses und andere Projekte.
• Zwei 6-Volt-Batterien
• Zwei 1-kΩ-Widerstände
• Ein 10-kΩ-Eingangs-Potentiometer, lineares Taper (Radio Shack #271-1715)

Transistor-Pinbelegungen variieren selbst bei optisch identischen Gehäusen. Konsultieren Sie stets das Hersteller-Datenblatt vor dem Verdrahten. Eine schnelle Prüfung mit der Dioden-Testfunktion eines Multimeters ist dringend ratsam.

Für eine Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Identifikation bipolarer Transistor-Anschlüsse mit Multimeter siehe Kapitel 4 der Semiconductor Volume III-Reihe.

Querverweise

Lessons In Electric Circuits, Band 3, Kapitel 4: „Bipolar Junction Transistors.“

Lernziele

• Rolle des Schaltkreis-„Masse“ verstehen, wenn keine Erderdung existiert
• Shunt-Widerstand zur Strommessung mit Voltmeter nutzen
• Verstärkerspannungsverstärkung bestimmen
• Verstärkerstromverstärkung bestimmen
• Impedanztransformation in einem Verstärker erforschen

Schaltplan

 

 

Aufbauillustration

 

 

Anleitung

Da der verwendete Transistor möglicherweise nicht die hier gezeigte Pinbelegung hat, muss das Breadboard-Layout der Illustration eventuell angepasst werden. In den Abbildungen sind alle TO-92-Transistoren mit „CBE“ – Kollektor, Basis, Emitter – von links nach rechts beschriftet. Dies gilt für 2N2222 und ähnliche Typen, aber nicht für jedes NPN-Bauelement. Prüfen Sie die Pin-Zuordnung für Ihr konkretes Bauteil.

Bei Bipolartransistoren kann ein Multimeter die Pinbelegung schnell bestätigen. Der Spannungsfolger ist der einfachste und sicherste Transistorverstärker zum Aufbau.

Sein Zweck ist es, dem Lastwiderstand dieselbe Spannung wie am Eingang zu liefern, aber mit deutlich höherer Stromfähigkeit. Er hat keine Spannungsverstärkung, bietet aber erhebliche Stromverstärkung.

Im Schaltplan ist der Minuspol der Spannungsversorgung als „Masse“ markiert. Dieser Bezugspunkt ist nicht notwendigerweise mit Erde verbunden; er definiert lediglich die Spannungsbasislinie für den Kreis.

Beispielsweise wird die Basisspannung (V_B) relativ zu dieser Masse gemessen. Zwar ist die Rede von Spannung „an“ einem einzelnen Punkt normalerweise bedeutungslos, doch ein gemeinsamer Bezugspunkt macht solche Aussagen nützlich.

 

 

Bauen Sie die Schaltung auf und protokollieren Sie Ausgangsspannung versus Eingangsspannung für mehrere Potentiometerstellungen. Eingangsspannung ist die Spannung am Potentiometer-Schleifer relativ zur Masse; Ausgangsspannung ist die Spannung am Lastwiderstand (oder Emitters pannung).

Sie sollten eine enge Korrelation beobachten: Eine Änderung am Eingang erzeugt eine fast gleich große Änderung am Ausgang, mit einem kleinen Abfall (~0,6 V) durch Transistorsättigung. Dieses 1:1-Verhältnis deutet auf eine AC-Spannungsverstärkung von annähernd 1 hin.

Vergleichen Sie als Nächstes Basisstrom (Eingang) mit Laststrom (Ausgang). Statt eines Amperemeters messen Sie die Spannung an den 1-kΩ-Widerständen und wenden das Ohmsche Gesetz an (I = U/R). Mit 1-kΩ-Widerständen fließt 1 mA pro Volt Spannungsfall.

Für maximale Genauigkeit messen Sie den tatsächlichen Wert jedes Widerstands, wobei Abweichungen für dieses Experiment meist vernachlässigbar sind. Diese Shunt-Widerstände wandeln Strom in messbare Spannung um.

Sie werden eine große Diskrepanz zwischen Ein- und Ausgangsströmen finden – Stromverstärkungen übersteigen oft 200 bei niedrigen Signalpegeln. Dies ist der Kernvorteil des Spannungsfolgers: Er verstärkt Strom ohne die Spannung zu verändern.

In Impedanz-Begriffen präsentiert der Verstärker hohe Eingangsimpedanz (minimaler Strombedarf) und niedrige Ausgangsimpedanz (fähig, hohen Strom zu liefern). Dies macht ihn ideal zum Puffern von Signalen zwischen Stufen.

Computersimulation

Schaltplan mit SPICE-Knotennummern:

 

 

Netlist (kopieren Sie folgenden Text in eine .cir-Datei und führen Sie mit SPICE aus):

Voltage follower
v1 1 0
rpot1 1 2 5k
rpot2 2 0 5k
rbase 2 3 1k
rload 4 0 1k
q1 1 3 4 mod1
.model mod1 npn bf=200
.dc v1 12 12 1
.print dc v(2,0) v(4,0) v(2,3)
.end

Die Simulation liefert eine Eingangsspannung von 5,937 V und einen Ausgang von 5,095 V, mit einem Eingangsstrom von 25,35 µA (durch 1-kΩ-Basiswiderstand) und einem Ausgangsstrom von 5,095 mA (durch 1-kΩ-Last). Die Anpassung der Potentiometerwerte (R_pot1 und R_pot2) bei konstanter Summe von 10 kΩ ändert die Eingangsspannung entsprechend.

ZUGEHÖRIGES ARBEITSBLATT:

• Bipolar Transistor Biasing Circuits Worksheet