50Ω Lernplattform für Amateurfunk

Lösungsweg: AD408

Frage: Das Signal $U_{\textrm{E}}$ wird auf den Eingang folgender Schaltung gegeben. In welcher Antwort sind alle dargestellten Signale phasenrichtig zugeordnet?

Kurzbeschreibung: Schaltbild mit einem Bipolartransistor, mehreren Widerständen und Kondensatoren, Versorgungsanschlüssen „+“ und „−“, Beschriftungen „U_E“, „I_B“, „I_C“, „U_CE“, „U_A“ sowie zwei kleinen Zeitdiagrammen für „U_E(t)“ und „I_B(t)“.

Ausführliche Beschreibung: Oben und unten verlaufen zwei horizontale Leiter; rechts sind sie mit „+“ (oben) und „−“ (unten) beschriftet. Links oben ist ein Kondensator gezeichnet, dessen oberes Ende am oberen Leiter liegt. In der Mitte links führt ein Koppelkondensator von einem linken offenen Anschluss (kleiner offener Kreis) zu einem Knotenpunkt. An diesem Knoten treffen vier Elemente zusammen: die Basis des in der Mitte liegenden Bipolartransistors (Basis links, Kollektor oben, Emitter unten), ein Widerstand nach oben zum „+“-Leiter, ein Widerstand nach unten zum „−“-Leiter sowie der linke Koppelkondensator. Am Basiseingang zeigt ein Pfeil mit der Beschriftung „I_B“ auf die Basis. Der Transistor-Kollektor ist über einen senkrechten Widerstand nach oben zum „+“-Leiter geführt. Vom Kollektor geht rechts ein weiterer Koppelkondensator zu einem rechten offenen Anschluss (kleiner offener Kreis). Neben dem Kollektor ist ein nach unten gerichteter Pfeil mit „I_C“ eingezeichnet. Der Emitter führt nach unten zu einem Erdungssymbol, das mit dem unteren „−“-Leiter verbunden ist. Links neben dem linken Koppelkondensator steht ein nach unten gerichteter Pfeil mit „U_E“. Rechts neben dem Transistor ist ein nach unten gerichteter Pfeil mit „U_CE“. Ganz rechts neben dem rechten Koppelkondensator steht ein nach unten gerichteter Pfeil mit „U_A“. Unten sind zwei kleine Diagramme dargestellt: links eine Achsenskizze mit „U_E“ (senkrecht) und „t“ (waagerecht) sowie eine sinusförmige Kurve; rechts eine Achsenskizze mit „I_B“ (senkrecht) und „t“ (waagerecht) sowie eine leicht wellige Kurve.

Lösung:

1) Kurzbeschreibung: Drei Diagramme übereinander liegend; oberes Diagramm mit einer horizontalen Achse „t“ und einer vertikalen Achse „I_C“; mittleres Diagramm mit einer horizontalen Achse „t“ und einer vertikalen Achse „U_CE“; unteres Diagramm mit einer horizontalen Achse „t“ und einer vertikalen Achse „U_A“; Sinuskurven in jedem Diagramm; Kurve im oberen Diagramm oberhalb der Nulllinie bleibend, bei einem mittleren Wert beginnend, zu einem Maximum ansteigend, dann zu einem Minimum abfallend und wieder ansteigend usw.; Kurve im mittleren Diagramm oberhalb der Nulllinie bleibend, bei einem mittleren Wert beginnend, zu einem Minimum abfallend, dann zu einem Maximum ansteigend und wieder abfallend usw.; Kurve im unteren Diagramm um die Nulllinie verlaufend, im Nullpunkt beginnend, zu einem Minimum abfallend, dann zu einem Maximum ansteigend und wieder abfallend usw.

2) Ausführliche Beschreibung: Die Abbildung zeigt drei Koordinatensysteme übereinander liegend. Das obere Diagramm hat eine horizontale Achse „t“ und eine vertikale Achse „I_C“. Eine Sinuskurve verläuft oberhalb der Nulllinie, beginnt bei einem mittleren Wert, steigt zu einem Maximum an, fällt dann zu einem Minimum ab und steigt wieder an usw. Das mittlere Diagramm hat eine horizontale Achse „t“ und eine vertikale Achse „U_CE“. Eine Sinuskurve verläuft oberhalb der Nulllinie, beginnt bei einem mittleren Wert, fällt zu einem Minimum ab, steigt dann zu einem Maximum an und fällt wieder ab usw. Das untere Diagramm hat eine horizontale Achse „t“ und eine vertikale Achse „U_A“. Eine Sinuskurve verläuft um die Nulllinie, beginnt im Nullpunkt, fällt zu einem Minimum ab, steigt dann zu einem Maximum an und fällt wieder ab usw. Die Maxima im oberen Diagramm und die Minima in den beiden unteren Diagrammen liegen auf gleicher Höhe in Bezug auf die „t“-Achse.

Der Basisstrom $I_B$ folgt der Eingangsspannung $U_E$. Steigt $U_E$, so steigen auch der Basisstrom $I_B$ und der Kollektorstrom $I_C$. Durch den größeren Kollektorstrom nimmt der Spannungsabfall am Kollektorwiderstand zu, sodass die Kollektor-Emitter-Spannung $U_{CE}$ sinkt. $U_{CE}$ ist daher gegenüber $U_E$ und $I_C$ um $\qty{180}{\degree}$ phasenverschoben.

Der Koppelkondensator am Ausgang entfernt lediglich den Gleichspannungsanteil. Die Ausgangsspannung $U_A$ besitzt deshalb dieselbe Phasenlage wie der Wechselspannungsanteil von $U_{CE}$, ist jedoch um die Nulllinie zentriert. Somit sind $I_C$ und $U_E$ phasengleich, während $U_{CE}$ und $U_A$ dazu gegenphasig verlaufen.