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Verstärker von Spannung, Strom und Leistung

 

Als Verstärker bezeichnet man in mehreren Stufen zusammengefasste elektronische Schaltungen oder Geräte, die unter Verwendung von aktiven Bauelementen, wie z.B. Transistoren, oder seltener (bei Spezialanwendungen) auch Elektronenröhren Spannungen, Ströme oder Leistungen verstärken, d. h. vergrößern. Aktive Bauelemente liefern bei Zuführung von Hilfsenergie und geringer Ansteuerleistung eine größere Ausgangsleistung.

 

 Arten von Verstärkern

 

Die Verstärkung eines Signals geschieht oft in mehreren Stufen, z.B. Vor- und Endstufen, wobei man verschiedene Schaltungsarten unterscheidet: den Eintaktverstärker und den Gegentaktverstärker. Der Eintaktverstärker ist eine Schaltungsart zur Niederfrequenzleistungsverstärkung, bei der das gesamte Signal (positive und negative Halbwelle der Wechselspannung) von einem Verstärkerelement (z.B. dem Transistor) verarbeitet wird. Im Gegensatz dazu wird beim Gegentaktverstärker das zu verstärkende Wechselstromsignal in die positiven und negativen Halbwellen aufgeteilt, wobei jeder Halbwelle ein Transistor zur Verfügung steht. Die verstärkten Halbwellen werden anschließend wieder zu einem Signal zusammengefügt, das dann z. B. einem Lautsprecher zugeführt werden kann.

 

Bei Verstärkern ist eine Kopplung, d. h. die Übertragung von elektrischen Signalen von einem Stromkreis auf einen anderen, zwischen den einzelnen Stufen notwendig. Die Kopplungen werden induktiv (mittels Spulen [Magnetfeld]), kapazitiv (mittels Kondensatoren [elektrisches Feld]), galvanisch (mittels ohmscher Widerstände [leitende Verbindungen]) oder optisch (z.B. mittels Optokoppler, der aus einem Lichtsender und -empfänger besteht) realisiert. Die induktive und kapazitive Kopplung lässt nur die Übertragung von Wechselspannungen zu, die galvanische Kopplung auch Gleichspannungen. Meistens sind die einzelnen Verstärkerstufen durch einen Koppelkondensator (also kapazitiv) miteinander verbunden. Bei Bandfiltern findet man sowohl induktive als auch kapazitive Kopplung. Als Rückkopplung bezeichnet man Schaltungen, bei denen die Ausgangsgröße (Strom oder Spannung) eines Vierpols (elektrisches Netzwerk mit je zwei Eingangs- und Ausgangsklemmen) auf den Eingang zurückgeführt wird. Eine solche Rückkopplung wird oft in elektronischen Schaltungen verwendet. Mit ihnen lassen sich z.B. Oszillatorschaltungen aufbauen oder die Eigenschaften von Verstärkern verbessern. Zur Verbesserung weiterer Eigenschaften kann auch nur ein Teil des Ausgangssignals durch Gegenkopplung (z.B. beim Operationsverstärker) oder Mitkopplung (bei schwingungserzeugenden Schaltungen) auf den Eingang zurückgelegt werden.

 

Komplexe mehrstufige Verstärker werden aus einer Vielzahl von Transistoren und anderen Bauelementen aufgebaut und als integrierte Schaltungen hergestellt. Bei größeren Leistungen muss für ausreichende Wärmeabfuhr, z.B. durch Kühlkörper auf dem Bauelement oder Chip, gesorgt werden.

 

 Transistor und Operationsverstärker

 

Durch die Einführung von Transistoren und deren Zusammenfassung zu integrierten Schaltungen (IC-Technik) konnten die Verstärkerschaltungen und damit die elektronischen Geräte deutlich verkleinert werden.

 

Ein Transistor ist ein aktives elektronisches Bauelement und besteht aus einem Halbleiterkristall (Silicium, aber auch Germanium oder Galliumarsenid). Durch eine spezielle Behandlung (Dotierung) entstehen Zonen unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit. Der Stromfluss durch den Transistor kann von außen gesteuert werden, wodurch er nicht nur als Verstärker, sondern auch als Schalter oder Sensor in elektronischen Schaltungen dienen kann. Zur Verstärkung wird vielfach der bipolare Transistor verwendet. Er ist aus drei aufeinander folgenden Schichten unterschiedlich leitender Zonen aufgebaut. Die äußeren Halbleiterbereiche werden Kollektor und Emitter, die mittlere, wesentlich dünnere Schicht Basis genannt. Die gebräuchlichste Schaltung ist der npn-Transistor. Mit ihm sind Stromverstärkungen von über 1:500 möglich.

 

Der Vorteil des Transistors liegt in seinem kompakten Aufbau, also kleinen Abmessungen und geringer Verlustwärme. Er hat heute die Elektronenröhre weitgehend, bis auf Gebiete mit sehr großen Leistungen und hohen Frequenzen (z.B. in der Mikrowellentechnik), verdrängt.

 

 Einsatzgebiete des Verstärkers

 

Man kann Verstärker nach Lage und Weite des Frequenzbereiches der zu verstärkenden Signale unterscheiden: Tonfrequenz- und Zwischenfrequenzverstärker in Radioempfängern, Videoverstärker in Fernsehgeräten, Niederfrequenzverstärker für elektroakustische Anlagen, Schmalband- und Breitbandverstärker in der Fernmeldetechnik oder Sendeverstärker zur Verstärkung hochfrequenter Sendeleistungen.