Wie funktioniert ein Verstärker?



In unserer technischen Umwelt wimmelt es von analoger und digitaler Elektronik.


Im Regelunterricht wird davon nichts aber auch gar nichts behandelt.

Im Leistungskurs taucht vielleicht mal ein Transistor in der Meißner Schaltung auf, aber dann muss man nur auswendig lernen, was er macht...

Deutlicher kann man die Diskrepanz zwischen Lerninhalten der Schule und dem Lebensumfeld nicht erkennen!


Der Schulstoff








Das Extra-Futter

Ich kann hier jetzt keinen Elektronikkurs auf die Schnelle schreiben, aber vielleicht ein paar Aspekte angeben.

Transistoren sind in der Lage über eine sehr kleine Spannung (bei älteren Typen ist auch ein sehr kleiner Stromfluss nötig) einen Stromkreis zu öffnen und zu schließen.

Das sieht dann so aus, als würde der Transistor eine sehr kleine angelegte Spannung verstärken. Tut er aber nicht. Er lässt nur etwas, was da ist, besser oder schlechter wirken.

Sehr schön zeigt dies das Wassermodell (wikipedia, Leifiphysik):



Wir benötigen drei Bereiche im Transistor, die wir mit Basis B (Steuerbereich), Emitter E (gibt Elektronen raus) und Collector C (sammelt Elektronen ein) bezeichnen.

Der durch die Basis fließende Strom öffnet den Hauptkanal zwischen Emitter und Collector. Aber es wird nicht nur geschaltet, sondern kleine Änderungen des Basisstromes führen zu großen Änderungen des Emitter-Collector-Stromes.

Damit kann ein Mikrofon über einen Transistor-Verstärker einen Lautsprecher ansteuern.


Moderne Transistoren öffnen und schließen den Hauptstromkreis sogar stromlos über elektrische Felder (MOS-FET, Feldeffekt-Transistor).

Auf alle Fälle benötigt man drei verschiedene Halbleiterbereiche in einem Transistor:

Die Basis ist z.B. ein p-Halbleiter, d.h. leitet den Strom durch positive Ladungsträger. Emitter und Collector sind dann n-Halbleiter, bei denen normale Elektronen den Strom transportieren.

Was einen Halbleiter von einem Leiter unterscheidet, soll hier nicht diskutiert werden, dazu gibt es bald einen Extra-Futter-Gang.

Hier sehen wir das typische Schaltbild für einen solchen npn-Transistor (nach Conrad):



Das Eingangssignal, das verstärkt werden soll, liegt zwischen Basis und Emitter (UE). Es ist mit einem Kondesator C von möglicher Gleichspannung abgekoppelt. Die beiden Widerstände R1 und R2 liefern über eine Spannungsteilung die zum Betrieb notwendige Basisvorspannung. Damit wird sicher gestellt, dass kleinste Spannungen am Eingang ausreichen, den Transiostor zu öffnen, d.h. einen Strom im Hauptstromkreis durch Emitter und Collector fließen zu lassen.

RL ist der Lastwiderstand, an ihm, oder komplementär dazu am Transistor selbst, kann die Ausgangsspannung abgegriffen werden, mit der dann der Lautsprecher betrieben werden kann.


Wenn nur das Ein- oder Ausschalten wichtig ist, dann hat man ein binäres Bauelement, die Ausgangsspannung kann als Eingangsspannung einen anderen Transistor schalten.

Solche Kopplungen liefern Speicher und Betriebsabläufe unserer Computer und Handys...

Jeder nutzt sie, aber in der Schule lernen wir nichts darüber...


Früher waren Transistoren richtig groß, inzwischen sind sie so winzig, dass bis zu 50 Miliarden Tranistoren auf 150 mm² sitzen, das ist etwa die Größe eines Fingernagels (2 nm Technologie von IBM).

Das ist etwa halb so viel wie wir Nervenzellen im Gehirn haben. Die sind nur (noch?) komplexer untereinander verbunden als die Transistoren auf dem neuen IBM-Chip.

Deswegen kann der nicht denken, wir dagegen schon (denken wir jedenfalls...).