Drei wichtige Baugruppen der Elektronik

1. Drei wichtige Baugruppen der Elektronik • Der Schmitt–Trigger – Ein Baugruppe zur Erzeugung definierter Schaltvorgänge • Das RS-Flipflop – Ein Baugruppe zur Speicherung von Zuständen • Der astabile Multivibrator – Ein Baugruppe zur Erzeugung von Schwingungen • Alle drei Baugruppen • gehören zu den Standardbausteinen der Elektronik • Werden in der Schule angewendet und • eignen sich didaktisch für den Einstieg in die Elektronik WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2

2. Ausgangssignal ua Eingangssignal ue ue: Eingangsspannung ua/V ua: Ausgangsspannung L: Low-Pegel von ua H H: High-Pegel von ua uee: Einschaltspannung uea: Ausschaltspannung Ausschalten L ue/V uee uea Schmitt - Trigger Schmitt - Trigger sind Schwellwertschalter. Sie wandeln stetig veränderliche Eingangs-spannungen in zwei diskrete Ausgangsspannungswerte um. Wenn die Eingangsspannung einen bestimmten Wert über- oder unterschreitet, findet ein sprunghafter Wechsel zwischen beiden Ausgangsspannungszuständen statt. (Spannungsdiskriminator) Symbol Übertragungskennlinie Einschalten Hysteresisspannung WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2

3. u uaH uee uea uaL RA1: Arbeitswiderstand 1 + RA2: Arbeitswiderstand 2 RA1 RA2 RE: Emitterwiderstand Verkoppelt die beiden Transistoren T2 T1 UB ue ua RE _ Zeitverhalten des Schmitt-Triggers t Schaltung WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2

4. IC1 IC2 IC2 IC1 IB2 IB1 IB1 UCE1 UCE1 UCE2 UBE1 UCE2 UBE2 uBE1 UBE2 uRE uBE1<0,7V ua/V UBE2max IB2 IB2max UCE1 UCE2 IC2 IC2max UCE2min UBE2 UCE1max ue= uee ue uee IC1 min IB1 IB1 min + + H RA1 RA1 RA2 RA2 IC1 Ua H 0,7V UBE1 T2 T2 T1 T1 UB UB ue ue ua ua RE RE L _ _ uBE1 uRE ue/V uee uea Wirkungsweise des Schmitt-Triggers IB2 Wirkungsschema (Kausalkette) Ruhezustand: Ue Uee ; T1 sperrt, T2 leitet; Ua=L Ua=L Einschalten: Ue = Uee ; T1 wird leitend, T2 geht in den gesperrten Zustand über Ua geht auf H über. Für die Eingangsspannung gilt ue uRE + uBE1 Das schnelle Umschalten des Schmitt - Triggers erklärt sich aus der Verkopplung beider Transistoren mit RE und aus der verstärkenden Wirkung der Transistoren. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2

5. ua/V UBE2min IC2min IB2min UCE1 UCE1min UBE2 UCE2 IC2 IB2 UCE2max Ue> uee Ue< uea IB1 IB1 max IC1 SAT + + H IC1 RA1 RA1 RA2 RA2 T2 T2 T1 T1 UBE1 <0,7V UB UB uBE1 uRE ue ue ua ua RE RE L _ _ ue/V uee uea Übersteuern: ue uee ; T1 leitet, T2 sperrt ; ua = H Ua=H Ausschalten: Ue = Uea ; T1 wird gesperrt, T2 geht in den leitenden Zustand über Ua geht auf L über. Ua= L WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2

6. + + RA1 RA2 RA1 RA2 T2 T1 T2 T1 UB UB RE RE _ _ Dimensionierung Praktisches Beispiel: T1,T2: SC 237 RA1,RA2: 1k RE:100  WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2

7. Q S R Q + RA1 RA2 Q Q T1 T2 UB Q und Q immer entgegengesetzt belegt sein müssen. _ S R RS-Flipflop Ein Flipflop ist eine Speicherschaltung, die in der Lage ist, 1 Bit zu speichern. Das bedeutet, dass sich diese Schaltung entweder eine 1 oder eine 0 merkt. Funktion: Symbol: Die beiden Eingänge S und R dürfen nicht gleichzeitig mit einer 1 (H-Pegel) belegt werden, weil beide Ausgänge eine 0 (L-Pegel) führen würden. Das ist nicht zulässig, weil WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2

8. Q Q IB1 S S R R IB1max Q=L Q=L IC1max IC1max UCE1min UCE1min IB1max S=L S=H IC2min IC2min UCE2max UCE2max IB2min IB2min R=L R=L RA1 RA1 RA2 RA2 Q Q T1 T1 T2 T2 Q=H Wirkungsweise des RS-Flipflops Setzen: Das Rücksetzen erfolgt in analoger Weise! Q=H Speichern: Was erfolgt, wenn an S und R ein H angelegt wird? WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2

9. T1 T2 Betriebsspannung UB= 9V +9V T1 T2 Dimensionierung RA: 1k(Arbeitswiderstand) RA1 RA2 RS: 1k(Schutzwiderstand für die Basis-Emitterstrecke) RK1 RK2 RK: 50k (Koppelwiderstand zur Erhaltung des H-Pegels an der jeweiligen Basis beim Setzen oder Rücksetzen) RS1 RS2 Variante zur Anzeige eines Zustands mit LEDs Berechnung von RA Betriebswerte der LED: IF=20 mA; UF=2V 350  350  50 k 50 k 1 k 1 k WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2

10. ua2 ua1 UB Rb1 Rb2 ua1 ua2 Zeitkonstante Astabiler Multivibrator Astabile Multivibratoren (AMV) sind Kippschaltungen, mit denen Rechteckspannungen bis zu einigen MHz erzeugt werden können. Symbol: Schaltung: RA: Arbeitswiderstände Rb: Basiswiderstände C: Kondensatoren RA1 RA2 Rb1 und C1 sowie Rb2 und C2 sind die zeitbestimmenden Glieder. C1 C2 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2

11. Rb1 RA1 Rb2 RA2 T1 T2 C1 C2 u p  t Wirkungsweise Wenn der AMV schwingt, dann werden die Kondensatoren ständig umgeladen. Die Zeitkonstanten der beiden RC – Glieder bestimmt die Schaltzeiten der Transistoren und damit die Frequenz. Jedes RC-Glied bestimmt abwechselnd die Zeit  der Pause und die Zeit p des Impulses. Für eine Periode gilt: Frequenz des AMV: WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2

12. uRb1 Rb1 RA1 Rb2 RA2 T1 T2 C1 C2 uBE1<0 uRb1 iB2 max iB1 min L H uCE1max uCE2min ua2 ua1 iC2 max iC1 min +iko2 uBE1<0 -iko1 Zur Beschreibung Startsituation festlegen, weil das System ständig schwingt. Der AMV hat gerade umgeschaltet, so dass der Transistor T1 jetzt sperrt und T2 jetzt leitet. Wegen des vorangegangenen Vorgangs ist der Kondensator C2 gerade noch entladen und C1 gerade noch geladen. Zeitgleich finden zwei Vorgänge statt!!! 1. Vorgang: C1 entlädt sich mit iKo1 über T2 . Über Rb1 fließt eine entsprechend große Stromstärke, der entstehende Spannungsabfall hält wegen seines großen Betrags in negativer Richtung T1 weiterhin für eine gewisse Zeit gesperrt. 2. Vorgang: C2 war zuvor entladen und wird jetzt mit iKo2über RA1 aufgeladen. Der Ladestrom von C2 fließt in die Basis von T2 und schaltet diesen Transistor ebenfalls für eine bestimmte Zeit durch. Wirkungsschema: T1 sperrt, T2 leitet; C1 noch geladen; C2 noch entladen Dieser Vorgang dauert die Zeit-konstante  und beginnt danach in der entgegen gesetzten Richtung WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2

13. Rb1 RA1 Rb2 RA2 uRb2 T1 T2 uBE2<0 C1 C2 uRb2 iB2 min iB1 max L H uCE1min uCE2max ua1 ua1 iC1 max iC2 min -iko2 uBE2<0 +iko1 Zur Beschreibung Startsituation festlegen, weil das System ständig schwingt. Wenn der Kondensator C1 umgeladen ist, beginnt ein Basisstrom über Rb1 in T1 zu fließen. iB1 T1 beginnt zu leiten, seine Kollektor- Emitterstrecke verliert ihren hohen Widerstand. Der Kondensator C2 entlädt sich mit Iko2 und erzeugt über Rb2 den hohen Spannungsabfall, der T2 sperrt. Der AMV ist gekippt. Es finden zeitgleich wiederum zwei Vorgänge statt. 3. Vorgang: C2 entlädt sich mit iKo2 über T1 . Über Rb2 fließt eine entsprechend große Stromstärke, der entstehende Spannungsabfall uRb2 hält wegen seines großen Betrags in negativer Richtung T2 während der folgenden Zeitkonstanten gesperrt. 4. Vorgang: C1 war zuvor entladen und wird jetzt mit iKo1über RA2 aufgeladen. Der Ladestrom von C1 fließt in die Basis von T1 und hält diesen Transistor im leitenden Zustand. T1 leitet, T2 sperrt; C2 noch geladen; C1noch entladen Wirkungsschema: Dieser Vorgang dauert die Zeit-konstante  und beginnt danach in der entgegen gesetzten Richtung usw., usf.. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2

14. Rb1 RA1 Rb2 RA2 uCE2 <UB T1 T2 C1 C2 uBE2 0,7V uCE1 <UB uBE1 0,7V t Impulsdiagramm des AMV WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2

15. Rb1 RA1 Rb2 RA2 T1 T2 C2 C1 Nur bei gleichem Tastverhältnis  = P! Berechnung des AMV RA=1k RB=240k C=1nF 1. Berechnung der Arbeitswiderstände wie gehabt 2. Berechnung der Frequenz Beispiel: f = 3 kHz, C=1 nF WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2

16. U I U 100% 63% I  t AMV RC-Glieder R A V C Das Produkt RC ist ein Maßstab für die Aufladegeschwindigkeit und wird Zeitkonstante  genannt. Sie gibt die Zeit an, die erforderlich ist, um einen Kondensator auf 63% seiner Endspannung aufzuladen. Beispiel: Zu berechnen ist die Zeitkonstante eines RC-Gliedes mit R=1k und C=100nF. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2

17. Aufgaben 10. Für ihren Unterricht sollen Sie eine Blinkschaltung mit einem einen Astabilen Multivibrator entwickeln. Die Blinkfrequenz soll 1Hz betragen. Ihnen stehen Kondensatoren mit einer Kapazität von 1F zur Verfügung. Berechnen Sie die dazugehörigen Basiswiderstände. Die verwendeten LEDs benötigen bei einer Stromstärke von 15 mA bei einer Flussspannung von 2 V. Die Betriebsspannung der Schaltung wird mit einer 9V – Batterie zur Verfügung gestellt. Berechnen Sie die Arbeitswiderstände der Transistoren. (RA= 460; RB714  k) WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2