2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik

1. Ausgangssignale Eingangssignale optische akustische kinematische thermische chemische optische akustische kinematische thermische chemische elektrische elektrische Signal-verarbeitung Signalausgabe Signaleingabe elektrische Signal-speicherung 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik Das Prinzip der Signalverarbeitung – Die Signalkette oder das EVA - Prinzip Begriffe Signal: Physikalische Größe, die Bedeutung haben kann. Daten: Codierte Informationen. Information: Menschliche Wahrnehmung oder Idee. Maschinen verarbeiten Signale und Daten WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige elektronische Baugruppen Teil 1

2. Wichtige elektronische Baugruppen • Verstärker vergrößern Spannung, Stromstärke und Leistung von Signalen. • Schmitt-Trigger (Schwellwertschalter) wandeln analoge in binäre Signale um. • RS-Flipflops können 1 Bit speichern. • Astabile Multivibratoren erzeugen Impulsfolgen Alle diese Baugruppen kommen in Schaltungen für den Unterricht vor. Viele komplexe Systeme beinhalten diese Schaltungen. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige elektronische Baugruppen Teil 1

3. I + RA: Arbeitswiderstand RA RV: Veränderlicher Widerstand UB: Betriebsspannung Größe X, die den Wider-standswert ändert UB UA: Ausgangsspannung UA RV _ R X I X Das Grundprinzip der Signaländerung - Spannungsteiler aus linearem und nichtlinearem Widerstand 1. Variante: Der nichtlineare Widerstand hat eine negative Charakteristik wie z.B. Thermistoren, Fotowiderstände und – dioden, Transistoren aber auch Kondensatoren (bei C ist die Schaltung mit Wechselspannung zu betreiben) URA RV URV WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige elektronische Baugruppen Teil 1

4. I + RA: Arbeitswiderstand RV: Veränderlicher Widerstand RA UB: Betriebsspannung Größe X, die den Wider-standswert ändert UB UA: Ausgangsspannung UA RV _ R X 2. Variante: Der nichtlineare Widerstand hat eine positive Charakteristik wie z.B. PTC – Thermistoren, Feldplatten oder Spulen. URA X RV I URV WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige elektronische Baugruppen Teil 1

5. Eingangssignale Ausgangssignale optische akustische kinematische thermische chemische optische akustische kinematische thermische chemische elektrische elektrische Signal-verarbeitung Signaleingabe Signalausgabe elektrische Signal-speicherung + RA IC UB IB UCE T UA UA UBE UE UE _ Systeme zur Änderung elektrischer Signale WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige elektronische Baugruppen Teil 1

6. IC/mA 10 8 6 4 2 RA Schalter geöffnet Schalter geschlossen 1. Transistor leitet voll (RT0) IB/A 120 100 80 60 40 20 0,2 0,4 0,6 0,8 UBE/V 2 4 6 8 10 UCE/V Bestimmung der Arbeitspunkte 2. Transistor sperrt (RT) 3. Transistor- und Arbeitswider-stand sind gleich groß; RT=RA AP1:UCE=5V IC=5mA UBE=0,7V IB=50A AP2:UCE=3,8V IC=6,2mA UBE=0,72V IB=60A AP3:UCE=6,3V IC=3,6mA UBE=0,68V IB=36A 4. UBE steigt um 0,02V 5. UBE sinkt um 0,02V WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige elektronische Baugruppen Teil 1

7. + 1k IC=2,6mA UB=10V IB=24A=0,024mA UCE=2,5V UBE=0,04V _ Änderungen der Parameter in den 3 Arbeitspunkten UCE=2,5V UBE=0,04V IC=2,6mA IB=24A=0,024mA AP1:UCE=5V IC=5mA UBE=0,7V IB=50A AP2:UCE=3,8V IC=6,2mA UBE=0,72V IB=60A AP3:UCE=6,3V IC=3,6mA UBE=0,68V IB=36A Strom-, Spannungs- und Leistungsverstärkung der Verstärkerstufe Stromverstärkung Spannungsverstärkung Leistungsverstärkung WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige elektronische Baugruppen Teil 1

8.  Verstärker PV mit Q und  Verlustleistung Pe mit ue, ie, f Pa mit ua, ia, f elektrisches Eingangssignal elektrisches Ausgangssignal ua (t) ue (t) Signalsenke (Lastwiderstand) Signalquelle (Generator) Stromversorgung Antriebsleistung mit U und I Verstärkerarten: - lineare und nichtlineare Verstärker - Klein- und Großsignalverstärker - Spannungs-, Strom- und Leistungsverstärker - Gleich- und Wechselgrößenverstärker - RC-, opto-, oder transformatorgekoppelte Verstärker - NF- und HF - Verstärker - Breitband- oder Selektivverstärker - diskret oder integriert aufgebaute Verstärker - ein- und mehrstufige Verstärker usw. usf. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige elektronische Baugruppen Teil 1

9. RV RA IB UBE UB Kennlinienfeld 2. Grundschaltung Emitterverstärkerberechnung 1. Grundschaltung - Einstellung des Arbeitspunktes mit einem Vorwiderstand Arbeitspunkt: Ein AP ist ein Punkt einer Kennlinie. Er charakterisiert den Zustand eines Systems. Um ihn können Größen schwanken, so dass sich seine Lage auf der Kennlinie verändert. Bei der Emitterstufe wir die Lage des AP durch die Betriebsspannung und die Bauelemente der Schaltung bestimmt. Mit der Wahl der Lage des AP wird die Betriebsweise des Systems bestimmt. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige elektronische Baugruppen Teil 1

10. IC/mA 10 8 6 4 2 IB/A 120 100 80 60 40 20 0,2 0,4 0,6 0,8 UBE/V 2 4 6 8 10 UCE/V 1. Grundschaltung 2. Grundschaltung Wechselspannungsverstärker WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige elektronische Baugruppen Teil 1

11. UB R2 RA Iq R1 IB UBE Kennlinienfeld 2. Grundschaltung - Einstellung des Arbeitspunktes mit einem Spannungsteiler R1 erzeugt mit Iq einen konstanten Spannungsabfall UR1, der ebenso groß ist wie UBE. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige elektronische Baugruppen Teil 1

12. R2 RA UB R1 Iq IB UBE URE Rtra Rtra: Widerstand der Kollektor- Emitterstrecke des Transistors UR1= URE +UBE = konstant 3. Grundschaltung - Einstellung des Arbeitspunktes mit einem Spannungsteiler und Temperaturdriftstabilisierung durch stromgesteuerte Spannungsgegenkopplung RE Wirkungsweise der Gegenkopplung  IC IE IB URE UBE WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige elektronische Baugruppen Teil 1

13. CK CK CE vu 100% 70,7% Bandbreite: Kennlinienfeld f fgu fgo Wechselspannungsverstärker CK: Koppelkondensator (blockt Gleichspannung ab) CE: Emitterkondensator (schließt Emitterwiderstand für Wechselstrom kurz) Frequenzgang eines Verstärkers Breitbandverstärker Selektivverstärker (Schmalbandverstärker) fgu; fgo:untere und obere Grenzfrequenz WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige elektronische Baugruppen Teil 1

14. Beispiele WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige elektronische Baugruppen Teil 1

15. Aufgaben 6. Berechnen Sie die Strom-, Spannungs- und Leistungsverstärkung einer Transistorverstärkerstufe. Es wurden zwei Messungen mit folgenden Ergebnissen durchgeführt. 1. Messung: UBE1= 600 mV; IB1= 40A; UCE1= 10 V; IC1= 3,5 mA 2. Messung: UBE2= 750 mV; IB2= 100A; UCE2= 2 V; IC2= 9 mA (vU= 53,3 ; vI v= 91,7 vP = 4885,8 ) 7. Die Abbildung zeigt eine einfache Schaltstruktur und die entsprechende Kennlinie. IK1/K2 RA=150 UB=12V K1/ K2: Schalterkontakte K1 K2 UK1/K2 Berechnen Sie für den geöffneten und geschlossenen Zustand des Schalters die Spannungen und Stromstärken UK1/K2 und IK1/K2. Wo befindet sich bei jedem Schaltzustand der Arbeitspunkt? 8. Der Schalter wird durch einen Transistor ersetzt. Tragen Sie in das Kennlinienfeld (nächste Seite) die Widerstandsgerade ein und bestimmen Sie die Parameter der beiden Arbeitspunkte für den Schalterbetrieb und die des Arbeitspunktes für Verstärkerbetrieb. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige elektronische Baugruppen Teil 1

16. Ic in mA 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 UB=12V 100 RA=150 50 UCE in V 3 6 9 12 Schalterbetrieb AP1:IB= 0 mA; UCE= 12 V, IC= 0 mA AP2:IB= 1 mA; UCE= 1,5 V, IC= 70 mA Verstärkerbetrieb AP: IB= 0,4 mA; UCE= 6V; IC= 42 mA 9. Berechnen Sie einen Transistorverstärker! Die Emitter - Schaltung soll mit strom- geteuerter Spannungsgegenkopplung gegen Temperaturdrift stabilisiert sein. Transistortyp: BC 338 (npn – Typ) Betriebsspannung: 12 V Bestimmen Sie den Arbeitswiderstand so, daß ein maximaler Kollektorstrom von 40 mA fließt! Entnehmen Sie die Parameter des Arbeitspunktes bei A – Betrieb dem Kennlinienfeld. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige elektronische Baugruppen Teil 1