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WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2 1 Drei wichtige Baugruppen.

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1 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2 1 Drei wichtige Baugruppen der Elektronik 1.Der Schmitt–Trigger – Ein Baugruppe zur Erzeugung definierter Schaltvorgänge 2.Das RS-Flipflop – Ein Baugruppe zur Speicherung von Zuständen 3.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

2 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2 2 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) Schmitt - Trigger Eingangssignal u e Ausgangssignal u a Symbol Übertragungskennlinie u e /V u e : Eingangsspannung u a /V u a : Ausgangsspannung L L: Low-Pegel von u a H H: High-Pegel von u a u ee u ee : Einschaltspannung u ea : Ausschaltspannung u ea Einschalten Ausschalten Hysteresisspannung

3 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2 3 Zeitverhalten des Schmitt-Triggers t u u ee u ea u aL u aH Schaltung + _ UB ueue uaua R A1 R A2 RERE T1T1 T2T2 R A1 : Arbeitswiderstand 1 R A2 : Arbeitswiderstand 2 R E : Emitterwiderstand Verkoppelt die beiden Transistoren

4 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil _ UB ueue uaua R A1 R A2 RERE T1T1 T2T2 Wirkungsweise des Schmitt-Triggers Ruhezustand: U e U ee ; T 1 sperrt, T 2 leitet; U a =L Wirkungsschema (Kausalkette) u e /V u a /V L H u ee u ea Einschalten: U e = U ee ; T 1 wird leitend, T 2 geht in den gesperrten Zustand über U a geht auf H über. u e u ee U a =L u e = u ee U a H I B2 Für die Eingangsspannung gilt u e u RE + u BE1 0,7V U BE1 u RE u BE1 Das schnelle Umschalten des Schmitt - Triggers erklärt sich aus der Verkopplung beider Transistoren mit R E und aus der verstärkenden Wirkung der Transistoren. u BE1<0,7V U BE1 I B1 I B1 min I C1 I C1 min I B2 I B2max U CE1max U CE1 U BE2max U BE2 I C2 I C2max U CE2 U CE2min + _ UB ueue uaua R A1 R A2 RERE T1T1 T2T2 u BE1 u RE I C1 I B1 U BE2 I B2 U CE1 I C2 U CE2

5 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2 5 Übersteuern: u e u ee ; T 1 leitet, T 2 sperrt ; u a = H + _ UB ueue uaua R A1 R A2 RERE T1T1 T2T2 u e /V u a /V L H u ee u ea Ausschalten: U e = U ea ; T 1 wird gesperrt, T 2 geht in den leitenden Zustand über U a geht auf L über. U e > u ee I B1 max I C1 SAT U CE1min U CE2max U BE2min I C2min I B2min U a =H U e < u ea I C1 U CE1 U CE2 I B1 U BE2 I C2 I B2 U BE1 <0,7V u RE u BE1 U a = L + _ UB ueue uaua R A1 R A2 RERE T1T1 T2T2

6 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2 6 Dimensionierung + _ UB R A1 R A2 RERE T1T1 T2T2 Praktisches Beispiel: + _ UB R A1 R A2 RERE T1T1 T2T2 T 1,T 2 : SC 237 R A1,R A2 : 1k R E : 100

7 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2 7 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. Symbol: Funktion: S R Q Q 1010Setzen 0010Speichern 0101Rücksetzen 1010Setzen SRQQVorgang 0001Speichern R A1 T1T1 R A2 T2T2 S R Q Q 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 Q und Q immer entgegengesetzt belegt sein müssen. + _ UB

8 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2 8 Wirkungsweise des RS-Flipflops 1010Setzen 0010Speichern 0101Rücksetzen 1010Setzen SRQQVorgang 0001Speichern Setzen: S=H R=L I C1max I B2min I C2min U CE1min U CE2max Q=L Q=H Speichern: Q=L S=L R=L I B1max I C1max I B2min I C2min U CE1min U CE2max Q=H Das Rücksetzen erfolgt in analoger Weise! Was erfolgt, wenn an S und R ein H angelegt wird? R A1 T1T1 R A2 T2T2 S R Q Q I B1max I B1 R A1 T1T1 R A2 T2T2 S R Q Q

9 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2 9 R A : 1k (Arbeitswiderstand) Dimensionierung T1T1 T2T2 R S2 R K : 50k (Koppelwiderstand zur Erhaltung des H-Pegels an der jeweiligen Basis beim Setzen oder Rücksetzen) R A1 R A2 R K2 R K1 R S1 R S : 1k (Schutzwiderstand für die Basis-Emitterstrecke) Variante zur Anzeige eines Zustands mit LEDs +9V Betriebsspannung UB= 9V Berechnung von R A k 1 k 50 k Betriebswerte der LED: I F =20 mA; U F =2V T1T1 T2T2

10 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2 10 Astabiler Multivibrator Astabile Multivibratoren (AMV) sind Kippschaltungen, mit denen Rechteckspannungen bis zu einigen MHz erzeugt werden können. Symbol: u a1 u a2 Schaltung: R A1 C1C1 u a1 u a2 R A2 R b2 R b1 C2C2 UB R A : Arbeitswiderstände R b : Basiswiderstände C: Kondensatoren R b1 und C 1 sowie R b2 und C 2 sind die zeitbestimmenden Glieder. Zeitkonstante

11 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2 11 Wirkungsweise R A1 C1C1 R A2 R b2 R b1 C2C2 T1T1 T2T2 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. t u p Für eine Periode gilt: Frequenz des AMV:

12 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2 12 Zur Beschreibung Startsituation festlegen, weil das System ständig schwingt. R A1 C1C1 R A2 R b2 R b1 C2C2 T1T1 T2T2 Der AMV hat gerade umgeschaltet, so dass der Transistor T 1 jetzt sperrt und T 2 jetzt leitet. Wegen des vorangegangenen Vorgangs ist der Kondensator C 2 gerade noch entladen und C 1 gerade noch geladen. 1. Vorgang:C 1 entlädt sich mit i Ko1 über T 2. Über R b1 fließt eine entsprechend große Stromstärke, der entstehende Spannungsabfall hält wegen seines großen Betrags in negativer Richtung T 1 weiterhin für eine gewisse Zeit gesperrt. 2. Vorgang:C 2 war zuvor entladen und wird jetzt mit i Ko2 über R A1 aufgeladen. Der Ladestrom von C 2 fließt in die Basis von T 2 und schaltet diesen Transistor ebenfalls für eine bestimmte Zeit durch. Zeitgleich finden zwei Vorgänge statt!!! Wirkungsschema:T 1 sperrt, T 2 leitet; C 1 noch geladen; C 2 noch entladen u Rb1 u BE1 < 0 i B1 min i C1 min u CE1max +i ko2 u a1 H i B2 max i C2 max u CE2min u a2 L -i ko1 Dieser Vorgang dauert die Zeit- konstante und beginnt danach in der entgegen gesetzten Richtung

13 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2 13 Zur Beschreibung Startsituation festlegen, weil das System ständig schwingt. R A1 C1C1 R A2 R b2 R b1 C2C2 T1T1 T2T2 Wenn der Kondensator C 1 umgeladen ist, beginnt ein Basisstrom über R b1 in T 1 zu fließen. 3. Vorgang:C 2 entlädt sich mit i Ko2 über T 1. Über R b2 fließt eine entsprechend große Stromstärke, der entstehende Spannungsabfall u Rb2 hält wegen seines großen Betrags in negativer Richtung T 2 während der folgenden Zeitkonstanten gesperrt. 4. Vorgang: C 1 war zuvor entladen und wird jetzt mit i Ko1 über R A2 aufgeladen. Der Ladestrom von C 1 fließt in die Basis von T 1 und hält diesen Transistor im leitenden Zustand. Es finden zeitgleich wiederum zwei Vorgänge statt. Wirkungsschema: T 1 leitet, T 2 sperrt; C 2 noch geladen; C 1 noch entladen u Rb2 u BE2 <0 i B2 min i C2 min u CE2max -i ko2 u a1 H i B1 max i C1 max u CE1min u a1 L +i ko1 Dieser Vorgang dauert die Zeit- konstante und beginnt danach in der entgegen gesetzten Richtung usw., usf.. i B1 T 1 beginnt zu leiten, seine Kollektor- Emitterstrecke verliert ihren hohen Widerstand. Der Kondensator C 2 entlädt sich mit I ko2 und erzeugt über R b2 den hohen Spannungsabfall, der T 2 sperrt. Der AMV ist gekippt.

14 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2 14 Impulsdiagramm des AMV R A1 C1C1 R A2 R b2 R b1 C2C2 T1T1 T2T2 0,7V

15 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2 15 R A1 C2C2 R A2 R b2 R b1 C1C1 T1T1 T2T2 Berechnung des AMV 1. Berechnung der Arbeitswiderstände wie gehabt 2. Berechnung der Frequenz Nur bei gleichem Tastverhältnis = P ! Beispiel: f = 3 kHz, C=1 nF R A =1k R B =240k C=1nF

16 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2 16 RC-Glieder R C V A t UIUI 100% 63% 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. AMV U I

17 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. (R A = 460 ; R B 714 k)


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