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

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

2 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.

3 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige elektronische Baugruppen Teil 1 3 Das Grundprinzip der Signaländerung - Spannungsteiler aus linearem und nichtlinearem Widerstand RARA R A : Arbeitswiderstand RVRV R V : Veränderlicher Widerstand U B : Betriebsspannung UBUB + _ UAUA U A : Ausgangsspannung Größe X, die den Wider- standswert ändert 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) R X X RVRV U RV U RA I I

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

5 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige elektronische Baugruppen Teil 1 5 Systeme zur Änderung elektrischer Signale Signaleingabe Signal- verarbeitung Signalausgabe optische akustische kinematische thermische chemische optische akustische kinematische thermische chemische elektrische Eingangssignale Ausgangssignale Signal- speicherung UB + _ U BE IBIB RARA T U CE UAUA ICIC UEUE UEUE UAUA

6 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige elektronische Baugruppen Teil U CE /V I B / A I C /mA ,2 0,4 0,6 0,8 U BE /V RARA 2. Transistor sperrt (R T ) 3. Transistor- und Arbeitswider- stand sind gleich groß; R T =R A Bestimmung der Arbeitspunkte AP1:U CE =5V I C =5mA U BE =0,7V I B =50 A AP2:U CE =3,8V I C =6,2mA U BE =0,72V I B =60 A AP3:U CE =6,3V I C =3,6mA U BE =0,68V I B =36 A 4. UBE steigt um 0,02V 5. UBE sinkt um 0,02V 1. Transistor leitet voll (R T 0) Schalter geschlossen Schalter geöffnet

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

8 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige elektronische Baugruppen Teil 1 8 elektrisches Eingangssignal elektrisches Ausgangssignal Verlustleistung Stromversorgung Verstärker P V mit Q und Antriebsleistung mit U und I P e mit u e, i e, f P a mit u a, i a, f u e (t) u a (t) Signalquelle (Generator) Signalsenke (Lastwiderstand) 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.

9 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige elektronische Baugruppen Teil 1 9 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. UB U BE IBIB Kennlinienfeld 2. Grundschaltung RARA RVRV

10 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige elektronische Baugruppen Teil U CE /V I B / A IC/mA ,2 0,4 0,6 0,8 U BE /V 1. Grundschaltung 2. Grundschaltung Wechselspannungsverstärker

11 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige elektronische Baugruppen Teil Grundschaltung - Einstellung des Arbeitspunktes mit einem Spannungsteiler UB IqIq IBIB U BE RARA R1R1 R2R2 R 1 erzeugt mit I q einen konstanten Spannungsabfall U R1, der ebenso groß ist wie U BE. Kennlinienfeld

12 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige elektronische Baugruppen Teil Grundschaltung - Einstellung des Arbeitspunktes mit einem Spannungsteiler und Temperaturdriftstabilisierung durch stromgesteuerte Spannungsgegenkopplung RARA R1R1 R2R2 RERE UB IqIq IBIB U BE U RE Wirkungsweise der Gegenkopplung ICIC U BE IEIE IBIB U RE U R1 = U RE + U BE = konstant R tra R tra : Widerstand der Kollektor- Emitterstrecke des Transistors

13 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige elektronische Baugruppen Teil 1 13 Wechselspannungsverstärker CKCK CKCK C K : Koppelkondensator (blockt Gleichspannung ab) Kennlinienfeld CECE C E : Emitterkondensator (schließt Emitterwiderstand für Wechselstrom kurz) Frequenzgang eines Verstärkers f vuvu 100% 70,7% f gu f go f gu ; f go :untere und obere Grenzfrequenz Breitbandverstärker Bandbreite: Selektivverstärker (Schmalbandverstärker)

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

15 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige elektronische Baugruppen Teil Berechnen Sie die Strom-, Spannungs- und Leistungsverstärkung einer Transistorverstärkerstufe. Es wurden zwei Messungen mit folgenden Ergebnissen durchgeführt. 1. Messung: U BE1 = 600 mV; I B1 = 40 A; U CE1 = 10 V; I C1 = 3,5 mA 2. Messung: U BE2 = 750 mV; I B2 = 100 A; U CE2 = 2 V; I C2 = 9 mA (v U = 53,3 ; v I v = 91,7 v P = 4885,8 ) Aufgaben 7. Die Abbildung zeigt eine einfache Schaltstruktur und die entsprechende Kennlinie. RA=150 UB=12V UK1/K2 IK1/K2 K1 K2 K1/ K2: Schalterkontakte 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.

16 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige elektronische Baugruppen Teil 1 16 RA=150 Ic in mA UCE in V ,0 0,8 0,6 0,4 0,2 UB=12V Schalterbetrieb AP 1 :I B = 0 mA; U CE = 12 V, I C = 0 mA AP 2 :I B = 1 mA; U CE = 1,5 V, I C = 70 mA Verstärkerbetrieb AP: I B = 0,4 mA; U CE = 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.


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