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Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 1 Kapitel 12 Übertragung, Verarbeitung und Speicherung von Daten.

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Präsentation zum Thema: "Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 1 Kapitel 12 Übertragung, Verarbeitung und Speicherung von Daten."—  Präsentation transkript:

1 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 1 Kapitel 12 Übertragung, Verarbeitung und Speicherung von Daten

2 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten Der Kondensator Der einfachste Aufbau eines Kondensators besteht aus 2 gegenüberliegenden Metallplatten, die durch Luft getrennt sind. Versuch 1: Kondensator als Energiespeicher Baue die Schaltung auf. Als Schalter soll ein Wechselschalter verwendet werden. Was passiert beim Laden? Was passiert beim Entladen? Linke Lampe leuchtet kurz auf. Rechte Lampe leuchtet kurz auf. Ein Kondensator kann elektrische Ladung und Energie speichern.

3 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 3

4 4

5 5

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7 7 Wie viel ein Kondensator speichern kann wird durch seine Kapazität angegeben. Die Kapazität wird in Farad gemessen. Ein Farad ist eine sehr große Einheit. Daher verwendet man: µF, nF, pF,.. Bauarten: Elektrolytkondesatoren Tantalkondensator

8 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 8 Drehkondensator

9 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 9 Anwendungen: In Blitzgeräten, Zum Glätten von Spannungschwankungen (z. B. bei pulsierendem Gleichstrom). In elektromagnetischen Schwingkreisen.

10 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten Halbleiter Zu den Halbleitern zählen Silizium, Germanium, Selen, … Si und Ge haben 4 Außen- elektronen. (4. Hauptgruppe im Periodensystem) Bereits bei Zimmertemperatur können sich infolge der Wärme- bewegung Elektronen aus der Bindung loslösen und sich im Kristallgitter frei bewegen. Neben diesen Elektronen entstehen an den Stellen, wo sich die Elektronen befanden, Löcher (positive Ladung). Auch diese Löcher tragen zur Leitung bei.

11 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 11 Die Löcher werden durch Elektronen von Nachbaratomen aufgefüllt Dadurch wandert das Loch weiter. (vgl. Bild Parkbank)

12 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 12 Die Halbleitereigenschaft kann zur Temperatur- und Lichtmessung verwendet werden. Die Leitfähigkeit von Halbleitern durch Temperaturänderung ist begrenzt. Die große Bedeutung der Halbleiter besteht darin, dass man sie durch gezieltes Verunreinigen mit Fremdatomen, in ihren Eigenschaften beeinflussen kann.

13 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 13 Dotierung von Halbleitern: n-Leiter (Donator) Einbau von 5- wertigen Atomen (z.B. As) Das freie Elektron steht für die Elektrizitätsleitung zur Verfügung. Stromleitung erfolgt durch negative Ladungen. Buch Seite 32 Abb. 22.2

14 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 14 p-Leiter (Akzeptor) Einbau von 3- wertigen Atomen (z.B. In) Ein „Loch“ verhält sich wie eine positive Ladung. Es kann ein Elektron eines Nachbaratoms einfangen und damit wandert das Loch (+ Ladung) weiter. Stromleitung erfolgt durch positive Löcher. Buch Seite 32 Abb. 22.3

15 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten Die Diode: Schaltsymbol:Buch Seite 33 Abb – 23.4 Zwei verschieden (+,-) dotierte Halbleiter werden aneinandergesetzt. Es entsteht an der Stelle des Aneinan- derstoßens eine Grenzschicht. Verhalten an der Grenzschicht: Durch die Wärmebewegung der Teilchen treten Elektronen (e) vom N-Leiter in den P-Leiter und füllen dort die Löcher. Daher bildet sich in der Grenzschicht eine schmale Zone, in der fast keine beweglichen Ladungen mehr sind.

16 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 16 Wir legen eine Spannung an die Diode: – an P-Leiter + an N-Leiter: Sperrschicht verbreitert sich. (Absaugen weiterer frei bewegl. Ladungsträger). Diode in Sperrrichtung gepolt: + an P-Leiter – an N-Leiter: Es werden ausreichend Elektronen nachgeliefert, die Sperrschichtbreite nimmt ab. Diode in Durchlassrichtung gepolt:

17 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 17 Wirkungsweise der Diode Versuchsaufbau: In den Parallelzweigen befinden sich zwei Lämpchen und eine Siliziumdiode. (Beachte die umgekehrte Polung der Dioden!) Versuch 1: Schließe die Anordnung an eine Gleichspannungsquelle. Kennzeichne, welcher Zweig in Durchlassrichtung zeigt. Versuch 2: Schließe die Anordnung an einen Funktionsgenerator! Beschreibe was passiert!

18 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 18 Die Diode wirkt wie ein Ventil. Sie lässt den Strom nur in eine Richtung durch. Anwendung der Diode: 1. Einweggleichrichtung 2. Zweiweggleichrichtung

19 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 19 Grätzsche Brückenschaltung

20 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 20 Stromfluss Grätz

21 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 21 Zweiweggleichrichtung +–

22 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 22 Glättung

23 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten Der Transistor: Schaltsymbole: Bringt man hintereinander die Störstellenschichten npn oder pnp auf, so erhält man einen Flächentransistor. Der Transistor besteht aus zwei Dioden, die einander entgegengesetzt gepolt sind. Legt man nun zwischen Emit- ter und Kollektor eine Span- nung an, so sperrt der Tran- sistor auf einer Diode immer.

24 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 24 Die Wirkungsweise eines Transistors beruht nun darauf, dass man eine Hilfsspannung zwischen Emitter und Basis anlegt. Dadurch werden Elektronen aus dem Emitter in die Basis getrieben. Ein geringer Teil von ihnen rekombiniert mit den Löchern der Basis, der größte Teil gelangt aber durch die dünne Basisschicht durch und durchdringt auch die Sperrschicht zwischen Basis und Kollektor. → Damit fließt ein Kollektorstrom, der Transistor ist leitend geworden. Das heißt also, mit einem kleinen Basisstrom lässt sich der Kollektorstrom (groß) steuern.

25 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 25 Transistor

26 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 26 Versuch 1: Prinzip des Transistors Liegt nur zwischen Emitter und Kollektor eine Spannung an, so ist ein pn-Übergang immer in Sperrrichtung. Welcher ??? Legen wir nun eine Hilfsspannung zwischen Basis und Emitter an, fließt……………………….., der den Transistor ……….. macht. Mit einem kleinen Basisstrom kann also der Transistor V1: Prinzip des Transistors ein kleiner Basisstrom leitend gesteuert werden. Zwischen B und C

27 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 27 Da es nicht sehr sinnvoll wäre zwei verschiedene Spannungsquellen zu verwenden (eine für den Basis - Emitterkreis, eine für den Emitter - Kollektorkreis, verwendet man eine so genannte Spannungsteilerschaltung. –Regle den Regelwiderstand auf 0 Ohm! ---> Zwischen Basis und Emitter liegt eine Spannung von 0 Volt. ---> Der Transistor …….. Regle den Regelwiderstand auf 10 kOhm! ---> Zwischen Basis und Emitter liegt etwa eine Spannung von ……….. –Der Transistor …………………, was man V2:Spannungsteilerschaltung: 3,5 V ist leitend geworden. am Leuchten der Lampe erkennt. sperrt Versuch 2:Spannungsteilerschaltung:

28 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 28 Wird an Stelle des regelbaren Widerstandes vom vorigen Versuch ein Draht geschaltet, ist die Spannung zwischen Basis und Emitter …… V. Transistor ………….. Zieht man den Draht heraus, ………………………….. Es fließt ein Basisstrom, weil……………………… ……………………… …………………... V3: Stolperdraht sperrt. liegt eine Spannung an. die Basis über den 10 KOhm Widerstand mit dem Pluspol verbunden ist. 0

29 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 29 V 4: Automatische Beleuchtung Statt des regelbaren Widerstandes von Versuch 2 wird ein LDR (Light Dependend Resistor) zwischen Basis und Emitter geschaltet. Wird er belichtet, nimmt der Widerstand ……….., die Spannung zwischen Basis und Emitter………... Transistor ………….. Wird abgedunkelt, wird der Transistor …………, die Lampe ………….. sinkt. sperrt. leitend ab leuchtet.

30 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 30 V 5: Transistor als Verstärker Der Basisstrom wird durch das Mikrophon im Rhythmus der Schallschwingungen verändert. Diese Änderungen übertragen sich auf den viel stärkeren Kollektorstrom. Lautsprecher gibt Sprache, Musik usw. wieder. Vgl. Buch Seite 35

31 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten Die Solarzelle

32 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 32 Wirkungsweise der Solarzelle p-Leiter Kontakt Kontakte n-Leiter

33 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 33 Wirkungsweise der Solarzelle Wird die Solarzelle belichtet, so bilden sich infolge des inneren photoelektrischen Effekts, neue freie Ladungsträgerpaare. Die Elektronen wandern wegen des anliegenden Feldes, in die n-Schicht, die Löcher in die p- Schicht. Die n-Schicht wird so zum Minus-Pol, die p-Schicht zum Plus-Pol Kontakt e p-Leiter Kontakt n-Leiter

34 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 34 Ausbeute bei Solarzellen Die Silizium-Solarzelle liefert ca. 0,5V Wirkungsgrad für polykristalline Zellen ca. 12% Für eine Leistung von 1kW benötigt man ca. 10 m² Solarkonstante: 1,36kW/m². (Überlege: ca. 1kw/m². 0,1. 10 m² = 1 kW) Das ergibt im Jahr ca. 1000kWh. amorphe Silizium-Solarzellen haben einen Wirkungsgrad von ca. 7%. Sie werden für Taschenrechner usw. eingesetzt.

35 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 35 Die Solarzelle

36 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 36 Beispiele

37 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 37 Beispiele

38 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 38 Versuch: 6 V Kondensator wird aufgeladen, dann wird Schwingkreis geschlossen. Am Oszillograph wird eine gedämpfte Schwingung beobachtet. Der LC-Schwingkreis CL 12.3 Elektromagnetische Schwingungen

39 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 39 elektrische Energiemagnetische Energie elektrische Energiemagnetische Energie LC-Schwingkreis

40 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 40 Der Kondensator entlädt sich über die Spule. In der Spule wird ein Magnetfeld aufgebaut. Ist der Kondensator entladen, bricht das Magnetfeld zusammen, wodurch eine Induktionsspannung induziert wird.  Induktionsstrom fließt (Lenzsche Regel) in derselben Richtung weiter und lädt den Kondensator entgegengesetzt auf. usw. Aufgrund des Ohmschen Widerstandes der Leitungen nimmt die Schwingungsamplitude ab. LC-Schwingkreis

41 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 41 Die Schwingung, die ein LC-Schwingkreis ausführt, ist gedämpft und kommt infolge der Verluste an den Leitungswiderständen zum Stillstand. Abhilfe: Rückkopplung Baue mit den Schülerübungsgeräten die folgende Rückkopplungs- schaltung nach! Der Schwingkreis besteht aus dem Kondensator und der Spule mit 1600 Windungen. Eine zweite Spule mit 800 Windungen ist induktiv an die Schwing- kreisspule gekoppelt. Sie hat die Aufgabe, die Basis eines Transistors anzusteuern und so im Takt des Schwingkreises den Transistor im richtigen Augenblick leitend zu machen, um die durch ohmsche Verluste "verlorene" Energie nachzu- liefern. Der veränderliche Widerstand (10k) dient zur Einstellung des Arbeitspunktes des Transistors.

42 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 42

43 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 43 Versuch 1: Verwende den Kondensator 1000µF und schalte ein Voltmeter mit 0 ‑ Punkt in der Mitte parallel zum Schwingkreis. Ergebnis: Versuch 2: Entferne das Voltmeter von vorhin und verwende den 1µF- Kondensator. Stecke einen Kopfhörer in die dafür vorgesehene Buchse. Verschiebe das Joch des Eisenkerns! Ergebnis:

44 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten Rundfunk Amplitudenmodulation: NF-Signale im Tonbereich können als elektromagnetische Welle nicht abgestrahlt werden. Daher benötigen wir ein HF-Signal als Trägerwelle mit konstanter Amplitude. Das NF-Signal wird der Trägerwelle überlagert. Dieses wird nicht addiert, sondern moduliert. Dabei gibt es Amplitudenmodulation, Frequenzmodulation und Phasenmodulation.

45 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 45 Amplitudenmodulation: Die Amplitude der Trägerschwingung wird im Rhythmus der NF verändert. Amplitudenmodulation wird bei LW, MW und KW angewendet. Sie ist störanfälliger und hat nicht so eine gute Übertragungsqualität wie die Frequenzmodulation. Frequenzmodulation: Hier wird die Frequenz der Trägerschwingung mit der NF moduliert. Anwendung bei UKW Die so erzeugten modulierten Schwingungen werden verstärkt und über eine Antenne abgestrahlt. Sie sendet elektromagnetische Wellen aus.

46 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 46 Tonschwingungen HF-Schwingungen AM-HF-Schwingungen Radiosender

47 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 47 Modulierter HF-Strom HF-Strom Modulierter pusierender Gleichstrom Tonfrequenz verstärkt Empfänger

48 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 48 Radiosender und Empfänger

49 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten Das Fernsehen Fernsehkamera und Bildschirm arbeiten mit Elektronen. Kathodenstrahlröhre: Versuch: Schattenkreuzröhre: Hochspannung von ca. 8kV anlegen. Am Schirm ist der Schatten des Kreuzes sichtbar. Die Röhre ist ausgepumpt. Die Kathode (-) sendet Elektronen aus, die von der Anode (+ ) angezogen werden. Die Ausbreitungsrichtung ist geradlinig. Daher der Schatten. Die Elektronen selbst sind nicht sichtbar. Die Glaswand ist als Leuchtschirm ausgebildet. D. h., wenn Elektronen auftreffen sendet der Schirm sichtbares Licht aus. Wir nähern einen Magneten:  Der Elektronenstrahl (auch Kathodenstrahl) wird abgelenkt.

50 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 50 Die Braunsche Röhre Glaskolben ist evakuiert. Aus einer Glühkathode (1) treten Elektronen aus, die sich geradlinig ausbreiten. Sie werden zwischen Kathode und Ringanode (3) beschleunigt. Mit dem Wehneltzylinder (2) lässt sich die Helligkeit einstellen. Nach der Ringanode wird der Elektronenstrahl durch zwei Paare von Abklenkplatten (4), (5) abgelenkt.

51 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 51 Horizontale Platten (5): Sägezahnspannung Vertikale Platten (4): die zu messende Spannung. Braunsche Röhren werden beim Oszillographen, beim Fernseher und bei Monitoren eingesetzt.

52 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 52 Beim Fernseher haben wir ein Ablenksystem mit Spulen. (Zeilentrafo) 1 Bild besteht aus 625 Zeilen und 800 Spalten und wird in 1/25 Sekunde aufgebaut. Durch die rasche Bildfolge kommt es zur Bewegung. Beim Farbfernseher haben wir drei Elektronen-strahlen für die 3 additiven Grundfarben RGB. Jeder Bildpunkt besteht eigentlich aus 3 Punkten (Lochmaske) für die 3 Grundfarben. Elektronenstrahl magnetisches Ablenksystem Leuchtschirm Fernseher

53 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 53 Bildentstehung 1. Halbbild2. Halbbild Gesamtbild horizontaler Strahlrück- sprung vertikaler Strahlrück- sprung

54 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten Mikrophon und Lautsprecher Der dynamische Lautsprecher Eine Tauchspule befindet sich im Feld eines Dauermagneten. Der tonfrequente Wechselstrom erzeugt in der Spule ein wechselndes Magnetfeld. Dadurch kommt es zu einer Bewegung der Spule. Die an der Spule befestigte Membran bewegt sich im Rhythmus des wechselnden Magnetfeldes. Dabei werden Schallwellen erzeugt. Motorprinzip

55 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 55

56 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 56

57 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 57 Das Tauchspulenmikrophon (auch dynamisches Mikrofon) Es ist ähnlich wie der dynamische Lautsprecher aufgebaut. Durch den Schall wird die Membran in Schwingungen versetzt. Mit ihr bewegt sich die Spule, die sich in einem Magnetfeld eines Permanentmagneten befindet. Dadurch wird eine Wechselspannung im Rhythmus des Schalls erzeugt. Generatorprinzip

58 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 58 Andere Mikrofone: Kohlekörnermikrophon (bei Telephon). Durch Zusammenpressen der Kohle ändert sich der Widerstand  Spannungsänderung  Elektretmikrofon: Wie Kondensator aufgebaut. Eine feste Platte und eine bewegliche Membran. An die Platten wird eine Spannung angelegt. Durch den Schall bewegt sich die Membran  Änderung der Kapazität des Kondensators  Änderung der Spanung. Diese Änderung kann an einem Widerstand abgenommen werden.

59 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten Informationsspeicherung, Mikroelektronik, Computer Lies B. S. 43 – Speicherung Unterschied Analog – Digital Speichermedien: Mikroelektronik: IC Chip Mikroprozessor Computer Wichtigste drei Bestandteilgruppen: Prozessor Speicher Ein-/Ausgabeeinheit

60 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 60 Spektrum elektromagnetischer Wellen


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