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DIY Personal Fabrication Elektronik Juergen Eckert – Informatik 7.

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Präsentation zum Thema: "DIY Personal Fabrication Elektronik Juergen Eckert – Informatik 7."—  Präsentation transkript:

1 DIY Personal Fabrication Elektronik Juergen Eckert – Informatik 7

2 Fahrplan Basics – Ohm'sches Gesetz – Kirchhoffsche Reglen Passive (und aktive) Bauteile Wer misst, misst Mist Dehnmessstreifen Später: Schaltungs- und Platinen-Entwicklung Löt- und Ätz-Tutorial mit Jürgen In Anlehnung an: Roland Speith, Uni Thübingen

3 Stromrichtung + Technische / Konventionelle Stromrichtung Physikalische Stromrichtung Elektronenstrom André-Marie Ampère ( ) Stromrichtung willkürlich festgelegt Atomphysik: Minuspol herrscht Elektronenüberschuss Konvention: „positive Ladungsträger“ (nicht in Metallen, aber in Halbleiter, Elektrolyte)

4 Ohm'sches Gesetz + R U I U = R I Georg Simon Ohm ( ) – FAU, 1811 Dissertation: “Licht und Farben” „Wirkung fließender Elektrizität“ (heute: Stromstärke)

5 Elektrischer Widerstand (passiv) Einheit: Ohm Verbunden mit Stromfluss Dissipation durch – Wärme – Licht – Mechanische Arbeit Foto: Wikipedia Schaltzeichen

6 Kirchhoffsche Gesetze Gustav Robert Kirchhoff ( ) Analyse von Schaltungen mit vernetzten Bauteilen (Spannungen und Ströme) Zwei Regeln – Knotenregel – Maschenregel Funktioniert NICHT nur mit Widerstände!!!

7 Knotenregel I1I1 I5I5 I2I2 I3I3 I4I4 Verzweigung: Summe aller in den Zweigen fließenden Ströme ist Null. Ladungserhaltung: Strom in den Knoten = Strom aus den Knoten

8 Maschenregel Spannung (zwischen Aufpunkt und Bezugspunkt) = elektrisches Potential Potential ist vom Weg unabhängig Summe über alle Spannungen auf einem beliebigen geschlossenen Weg ist Null + R1 R2 R3 U1U1 U2U2 U3U3 U0U0

9 Reihenschaltung Knotenregel – Gleicher Strom durch R 1, R 2 Maschenregel – U = U 1 + U 2 Ohm'sches Gesetz – U 1 = R 1 I – U 2 = R 2 I U = I (R 1 + R 2 ) = I R ges → R ges = R 1 + R 2 R1R1 R2R2 U I U2U2 U1U1 Allgemein:

10 Parallelschaltung Knotenregel – I = I 1 + I 2 Maschenregel – Gleiche Spannung an R 1, R 2 Ohm'sches Gesetz – U = R 1 I 1 – U = R 2 I 2 I = U (1/R 1 + 1/R 2 ) = U / R ges → 1/R ges = 1/R 1 + 1/R 2 R1R1 R2R2 U I I1I1 I2I2 Allgemein

11 Elektrischer Kondensator (passiv) (1/3) Einheit: Farad Elektrische Ladung in el. Feld Ladung Q[As] = C U Wechselstrom Z c = 1/ωC; ω = 2πf Parallelschaltung C ges = C 1 + C 2 Reihenschaltung 1/C ges = 1/C 1 + 1/C 2 Fotos: Wikipedia Schaltzeichen Herleitung analog

12 Elektrischer Kondensator (passiv) (2/3) = R c C (R c (Vor-)Widerstand) 0.69 ∼ 5 Fotos: Wikipedia Ladekurve Entladekurve

13 Elektrischer Kondensator (passiv) (3/3) Wechselstromkreis Der Strom eilt der Spannung um 90° voraus

14 Elektrische Spule (passiv) (1/3) Einheit: Henry Magnetfeld ↔ Stromänderung U = -L dI/dt = -L d 2 Q/dt 2 Wechselstrom Z L = ωL Parallelschaltung 1/L ges = 1/L 1 + 1/L 2 Reihenschaltung L ges = L 1 + L 2 Foto: Wikipedia Schaltzeichen

15 Elektrische Spule (passiv) (2/3) d =L/R

16 Elektrische Spule (passiv) (3/3) Wechselstromkreis Die Spannung eilt dem Strom um 90° voraus Umkehrt als beim Kondensator!

17 Spannungsteiler R1R1 R2R2 U0U0 I U1U1

18 Wer misst, misst Mist (1/3) U 0 = 10V R 1 = R 2 = 500 kOhm R1R1 R2R2 U0U0 U1U1 U U U erwartet = 5V U gemessen = 4V

19 Wer misst, misst Mist (2/3) U 0 = 10V R 1 = R 2 = 500 kOhm R1R1 R2R2 U0U0 U1U1 U U U erwartet = 5V U gemessen = 4V Impedanz 1MOhm (typisch Oszis) 1M Oszilloskop R 2eff = 333 kOhm

20 Wer misst, misst Mist (3/3) U 0 = 10V R 1 = R 2 = 500 kOhm R1R1 R2R2 U0U0 U1U1 U U U erwartet = 5V U gemessen = 4.9V Impedanz 1MOhm 10:1 Tastkopf 1M Oszilloskop 9M R 2eff = 477 kOhm

21 Wheatstone'sche Brückenschaltung (1/2) Unbekannter Widerstand R x bestimmen Widerstand R 1, R 2 variieren, so dass kein Strom I m zwischen den Maschen fließt R1R1 R2R2 U0U0 RxRx R4R4 RmRm ImIm U U RmRm Strommessgerät I ges I3I3 I1I1 I4I4 I2I2

22 Wheatstone'sche Brückenschaltung (2/2) 1.-U 0 + R 1 I 1 + R 2 I 2 = 0 2.R X I 3 + R M I M – R 1 I 1 = 0 3.R 4 I 4 – R 2 I 2 – R m I m = 0 R1R1 R2R2 U0U0 RxRx R4R4 RmRm ImIm I ges I3I3 I1I1 I4I4 I2I A.I ges = I 1 + I 3 = I 2 + I 4 B.I 3 = I m + I 4 C.I 1 + I m = I 2 A A B C R 1, R 2 Abgleichen (z.B. mittels Poti) damit I m = 0

23 Dehnmessstreifen Elektrische Widerstandsänderung durch Verformung (Kraft) 1000 – µm / m Verformbar Bild: Wikipedia Fotos: Keith Hack

24 Viertelbrücke mit DMS R1R1 R2R2 10V R3R3 R4R4 5V 0V DMS Bauteil

25 Viertelbrücke mit DMS R1R1 R2R2 10V R3R3 R4R4 5V 4V 6V 1V DMS Bauteil Gedehnt

26 Viertelbrücke mit DMS R1R1 R2R2 10V R3R3 R4R4 5V 6V 4V -1V DMS Bauteil Gestaucht

27 Halbbrücke mit DMS R1R1 R2R2 10V R3R3 R4R4 5V ±2V DMS 1 DMS 2

28 Vollbrücke mit DMS R1R1 R2R2 10V R3R3 R4R4 ±4V DMS 1 DMS 2 DMS 4 DMS 3

29 RC Glied: Tiefpass (1/2) Übertragungsverhalten Foto: Wikipedia Blindwiderstand = Widerstand Phasenverschiebung 45° Dämpfung etwa 3 c

30 RC Glied: Tiefpass (2/2) Fotos: Wikipedia Ω << 1 ist H ungefähr 1 Ω >> 1 fällt H mit -20 dB / Dekade

31 RC Glied: Hochpass Filtert tiefe Frequenzen heraus Herleitung analog Grenzfrequenz f c identisch Foto: Wikipedia

32 Oszilloskop und passive Tastköpfe e Foto: Wikipedia Wer misst, misst Mist

33 Oszilloskop und passive Tastköpfe Drähte verhalten sich wie Antenne – Nehmen viel Rauschen auf – Stören andere Bauteile (Induktion) Akzeptabel für – Geringe Frequenzen – Hohe Signalpegel 1M20pF Drähte wie Multimeter

34 Oszilloskop und passive Tastköpfe Weniger Störungen Geschirmtes Kabel ≙ Kondensator (pF/m) – 100pF sind ∼ 30Mhz – Schaltung kann beeinflusst/beschädigt werden 1M20pF Mit Abschirmung 1:1 Taster

35 Oszilloskop und passive Tastköpfe 9M vor Kabelkondensator → hohe Impedanz Aber: 1M20pF Mit Abschirmung 10:1 Taster (fast) 9M Foto: Wikipedia Problem: Frequenzen werden verschieden gedämpft LowPass Filter

36 Oszilloskop und passive Tastköpfe 1M20pF Mit Abschirmung 10:1 Taster 9M 1M 9M Niedrige Frequenz 1M20pF 9M Hohe Frequenz CPCP C C ADJ CSCS Hohe ImpedanzNiedrige Impedanz Flacher Frequenzgang

37 Oszilloskop und passive Tastköpfe e Foto: Wikipedia Hohe Frequenz Niedrige Frequenz Tastkopf kalibrieren

38 Oszilloskop und aktive Tastköpfe Hohe Impedanz und geringe Kapazität auch bei hohen Frequenzen Teuer Funktionsweise nächstes mal Foto: Wikipedia (Korrigiert)

39 Nächstes mal bei DIY Transistoren / Mosfets Operationsverstärker Spannungsanpassung w/o the pain Neuer Übungsraum: Blaues Hochhaus


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