Drei wichtige Baugruppen der Elektronik Der Schmitt–Trigger – Ein Baugruppe zur Erzeugung definierter Schaltvorgänge Das RS-Flipflop – Ein Baugruppe zur Speicherung von Zuständen 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 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2
Schmitt - Trigger 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) Symbol Eingangssignal ue Ausgangssignal ua Übertragungskennlinie ue/V ue: Eingangsspannung ua/V ua: Ausgangsspannung L L: Low-Pegel von ua H H: High-Pegel von ua uea: Ausschaltspannung uea uee uee: Einschaltspannung Ausschalten Einschalten Hysteresisspannung WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2
Zeitverhalten des Schmitt-Triggers u uaL uaH uee uea t Schaltung + _ UB RA1: Arbeitswiderstand 1 RA2: Arbeitswiderstand 2 RE: Emitterwiderstand Verkoppelt die beiden Transistoren RA1 RA2 RE T1 T2 ua ue WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2
Wirkungsweise des Schmitt-Triggers ue/V ua/V L H uee uea + _ UB ue ua RA1 RA2 RE T1 T2 + _ UB ue ua RA1 RA2 RE T1 T2 IC1 IC1 min IC1 IC2 IC2 IC2max IB1 IB1 min IB1 IB2 IB2max IB2 UCE1max UCE1 UCE1 UCE2 UCE2min UCE2 uBE1<0,7V UBE1 UBE2max UBE2 UBE2 uBE1 uRE Wirkungsschema (Kausalkette) Ruhezustand: Ue Uee ; T1 sperrt, T2 leitet; Ua=L ue uee Ua=L Einschalten: Ue = Uee ; T1 wird leitend, T2 geht in den gesperrten Zustand über Ua geht auf H über. Für die Eingangsspannung gilt ue uRE + uBE1 0,7V UBE1 ue= uee IB2 Ua H uBE1 uRE Das schnelle Umschalten des Schmitt - Triggers erklärt sich aus der Verkopplung beider Transistoren mit RE und aus der verstärkenden Wirkung der Transistoren. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2
Übersteuern: ue uee ; T1 leitet, T2 sperrt ; ua = H ue/V ua/V L H uee uea + _ UB ue ua RA1 RA2 RE T1 T2 + _ UB ue ua RA1 RA2 RE T1 T2 Übersteuern: ue uee ; T1 leitet, T2 sperrt ; ua = H Ue> uee IB1 max IC1 SAT UCE1min UBE2min IB2min IC2min UCE2max Ua=H Ausschalten: Ue = Uea ; T1 wird gesperrt, T2 geht in den leitenden Zustand über Ua geht auf L über. UCE2 UBE1 <0,7V IC1 IC2 Ue< uea UCE1 UBE2 IB2 IB1 Ua= L uBE1 uRE WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2
Dimensionierung + _ UB RA1 RA2 RE T1 T2 Praktisches Beispiel: + _ UB T1,T2: SC 237 RA1,RA2: 1k RE:100 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2
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. Funktion: Symbol: S R Q Vorgang 1 Setzen S R Q 1 Speichern 1 Rücksetzen 1 Speichern 1 Setzen RA1 T1 RA2 T2 + _ UB Die beiden Eingänge S und R dürfen nicht gleichzeitig mit einer 1 (H-Pegel) belegt werden, weil Q Q beide Ausgänge eine 0 (L-Pegel) führen würden. Q und Q immer entgegengesetzt belegt sein müssen. Das ist nicht zulässig, weil S R WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2
Wirkungsweise des RS-Flipflops RA1 T1 RA2 T2 S R Q S R Q Vorgang RA1 T1 RA2 T2 S R Q 1 Setzen 1 Speichern 1 Rücksetzen IB1max IB1 1 Speichern 1 Setzen Q=L Setzen: S=H IC1max UCE1min Das Rücksetzen erfolgt in analoger Weise! R=L IB2min IC2min UCE2max Q=H Q=L S=L R=L IB1max IC1max IB2min IC2min UCE1min UCE2max Q=H Speichern: Was erfolgt, wenn an S und R ein H angelegt wird? WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2
Dimensionierung T1 T2 RA: 1k (Arbeitswiderstand) RA1 RA2 RK1 RK2 RS: 1k (Schutzwiderstand für die Basis-Emitterstrecke) RK: 50k (Koppelwiderstand zur Erhaltung des H-Pegels an der jeweiligen Basis beim Setzen oder Rücksetzen) RS1 RS2 Variante zur Anzeige eines Zustands mit LEDs Berechnung von RA +9V Betriebsspannung UB= 9V T1 T2 Betriebswerte der LED: IF=20 mA; UF=2V 350 350 50 k 50 k 1 k 1 k WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2
Astabiler Multivibrator Astabile Multivibratoren (AMV) sind Kippschaltungen, mit denen Rechteckspannungen bis zu einigen MHz erzeugt werden können. Symbol: ua1 ua2 Schaltung: RA: Arbeitswiderstände Rb: Basiswiderstände C: Kondensatoren UB RA1 Rb2 Rb1 RA2 Rb1 und C1 sowie Rb2 und C2 sind die zeitbestimmenden Glieder. ua1 ua2 C1 C2 Zeitkonstante WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2
Wirkungsweise RA1 C1 RA2 Rb2 Rb1 C2 T1 T2 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: WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2
Zeitgleich finden zwei Vorgänge statt!!! Zur Beschreibung Startsituation festlegen, weil das System ständig schwingt. RA1 C1 RA2 Rb2 Rb1 C2 T1 T2 Der AMV hat gerade umgeschaltet, so dass der Transistor T1 jetzt sperrt und T2 jetzt leitet. Wegen des vorangegangenen Vorgangs ist der Kondensator C2 gerade noch entladen und C1 gerade noch geladen. uRb1 uBE1<0 Zeitgleich finden zwei Vorgänge statt!!! 1. Vorgang: C1 entlädt sich mit iKo1 über T2 . Über Rb1 fließt eine entsprechend große Stromstärke, der entstehende Spannungsabfall hält wegen seines großen Betrags in negativer Richtung T1 weiterhin für eine gewisse Zeit gesperrt. 2. Vorgang: C2 war zuvor entladen und wird jetzt mit iKo2 über RA1 aufgeladen. Der Ladestrom von C2 fließt in die Basis von T2 und schaltet diesen Transistor ebenfalls für eine bestimmte Zeit durch. Wirkungsschema: T1 sperrt, T2 leitet; C1 noch geladen; C2 noch entladen uRb1 iB1 min iC1 min uCE1max ua1 H uBE1<0 +iko2 -iko1 Dieser Vorgang dauert die Zeit-konstante und beginnt danach in der entgegen gesetzten Richtung iB2 max iC2 max uCE2min ua2 L WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2
Es finden zeitgleich wiederum zwei Vorgänge statt. Zur Beschreibung Startsituation festlegen, weil das System ständig schwingt. RA1 C1 RA2 Rb2 Rb1 C2 T1 T2 uRb2 Wenn der Kondensator C1 umgeladen ist, beginnt ein Basisstrom über Rb1 in T1 zu fließen. iB1 T1 beginnt zu leiten, seine Kollektor- Emitterstrecke verliert ihren hohen Widerstand. uBE2<0 Der Kondensator C2 entlädt sich mit Iko2 und erzeugt über Rb2 den hohen Spannungsabfall, der T2 sperrt. Der AMV ist gekippt. Es finden zeitgleich wiederum zwei Vorgänge statt. 3. Vorgang: C2 entlädt sich mit iKo2 über T1 . Über Rb2 fließt eine entsprechend große Stromstärke, der entstehende Spannungsabfall uRb2 hält wegen seines großen Betrags in negativer Richtung T2 während der folgenden Zeitkonstanten gesperrt. 4. Vorgang: C1 war zuvor entladen und wird jetzt mit iKo1 über RA2 aufgeladen. Der Ladestrom von C1 fließt in die Basis von T1 und hält diesen Transistor im leitenden Zustand. Wirkungsschema: T1 leitet, T2 sperrt; C2 noch geladen; C1noch entladen iB1 max uCE1min ua1 L iC1 max +iko1 -iko2 Dieser Vorgang dauert die Zeit-konstante und beginnt danach in der entgegen gesetzten Richtung usw., usf.. uRb2 iB2 min iC2 min uCE2max ua1 H uBE2<0 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2
Impulsdiagramm des AMV <UB t uBE2 uBE1 uCE1 uCE2 RA1 C1 RA2 Rb2 Rb1 C2 T1 T2 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2
Berechnung des AMV RA1 C2 RA2 Rb2 Rb1 C1 T1 T2 RA=1k RB=240k C=1nF 1. Berechnung der Arbeitswiderstände wie gehabt 2. Berechnung der Frequenz Nur bei gleichem Tastverhältnis = P! Beispiel: f = 3 kHz, C=1 nF WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2
RC-Glieder U I 100% U R A 63% C V I t 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 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2
Verfügung. Berechnen Sie die dazugehörigen Basiswiderstände. 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 1F 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. (RA= 460; RB714 k) WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2