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

Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 12.1 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? ........................... Linke Lampe leuchtet kurz auf. Was passiert beim Entladen? ....................... Rechte Lampe leuchtet kurz auf. Ein Kondensator kann elektrische Ladung und Energie speichern. Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten

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Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 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, .. Tantalkondensator Bauarten: Elektrolytkondesatoren Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten

Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten Drehkondensator Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten

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

Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 12.2 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. Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten

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

Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 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. Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten

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

Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 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. Buch Seite 32 Abb. 22.3 Stromleitung erfolgt durch positive Löcher. Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten

Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 12.2.1 Die Diode: Schaltsymbol: Buch Seite 33 Abb. 23.1 – 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. Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten

Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 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: Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten

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! Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten

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

Grätzsche Brückenschaltung Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten

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

Zweiweggleichrichtung – + Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten

Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten Glättung Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten

Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten Schaltsymbole: 12.2.2 Der Transistor: 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. Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten

Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 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. Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten

Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten Transistor Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten

V1: Prinzip des Transistors 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 Zwischen B und C ein kleiner Basisstrom leitend gesteuert werden. Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten

V2:Spannungsteilerschaltung: 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 Versuch 2:Spannungsteilerschaltung: sperrt 3,5 V ist leitend geworden. am Leuchten der Lampe erkennt. Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten

Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten V3: Stolperdraht 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……………………………………………… …………………... sperrt. liegt eine Spannung an. die Basis über den 10 KOhm Widerstand mit dem Pluspol verbunden ist. Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten

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 ………….. ab sinkt. sperrt. leitend leuchtet. Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten

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 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten

Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 12.2.3 Die Solarzelle Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten

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

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

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. Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten

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

Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten Beispiele Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten

Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten Beispiele Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten

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

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

Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten LC-Schwingkreis 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. Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten

Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 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. Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten

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Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 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: Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten

Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 12.3.1 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. Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten

Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 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. Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten

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

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

Radiosender und Empfänger Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten

Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 12.3.2 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. Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten

Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 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. Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten

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

magnetisches Ablenksystem Fernseher Elektronenstrahl magnetisches Ablenksystem Leuchtschirm 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. Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten

horizontaler Strahlrück- sprung Bildentstehung 1. Halbbild 2. Halbbild Gesamtbild horizontaler Strahlrück- sprung vertikaler Strahlrück- sprung Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten

12.3.3 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 Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten

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Das Tauchspulenmikrophon (auch dynamisches Mikrofon) Generatorprinzip 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. Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten

Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten 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. Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten

12.4 Informationsspeicherung, Mikroelektronik, Computer Lies B. S. 43 – 46 12.4.1 Speicherung Unterschied Analog – Digital Speichermedien: 12.4.2 Mikroelektronik: IC Chip Mikroprozessor 12.4.3 Computer Wichtigste drei Bestandteilgruppen: Prozessor Speicher Ein-/Ausgabeeinheit Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten

Spektrum elektromagnetischer Wellen Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten