2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik

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1 2.2 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 elektrische Eingangssignale Ausgangssignale Begriffe Signal: Physikalische Größe, die Bedeutung haben kann. Daten: Codierte Informationen. Information: Menschliche Wahrnehmung oder Idee. Maschinen verarbeiten Signale und Daten 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. 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 I UB: Betriebsspannung UB + _ RA RA: Arbeitswiderstand RV RV: Veränderlicher Widerstand Größe X, die den Wider-standswert ändert UA UA: Ausgangsspannung 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 URA X RV URV WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige elektronische Baugruppen Teil 1

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

5 Signal-verarbeitung Signal-speicherung
Systeme zur Änderung elektrischer Signale Signaleingabe Signal-verarbeitung Signalausgabe optische akustische kinematische thermische chemische elektrische Eingangssignale Ausgangssignale Signal-speicherung UB + _ RA T IC UE UA IB UCE UA UE UBE WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige elektronische Baugruppen Teil 1

6 Bestimmung der Arbeitspunkte
UCE/V IB/A IC/mA 10 8 6 4 2 0,2 0,4 0,6 0,8 UBE/V RA 1. Transistor leitet voll (RT 0) Schalter geschlossen Schalter geöffnet 2. Transistor sperrt (RT ) 3. Transistor- und Arbeitswider-stand sind gleich groß; RT=RA AP1:UCE=5V IC=5mA UBE=0,7V IB=50A AP2:UCE=3,8V IC=6,2mA UBE=0,72V IB=60A AP3:UCE=6,3V IC=3,6mA UBE=0,68V IB=36A 4. UBE steigt um 0,02V 5. UBE sinkt um 0,02V WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige elektronische Baugruppen Teil 1

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

8 Verstärker  Verlustleistung elektrisches elektrisches Eingangssignal
PV mit Q und   Verlustleistung Pe mit ue, ie, f Pa mit ua, ia, f elektrisches Eingangssignal elektrisches Ausgangssignal ue (t) ua (t) Signalsenke (Lastwiderstand) Signalquelle (Generator) Stromversorgung Antriebsleistung mit U und I 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. 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. RA RV UB IB UBE Kennlinienfeld 2. Grundschaltung WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige elektronische Baugruppen Teil 1

10 Wechselspannungsverstärker
UCE/V IB/A IC/mA 10 8 6 4 2 0,2 0,4 0,6 0,8 UBE/V 1. Grundschaltung 2. Grundschaltung Wechselspannungsverstärker WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige elektronische Baugruppen Teil 1

11 2. Grundschaltung - Einstellung des Arbeitspunktes mit einem Spannungsteiler
RA R1 R2 UB IB Iq UBE R1 erzeugt mit Iq einen konstanten Spannungsabfall UR1, der ebenso groß ist wie UBE. Kennlinienfeld WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige elektronische Baugruppen Teil 1

12 Wirkungsweise der Gegenkopplung
3. Grundschaltung - Einstellung des Arbeitspunktes mit einem Spannungsteiler und Temperaturdriftstabilisierung durch stromgesteuerte Spannungsgegenkopplung UB RA R1 R2 IB Iq UBE URE RE Wirkungsweise der Gegenkopplung Rtra Rtra: Widerstand der Kollektor- Emitterstrecke des Transistors  IC IE URE UBE IB UR1= URE + UBE = konstant WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige elektronische Baugruppen Teil 1

13 Wechselspannungsverstärker
CK: Koppelkondensator (blockt Gleichspannung ab) CK CK Kennlinienfeld CE CE: Emitterkondensator (schließt Emitterwiderstand für Wechselstrom kurz) Frequenzgang eines Verstärkers f vu Breitbandverstärker 100% 70,7% Bandbreite: Selektivverstärker (Schmalbandverstärker) fgu fgo fgu; fgo:untere und obere Grenzfrequenz WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige elektronische Baugruppen Teil 1

14 Beispiele WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein
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15 Es wurden zwei Messungen mit folgenden Ergebnissen durchgeführt.
Aufgaben 6. Berechnen Sie die Strom-, Spannungs- und Leistungsverstärkung einer Transistorverstärkerstufe. Es wurden zwei Messungen mit folgenden Ergebnissen durchgeführt. 1. Messung: UBE1= 600 mV; IB1= 40A; UCE1= 10 V; IC1= 3,5 mA 2. Messung: UBE2= 750 mV; IB2= 100A; UCE2= 2 V; IC2= 9 mA (vU= 53,3 ; vI v= 91,7 vP = 4885,8 ) 7. Die Abbildung zeigt eine einfache Schaltstruktur und die entsprechende Kennlinie. IK1/K2 RA=150 UB=12V K1/ K2: Schalterkontakte K1 K2 UK1/K2 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. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige elektronische Baugruppen Teil 1

16 9. Berechnen Sie einen Transistorverstärker!
Ic in mA UCE in V 100 50 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 UB=12V Schalterbetrieb AP1:IB= 0 mA; UCE= 12 V, IC= 0 mA AP2:IB= 1 mA; UCE= 1,5 V, IC= 70 mA Verstärkerbetrieb AP: IB= 0,4 mA; UCE= 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. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Elektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige elektronische Baugruppen Teil 1