Drei wichtige Baugruppen der Elektronik

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1 Drei wichtige Baugruppen der Elektronik
Der Schmitt-Trigger – Ein Schwellwertschalter Das RS – Flipflop – Ein Speicher Der astabile Multivibrator – Ein Generator Alle drei Baugruppen gehören zu den Standardbaugruppen der Elektronik werden in der Schule häufig angewendet und eignen sich für den Einstieg ins Fach

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

3 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

4 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.

5 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 IC1 IC2 Ue< uea UBE1 <0,7V UCE1 UBE2 IB2 IB1 Ua= L uBE1 uRE

6 Dimensionierung + _ UB RA1 RA2 RE T1 T2
B2: Stromverstärkungs-faktor des 2. Transistors Praktisches Beispiel: + _ UB RA1 RA2 RE T1 T2 T1,T2: BC 337 RA1,RA2: 1k RE:100 

7 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 + _ UB RA2 T2 Die beiden Eingänge S und R dürfen nicht gleichzeitig mit einer 1 (H-Pegel) belegt werden, weil beide Ausgänge eine 0 (L-Pegel) führen würden. Q Q Q und Q immer entgegengesetzt belegt sein müssen. Das ist nicht zulässig, weil S R

8 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 Setzen: S=H IC1max UCE1min Q=L 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?

9 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

10 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

11 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:

12 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 uBE1<0 iB1 min iC1 min uCE1max ua1 H +iko2 -iko1 Dieser Vorgang dauert die Zeit-konstante  und beginnt danach in der entgegen gesetzten Richtung iB2 max iC2 max uCE2min ua2 L

13 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 uBE2<0 iB2 min iC2 min uCE2max ua1 H

14 Impulsdiagramm des AMV
<UB t uBE2 uBE1 uCE1 uCE2 RA1 C1 RA2 Rb2 Rb1 C2 T1 T2

15 Berechnung des AMV RA1 C2 RA2 Rb2 Rb1 C1 T1 T2 RA=1k RB=24k C=10nF
1. Berechnung der Arbeitswiderstände wie gehabt 2. Berechnung der Frequenz Nur bei gleichem Tastverhältnis! Beispiel: f = 3 kHz, C=10 nF

16  RC-Glieder U I U 100% 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