2.2 wichtige baugruppen der elektronik

WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – HeinElektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige elektronische Baugruppen Teil 1

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2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik

Das Prinzip der Signalverarbeitung – Die Signalkette oder das EVA - Prinzip

SignaleingabeSignal-

verarbeitung

Signal-speicherung

Signalausgabe

optischeakustischekinematische

thermischechemische


thermischechemische

elektrische

elektrische

elektrische

Eingangssignale Ausgangssignale

Begriffe Signal: Physikalische Größe, die Bedeutung haben kann.

Daten: Codierte Informationen.

Information: Menschliche Wahrnehmung oder Idee.

Maschinen verarbeiten Signale und Daten


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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.


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Das Grundprinzip der Signaländerung -

Spannungsteiler aus linearem und nichtlinearem Widerstand

RA

RA: Arbeitswiderstand

RV

RV: Veränderlicher Widerstand

UB: Betriebsspannung

UB

+

_

UA

UA: Ausgangsspannung

Größe X, die den Wider-standswert ändert

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

X RV

URV

URA

I

I

RVRAB UUU


4

X RV

URV

URA

I

RVRAB UUU

2. Variante: Der nichtlineare Widerstand hat eine positive Charakteristik wie z.B. PTC – Thermistoren, Feldplatten oder Spulen.

R

X

I

RV: Veränderlicher Widerstand

RV

RA

RA: Arbeitswiderstand

UB: Betriebsspannung

UB

+

_

UA

UA: Ausgangsspannung

Größe X, die den Wider-standswert ändert


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Systeme zur Änderung elektrischer Signale

SignaleingabeSignal-

verarbeitungSignalausgabe


thermischechemische


thermischechemische

elektrische

elektrische

elektrische

Eingangssignale Ausgangssignale

Signal-speicherung

UB

+

_UBE

IB

RA

TUCE UA

IC

UE

UEUA


6

maxCA I

UBR

2 4 6 8 10 UCE/V IB/A 120 100 80 60 40 20

IC/mA

10

8

6

4

2

0,2

0,4

0,6

0,8

UBE/V

RA

kmA

VRA 1

10

10

2. Transistor sperrt (RT )

0; CCE IUBU

3. Transistor- und Arbeitswider-stand sind gleich groß; RT=RA

2;

2max UB

UI

I CEC

C

Bestimmung der Arbeitspunkte

AP1:UCE=5V

IC=5mA

UBE=0,7V

IB=50A

AP2:UCE=3,8V

IC=6,2mA

UBE=0,72V

IB=60A

AP3:UCE=6,3V

IC=3,6mA

UBE=0,68V

IB=36A

4. UBE steigt um 0,02V

5. UBE sinkt um 0,02V

1. Transistor leitet voll (RT 0)

Schalter geschlossen

Schaltergeöffnet


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AP1:UCE=5V

IC=5mA

UBE=0,7V

IB=50A

AP2:UCE=3,8V

IC=6,2mA

UBE=0,72V

IB=60A

AP3:UCE=6,3V

IC=3,6mA

UBE=0,68V

IB=36A

Änderungen der Parameter in den 3 Arbeitspunkten

UCE=2,5V

UBE=0,04V

IC=2,6mA

IB=24A=0,024mA

Stromverstärkung

3,108024,0

6,2

mA

mA

I

IvB

B

CI

Spannungsverstärkung

5,6204,0

5,2

V

V

U

Uv

BE

CEU

Leistungsverstärkung

5,67685,623,108 IUP vvv

Strom-, Spannungs- und Leistungsverstärkung der Verstärkerstufe

IB=24A=0,024mA

UBE=0,04VUCE=2,5V

1k

UB=10V

+

_

IC=2,6mA


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elektrischesEingangssignal

elektrischesAusgangssignal

Verlustleistung

Stromversorgung

Verstärker

PV mit Q und

Antriebsleistung mit U und I

Pe mit ue, ie, f Pa mit ua, ia, f

ue (t) ua (t)

Signalquelle(Generator)

Signalsenke(Lastwiderstand)

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.


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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.

UB

UBE

IB

B

BEV I

UUBR

Kennlinienfeld

2. Grundschaltung

RARV

maxCA I

UBR


10

2 4 6 8 10 UCE/V IB/A 120 100 80 60 40 20

IC/mA

10

8

6

4

2

0,2

0,4

0,6

0,8

UBE/V1. Grundschaltung

2. Grundschaltung

Wechselspannungsverstärker


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2. Grundschaltung - Einstellung des Arbeitspunktes mit einem Spannungsteiler

UB

Iq

IB

UBE

RA

R1

R2

I Iq B( .... )2 5

RU

IBE

q1

Bq

BE

II

UUBR

2

R1 erzeugt mit Iq einen konstanten Spannungsabfall UR1, der ebenso groß ist wie UBE.

Kennlinienfeld

maxCA I

UBR


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3. Grundschaltung - Einstellung des Arbeitspunktes mit einem Spannungsteiler und Temperaturdriftstabilisierung durch stromgesteuerte Spannungsgegenkopplung

RA

R1

R2

RE

UB

Iq

IB

UBE

R RE A( , .... , )0 1 0 2

RU U

IBE RE

q1

Bq

REBE

II

UUUBR

2

U R IRE E E

URE

CE

BCE

II

III

maxCA I

UBR

Wirkungsweise der Gegenkopplung

IC UBEIE IBURE

UR1= URE + UBE = konstant

Rtra

Rtra: Widerstand der Kollektor- Emitterstrecke des Transistors


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Wechselspannungsverstärker

CK

CK

CK: Koppelkondensator

(blockt Gleichspannung ab)

Kennlinienfeld

CE

CE: Emitterkondensator

(schließt Emitterwiderstand für Wechselstrom kurz)

Frequenzgang eines Verstärkers

f

vu

100%

70,7%

fgu fgo

fgu; fgo:untere und obere Grenzfrequenz

Breitbandverstärker

gugo fff Bandbreite:Selektivverstärker(Schmalbandverstärker)


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Beispiele


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6. Berechnen Sie die Strom-, Spannungs- und Leistungsverstärkung einer Transistorverstärkerstufe. Es wurden zwei Messungen mit folgenden Ergebnissen durchgeführt. 1. Messung: UBE1= 600 mV; IB1= 40A; UCE1= 10 V; IC1= 3,5 mA 2. Messung: UBE2= 750 mV; IB2= 100A; UCE2= 2 V; IC2= 9 mA (vU= 53,3 ; vI v= 91,7 vP = 4885,8 )

Aufgaben

7. Die Abbildung zeigt eine einfache Schaltstruktur und die entsprechende Kennlinie.

RA=150UB=12V

UK1/K2

IK1/K2

K1K2

K1/ K2: Schalterkontakte

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.


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RA=150

Ic in mA

UCE in V

100

50

3 6 9 12

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.

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