DW EditSeite anzeigenÄltere VersionenLinks hierherAlles aus-/einklappenNach oben Diese Seite ist nicht editierbar. Sie können den Quelltext sehen, jedoch nicht verändern. Kontaktieren Sie den Administrator, wenn Sie glauben, dass hier ein Fehler vorliegt. CKG Editor ====== 4. Grundschaltungen II ====== <callout> .. </callout> <WRAP> <callout type="info" icon="true"> === Einführendes Beispiel=== <WRAP right>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?cct=$+1+0.00019999999999999998+0.23009758908928252+55+5+50%0Aa+352+176+416+176+8+15+-15+1000000+0.000010000224972250687+0+100000%0Ag+480+192+480+208+0%0Ar+352+112+416+112+0+1600.1000000000001%0Aw+416+112+416+176+0%0A368+576+112+640+112+0+0%0Ar+288+160+352+160+0+8000%0Ar+288+112+352+112+0+4000%0Aw+352+144+352+160+0%0Ar+288+64+352+64+0+2000%0Ar+288+16+352+16+0+1000%0Aw+352+112+352+144+0%0Aw+352+64+352+16+0%0AL+288+160+176+160+0+1+false+5+0%0AL+272+112+176+112+0+0+false+5+0%0AL+256+64+176+64+0+0+false+5+0%0AL+240+16+176+16+0+0+false+5+0%0Aw+352+112+352+64+0%0A197+368+-192+384+-208+0%0A157+496+-192+512+-208+0+7+0+0%0Aw+496+-64+560+-64+0%0Aw+496+-32+592+-32+0%0Aw+592+-32+592+-64+0%0Aw+496+0+624+0+0%0Aw+624+0+624+-64+0%0Aw+288+160+288+-96+0%0Aw+368+-96+288+-96+0%0Aw+368+-128+272+-128+0%0Aw+272+-128+272+112+0%0Aw+272+112+288+112+0%0Aw+256+64+288+64+0%0Aw+256+64+256+-160+0%0Aw+256+-160+368+-160+0%0Aw+240+16+288+16+0%0Aw+240+16+240+-192+0%0Aw+240+-192+368+-192+0%0Aa+512+176+576+176+8+15+-15+1000000+-0.000010000024971751254+0+100000%0Ag+320+192+320+208+0%0Ar+512+112+576+112+0+10000%0Aw+576+176+576+112+0%0Aw+512+160+512+112+0%0Ar+448+112+512+112+0+10000%0Aw+320+192+352+192+0%0Aw+480+192+512+192+0%0Aw+416+112+448+112+0%0Ab+448+64+605+230+0%0A38+5+0+1000+20000+R1%0A38+6+0+1000+20000+R2%0A38+8+0+1000+20000+R3%0A38+9+0+1000+20000+R4%0A 600,600 noborder}} </WRAP> </callout></WRAP> <WRAP><callout> === Ziele für Grundschaltungen II === Nach dieser Lektion sollten Sie: - wissen, welche Arten von Bipolartransistoren es gibt, wie deren Schichtstruktur und das Schaltsymbol aussieht. - wissen, wie die beiden Arten von Bipolartransistoren angesteuert werden. - wissen, welche die wichtigsten Kennfelder des Bipolartransistors sind und wie diese aussehen. </callout></WRAP> ===== 4.1 Umkehraddierer ===== <WRAP right><panel type="default"> <imgcaption pic1| Umkehraddierer> </imgcaption> \\ {{drawio>Umkehraddierer}} </panel></WRAP> <WRAP right>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?cct=$+1+0.00019999999999999998+0.17188692582893286+57+5+50%0Aa+384+224+480+224+8+15+-15+1000000+0.00000722007166178529+0+100000%0Ag+384+240+384+272+0%0Ar+400+160+480+160+0+1000%0Aw+480+160+480+224+0%0Aw+384+160+384+208+0%0A368+480+224+528+224+0+0%0Aw+384+160+400+160+0%0Ar+288+208+352+208+0+1000%0AR+288+208+240+208+0+1+40+5+0+0+0.5%0AR+288+144+240+144+0+1+80+5+0+0+0.5%0Ar+288+144+352+144+0+2000%0AR+288+80+240+80+0+1+120+5+0+0+0.5%0Ar+288+80+352+80+0+4000%0Aw+384+80+384+144+0%0Aw+384+144+384+160+0%0A403+448+256+576+352+0+5_2_0_4098_10_0.1_0_2_5_3%0Aw+352+80+384+80+0%0Aw+352+208+384+208+0%0Aw+384+16+384+80+0%0Ar+288+16+352+16+0+8000%0AR+288+16+240+16+0+1+160+5+0+0+0.5%0A403+64+-16+192+48+0+20_2_0_4098_5_0.1_0_2_20_3%0A403+64+48+192+112+0+11_2_0_4098_5_0.1_0_2_11_3%0A403+64+112+192+176+0+9_2_0_4098_5_0.1_0_2_9_3%0A403+64+176+192+240+0+8_2_0_4098_5_0.1_0_2_8_3%0AR+288+-48+240+-48+0+1+200+5+0+0+0.5%0Ar+288+-48+352+-48+0+16000%0Aw+352+-48+384+-48+0%0A403+64+-80+192+-16+0+25_2_0_4098_5_0.1_0_2_25_3%0Aw+384+-48+384+16+0%0Aw+352+144+384+144+0%0Aw+352+16+384+16+0%0A38+7+0+1000+20000+R1%0A38+10+0+1000+20000+R2%0A38+12+0+1000+20000+R3%0A38+19+0+1000+20000+R4%0A38+26+0+1000+20000+R5%0A 700,600 noborder}} </WRAP> ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ <WRAP> <panel type="info" title="Aufgabe 4.1.1 Transferaufgabe - Signale und Systeme"> <WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%> Welchen Schwingungsform scheint sich aus der Überlagerung der sinusförmigen Signale zu ergeben, wenn diese jeweils in der Frequenz verdoppelt und in der wirkenden Amplitude halbiert werden? (Ausgangszustand der Simulation oben) Welchen Schwingungsform scheint sich zu ergeben, wenn die Spannungsquellen mit $80Hz$ und $160Hz$ entfernt werden? </WRAP></WRAP></panel></WRAP> ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ ===== 4.2 Differenzverstärker / Subtrahierer ===== [[http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ina240.pdf|INA 240 - Stromrichtungsverstärker]] <WRAP right><panel type="default"> <imgcaption pic2| Differenzverstärker> </imgcaption> \\ {{drawio>Differenzverstärker}} </panel></WRAP> <WRAP right>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?cct=$+17+0.000049999999999999996+1.2182493960703473+60+5+50%0Aa+288+224+432+224+8+15+-15+1000000+-0.898327554934716+-0.8983634887555898+100000%0Aw+288+112+288+208+0%0Aw+432+224+432+112+0%0Ar+288+112+432+112+0+1000%0Ar+192+112+288+112+0+1000%0Ar+320+320+400+320+0+1000%0Ag+432+320+432+336+0%0Ar+288+320+192+320+0+1000%0AO+432+224+496+224+0%0Av+128+320+80+320+0+2+137+5+0+0+0.9%0AR+32+320+-16+320+0+1+60+5+0+0+0.5%0Aw+288+320+288+240+0%0Aw+320+320+288+320+0%0Aw+432+320+400+320+0%0Aw+192+320+128+320+0%0A403+416+240+544+304+0+8_8_0_4098_10_0.0000244140625_1_1%0A403+144+240+272+304+0+14_8_0_4102_20_0.1_1_2_14_3%0Aw+192+112+128+112+0%0AR+32+112+-16+112+0+1+60+5+0+3.141592653589793+0.5%0Av+128+112+80+112+0+2+137+5+0+0+0.9%0A403+144+128+272+192+0+17_8_0_4098_20_0.1_0_2_17_3%0Av+80+320+32+320+0+2+731+5+0+0+0.9%0Av+80+112+32+112+0+2+731+5+0+0+0.9%0Ab+-48+80+22+354+0%0Ab+36+80+122+354+0%0Ax+46+195+121+244+4+20+St%C3%B6rung%5Cs%5C%5Cnauf%5Csder%5Cs%5C%5CnLeitung%0Ax+-41+206+14+232+4+20+diff.%5Cs%5C%5CnSignal%0A 700,400 noborder}} </WRAP> ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ ===== 4.3 Instrumentenverstärker ===== <WRAP right><panel type="default"> <imgcaption pic3| Instrumentenverstärker> </imgcaption> \\ {{drawio>Instrumentenverstärker }} </panel></WRAP> Übung zum Instrumentenverstärker: - Finden Sie heraus wie der Instrumentenverstärker funktioniert - Führen Sie dazu den unten angegebenen Falstad Code aus und verändern Sie den veränderlichen Widerstand - Was passiert, wenn Sie den veränderlichen Widerstand entfernen und die Anschlüsse offen lassen? Welche Schaltung haben nun die OPVs am Eingang? - Vergleichen Sie folgende Situationen. Was ist festzustellen? - (1) veränderlicher Widerstand wird durch Widerstand mit 2 kOhm ersetzt - (2) veränderlicher Widerstand wird am oberen Anschluss durch 1 kOhm gegen Masse und unten durch 1 kOhm gegen Masse ersetzt. - (3) veränderlicher Widerstand wird am oberen Anschluss durch 1 kOhm gegen eine Spannungsquelle mit 1 V und unten durch 1 kOhm gegen 1 V ersetzt. - Welche Übertragungsgleichung ergibt sich? $U_A = f(U_2,U_1) = ?$ - Welche Vorteile ergeben sich gegenüber dem Differenzverstärker? <WRAP right>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?cct=$+17+0.00019999999999999998+0.26073472713092677+56+5+50%0Aa+288+192+432+192+8+15+-15+1000000+1.3742754673027664+1.3743254638029614+100000%0Aw+288+64+288+128+0%0Aw+432+144+432+64+0%0Ar+288+64+432+64+0+1000%0Ar+192+64+288+64+0+1000%0Ar+320+320+400+320+0+1000%0Ag+432+320+432+336+0%0Ar+288+320+192+320+0+1000%0AR+96+48+32+48+0+1+60+5+0+0+0.5%0AO+432+192+496+192+0%0Av+64+336+0+336+0+2+60+1+0+0+0.5%0AR+0+336+-32+336+0+1+60+5+0+0+0.5%0Aa+96+320+192+320+8+15+-15+1000000+0.748750922592489+0.748778409101765+100000%0Aw+288+320+288+256+0%0Aw+320+320+288+320+0%0Aw+432+320+400+320+0%0Ar+192+320+192+272+0+1000%0Ar+192+64+192+112+0+1000%0Aa+96+64+192+64+9+15+-15+1000000+-0.25119907990738605+-0.2512215908982351+100000%0Aw+96+80+96+112+0%0Aw+96+112+192+112+0%0Aw+192+272+96+272+0%0Aw+96+272+96+304+0%0A174+192+160+160+208+0+1000+0.5+Resistance%0Aw+432+176+432+192+0%0Aw+288+160+288+176+0%0Aw+288+208+288+224+0%0Aw+192+112+192+128+0%0Aw+192+128+160+128+0%0Aw+160+128+160+176+0%0Aw+96+336+64+336+0%0Aw+160+176+160+192+0%0Aw+192+224+192+272+0%0Aw+288+224+288+256+0%0Aw+288+160+288+128+0%0Aw+432+144+432+176+0%0A403+416+208+544+272+0+9_1_0_4098_5_0.0000244140625_1_1%0A403+-64+240+64+304+0+30_1_0_4102_5_0.1_1_2_30_3%0A403+-64+80+64+144+0+8_1_0_4098_7_0.025_0_2_8_3%0A 700,400 noborder}} </WRAP> ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ ===== 4.4 Strom-Spannungs-Wandler ===== <WRAP right><panel type="default"> <imgcaption pic4| Strom-Spannungs-Wandler> </imgcaption> \\ {{drawio>Strom-Spannungs-Wandler}} </panel></WRAP> Rechts sehen Sie das Bild eines Strom-Spannungswandlers. Der Strom-Spannungswandler ändert anhand eines __Eingangsstroms__ seine __Ausgangsspannung__. Gelegentlich wird diese Schaltung auch [[https://de.wikipedia.org/wiki/Transimpedanzverst%C3%A4rker|Transimpedanzverstärker]] genannt, da hier der Übertragungswiderstand - also die Transimpedanz - die Verstärkung darstellt. Die Verstärkung war allgemein als $A={ {Ausgabe} \over {Eingabe} }$ definiert. Beim Strom-Spannungswandler ist die Verstärkung definiert als $$ R = {{U_{out}} \over I_{in}} = - R_1 $$ $R_1$ ist der in der Schaltung verbaute Widerstand. Diese Schaltung kann zum Beispiel für das Auslesen einer [[https://de.wikipedia.org/wiki/Photodiode#Betrieb_im_Quasi-Kurzschluss|Photodiode in spannungsloser Verschaltung]] genutzt werden ([[https://de.wikipedia.org/wiki/Transimpedanzverst%C3%A4rker#Anwendung|weitere Erklärung]]). <WRAP right>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?cct=$+1+0.0005+0.03528660814588489+57+5+50%0Aa+384+224+480+224+8+15+-15+1000000+0.00009999900000999991+0+100000%0Ag+384+240+384+272+0%0Ar+384+160+480+160+0+1000%0Aw+480+160+480+224+0%0Aw+384+160+384+208+0%0A370+320+208+384+208+1+0%0Ai+272+208+320+208+0+0.01%0Aw+272+208+272+256+0%0Ag+272+256+272+272+0%0Ax+258+167+332+170+4+14+Stromquelle%0A368+480+224+528+224+0+0%0A38+6+0+-0.01+0.01+Strom%5Csder%5CsStromquelle%0A 700,400 noborder}} </WRAP> ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ ===== 4.5 Spannungs-Strom-Wandler ===== <WRAP right><panel type="default"> <imgcaption pic5| Strom-Spannungs-Wandler> </imgcaption> \\ {{drawio>Spannungs-Strom-Wandler}} </panel></WRAP> Als nächstes betrachten wir den Spannungs-Strom-Wandler. Bei diesem wird ein Ausgabe__strom__ proportional zu einer Eingangs__spannung__ eingestellt. Hier wird die allgemeine Verstärkung $A={ {Ausgabe} \over {Eingabe} }$ zu $$ S ={{I_{out}} \over U_{in}} $$ Die Größe $S$ nennt man dabei die Übertragungssteilheit, bzw. der Übertragungsleitwert. Diese Schaltung kann zum Beispiel genutzt werden, um eine spannungsgeregelte Stromquelle zu erzeugen. <WRAP right>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?cct=$+1+0.0005+0.20306040966347483+58+5+50%0Ag+416+368+416+384+0%0Ag+256+304+256+336+0%0Aa+304+256+416+256+9+15+-15+1000000+1.2434121333518957+1.2434494357158963+100000%0A370+416+256+448+256+1+0%0Ar+416+304+416+368+0+500%0Aw+416+304+304+304+0%0Aw+304+304+304+272+0%0Av+256+240+256+304+0+1+40+5+0+0+0.5%0Aw+304+240+256+240+0%0Ar+512+256+512+304+0+1000%0Aw+416+304+512+304+0%0Aw+512+256+448+256+0%0Ab+480+224+544+335+0%0Ax+470+351+564+354+4+14+Lastwiderstand%0A38+4+0+500+10000+Widerstand%0A 500,400 noborder}} </WRAP> ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ ====== Aufgaben ====== <panel type="info" title="Aufgabe 4.2.1 Ermittlung des Übertragungsverhalten des Differenzverstärkers"> <WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%> Im Folgenden ist die Übertragungsfunktion des des Differenzverstärkers zu berechnen. Dazu sollen Sie einige Schritte verfolgen. - Analysieren Sie zunächst die Ausgangsspannung. Rechtsklicken Sie dazu in der Falstad Simulation die Ausgangsspannung $U_A$ und wählen Sie "Im Oszi anzeigen". Welcher Spannungsverlauf ergibt sich? - Leiten Sie die die Funktion $U_A = f(U_{E1}, U_{E2})$ mittels Superposition her. - Zeichnen Sie dazu zunächst jeweils eine Ersatzschaltung. - Beschreiben Sie kurz die entstandene Schaltung. Welche Verstärkungsschaltung ergibt sich jeweils? - Berechnen Sie dann die Spannungen $U_A1$ und $U_A2$, sowie daraus $U_A$. - Ermitteln Sie die Funktion $U_A = f(U_{E1}, U_{E2})$ für die Widerstandswerte der dargestellten Schaltung. </WRAP></WRAP></panel> <panel type="info" title="Aufgabe 4.4.1 Übertragungswiderstand des Strom-Spannungswandlers"> <WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%> Leiten Sie für den Strom-Spannungswandler die Verstärkung, also den Übertragungswiderstand her. Nutzen Sie dabei das Vorgehen, welches wir für den bei den anderen Verstärkern verwendet haben. - Zeichnen Sie eine Schaltung mit den relevanten Spannungen, Ströme, sowie Widerstände und dem OPV - Was ist gesucht? - Anzahl der Variablen? - Anzahl der notwendigen Gleichungen? - Aufstellen der bekannten Gleichungen - Herleitung des Übertragungswiderstands </WRAP></WRAP></panel> <panel type="info" title="Aufgabe 4.5.1 Übertragungssteilheit des Spannungs-Stromwandler"> <WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%> Leiten Sie auch hier für den Spannungs-Stromwandler die Verstärkung, also die Übertragungssteilheit her. Nutzen Sie dabei wieder das Vorgehen, welches wir für den bei den anderen Verstärkern verwendet haben. - Zeichnen Sie eine Schaltung mit den relevanten Spannungen, Ströme, sowie Widerstände und dem OPV - Was ist gesucht? - Anzahl der Variablen? - Anzahl der notwendigen Gleichungen? - Aufstellen der bekannten Gleichungen - Herleitung der Übertragungssteilheit </WRAP></WRAP></panel> <panel type="info" title="Aufgabe 4.5.2 Erdbezogene Last"> <WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%> {{ elektronische_schaltungstechnik:erdbezogenelast.jpg?200|}} Wenn der Spannungs-Stromwandler als Stromquelle genutzt wird, muss dabei darauf geachtet werden, dass die Last keinen Kontakt zu Masse hat. - Zeichnen Sie den Spannungs-Stromwandler auf mit einer Last, welche einen Kontakt zu Masse hat. - Warum gilt in diesem Fall die oben hergeleitete Übertragungssteilheit als Verstärkungsfaktor nicht mehr? - Wird der Ausgabestrom in diesem Fall höher oder niedriger? </WRAP></WRAP></panel> <panel type="info" title="Aufgabe 4.6 Metafrage"> <WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%> Zur Vorbereitung der Klausur sollen Sie sich auch mit dem Stoff und möglichen Fragen dazu auseinandersetzen. Entwickeln Sie dazu **zwei individuelle Fragen** zum bisherigen Stoff, die * entweder einen Teilaspekt betreffen, den Sie noch nicht verstehen oder * einen Teilaspekt betreffen, den Sie in der letzten Stunde dazugelernt haben. Beachten Sie, dass die Fragen vom Schwierigkeitsgrad her so gestellt sein sollen, dass diese auch in der Klausur stehen können. Zu allgemeine Formulierungen ("Erklären Sie einen Operationsverstärker") sind zu vermeiden. \\Die eingereichten Fragen werde ich Ihnen über ILIAS zurückspielen und in die Klausur einfließen lassen. \\ \\ Gerne können Sie mir jenseits der 2. Aufgabe auch weitere Fragen schreiben. Diese sollten Sie dann jedoch separat kennzeichnen. </WRAP></WRAP></panel> ====== Weiterführende Literatur ====== * [[https://en.wikipedia.org/wiki/Low-dropout_regulator| Low Dropout Regler]] ====== Lernfragen ====== * Nennen Sie Anwendungen für den Umkehraddierer. * Erklären Sie die Funktionsweise eines Strom-/Spannungswandlers. * Nennen Sie 3 Anwendungsbereiche für einen Operationsverstärker.