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--- elektronische_schaltungstechnik:1_grundlagen_zu_verstaerkern [2020/03/30 00:17]
tfischer
+++ elektronische_schaltungstechnik:1_grundlagen_zu_verstaerkern [2023/09/19 23:08] (aktuell)
mexleadmin
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-====== 1. Grundlagen zu Verstärkern ======
+====== 1 Grundlagen zu Verstärkern ======
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-<figure label>
+<WRAP right><panel type="default">
-<a2s>
+<imgcaption tablelabel| Übersicht der verschiedenen Bereiche der Elektronik></imgcaption>
-.-----------------------------------------------------------------------.
+{{drawio>UebersichtElektronik}}
-|[G]                                                          Grundlagen|
+</panel></WRAP>
-|.--------------. .--------------. .--------------. .--------------.    |
-||[I]elektrische| |[I]Erstellung | |[H]Werkstoffe,| |[H]Test,      |    |
-||+elektronische| |v. Schaltungen| |Entw.Prozesse,| | Debugging,   |    |
-|| Komponenten  | | +Platinen    | | Konzepte     | | Design Think.|    |
-|'-------+------' '-------+------' '-------+------' '------+-------'    |
-|        :                :                :               :            |
-.--------+----------------+----------------+---------------+------------.
-         :                :                :               :
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-  |[A]                                                         |
-  |                          ELEKTRONIK                        |
-  |                                                            |
-  '------+------------+--------------+--------------+----------'
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-.--------+------------+--------------+--------------+--------------------.
-|[G]     |            |              |              |   Spezialisierungen|
-| .------+----.  .----+-----.  .-----+-------.  .---+------------.       |
-| |[B]Digital-|  |[C]Analog-|  |[D]Leistungs-|  |[E]Hochfrequenz-|       |
-| | elektronik|  |elektronik|  |  elektronik |  |    elektronik  |       |
-| '----+------'  '-----+----'  '---------+---'  '----------+-----'       |
-|       ^              ^                 ^                ^              |
-'-------+--------------+-----------------+----------------+--------------'
-        |              |                 |                |
-.-------+--------------+-----------------+----------------+--------------.
-|[G]    v              v                 v                vSchnittstellen|
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-| |[F] Gatter, | |[J]Verstärker,    | |[F] Antriebe,| |[F] Funk,     |   |
-| | FPGA, CPLD,| | Filter, Analog-  | |Beleuchtung, | |  Bluetooth,  |   |
-| |CPU, PCs,.. | |Digital-Wandler,..| | Netzteile,..| |   EMV,..     |   |
-| '------------' '------------------' '-------------' '--------------'   |
-'------------------------------------------------------------------------'
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-</a2s>
-<fs small></fs>
- <caption> ** Verschiedene Teilbereiche der Elektronik **</caption>
-</figure>
-</WRAP>
 ===== 1.0 Was ist elektronische Schaltungstechnik =====
 Elektronische Schaltungstechnik umfasst verschiedene Teilbereiche der Elektronik.
-In {{Ref>label}}  sind die Grundlagen der Elektronik, ihre Spezialisierungen und die damit angesprochenen Schnittstellen dargestellt.
+In <imgref tablelabel> sind die Grundlagen der Elektronik, ihre Spezialisierungen und die damit angesprochenen Schnittstellen dargestellt.
 \\ \\ \\
-In den ersten Semester hat das Fach "Grundlagen der Digitaltechnik" bereits die Digitaltechnik mit Gattern und verschiedene einfache programmierbare Schaltungen beschrieben. In "Elektrotechnik 1" und "Elektrotechnik 2" wurden die Grundlagen für einfache elektrische Komponenten und Schaltungen gelegt.
+Im Fach [[Grundlagen der Digitaltechnik:start]] wurden bereits die Digitaltechnik mit Gattern und verschiedene einfache programmierbare Schaltungen beschrieben. In [[Elektrotechnik 1:start]] und [[Elektrotechnik 2:start]] wurden die Grundlagen für einfache elektrische Komponenten und Schaltungen gelegt.
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 Die elektronische Schaltungstechnik konzentriert sich nun auf __elektr**on**ische Komponenten und deren Schaltungen__, welche die Analogelektronik betrifft.
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 Diese Komponenten und Schaltungen verbinden häufig die digitale mit der analogen Welt oder passen Spannungen und Ströme so an, dass diese weiterverwendet werden können. Daneben bilden die Komponenten "Transistor" und "Diode" die Basis sowohl für Digital-, Leistungs- als auch Hochfrequenzelektronik. Ohne zu übertreiben, stellen diese Komponenten die Grundlage der modernen Welt dar; sie bilden heute das [[grundlagen_der_digitaltechnik:im_herzen_eines_computers|Herz jedes Computers]] und jedes Rechners.
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 __**Elektronik**__ ist ein Kofferwort aus Elektronen und Technik. Die "Elektronen-Technik" betrachtet Schaltungen, in denen ein elektrischer Strom bzw. eine Spannung durch andere elektrische Signale gesteuert wird. Das bedeutet, dass zum Beispiel eine Spannung $U_{in}$ eine Ausgabespannung $U_{out}$ steuert. Physikalisch müssen die beiden Signale nicht elektrisch miteinander verbunden sein. \\ \\
-Zunächst soll der Begriff Elektronik an verschiedenen Beispielen näher untersucht werden. Als erstes soll ein Transformator betrachtet werden. Ist dieser ein elektrisches oder elektronisches Bauteil? Im Transformator wird die Ausgangsspannung durch die Magnetfeldänderung erzeugt. Die Magnetfeldänderung wiederum durch die Stromänderung auf der Primärseite. Es liegt also eine direkte Transformation (eine Umwandlung) der Signale vor. Damit ist der Transistor kein elektronisches Bauteil. Falls dies noch etwas unklar ist, so hilft es dieses Kapitel intensiv zu bearbeiten und folgende Beispiele zu vergleichen. \\ \\
+Zunächst soll der Begriff Elektronik an verschiedenen Beispielen näher untersucht werden. Als erstes soll ein Transformator betrachtet werden. Ist dieser ein elektrisches oder elektronisches Bauteil? Im Transformator wird die Ausgangsspannung durch die Magnetfeldänderung erzeugt. Die Magnetfeldänderung wiederum durch die Stromänderung auf der Primärseite. Es liegt also eine direkte Transformation (eine Umwandlung) der Signale vor. Damit ist der Transformator kein elektronisches Bauteil. Falls dies noch etwas unklar ist, so hilft es dieses Kapitel intensiv zu bearbeiten und folgende Beispiele zu vergleichen. \\ \\
 Das zweite Bauteil welches betrachtet werden soll, ist das sogenannte Schütz. Ein Schütz, ist ein elektr(on?)isch gesteuerter Schalter. Bei diesem schließt eine Spule, falls sie bestromt wird, einen sekundären, bzw. ausgangsseitigen Stromkreis. Hier liegt keine direkte, elektrische Verbindung vor. Das Schütz wird häufig noch nicht als elektronisches, sondern als elektromechanisches Bauteil aufgefasst. \\ \\
-Als letztes soll die Elektronenröhre im Licht der Elektronik und Elektrotechnik untersucht werden. Eine Elektronenröhre ist ein Vakuumgefäß, mit mehreren Anschlüssen. An zwei der Anschlüsse führen intern zu jeweils einer Elektrode, die sich gegenüberstehen. diese können auf ein Potentialdifferenz gegeneinander gebracht und erhitzt werden. Dadurch ist es Elektronen möglich aus der Elektrode auszutreten und durch das Vakuum einen Strom zur anderen Elektrode zu erzeugen. Zwischen den beiden Elektroden ist ein Gitter angebracht. Wird dieses auf ein Gegenpotential gesetzt, so kann der Stromfluss unterbunden werden. Hierbei kann durch das Gitterpotential der Stromfluss geändert werden. Die Elektronenröhre wird bereits als elektronisches Bauteil aufgefasst. Heutzutage ist die Elektronenröhre durch Halbleiterkomponenten verdrängt worden.\\ \\
+Als letztes soll die Elektronenröhre im Licht der Elektronik und Elektrotechnik untersucht werden. Eine Elektronenröhre ist ein Vakuumgefäß, mit mehreren Anschlüssen. Zwei der Anschlüsse führen intern zu jeweils einer Elektrode, die sich gegenüberstehen. Diese können auf ein Potentialdifferenz gegeneinander gebracht und erhitzt werden. Dadurch ist es Elektronen möglich aus der Elektrode auszutreten und durch das Vakuum einen Strom zur anderen Elektrode zu erzeugen. Zwischen den beiden Elektroden ist ein Gitter angebracht. Wird dieses auf ein Gegenpotential gesetzt, so kann der Stromfluss unterbunden werden. Hierbei kann durch das Gitterpotential der Stromfluss geändert werden. Die Elektronenröhre wird bereits als elektronisches Bauteil aufgefasst. Heutzutage ist die Elektronenröhre durch Halbleiterkomponenten verdrängt worden.\\ \\
 In diesem Kurs befassen wir uns nur mit Halbleiterelektronikkomponenten und im wesentlichen mit Silizium als Halbleiter.
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 ===== 1.1 Warum Verstärker? =====
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-Das Schaltsymbol des Verstärkers wurde ist ein Rechteck mit eingefügtem Dreieck. Die Eingangsklemmen auf der linken Seite sind als $IN+$ und $IN-$ gekennzeichnet. Die Ausgangsklemmen auf der rechten Seite entsprechend mit $OUT+$ und $OUT-$. Die Eingangsspannung $U_E$, bzw. $U_{IN}$ liegt zwischen den Eingangsklemmen und die Ausgangsspannung $U_A$, bzw. $U_{OUT}$ zwischen den Ausgangsklemmen an. \\ \\
+Das Schaltsymbol des Verstärkers ist ein Rechteck mit eingefügtem Dreieck. Die Eingangsklemmen auf der linken Seite sind als $IN+$ und $IN-$ gekennzeichnet. Die Ausgangsklemmen auf der rechten Seite entsprechend mit $OUT+$ und $OUT-$. Die Eingangsspannung $U_E$, bzw. $U_{IN}$ liegt zwischen den Eingangsklemmen und die Ausgangsspannung $U_A$, bzw. $U_{OUT}$ zwischen den Ausgangsklemmen an. \\ \\
 Das zu verstärkende Signal kommt auf der linken Seite von einer beliebigen Quelle. Häufig lässt sich diese als ideale (Spannungs)quelle - d.h. mit Innenwiderstand - auffassen. Das verstärkte Signal wird auf der rechten Seite einer Last zugeführt. Im einfachsten Fall ist diese Last ein ohmscher Widerstand. \\ \\
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 ==== Kenngrößen ====
+<WRAP right><panel type="default">
+<imgcaption pic1|Verstärker mit Quelle und Last>
+</imgcaption>
+{{drawio>Ersatzschaltbild_eines_Verstärkers_Blackbox}}
+</panel></WRAP>
-<imgcaption pic1|Verstärker mit Quelle und Last>{{ elektronische_schaltungstechnik:ersatzschaltbild_verstaerker_blackbox.png?600}}</imgcaption>
-<WRAP right column 60%>
+Bei den meisten Anwendungen wird ein Spannungsverstärker benötigt. Entsprechend wird dieser für die folgende Erklärung zu Grunde gelegt. Die ermittelten Größen gelten aber entsprechend für andere Verstärker. In <imgref pic1> ist ein Spannungsverstärker als Blackbox abgebildet. Der Spannungsverstärker versucht stets ein vorgegebenes Vielfaches der Eingangsspannung $U_E$ am Ausgang als Ausgangsspannung $U_A$ auszugeben. Dieses "Vielfache" kann als Verhältnis ermittelt werden. \\ \\
+Rechts ist eine **Simulation eines idealen Verstärkers** zu sehen. Die eingangsseitige Quelle gibt die zu verstärkende Spannung vor. Der Verstärker mit Verstärkungsfaktor 100 hat die Anschlüsse für Ein- und Ausgangsspannung eingezeichnet. Auf der rechten Seite ist als Last ein Widerstand vorgesehen; dieser kann über einen Schalter variiert werden.
+\\ \\
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+<WRAP right>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&cct=$+1+0.001+0.04723665527410147+50+5+43%0A368+288+192+288+160+0+0%0A368+-112+192+-112+160+0+0%0Aw+224+192+288+192+0%0Ax+260+101+305+104+4+24+Last%0Ab+252+115+377+367+0%0Ab+-206+114+-49+366+0%0Ax+-198+100+-129+103+4+24+Quelle%0Aw+192+288+224+288+0%0Ag+224+288+224+320+0%0Ar+288+288+288+192+0+100%0Aw+224+288+288+288+0%0A370+192+192+224+192+1+0%0Ag+-16+288+-16+320+0%0Ar+-112+192+-112+240+0+10000%0Aw+-16+288+-112+288+0%0Av+-112+288+-112+240+4+5+40+0.05+-0.025+0+0.5%0A370+-32+192+0+192+1+0%0Aw+-112+192+-32+192+0%0Aw+288+192+320+192+0%0Aw+288+288+336+288+0%0As+336+192+336+240+0+1+false%0Ar+336+240+336+288+0+100%0Aw+320+192+336+192+0%0Aw+144+224+144+192+0%0Aw+144+256+144+288+0%0Aw+48+256+48+288+0%0Aw+48+224+48+192+0%0A212+48+224+80+224+0+2+100*(a-b)%0Aw+16+288+-16+288+0%0Ab+16+114+173+366+0%0Ax+1+99+189+102+4+24+idealer%5CsVerst%C3%A4rker%0Aw+48+192+0+192+0%0Aw+48+288+16+288+0%0Aw+192+192+144+192+0%0Aw+192+288+144+288+0%0Ax+24+185+43+188+4+12+IN%5Cp%0Ax+26+303+41+306+4+12+IN-%0Ax+135+184+167+187+4+12+OUT%5Cp%0Ax+136+303+164+306+4+12+OUT-%0A 730,400 noborder}}
+</WRAP>
+<WRAP right column 60em>
 <panel type="default" title="Kenngrößen" no-body="true">
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 </panel>
 </WRAP>
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-Bei den meisten Anwendungen wird ein Spannungsverstärker benötigt. Entsprechend wird dieser für die folgende Erklärung zu Grunde gelegt. Die ermittelten Größen gelten aber entsprechend für andere Verstärker. In <imgref pic1> ist ein Spannungsverstärker als Blackbox abgebildet. Der Spannungsverstärker versucht stets ein vorgegebenes Vielfaches der Eingangsspannung $U_E$ am Ausgang als Eingangsspannung $U_A$ auszugeben. Dieses "Vielfache" kann als Verhältnis ermittelt werden. \\ \\
+In der Simulation sind einige Eigenschaften eines Verstärker zu sehen:
+  - Im Idealfall fließt eingangsseitig kein Strom in den Verstärker.
+  - Der ausgangsseitige Strom ist abhängig von der angeschlossenen Last. Wird mit Hilfe des Schalters der Lastwiderstand verringert, so erhöht sich der Strom. Der Verstärker versucht so die gewünschte Spannung aufrecht zu erhalten.
+  - Auf der Ausgangsseite des Verstärkers kann der Strom in beide Richtungen fließen. \\ Der Verstärker stellt den Strom so ein, dass die verstärkte Spannung $U_A=\pm 2,5V$ am Ausgang zu messen ist.
+\\
 Die Verhältnisse der Eingangs- und Ausgangsgrößen einer Blackbox nennt man **Kenngrößen**. Eine bekannte Kenngröße ist beispielsweise der Wirkungsgrad $\eta = \frac{P_A}{P_E}$. Beim Verstärker werden als Eingangs- und Ausgangsgrößen nur die Spannungen und Ströme betrachtet. In der Tabelle sind verschiedene Verstärkerkenngrößen dargestellt. \\
 Abhängig von der gewünschten Eingangsgröße, welche als Input herangezogen werden soll, und der Ausgangsgröße, welche geregelt werden soll, ergeben sich verschiedene **Übersetzungsverhältnisse**. Wichtig ist dabei, dass Übertragungswiderstand $R_ü$ und Übertragungsleitwert $S$ keinem elektrischen Bauteil entspricht, da Strom und Spannung nicht an den gleichen Anschlüssen gemessen werden. \\
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 ==== Ersatzschaltbild ====
-<imgcaption pic2|Verstärker mit Quelle und Last (als reale Spannungsquellen)>{{ elektronische_schaltungstechnik:ersatzschaltbild_verstaerker.png?600}}</imgcaption>
+<WRAP right><panel type="default">
+<imgcaption pic2|Verstärker mit Quelle und Last (mit realen Spannungsquellen)>
+</imgcaption>
+{{drawio>Ersatzschaltbild_eines_Verstärkers}}
+</panel></WRAP>
-Nach den Kenngrößen soll der erste Versuch unternommen werden den inneren Aufbau des Verstärkers zu verstehen. Im vorherigen Abschnitt wurden Strom-Spannungs-Verhältnisse aus der Außenansicht ermittelt. Dort wurde auf der Eingangsseite des Verstärkers ein Eingangswiderstand $R_E$ beschrieben. Dieser wird nun im Ersatzschaltbild berücksichtigt (siehe <imgref pic2>). Auch auf der Ausgangsseite wurde ein Widerstand durch die Betrachtung als Blackbox ermittelt. Hier ist aber zusätzlich zu beachten, dass der Verstärker - dem Namen nach - das Eingangssignal verstärken soll. Hier muss also neben dem Ausgangswiderstand $R_A$ auch noch ein Element genutzt werden, welches die verstärkte Spannung ausgibt. Dies ist die eingezeichnete Spannungsquelle [(Note1>Die im Verstärker vewendete Spannungsquelle ist eine [[https://de.wikipedia.org/wiki/Gesteuerte_Quelle|gesteuerte Quelle]], auf diesen Terminus soll in diesem Kurs nicht weiter eingegangen werden)]. Die Spannung der Spannungsquelle richtet sich nach der am Eingangswiderstand $R_E$ anliegenden Spannung. Sie ist genauer um den Faktor der Spannungsverstärkung $A_V$ größer.
+Nach den Kenngrößen soll der erste Versuch unternommen werden den inneren Aufbau des Verstärkers zu verstehen. Im vorherigen Abschnitt wurden Strom-Spannungs-Verhältnisse aus der Außenansicht ermittelt. Dort wurde auf der Eingangsseite des Verstärkers ein Eingangswiderstand $R_E$ beschrieben. Dieser wird nun im Ersatzschaltbild berücksichtigt (siehe <imgref pic2>). Auch auf der Ausgangsseite wurde ein Widerstand durch die Betrachtung als Blackbox ermittelt. Hier ist aber zusätzlich zu beachten, dass der Verstärker - dem Namen nach - das Eingangssignal verstärken soll. Hier muss also neben dem Ausgangswiderstand $R_A$ auch noch ein Element genutzt werden, welches die verstärkte Spannung ausgibt. Dies ist die eingezeichnete Spannungsquelle [(Note1>Die im Verstärker verwendete Spannungsquelle ist eine [[https://de.wikipedia.org/wiki/Gesteuerte_Quelle|gesteuerte Quelle]], auf diesen Terminus soll in diesem Kurs nicht weiter eingegangen werden)]. Die Spannung der Spannungsquelle richtet sich nach der am Eingangswiderstand $R_E$ anliegenden Spannung. Sie ist genauer um den Faktor der Spannungsverstärkung $A_V$ größer.
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-<WRAP right>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?cct=$+1+0.000005+10.2+50+5+43%0A368+288+192+288+160+0+0%0A368+-112+192+-112+160+0+0%0Aw+224+192+288+192+0%0Ax+260+101+305+104+4+24+Last%0Ab+252+115+377+367+0%0Ab+-206+114+-49+366+0%0Ax+-198+100+-129+103+4+24+Quelle%0Aw+192+288+160+288+0%0Aw+192+192+160+192+0%0Aw+32+288+16+288+0%0Aw+32+192+0+192+0%0Ax+24+100+133+103+4+24+Verst%C3%A4rker%0Ab+16+114+173+366+0%0AR+96+160+96+128+0+0+40+15+0+0+0.5%0AR+96+320+96+352+0+0+40+-15+0+0+0.5%0Aw+192+288+224+288+0%0Ag+224+288+224+320+0%0Ar+288+288+288+192+0+100%0Aw+224+288+288+288+0%0A370+192+192+224+192+1+0%0Aw+16+288+-16+288+0%0Ag+-16+288+-16+320+0%0Ar+-112+192+-112+240+0+10000%0Aw+-16+288+-112+288+0%0Av+-112+288+-112+240+4+5+40+0.0505+-0.025250000000056113+0+0.5%0A370+-32+192+0+192+1+0%0Aw+-112+192+-32+192+0%0A.+idealAmp12+0+3+4+6+IN%5Cp+4+0+2+IN-+7+3+2+OUT%5Cp+5+0+3+OUT-+8+3+3+V_S%5Cp+10+1+0+V_S-+11+1+1+ResistorElm%5Cs1%5Cs2%5CrResistorElm%5Cs2%5Cs3%5CrResistorElm%5Cs3%5Cs4%5CrResistorElm%5Cs7%5Cs8%5CrResistorElm%5Cs5%5Cs1%5CrOpAmpRealElm%5Cs1%5Cs8%5Cs5%5Cs10%5Cs11%5CrOpAmpElm%5Cs3%5Cs7%5Cs2+0%5C%5Cs10000%5Cs0%5C%5Cs100000000%5Cs0%5C%5Cs1000000%5Cs0%5C%5Cs1000%5Cs0%5C%5Cs10000%5Cs1%5C%5Cs0.6%5C%5Cs-0.19286617765988728%5C%5Cs2%5C%5Cs0%5Cs8%5C%5Cs15%5C%5Cs-15%5C%5Cs1000000%5C%5Cs0%5C%5Cs0%5C%5Cs100000%0A410+32+192+80+272+1+idealAmp12+0%5Cs10000+0%5Cs100000000+0%5Cs1000000+0%5Cs1000+0%5Cs10000+1%5Cs0.6%5Cs-17.070532419800028%5Cs2%5Cs0+8%5Cs15%5Cs-15%5Cs1000000%5Cs0.000025%5Cs0%5Cs100000%0Aw+288+192+320+192+0%0Aw+288+288+336+288+0%0As+336+192+336+240+0+1+false%0Ar+336+240+336+288+0+50%0Aw+320+192+336+192+0%0A 730,400 noborder}}
+<WRAP right>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&ctz=CQAgjCAMB0l5Amc0AsBmAnGLA2SGBWMFDADgzRBVJAKsoIFMBaMMAKGhAEsATRgIYAbAIIBbAA5gakEJRQgcIAJIA5ADoSqUEEjXMQAdjm6QAeQCqAFU20dlS1YM1KlAGoB9AMq224HZ5eBmBIEBAASowAztxRAC4A9gBOAKJCYupRYJkI6kmRMfHJaRlRuVFoeQWxianpmZVRKFXRNcX1UYaZpC2FtSWZYJCDeWYS4hKRwgNZ3YPDWdlZuUljEzONXWW9bXWlBPNQ6vPwmcMn8KdR51mXcGfHt-fXj0NX2WfQOI8o0GiGKAIkGwBEMCBQYCIhhYIVeNwWPUGB0yrGRT0uj1I0DALERUSxOOYeLeV3h0AQ7Ahsmo4AwoTwujB-j4glEkmkR3RsgWJLunN5cH58CFwqWMG+UVYhlgOHQ5DppFBkEMpEaQzOIB6WQOkshF1JsHg4IwAMMhgICAQYIIKEgzReXO5nwpAHddLbaUg0HbPVB2AAPXR0zUuf4gLDacEgAAyAniAZArBwSlIxmYJvD1PdIAAigBXRhCISMdhuhCQGgIUg0MCGJRVmSl3QV321pTYJCQJs0htyJC9rtumkd8Dt4NdwMEFPGMA4OgYLNRtyMJLxAAnSQA1iv2OFwCFwCgFGxQgfuVRZJCdNzoARd-uvWh2wenzIdB7UdeoLem+XK9X3VkAd2AAc0A3QAPBWQ0HLa92CSOQfV7b1j3HcA4F-D1kKQgCu3+ICWxHKDWx0Dg3RgiC32AsCgNwvtzy7BD0zHJBmPAm9gSbWiaDY4CADdEwwesAN4j0FDoD0YEgOhmCkhA6BvO98MTWdWxY-xoKbNiRyTX1BzkJ9fTQC09PguQTOI4z+zot52CiczQmDKz2P8AAzYQohLcicJcCzcKbFCjMMkc8MMS8D2IY8IoZCBL3YZST3oh8DPbUj2C0KV1MyyiNN0LShN9bKQvy4SeLbHKuy0W1L2Daqcti8Bu0FZC-MbIdBRHZzioAIz7cN2wAtB-N61gCozZgPSGjA-V6qtjAzI9XHIP0gA 730,400 noborder}}
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-In der Simulation rechts ist eine Schaltung mit (nachgebildetem) Verstärker zu sehen. Die eingangsseitige Quelle hat einen hohen Innenwiderstand. Das bedeutet sie ist hochohmig und kann nur wenig Strom liefern. Der Verstärker mit Verstärkungsfaktor 100 hat - neben den Anschlüssen für Ein- und Ausgangsspannung - die Anschlüsse für die Versorgungsspannung eingezeichnet. Auf der reichten Seite ist als Last ein Widerstand vorgesehen; dieser kann über einen Schalter variiert werden.
+Rechts ist eine **Simulation eines (nachgebildetem) realen Verstärker** zu sehen. Die eingangsseitige Quelle hat einen hohen Innenwiderstand. Das bedeutet sie ist hochohmig und kann nur wenig Strom liefern. Der Verstärker mit Verstärkungsfaktor 100 hat - neben den Anschlüssen für Ein- und Ausgangsspannung - die Anschlüsse für die Versorgungsspannung eingezeichnet. Auf der rechten Seite ist als Last ein Widerstand vorgesehen; dieser kann über einen Schalter variiert werden.
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   - Der ausgangsseitige Strom ist abhängig von der angeschlossenen Last. Wird mit Hilfe des Schalters der Lastwiderstand verringert, so erhöht sich der Strom. Der Verstärker versucht so die gewünschte Spannung aufrecht zu erhalten.
   - Der Verstärker kann sowohl Strom abgeben, als auch aufnehmen. \\ Der Strom auf der Ausgangsseite fließt über die Anschlüsse für die Versorgungsspannung in den Verstärker ein bzw. aus.
-  - Die Simulation beruht auf einem realen Verstärker. Dieser hat bei der ausgegebenen Spannung eine geringe Abweichung vom erwarteten Wert $U_A=2,5V$
+  - Die Simulation beruht auf einem realen Verstärker. Dieser hat bei der ausgegebenen Spannung eine geringe Abweichung vom erwarteten Wert $U_A=\pm 2,5V$. Ein Teil der Abweichung wird in diesem Kapitel noch beschrieben.
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 ==== idealisierte Verstärkergrundtypen ====
-<WRAP right column 60%>
+<WRAP right column 40em>
 <panel type="default" title="idealisierte Verstärkergrundtypen" no-body="true">
 {{tablelayout?colwidth=""}}
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 </WRAP>
-Je nach dem, welche Eingangsgröße welche Ausgangsgröße ändern soll, ergeben sich unterschiedliche Verstärkergrundtypen. Diese sind nebenstehend in der Tabelle aufgelistet. Als **Grafik** in [[https://de.wikipedia.org/wiki/Blockschaltbild#Blockschaltbilder_in_der_Elektrotechnik|Blockschaltbildern]] wird für den jeweiligen Verstärkergrundtyp ein Quadrat mit Diagonale gezeichnet, welches auf der Ein- und Ausgangsseite das entsprechende Formelzeichen enthält. \\ \\ Es sollen nun die **Eingangswiderstände** $\boldsymbol{R_E}$ $und Ausgangswiderstände$ $R_A$ $für ideale Spannungsverstärker$ näher betrachtet werden.
+Je nach dem, welche Eingangsgröße welche Ausgangsgröße ändern soll, ergeben sich unterschiedliche Verstärkergrundtypen. Diese sind nebenstehend in der Tabelle aufgelistet. Als **Grafik** in [[https://de.wikipedia.org/wiki/Blockschaltbild#Blockschaltbilder_in_der_Elektrotechnik|Blockschaltbildern]] wird für den jeweiligen Verstärkergrundtyp ein Quadrat mit Diagonale gezeichnet, welches auf der Ein- und Ausgangsseite das entsprechende Formelzeichen enthält. \\ \\ Es sollen nun die **Eingangswiderstände** $\boldsymbol{R_E}$ **und Ausgangswiderstände** $\boldsymbol{R_A}$ **für __ideale Spannungsverstärker__** näher betrachtet werden.
-Wird eine Spannung eingelesen, so soll der Eingangswiderstand die Quelle möglichst wenig belasten, damit die zu messende Spannung nicht einbricht (vgl. <imgref pic2>). Dies kann auch in der Simulation leicht nachgeprüft werden. Wird dort der Widerstand der Last erhöht (Doppelklick), so nähert dieser sich dem Eingangwiderstand des Verstärkers an. Wenn der Wert auf $1 M \Omega $ eingestellt wird, bricht die Spannung auf die Hälfte ein. Der Quellenwiderstand entspricht dann dem Eingangwiderstand des Verstärkers. Wichtig ist also, dass der Eingangwiderstand möglichst hoch, bzw. im Idealfall gegen unendlich strebt. \\
+Wird eine Spannung eingelesen, so soll der Eingangswiderstand die Quelle möglichst wenig belasten, damit die zu messende Spannung nicht einbricht (vgl. <imgref pic2>). Dies kann auch in der Simulation des realen Verstärkers (siehe oben) leicht nachgeprüft werden. Wird dort der Widerstand der Last erhöht (Doppelklick), so nähert dieser sich dem Eingangwiderstand des Verstärkers an. Wenn der Wert auf $1 M \Omega $ eingestellt wird, bricht die Spannung auf die Hälfte ein. Der Quellenwiderstand entspricht dann dem Eingangwiderstand des Verstärkers. Wichtig ist also, dass der Eingangwiderstand möglichst hoch, bzw. im Idealfall gegen unendlich strebt. \\
 Eine ähnliche Betrachtung lässt sich für den **Ausgangswiderstand** $\boldsymbol{R_A}$ durchführen. Soll eine Spannung ausgegeben werden, so muss der Ausgangswiderstand so dimensioniert sein, dass auch am Ausgang die Spannung an der Last nicht einbricht. Der Ausgangswiderstand möglichst klein sein, damit die dort abfallende Spannung gering wird. \\
-<imgcaption pic3|Verstärker mit Quelle und Last (als reale Stromquellen)>{{ elektronische_schaltungstechnik:ersatzschaltbild_verstaerker_stromquellen.png?600}}</imgcaption>
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+<WRAP right><panel type="default">
+<imgcaption pic3|Verstärker mit Quelle und Last (mit realen Stromquellen)>
+</imgcaption>
+{{drawio>Ersatzschaltbild_eines_Verstärkers_Stromquellen}}
+</panel></WRAP>
-Werden nun am Ein- und Ausgang statt Spannungen Ströme betrachtet, so ist ist eine andere Sichtweise auf den Verstärker vorteilhaft. Im <imgref pic3> ist der gleiche, bisher betrachtete Verstärker zu sehen. In diesem Fall sind aber alle reale Spannungsquellen durch reale Stromquellen ersetzt. Diese Umwandlung wurde bereits in [[Elektrotechnik_1:start|Elektrotechnik 1]] beschrieben. Je nach betrachteter, elektrischer Größe kann die eine oder andere reale Quelle vorteilhaft sein. \\ Mit dieser Kenntnis sollen nun Ein- und Ausgangswiderstand des Stromverstärker betrachtet werden.
+Werden nun die **Eingangswiderstände** $\boldsymbol{R_E}$ **und Ausgangswiderstände** $\boldsymbol{R_A}$ **für __ideale Stromverstärker__** betrachtet, so ist ist eine andere Sichtweise auf den Verstärker günstig. Im <imgref pic3> ist der gleiche, bisher betrachtete Verstärker zu sehen. In diesem Fall sind aber alle reale Spannungsquellen durch reale Stromquellen ersetzt. Diese Umwandlung wurde bereits in [[Elektrotechnik_1:start|Elektrotechnik 1]] beschrieben. Je nach betrachteter, elektrischer Größe kann die eine oder andere reale Quelle vorteilhaft sein. \\ Mit dieser Kenntnis sollen nun Ein- und Ausgangswiderstand des Stromverstärker betrachtet werden. Eingangsseitig soll der größte Teil des Eingangsstroms $I_E$ in den Verstärker fließen. Der Eingangswiderstand $R_E$ muss entsprechend gegen Null streben. Auch am Verstärkerausgang soll der maximale Strom aus dem Verstärker fließen. Hier muss der Ausgangswiderstand $R_A$ muss entsprechend gegen unendlich streben, damit durch diesen einen möglichst geringen Strom fließt. \\
+Für **__Strom-Spannungs- und Spannungs-Strom-Wandler__** gilt:
+  - Der jeweilige Name setzt sich aus Eingangsgröße-Ausgangsgröße zusammen.
+  - Für die Eingangs- und Ausgangswiderstände kann die jeweils entsprechende Betrachtung des idealen Stromverstärkers bzw. Spannungsverstärkers herangezogen werden.
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 ===== 1.3 Rückkopplung =====
-<WRAP right>
+<WRAP right><panel type="default">
-{{ elektronische_schaltungstechnik:rueckkopplung2.jpg?400|}}
+<imgcaption pic4|Blockschaltbild eines rückgekoppelten Verstärkers>
-</WRAP>
+</imgcaption>
+{{drawio>BlockschaltbildRueckkopplung}}
+</panel></WRAP>
-<WRAP column 60%>
-<panel type="danger" title="Merke: Gegenkopplung">
-<WRAP group><WRAP column 3%>{{fa>exclamation?32}}</WRAP><WRAP column 85%>
-Gegenkopplung bezeichnet die Rückführung eines Teils des Ausgangssignals eines Verstärkers mit negativem Vorzeichen auf den Eingang. \\ \\
-Der Ausgangswert wirkt also stets dem Eingangswert entgegen.
-</WRAP></WRAP></panel>
-</WRAP>
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-<WRAP column 60%>
+Eines der grundlegenden Prinzipien der Regelungstechnik, Digitaltechnik und Elektronik ist die **Rückkopplung**. So wurde in [[Grundlagen der Digitaltechnik:start]] bereits für die Entwicklung eines Flipflops der Ausgangswert eines NOR-Gatters auf dessen Eingangs über Umwege zurückgeleitet. Ähnlich soll hier der Ausgangswert des idealen Verstärker zurück auf den Eingang geleitet werden. Im Gegensatz zur Digitaltechnik wird in der Regelungstechnik und Elektronik ein Bruchteil (in seltenen Fällen: ein Vielfaches) des Ausgangswerts zurückgeführt. \\
-<panel type="danger" title="Merke: Verstärkungsfaktoren">
+Zusätzlich gibt es bei Regelungstechnik, Digitaltechnik und Elektronik noch eine weiteres Werkzeug: das **Blockschaltbild**, bzw. auch Signalflussplan genannt. In Elektrotechnik 1 wurden bisher Schaltpläne genutzt. Bei Schaltplänen gibt es eine Wechselwirkung von allen Komponenten durch die Kirchhoffschen Regeln, außerdem sind Spannungsdifferenzen überall bzw. Strom über alle Komponenten messbar. \\
+Im Kontrast dazu steht das Blockschaltbild. Dieses zeigt einzelne Blöcke (auch Glieder genannt) welche eine Ursache mit einer Wirkung verknüpft. Dabei wird allgemein keine Rückwirkung der Wirkung auf die Ursache angenommen. Ursachen und Wirkungen können Spannungen oder Ströme sein, die dann auf dem jeweiligen, verbindenden Pfeil geschrieben werden. Das Blockschaltbild erhebt keinen Anspruch auf Energie-, oder Ladungserhaltung sondern dient der Übersicht der Wirkungen und Zusammenhänge. Damit sind dort die Kirchhoffschen Regeln i.d.R. nicht anwendbar. \\
+<imgref pic4> zeigt ein **Blockschaltbild eines rückgekoppelten Verstärkers** mit einem idealen Spannungsverstärker mit Verstärkung $A_D$ mittig eingezeichnet. Über einen Rückkoppler-Glied wird die ausgegebene Spannung $U_A$, um den Faktor $k$ verringert, zurückgeführt. Das Kreis-Symbol mit den Rechenzeichen (im Blockschaltbild links) zeigt an, wie die eingehenden Werte miteinander verrechnet werden müssen. Der Wert $k \cdot U_A$ wird also im angegebenen Blockschaltbild vom Eingangswert $U_E$ abgezogen.
+\\ \\
+Der Vorteil eines realen Verstärkers in Gegenkopplung ist, dass die Verstärkung $A_V$ des gesamten Systems nur vernachlässigbar vom Verstärkungsfaktor $A_D$ realen Verstärkers abhängt, wenn $A_D$ sehr groß ist (siehe auch Aufgabe 1.3.2). In diesem Fall ist die Verstärkung $A_V=\frac{1}{k}$. Um ein Oszillieren des gesamten Systems zu vermeiden, muss es ein Verzögerungselement enthalten. Dies ist im realen Verstärkers in der Art vorhanden, dass die Ausgangsspannung $U_A$ sich nicht unendlich schnell ändern kann [(Note2>Dass eine Spannungsänderung nur in endlich langer Zeit stattfinden kann, gilt auch für die Eingangsspannung. Jedoch ist diese nicht durch den Verstärker beeinflussbar, sondern von extern vorgegeben.)] (siehe auch Aufgabe 1.3.1).
+<WRAP column 80%>
+<panel type="danger" title="Merke: Rückkopplung, Mitkopplung, Gegenkopplung">
 <WRAP group><WRAP column 3%>{{fa>exclamation?32}}</WRAP><WRAP column 85%>
-Die **Differenzverstärkung** $\boldsymbol{A_D}$ bezieht sich nur auf Eingangs- und Ausgangsspannung des inneren Verstärkers. Diese wirkt nur ohne externe Rückkopplung. Sie wird im Englischen open-loop gain genannt. \\ \\
+**__Rückkopplung__** bezeichnet die Rückführung eines Teils des Ausgangssignals eines Verstärkers. \\
+Bei **__Mitkopplung__** wird der Teil des Ausgangssignals mit positiven Vorzeichen zurückgeführt. \\
-Die **Spannungsverstärkung** $\boldsymbol{A_V}$ bezieht sich nur auf Eingangs- und Ausgangsspannung der gesamten Schaltung __mit Rückkopplung__. Sie wird im Englischen closed-loop gain genannt. \\ \\
+Der Ausgangswert erhöht also betragsmäßig stets dem Eingangswert.
+\\ \\
+Bei **__Gegenkopplung__** wird der Teil des Ausgangssignals mit negativen Vorzeichen zurückgeführt. \\
+Der Ausgangswert dämpft also stets den Eingangswert.
 </WRAP></WRAP></panel>
 </WRAP>
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-====== Aufgaben ======
-<panel type="info" title="Aufgabe 1.1.1 Mikrofonverstärker I">
-<WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%>
-Gegeben sei eine Verstärkerschaltung, welche ein Mikrofonsignal so verstärken soll, dass ein Lautsprecher ($R_{LS}= 8 \Omega$) angesteuert werden kann. Der [[https://de.wikipedia.org/wiki/Effektivwert#Sinusf%C3%B6rmige_Spannung|Effektivwert]] der gewünschten Spannung am Lautsprecher soll $U_{eff,LS} = 10 V$ betragen. Es wird angenommen, dass ein Sinussignal ausgegeben werden soll. Die Spannungsversorgung geschieht über zwei Spannungsquellen mit $V_{S+} = 15 V$ und $V_{S-} = - 15 V$ (siehe Bild in Aufgabe 1).
-  - Zeichnen Sie eine beschriftete Skizze der Schaltung mit dem Verstärker als Blackbox.
-  - Welche Leistung $P$ nimmt der Lautsprecher auf?
-  - Wie lässt sich daraus der Effektivstrom $I_{eff,S}$ der Spannungsversorgung ermitteln?
-  - Für welchen maximalen Strom sind die beiden Spannungsquellen auszulegen?
-</WRAP></WRAP></panel>
-<panel type="info" title="Aufgabe 1.1.2 Mikrofonverstärker II">
-<WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%>
-Gegeben sei eine Spannungsverstärkerschaltung, welche ein Mikrofonsignal so verstärken soll, so dass ein Lautsprecher ($R_{LS}= 8 \Omega$) angesteuert werden kann. Diese Verstärkerschaltung ist intern mit einer [[https://de.wikipedia.org/wiki/Schmelzsicherung#Ger%C3%A4teschutzsicherungen_(Feinsicherungen)|Feinsicherung]] gegen Überströme über $I_{max,Verstärker}= 5 A$ abgesichert. Überströme treten im erlaubten Spannungsbetrieb von $8 \Omega$-Lautsprechern nicht auf.
-  - Wie ändern sich der Strom, wenn statt einem $8 \Omega$-Lautsprecher ein $4 \Omega$-Lautsprecher verwendet wird?
-  - Welche Auswirkung hat dies auf die Sicherung?
-</WRAP></WRAP></panel>
-<panel type="info" title="Aufgabe 1.2.1 Umwandlung von Verstärkern">
+<WRAP column 80%>
-<WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%>
+<panel type="danger" title="Merke: Verstärkungsfaktoren">
+<WRAP group><WRAP column 3%>{{fa>exclamation?32}}</WRAP><WRAP column 85%>
+Die **Differenzverstärkung** $\boldsymbol{A_D}$ bezieht sich nur auf Eingangs- und Ausgangsspannung des inneren Verstärkers: $A_D=\frac{U_A}{U_D}$ \\ Diese wirkt nur ohne externe Rückkopplung. Sie wird auch Leerlaufverstärkung (im Englischen open-loop gain) genannt. \\ \\
-<WRAP right>
+Die **Spannungsverstärkung** $\boldsymbol{A_V}$ bezieht sich auf Eingangs- und Ausgangsspannung der gesamten Schaltung __mit Rückkopplung__: $A_V=\frac{U_A}{U_E}$ \\ Sie wird im Englischen closed-loop gain genannt. \\ \\
-{{ elektronische_schaltungstechnik:blackboxverstaerker.jpg?400|}}
-</WRAP>
-In der Vorlesung wurden die verschiedenen Verstärkertypen als Blackboxen vorgestellt. Dabei wurde das nebenstehende Bild für die Eingangs- und Ausgangsgrößen verwendet und die idealen Widerstandwerte hergeleitet.
-Im folgenden sollen Sie sich überlegen, wie diese durch die Verschaltung mit weiteren passiven, elektrischen Komponenten ineinander umgewandelt werden können.
-Wie können folgende Verstärker ineinander umgewandelt werden?
-  - Spannungsverstärker in Stromspannungsverstärker
-  - Spannungsstromverstärker in Stromverstärker
 </WRAP></WRAP></panel>
-<panel type="info" title="Aufgabe 1.3.1 Gegenkopplung  in TINA">
-<WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%>
-<WRAP right>
-{{ elektronische_schaltungstechnik:rueckkopplung_tina.jpg?400|}}
 </WRAP>
-Mittels der Simulation [[https://wiki.mexle.hs-heilbronn.de/doku.php?id=simulationstools_fuer_elektronische_schaltungstechnik#tina_-_ti|TINA]] können Sie Schaltungen nachbilden.
+~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~
+~~REFNOTES~~
-In {{ elektronische_schaltungstechnik:rueckkopplung_tina.rar |diesem}} File finden Sie verschiedene kurze Aufgaben zu dem Flussdiagramm der Rückkopplung. Bitte laden Sie dieses File herunter und führen Sie die angegebenen Aufgaben durch.
+====== Aufgaben ======
-</WRAP></WRAP></panel>
-<panel type="info" title="Aufgabe 1.3.2 Rechnungen zur Gegenkopplung">
+{{page>Übungsblatt1&nofooter}}
-<WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%>
+{{page>Übungsblatt2&nofooter}}
-<WRAP right>
-{{ elektronische_schaltungstechnik:rueckkopplung2.jpg?400|}}
-</WRAP>
-Zum Prinzip der Gegenkopplung war im Skript das nebenstehende Flussdiagramm gegeben. Dabei ist $A_D$ die sogenannte Differenzverstärkung, also die Verstärkung der Differenz aus Eingangsspannung $U_E$ und rückgekoppelter Spannung.
-  - Ermitteln Sie die Spannungsverstärkung $A_V$ als Funktion der Differenzverstärkung $A_D$ und des Rückkoppelfaktors $k$: $A_V = {{U_A}\over{U_E}} = f(A_D, k)$
-  - Welche Spannungsverstärkung $A_V$ ergibt sich für eine Differenzverstärkung $A_D \rightarrow \infty $?
-  - Ermitteln Sie die Spannungsverstärkung $A_V$ für Rückkopplung $k = 0,001$ mit einer Differenzverstärkung $A_{D1} = 100‘000$ und $A_{D2} = 200‘000$. \\ Welche Aussage lässt sich zur Bauteilstreuung von Differenzverstärkern in rückgekoppelten Systemen machen?
-  - Geben Sie an, wie sich die Spannungsverstärkung für folgende Rückkopplungen $k$ verhält:
-    - $k < -0$
-    - $k = 0$
-    - $0 < k < 1$
-    - $k = 1$
-    - $k > 1$
-</WRAP></WRAP></panel>
 ====== Lernfragen ======
+=== zum Selbststudium ===
   * Wie ist ein Verstärker definiert?
   * Erklären Sie anhand eines Beispiels was das Wesen eines Verstärker ist.
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   * Welchen Einfluss nimmt k auf den Verstärker?
   * Was passiert, wenn man die komplette Spannung rückkoppelt?
+=== mit Antworten ===
+<quizlib id="quiz" rightanswers="[['a3'],['a2'], ['a3'], ['a1'], ['a3'], ['a0', 'a3']]" submit="Antworten überprüfen">
+    <question title="Wie ist der Ausgangswiderstand eines Verstärkers definiert?" type="checkbox">
+$R_A = \Delta U_E / \Delta I_A$|
+$R_A = U_E / I_A$|
+$R_A = \Delta U_A / \Delta I_A$|
+$R_A = -\Delta U_A / \Delta I_A$|
+$R_A =  U_A / I_A$
+</question>
+    <question title="Wann spricht man von Gegenkopplung, wann von Rückkopplung?" type="checkbox">
+Rückkopplung = Gegenkopplung = neg. Rückführung|
+Rückkopplung = neg. Rückführung, Gegenkopplung = Rückführung allg. |
+Gegenkopplung = neg. Rückführung, Rückkopplung = Rückführung allg. |
+Gegenkopplung = neg. Rückführung, Rückkopplung = pos. Rückführung
+</question>
+    <question title="Ideale Widerstände eines Spannungs-Strom-Wandlers" type="checkbox">
+$R_E → 0$, $R_A → ∞$|
+$R_E → 0$, $R_A → 0$|
+$R_E → ∞$, $R_A → 0$|
+$R_E → ∞$, $R_A → ∞$
+</question>
+    <question title="Wofür kann man einen Linearregler nutzen?" type="checkbox">
+Zum Regeln von Linearmotoren|
+Zur Ausgabe von festen Spannungswerten|
+Zum Regeln von linearen Schaltungen|
+Zur Ausgabe fester Stromwerte
+</question>
+    <question title="Welche Art von Verstärker erzeugt aus einem Eingangsspannung $U_E$ einen Ausgangsstrom $I_A$ in der Art, dass eine Ausgangsspannung $U_A = C \cdot U_E$ mit konstantem $C$ entsteht?" type="checkbox">
+Strom-Spannungs-Wandler|
+Stromverstärker|
+Spannungs-Strom-Wandler|
+Spannungsverstärker
+</question>
+    <question title="Der Übertragungswiderstand ..." type="checkbox">
+kann nicht mittels eines Widerstandsmessgeräts gemessen werden|
+kann für Spannungsteiler genutzt werden|
+ist gegeben durch ${U_E} \over {I_A}$, mit Eingangsspannung $U_E$ und Ausgangstrom $I_A$ |
+gibt eine Verstärkung an
+</question>
+</quizlib>