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--- elektronische_schaltungstechnik:1_grundlagen_zu_verstaerkern [2020/10/13 02:28]
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+++ 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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 <imgcaption tablelabel| Übersicht der verschiedenen Bereiche der Elektronik></imgcaption>
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+{{drawio>UebersichtElektronik}}
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-|[G]                                                          Grundlagen|
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-||[I]elektrische| |[I]Erstellung | |[H]Werkstoffe,| |[H]Test,      |    |
-||+elektronische| |v. Schaltungen| |Entw.Prozesse,| | Debugging,   |    |
-|| Komponenten  | | +Platinen    | | Konzepte     | | Design Think.|    |
-|'-------+------' '-------+------' '-------+------' '------+-------'    |
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-  |                          ELEKTRONIK                        |
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-| |[B]Digital-|  |[C]Analog-|  |[D]Leistungs-|  |[E]Hochfrequenz-|       |
-| | elektronik|  |elektronik|  |  elektronik |  |    elektronik  |       |
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-|[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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 ===== 1.0 Was ist elektronische Schaltungstechnik =====
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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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+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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-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. \\ \\
-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.
-\\ \\
 In der Simulation sind einige Eigenschaften eines Verstärker zu sehen:
   - Im Idealfall fließt eingangsseitig kein Strom in den Verstärker.
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 </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+0.00002+2.094+50+5+43%0A.+idealAmp18+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+11+1+0+V_S-+12+1+1+ResistorElm%5Cs1%5Cs2%5CrResistorElm%5Cs2%5Cs3%5CrResistorElm%5Cs3%5Cs4%5CrResistorElm%5Cs7%5Cs8%5CrResistorElm%5Cs10%5Cs1%5CrOpAmpRealElm%5Cs1%5Cs8%5Cs10%5Cs11%5Cs12%5CrOpAmpElm%5Cs3%5Cs7%5Cs2%5CrResistorElm%5Cs5%5Cs10+0%5C%5Cs10000%5Cs0%5C%5Cs100000000%5Cs0%5C%5Cs1000000%5Cs0%5C%5Cs1000%5Cs0%5C%5Cs10000%5Cs1%5C%5Cs0.6%5C%5Cs4.374501957241517e-12%5C%5Cs10%5C%5Cs0%5Cs8%5C%5Cs15%5C%5Cs-15%5C%5Cs1000000%5C%5Cs8.1e-8%5C%5Cs8.1e-8%5C%5Cs100000%5Cs0%5C%5Cs0.2%0A410+48+192+160+272+1+idealAmp18+0%5Cs10000+0%5Cs100000000+0%5Cs1000000+0%5Cs1000+0%5Cs10000+1%5Cs0.6%5Cs-17.063723766835267%5Cs10%5Cs0+8%5Cs15%5Cs-15%5Cs1000000%5Cs0.000025%5Cs0%5Cs100000+0%5Cs0.2%0A368+304+192+304+160+0+0%0A368+-96+192+-96+160+0+0%0Aw+240+192+304+192+0%0Ax+276+101+321+104+4+24+Last%0Ab+-190+114+-33+366+0%0Ax+-182+100+-113+103+4+24+Quelle%0Aw+208+288+176+288+0%0Aw+208+192+176+192+0%0Aw+48+288+32+288+0%0Aw+48+192+16+192+0%0Ax+40+100+149+103+4+24+Verst%C3%A4rker%0Ab+32+114+189+366+0%0AR+112+160+112+128+0+0+40+15+0+0+0.5%0AR+112+320+112+352+0+0+40+-15+0+0+0.5%0Aw+208+288+240+288+0%0Ag+240+288+240+320+0%0Ar+304+288+304+192+0+100%0Aw+240+288+304+288+0%0A370+208+192+240+192+1+0%0Aw+32+288+0+288+0%0Ag+0+288+0+320+0%0Ar+-96+192+-96+240+0+0.01%0Aw+0+288+-96+288+0%0Av+-96+288+-96+240+4+5+40+0.05+-0.025+0+0.5%0A370+-16+192+16+192+1+0%0Aw+-96+192+-16+192+0%0Aw+336+192+352+192+0%0Ar+352+240+352+288+0+100%0As+352+192+352+240+0+1+false%0Aw+304+288+352+288+0%0Aw+304+192+336+192+0%0Ab+268+115+393+367+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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 ==== 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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 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. \\
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 <WRAP right><panel type="default">
 <imgcaption pic3|Verstärker mit Quelle und Last (mit realen Stromquellen)>
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 ===== 1.3 Rückkopplung =====
-<WRAP right>
+<WRAP right><panel type="default">
-<imgcaption pic4|Blockschaltbild eines rückgekoppelten Verstärkers>{{ elektronische_schaltungstechnik:rueckkopplung.jpg?600}}</imgcaption>
+<imgcaption pic4|Blockschaltbild eines rückgekoppelten Verstärkers>
-</WRAP>
+</imgcaption>
+{{drawio>BlockschaltbildRueckkopplung}}
+</panel></WRAP>
 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. \\
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 <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: $A_D=\frac{U_A}{\Delta U}$ \\ Diese wirkt nur ohne externe Rückkopplung. Sie wird auch Leerlaufverstärkung (im Englischen open-loop gain) genannt. \\ \\
+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. \\ \\
 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. \\ \\
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 <quizlib id="quiz" rightanswers="[['a3'],['a2'], ['a3'], ['a1'], ['a3'], ['a0', 'a3']]" submit="Antworten überprüfen">
-    <question title="Wie ist der Eingangswiderstand eines Verstärkers definiert?" type="checkbox">
+    <question title="Wie ist der Ausgangswiderstand eines Verstärkers definiert?" type="checkbox">
-$R_E = \Delta U_E / \Delta I_A$|
+$R_A = \Delta U_E / \Delta I_A$|
-$R_E = U_E / I_A$|
+$R_A = U_E / I_A$|
-$R_E = \Delta U_E / \Delta I_E$|
+$R_A = \Delta U_A / \Delta I_A$|
-$R_E = -\Delta U_E / \Delta I_E$|
+$R_A = -\Delta U_A / \Delta I_A$|
-$R_E =  U_E / I_E$
+$R_A =  U_A / I_A$
 </question>
     <question title="Wann spricht man von Gegenkopplung, wann von Rückkopplung?" type="checkbox">