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| elektronische_schaltungstechnik:block01 [2026/09/27 22:44] – mexleadmin | elektronische_schaltungstechnik:block01 [2026/09/27 23:00] (current) – mexleadmin | ||
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| Line 135: | Line 135: | ||
| Betrachten wir zunächst den Widerstand aus der Leit-Schaltung. Dieser soll aus dem Strom ein Spannungssignal generieren. Solche Messwiderstände werden auch **Shunt** genannt. | Betrachten wir zunächst den Widerstand aus der Leit-Schaltung. Dieser soll aus dem Strom ein Spannungssignal generieren. Solche Messwiderstände werden auch **Shunt** genannt. | ||
| - | Der genutzte Shunt mit $R_{\rm SENSE}=50~\mathrm{m\Omega}$ wandelt beispielsweise einem Motorstrom von $I_{\rm M}=3~\mathrm{A}$ in eine Spannung von $U_{\rm | + | Der genutzte Shunt mit $R_{\rm SENSE}=50~\mathrm{m\Omega}$ wandelt beispielsweise einem Motorstrom von $I_{\rm M}=3~\mathrm{A}$ in eine Spannung von $U_{\rm |
| Dabei entsteht aber auch eine Verlustleistung von | Dabei entsteht aber auch eine Verlustleistung von | ||
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| Um diese Frage zu beantworten, | Um diese Frage zu beantworten, | ||
| - | In vielen technischen Systemen | + | In vielen technischen Systemen |
| \[ | \[ | ||
| - | \text{Potentialdifferenz} | + | \text{Potentialdifferenz} = \text{Widerstand} \cdot {{d ( \text{Transportgröße})}\over{d \rm t}} |
| - | = | + | |
| - | \text{Widerstand} | + | |
| - | \cdot | + | |
| - | {{d ( \text{Transportgröße})}\over{d \rm t}} | + | |
| \] | \] | ||
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| </ | </ | ||
| - | Angenommen, für den betrachteten Aufbau gilt näherungsweise | + | Angenommen, für den betrachteten Aufbau gilt näherungsweise |
| - | + | ||
| - | \[ | + | |
| - | R_{\rm th}=80~\mathrm{K/ | + | |
| - | \] | + | |
| - | + | ||
| - | Bei | + | |
| - | + | ||
| - | \[ | + | |
| - | P_{\rm Verlust}=450~\mathrm{mW} | + | |
| - | \] | + | |
| - | + | ||
| - | ergibt sich eine Temperaturerhöhung von | + | |
| \[ | \[ | ||
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| \] | \] | ||
| - | Bei einer Umgebungstemperatur von | + | Bei einer Umgebungstemperatur von $T_{\rm Umgebung}=40^\circ\mathrm{C}$ folgt damit |
| - | + | ||
| - | \[ | + | |
| - | T_{\rm Umgebung}=40^\circ\mathrm{C} | + | |
| - | \] | + | |
| - | + | ||
| - | folgt damit | + | |
| \[ | \[ | ||
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| \] | \] | ||
| - | Die Temperaturdifferenz kann dabei sowohl in Kelvin als auch in Grad Celsius angegeben werden: | + | Die Temperaturdifferenz kann dabei sowohl in Kelvin als auch in Grad Celsius angegeben werden: |
| - | + | ||
| - | \[ | + | |
| - | \Delta T=36~\mathrm{K}=36^\circ\mathrm{C}. | + | |
| - | \] | + | |
| Für absolute Temperaturen müssen Kelvin und Grad Celsius dagegen unterschieden werden. | Für absolute Temperaturen müssen Kelvin und Grad Celsius dagegen unterschieden werden. | ||
| Line 361: | Line 335: | ||
| Wie oben bereits schon bereichnet wandelt ein Shunt wandelt einen Strom in eine messbare Spannung um. \\ | Wie oben bereits schon bereichnet wandelt ein Shunt wandelt einen Strom in eine messbare Spannung um. \\ | ||
| - | In unserem Beispiel ergibt sich über $R_{\rm SENSE}=50~\mathrm{m\Omega}$ bei einem Strpm von $I_{\rm M}=3~\mathrm{A}$ eine Spannnung von $U_{\rm SENSE}=150~\mathrm{mV}$. | + | In unserem Beispiel ergibt sich über $R_{\rm SENSE}=50~\mathrm{m\Omega}$ bei einem Strom von $I_{\rm M}=3~\mathrm{A}$ eine Spannnung von $U_{\rm SENSE}=150~\mathrm{mV}$. |
| Aber: Warum wird nicht einfach ein deutlich größerer Widerstand verwendet, um ein größeres Messsignal zu erhalten? | Aber: Warum wird nicht einfach ein deutlich größerer Widerstand verwendet, um ein größeres Messsignal zu erhalten? | ||
| Line 737: | Line 711: | ||
| Im einfachsten Modell kann man sich den Ausgang eines Logikgatters als Schalter vorstellen, der den Ausgang entweder mit der positiven Versorgungsspannung oder mit dem Bezugspotential verbindet. | Im einfachsten Modell kann man sich den Ausgang eines Logikgatters als Schalter vorstellen, der den Ausgang entweder mit der positiven Versorgungsspannung oder mit dem Bezugspotential verbindet. | ||
| - | === Was bedeutet | + | === Was bedeuten |
| In Schaltplänen und Simulationen werden digitale Zustände häufig mit **H** für //HIGH// und **L** für //LOW// bezeichnet. | In Schaltplänen und Simulationen werden digitale Zustände häufig mit **H** für //HIGH// und **L** für //LOW// bezeichnet. | ||
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| === Was ist im ROM?=== | === Was ist im ROM?=== | ||
| - | In der vereinfachten Darstellung der Leit-Schaltung wurde die Ansteuerlogik zunächst als **ROM** (Read omly Memory) gezeigt. | + | In der vereinfachten Darstellung der Leit-Schaltung wurde die Ansteuerlogik zunächst als **ROM** (Read Only Memory) gezeigt. |
| < | < | ||
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| * **Kelvin-Sense zu weit vom Widerstand abgreifen: | * **Kelvin-Sense zu weit vom Widerstand abgreifen: | ||
| * **Reale Schalter mit idealen Grenzfällen verwechseln: | * **Reale Schalter mit idealen Grenzfällen verwechseln: | ||
| - | + | * HIGH mit $V_{\rm DD}$ und LOW mit exakt $0, | |
| - | ===== 1.3 Übungen ===== | + | |
| - | + | ||
| - | ==== Kurze Aufgaben ==== | + | |
| - | + | ||
| - | # | + | |
| - | # | + | |
| - | Ein Strommesswiderstand | + | |
| - | + | ||
| - | - Bestimmen Sie die Messspannung \(U_{\rm SENSE}\). | + | |
| - | - Bestimmen Sie die Verlustleistung \(P_{\rm SENSE}\). | + | |
| - | - Erläutern Sie, warum ein größerer Shunt nicht automatisch die bessere Wahl ist. | + | |
| - | # | + | |
| - | + | ||
| - | # | + | |
| - | # | + | |
| - | Ein Widerstand setzt \(P=300~\mathrm{mW}\) um. Für den betrachteten Aufbau gilt näherungsweise \(R_{\rm th}=120~\mathrm{K/ | + | |
| - | + | ||
| - | - Bestimmen Sie die Temperaturerhöhung. | + | |
| - | - Bestimmen Sie die erwartete Bauteiltemperatur. | + | |
| - | - Nennen Sie zwei Randbedingungen, | + | |
| - | # | + | |
| - | + | ||
| - | # | + | |
| - | # | + | |
| - | Ein elektronischer Schalter besitzt im eingeschalteten Zustand \(R_{\rm on}=50~\mathrm{m\Omega}\). Durch ihn fließt ein Strom von \(I=4~\mathrm{A}\). | + | |
| - | + | ||
| - | - Bestimmen Sie den Spannungsabfall. | + | |
| - | - Bestimmen Sie die Verlustleistung. | + | |
| - | - Vergleichen Sie das Ergebnis mit dem idealen Schalter. | + | |
| - | # | + | |
| ===== 1.3 Übungen ===== | ===== 1.3 Übungen ===== | ||
| Line 1010: | Line 954: | ||
| 1. Bestimmen Sie für beide Shunts die Messspannung bei $I_{\rm M}=5~\mathrm{A}$. | 1. Bestimmen Sie für beide Shunts die Messspannung bei $I_{\rm M}=5~\mathrm{A}$. | ||
| - | # | + | # |
| Für Variante A gilt: | Für Variante A gilt: | ||
| Line 1025: | Line 969: | ||
| Der größere Shunt erzeugt somit das größere Messsignal. | Der größere Shunt erzeugt somit das größere Messsignal. | ||
| - | # | + | # |
| 2. Bestimmen Sie für beide Varianten die Verlustleistung. | 2. Bestimmen Sie für beide Varianten die Verlustleistung. | ||
| - | # | + | # |
| Mit $P=I^2R$ ergibt sich: | Mit $P=I^2R$ ergibt sich: | ||
| Line 1040: | Line 984: | ||
| =1.25~\mathrm{W}$. | =1.25~\mathrm{W}$. | ||
| - | # | + | # |
| 3. Ein zur Verfügung stehender Widerstand darf unter den gegebenen Bedingungen höchstens $0.75~\mathrm{W}$ umsetzen. Welche Variante kann verwendet werden? | 3. Ein zur Verfügung stehender Widerstand darf unter den gegebenen Bedingungen höchstens $0.75~\mathrm{W}$ umsetzen. Welche Variante kann verwendet werden? | ||
| - | # | + | # |
| Variante A liegt mit $0.50~\mathrm{W}$ unterhalb der Grenze. | Variante A liegt mit $0.50~\mathrm{W}$ unterhalb der Grenze. | ||
| Line 1053: | Line 997: | ||
| Unter dieser Randbedingung kann daher nur Variante A verwendet werden. | Unter dieser Randbedingung kann daher nur Variante A verwendet werden. | ||
| - | # | + | # |
| 4. Warum ist trotzdem nicht generell der kleinste mögliche Shunt die beste Wahl? | 4. Warum ist trotzdem nicht generell der kleinste mögliche Shunt die beste Wahl? | ||
| - | # | + | # |
| Mit kleiner werdendem $R_{\rm SENSE}$ sinken zwar Verlustleistung und Spannungsabfall im Lastpfad. | Mit kleiner werdendem $R_{\rm SENSE}$ sinken zwar Verlustleistung und Spannungsabfall im Lastpfad. | ||
| Line 1069: | Line 1013: | ||
| * einem ausreichend großen Messsignal. | * einem ausreichend großen Messsignal. | ||
| - | # | + | # |
| # | # | ||
| Line 1078: | Line 1022: | ||
| # | # | ||
| - | Ein Shunt setzt im Betrieb $P=450~\mathrm{mW}$ um. Für den betrachteten Aufbau wird ein effektiver thermischer Widerstand von $R_{\rm th}=80~\mathrm{K/ | + | Ein Shunt setzt im Betrieb $P=450~\mathrm{mW}$ um. Für den betrachteten Aufbau wird ein effektiver thermischer Widerstand von $R_{\rm th}=80~\mathrm{K/ |
| 1. Bestimmen Sie die Temperaturerhöhung des Shunts. | 1. Bestimmen Sie die Temperaturerhöhung des Shunts. | ||
| - | # | + | # |
| - | + | ||
| - | Es gilt: | + | |
| - | $\Delta T=P\cdot R_{\rm th}$. | + | Es gilt $\Delta T=P\cdot R_{\rm th}$. |
| Damit folgt: | Damit folgt: | ||
| Line 1093: | Line 1035: | ||
| =36~\mathrm{K}$. | =36~\mathrm{K}$. | ||
| - | # | + | # |
| 2. Welche Bauteiltemperatur ergibt sich im stationären Zustand? | 2. Welche Bauteiltemperatur ergibt sich im stationären Zustand? | ||
| - | # | + | # |
| $T_{\rm B}=T_{\rm U}+\Delta T$ | $T_{\rm B}=T_{\rm U}+\Delta T$ | ||
| Line 1107: | Line 1049: | ||
| =96^\circ\mathrm{C}$. | =96^\circ\mathrm{C}$. | ||
| - | # | + | # |
| 3. Erklären Sie, warum aus dieser Rechnung allein noch nicht geschlossen werden darf, dass der Widerstand zulässig betrieben wird. | 3. Erklären Sie, warum aus dieser Rechnung allein noch nicht geschlossen werden darf, dass der Widerstand zulässig betrieben wird. | ||
| - | # | + | # |
| Die errechnete Temperatur muss mit den zulässigen Temperaturen und Leistungsgrenzen des konkreten Bauteils verglichen werden. | Die errechnete Temperatur muss mit den zulässigen Temperaturen und Leistungsgrenzen des konkreten Bauteils verglichen werden. | ||
| Line 1120: | Line 1062: | ||
| Auch der angenommene thermische Widerstand gilt nur für einen bestimmten thermischen Aufbau. | Auch der angenommene thermische Widerstand gilt nur für einen bestimmten thermischen Aufbau. | ||
| - | # | + | # |
| 4. Nennen Sie zwei Änderungen am Leiterplattenaufbau, | 4. Nennen Sie zwei Änderungen am Leiterplattenaufbau, | ||
| - | # | + | # |
| Beispielsweise können | Beispielsweise können | ||
| Line 1137: | Line 1079: | ||
| den effektiven thermischen Widerstand verändern. | den effektiven thermischen Widerstand verändern. | ||
| - | # | + | # |
| # | # | ||
| Line 1152: | Line 1094: | ||
| 1. Welche Spannung fällt tatsächlich am Shunt ab? | 1. Welche Spannung fällt tatsächlich am Shunt ab? | ||
| - | # | + | # |
| - | $U_{\rm SENSE}=I\cdot R_{\rm SENSE}$ | + | $U_{\rm SENSE}=I\cdot R_{\rm SENSE} |
| - | + | ||
| - | $U_{\rm SENSE} | + | |
| =3~\mathrm{A}\cdot50~\mathrm{m\Omega} | =3~\mathrm{A}\cdot50~\mathrm{m\Omega} | ||
| =150~\mathrm{mV}$. | =150~\mathrm{mV}$. | ||
| - | # | + | # |
| 2. Welche Spannung würde bei einer Zweileitermessung einschließlich der parasitären Widerstände gemessen? | 2. Welche Spannung würde bei einer Zweileitermessung einschließlich der parasitären Widerstände gemessen? | ||
| - | # | + | # |
| Der insgesamt erfasste Widerstand beträgt: | Der insgesamt erfasste Widerstand beträgt: | ||
| Line 1178: | Line 1118: | ||
| =210~\mathrm{mV}$. | =210~\mathrm{mV}$. | ||
| - | # | + | # |
| 3. Wie groß ist der relative Messfehler bezogen auf die tatsächliche Shuntspannung? | 3. Wie groß ist der relative Messfehler bezogen auf die tatsächliche Shuntspannung? | ||
| - | # | + | # |
| Die absolute Abweichung beträgt: | Die absolute Abweichung beträgt: | ||
| - | $\Delta U | + | $\Delta U=210~\mathrm{mV}-150~\mathrm{mV} |
| - | =210~\mathrm{mV}-150~\mathrm{mV} | + | |
| =60~\mathrm{mV}$. | =60~\mathrm{mV}$. | ||
| Line 1197: | Line 1136: | ||
| =0.4$. | =0.4$. | ||
| - | Damit beträgt der relative Messfehler: | + | Damit beträgt der relative Messfehler |
| - | $40~\%$. | + | # |
| - | + | ||
| - | # | + | |
| 4. Warum beseitigt eine Vierleitermessung diesen Fehler weitgehend? | 4. Warum beseitigt eine Vierleitermessung diesen Fehler weitgehend? | ||
| - | # | + | # |
| Die Sense-Leitungen werden möglichst direkt am Widerstandselement angeschlossen. | Die Sense-Leitungen werden möglichst direkt am Widerstandselement angeschlossen. | ||
| Line 1214: | Line 1151: | ||
| Die Spannungsmessung erfasst daher weitgehend nur den Spannungsabfall am eigentlichen Shunt. | Die Spannungsmessung erfasst daher weitgehend nur den Spannungsabfall am eigentlichen Shunt. | ||
| - | # | + | # |
| # | # | ||
| Line 1229: | Line 1166: | ||
| 1. Ordnen Sie die Spannungen $0.4~\mathrm{V}$, | 1. Ordnen Sie die Spannungen $0.4~\mathrm{V}$, | ||
| - | # | + | # |
| $0.4~\mathrm{V}$ liegt unterhalb von $V_{\rm IL}=0.8~\mathrm{V}$ und wird daher sicher als **LOW** erkannt. | $0.4~\mathrm{V}$ liegt unterhalb von $V_{\rm IL}=0.8~\mathrm{V}$ und wird daher sicher als **LOW** erkannt. | ||
| Line 1237: | Line 1174: | ||
| $2.8~\mathrm{V}$ liegt oberhalb von $V_{\rm IH}=2.0~\mathrm{V}$ und wird daher sicher als **HIGH** erkannt. | $2.8~\mathrm{V}$ liegt oberhalb von $V_{\rm IH}=2.0~\mathrm{V}$ und wird daher sicher als **HIGH** erkannt. | ||
| - | # | + | # |
| 2. Warum ist die Aussage „HIGH bedeutet $3.3~\mathrm{V}$“ nicht korrekt? | 2. Warum ist die Aussage „HIGH bedeutet $3.3~\mathrm{V}$“ nicht korrekt? | ||
| - | # | + | # |
| HIGH bezeichnet einen **logischen Zustand** und keinen einzelnen Spannungswert. | HIGH bezeichnet einen **logischen Zustand** und keinen einzelnen Spannungswert. | ||
| Line 1250: | Line 1187: | ||
| Außerdem erreicht ein realer Ausgang unter Belastung nicht zwingend exakt die Versorgungsspannung $V_{\rm DD}$. | Außerdem erreicht ein realer Ausgang unter Belastung nicht zwingend exakt die Versorgungsspannung $V_{\rm DD}$. | ||
| - | # | + | # |
| 3. Welche Bedeutung hat dann $V_{\rm DD}=3.3~\mathrm{V}$? | 3. Welche Bedeutung hat dann $V_{\rm DD}=3.3~\mathrm{V}$? | ||
| - | # | + | # |
| $V_{\rm DD}$ ist die Versorgungsspannung des Bauteils. | $V_{\rm DD}$ ist die Versorgungsspannung des Bauteils. | ||
| Line 1267: | Line 1204: | ||
| Sie ist jedoch nicht mit dem logischen Zustand HIGH gleichzusetzen. | Sie ist jedoch nicht mit dem logischen Zustand HIGH gleichzusetzen. | ||
| - | # | + | # |
| # | # | ||
| Line 1280: | Line 1217: | ||
| 1. Wie viele unterschiedliche Eingangskombinationen können mit drei binären Adresseingängen ausgewählt werden? | 1. Wie viele unterschiedliche Eingangskombinationen können mit drei binären Adresseingängen ausgewählt werden? | ||
| - | # | + | # |
| Jeder Adresseingang besitzt zwei mögliche Zustände. | Jeder Adresseingang besitzt zwei mögliche Zustände. | ||
| - | Damit ergeben sich: | + | Damit ergeben sich $2^3=8$ unterschiedliche Eingangskombinationen. |
| - | + | ||
| - | $2^3=8$ | + | |
| - | + | ||
| - | unterschiedliche Eingangskombinationen. | + | |
| Das ROM kann somit acht verschiedene Zeilen einer Wahrheitstabelle adressieren. | Das ROM kann somit acht verschiedene Zeilen einer Wahrheitstabelle adressieren. | ||
| - | # | + | # |
| 2. Wie viele Ausgangszustände liefert das ROM gleichzeitig? | 2. Wie viele Ausgangszustände liefert das ROM gleichzeitig? | ||
| - | # | + | # |
| Das ROM besitzt vier Datenausgänge. | Das ROM besitzt vier Datenausgänge. | ||
| Line 1312: | Line 1245: | ||
| zugeordnet werden. | zugeordnet werden. | ||
| - | # | + | # |
| 3. Was ist der wesentliche Unterschied zwischen der ROM-Darstellung und einer Realisierung mit Logikgattern? | 3. Was ist der wesentliche Unterschied zwischen der ROM-Darstellung und einer Realisierung mit Logikgattern? | ||
| - | # | + | # |
| Beim ROM wird die Zuordnung von Eingangskombination zu Ausgangskombination als Tabelle gespeichert. | Beim ROM wird die Zuordnung von Eingangskombination zu Ausgangskombination als Tabelle gespeichert. | ||
| Line 1327: | Line 1260: | ||
| Sie zeigt damit stärker, **wie** die Funktion hardwareseitig realisiert wird. | Sie zeigt damit stärker, **wie** die Funktion hardwareseitig realisiert wird. | ||
| - | # | + | # |
| 4. Warum ist die Gatter-Schaltung für den weiteren Verlauf des Kurses interessanter als das ROM allein? | 4. Warum ist die Gatter-Schaltung für den weiteren Verlauf des Kurses interessanter als das ROM allein? | ||
| - | # | + | # |
| In der Gatter-Schaltung werden die realen Signalpfade sichtbar. | In der Gatter-Schaltung werden die realen Signalpfade sichtbar. | ||
| Line 1346: | Line 1279: | ||
| Außerdem wird deutlich, dass auch die Logik selbst aus realen elektronischen Schaltern aufgebaut ist. Damit entsteht die Verbindung zum später behandelten MOSFET als Leistungsschalter. | Außerdem wird deutlich, dass auch die Logik selbst aus realen elektronischen Schaltern aufgebaut ist. Damit entsteht die Verbindung zum später behandelten MOSFET als Leistungsschalter. | ||
| - | # | + | # |
| # | # | ||
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