Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik 1 Prof. Dr. Tatjana Lange Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Ausgewählte Grundlagen der Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Elektrotechnik für nicht-elektrotechnische Fachrichtungen Tatjana Lange Fachbereich Elektrotechnik Automatisierungstechnik 2001
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Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik 1Prof. Dr. Tatjana Lange
1825 Ohmsche Gesetz U=R· I G.S. Ohm Berechnung elektr. Schaltungen
1831 elektromagn. Induktion M. Faraday Dynamo, Generator
Die Anfänge der Anfänge und die ersten großen Entdeckungen
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1831/34 Idee des elektr. Feldes M. Faraday Maxwell‘sche Theorie1847 brauchbarer Zeigertelegraph W. v. Siemens Durchbruch der Telegraphie1861/64 Postulat d. elektromagn. J.C. Maxwell Elektronik !!!
Schwingung bzw. Wellen1861 elektr. Übertr. von Tönen J.P. Reis Telephonie1876 Telephon Bell Beginn der Telephonie1883 Glühemission T.A. Edison Diode und Elektronenröhre1887/88 Nachweis Wellenausbreitung H. Hertz drahtlose Signalübertragung1895 Antenne A.S. Popow drahtlose Signalübertragung1896/97 drahtlose Signalübertragung Markoni/Popow Funk / Rundfunk / Fernsehen1900/04 Glühkathoden-Diode J.A. Fleming Modulation / Demodulation1906/07 Elektronenröhre v. Lieben Verstärkertechnik19913 Schwingungserzeugung A. Meissner Rundfunk, Fernsehen1919 Röhrenverstärker v. Mihály Informationsübertragung
Bahnbrechende Entdeckungen und Erfindungen
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1920 Rundfunkum1920 Trägerfrequenztechnik in Fernsprechnetzen1930 elektronisches Fernsehen durch M.v.ArdenneEnde 30er Radar1947 ENIAC - röhrenbestückte Rechenmaschine1947/48 Erfindung des Transistors durch Bardeen, Brattain, Shockley1958 erster integrierter Schaltkreis von Jack S. Kilby1962 IBM 7070 - volltransistorierte elektronische Rechenmaschine1964 IBM 360 - elektronische Rechenmaschine auf Basis von
integrierten Schaltkreisen und Transistoren1965 erste digitale Übertragungssysteme (PCM)1971 INTEL 4004 - erster Mikroprozessor1971 Taschenrechner1991 erste brauchbare mobile Telefone
Die großen Erfindungen des 20. Jahrhunderts
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Wichtige elektrische GrößenWichtige elektrische Größenvgl. mit Wasserdruck
Spannung UMaßeinheit: V - Volt
1,5 V
vgl. mit Wasserdurchfluß
elektr. Leistung PMaßeinheit: W - Watt0,3 W
1,2 W
• Je größer die Spannung, um so größer die Leistung.• Je größer die Stromstärke, um so größer die Leistung.
P = U · I
Stromstärke IMaßeinheit: A - Ampère
0,2 A+
• Je größer die Spannung, um so größer die Stromstärke.I ~ U
3 V
0,4 A+
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Klassifikation Signale und SystemeKlassifikation Signale und Systeme
Signale: zeitliche Änderungen einer physikalischen Größe, z.B.Spannung, Lichtstärke, ...
determinierte
stochastische
analoge diskrete digitale
u(t)
t
u(t)
tu(t)
t
u(t)
t
1 2 1
1 2 1 0 1 2 1 0
u(t)
t
u(t)
t1 -1 0 2 3 ...
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Beispiele:
Wechselstrom
Sprachsignal
Daten
u(t))
t
0 1 0 0 0 1 1 0
Diese Signale sindTräger vonInformation !
Information = Abbau von Unsicherheit !
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Frequenzbegriff:
Zeit tAmplitude
[V] Zeit tAmplitude
[V]
+-1 sec 1 sec+
-+
2 Hz1 Hz
Zeit t
Amplitude[V]
Töne und Frequenzen:
Der zeitliche Verlauf eines reinen Tonesentspricht dem Verlauf einer SINUS-Kurve:
Je höher der Ton, um so hoher ist die Frequenzder SINUS-Schwingung:
Je lauter der Ton, um so größer ist dieAmplitude der SINUS-Schwingung:
Was ist Frequenz? Was ist 1 Hz (Hertz) ?
Frequenz = Anzahl der Polaritätswechsel proZeiteinheit:
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System: griech. sýstema -> „aus mehreren Teilen zusammengesetztes,gegliedertes Ganzes“
Technische Systeme sindgekennzeichnet
• durch einen oder mehrereEingänge, an denen Einflußgrößen(Eingangssignale) wirken,
• und durch einen oder mehrereAusgänge, an denen diebeeinflußten Größen(Ausgangssignale) beobachtetbzw. gemessen werden können.
System1 Eingang 1 Ausgang
System
n Eingänge m Ausgänge
System
Auf (techn.) Systeme wirken immerStörungen, die jedoch unter bestimmtenBedingungen vernachlässigt werdenkönnen.
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u1(t) u2(t)System
lineares System
nichtlinearesSystem
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u1(t) u2(t)System
zeitinvariantesSystem
nichtzeitinvariantesSystem
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Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik 16Prof. Dr. Tatjana Lange
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Informationsverarbeitung
analoge
digitale
analoge
digitale
digitale
• Industrie• Transport• Haushalt• Medizin
• Computer• Mainframes• Spezialrechner
Steuerung und Regelung
Informationsübertragung
• Radio , TV• Telefonie• Daten-
übertragung
• Industrie• Transport• Haushalt• Medizin
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Bauelemente der ElektronikBauelemente der Elektronik
Inhalt:
• Passive Bauelemente• Aktive Bauelemente
Halbleiterdiode Bipolartransistor Bipolartransistor als elektronischer Verstärker Feldeffekttransistor Feldeffektransistor als elektronischer Schalter
• Leiterplatten
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Leiter undWiderstände
Passive Bauelemente
Kondensatoren Spulen
RC L
[Ω][F] [H]
Ohm (nach Ohm) Farad (nach Faraday) Henry (nach Henry)
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Stoffe reagieren unterschiedlich auf das Anlegen einer elektrischen Spannung:• Bei bestimmten Stoffen erfolgt ein nahezu „ungebremster“ Transport von
elektrischen Ladungsträgern (z.B. Elektronen), d.h. diese Stoffe haben einausgeprägtes Vermögen, unter Einfluß eines elektrischen Feldes einenelektrischen Strom zu führen. Sie besitzen eine sehr hohe elektrischeLeitfähigkeit.Diese Stoffe nennt man elektrische Leiter.
Beispiele: Metalle wie Silber, Kupfer, Gold, Aluminium.
• Stoffe mit äußerst geringer elektrischer Leitfähigkeit nennt manIsolatoren oder Dielektrika.
Beispiele: Keramik, Kunststoffe, Papier
• Stoffe mit einer mittleren Leitfähigkeit nennt man Halbleiter.Beispiele: Silicium, Germanium, unterschiedliche Legierungen
Elektrische Leiter und Widerstände:
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Jeder Stoff besitzt also eine spezifische elektrische Leitfähigkeit σσσσbzw. einen spezifischen elektrischen Widerstand ρρρρ, wobei
I
U
La
b
ρ=1/σSpannungsquelleDer Widerstand eines
leitfähigen Quaders mit derLänge L und einerSeitenfläche a·b ergibt sichzu
R=ρ·La·b Maßeinheit Ω (Ohm) Ohm‘sche Gesetz:
U=R · I
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Das Bauelement „Widerstand“ ....
besteht aus Material mit geringer Leitfähigkeit• gewickelter Widerstandsdraht auf nichtleitendem
Körperoder• dünne Metall-/Metalloxid-/Metallglasschichten auf
nichtleitender Trägermasse
Der Widerstand ist das meistverwendete Bauelement der Elektronik.
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R1
R2u1(t) u2(t)
( ) ( )21
212 RR
Rtutu+
⋅=
( ) .01 constUtu == ( )21
202 RR
RUtu+
⋅=
( ) ( )tfUtu 001 2cos π=
( ) ( )21
2002 2cos
RRRtfUtu+
⋅π=
Das Verhalten der Schaltung ist frequenzunabhängig.
u1(t)
u2(t)
Oszillograph zur Darstellungder elektrischen Signale
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Spulen
KondensatorenEnergiespeicher
elektromagnetisches Feld
elektrostatisches Feld
Kondensatoren und Spulen - elektrische Energiespeicher
Hauptanwendungen:
Spulen:Elektromechanik
• Elektromagnet• Relais
Elektronik• Filter• Schwingkreise• HF-Drosseln
Kondensatoren:Elektronik
• Filter (z.B. Drehkondensator)• Schwingkreise• Speicher (z.B. im DRAM)
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typischer Aufbau:
Spule / Induktivität:
gewickelterKupferdraht
Kern aus magnetischem Material(z.B. Ferritkern)
elektrisches Schaltsymbol:
oder
• Fließt durch eine Spule, so wird ein elektro-magnetisches Feld aufgebaut (Energiespeicher).
• Dieses elektromagnetische Feld kann sich nichtschlagartig ändern. Als Folge davon gilt:
• Der durch eine Spule fließende Strom kannsich nicht sprungartig ändern !!!
L Ru (t)
i(t)
t
t
u (t)
i(t)
L
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typischer Aufbau:
Kondensator
Metallplatte Dielektrikum (Papier,Keramik,...)
elektrisches Schaltsymbol:
• Wird eine Spannung an die Platten desKondensators angelegt, so wird ein elektro-statisches Feld aufgebaut (Energiespeicher).
• Dieses elektrostatische Feld kann sich nichtschlagartig ändern. Als Folge davon gilt:
• Die an einem Kondensator anliegende Spannungkann sich nicht sprungartig ändern !!!
C
Ru (t) uc(t)
t
t
u (t)
C
uc(t)
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Passive elektronische Schaltungen (Beispiele für dasVerhalten einfacher passiver Netzwerke bzw. Filter)
Der Tiefpass (TP):Eigenschaften des idealen Tiefpass:• Sinusförmige Signale mit einer Frequenz kleiner einer bestimmten
Grenzfrequenz fg durchlaufen den Tiefpass (nahezu) ungedämpft.• Sinusförmige Signale mit einer Frequenz größer einer bestimmten
Grenzfrequenz fg werden vom Tiefpass unterdrückt.System-
beschreibung:
TP( ) )2sin(11 ftUtu π= ( ) )2sin(22 ftUtu π=
f<fg
f>fg f
1
2
UUG =
fg
Übertragungsfkt.
1
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System-beschreibung:
TP( ) )2sin(11 ftUtu π= ( ) )2sin(22 ftUtu π=
f<fg
f>fg f
1
2
UUG =
fg
Verhalten eines realen Tiefpass:
Elementare reale Tiefpässe:
ZLRu1(t) u2(t)
LfLZL ⋅⋅π=⋅ω= 2
ZCRu1(t) u2(t)
CfCZC ⋅⋅π
=⋅ω
=2
11
oder
Je größer die Frequenz, um so größerder (Blind-) Widerstand der Spule.
Je größer die Frequenz, um so kleiner der(Blind-) Widerstand des Kondensators.
Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik 28Prof. Dr. Tatjana Lange
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Experiment:Experiment:
u1(t)
t
u1(t)
t
u1(t)
t
Oszillograph - Meßgerät zurDarstellung des zeitlichenVerlaufs elektrischer Signale
Bildschirm desOszillographen zurDarstellung der Signaleam Eingang und amAusgang des Tiefpasses
ZCRu1(t) u2(t)
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Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik 31Prof. Dr. Tatjana Lange
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Der Hochpass (HP):
Eigenschaften des idealen Hochpaßpass:• Sinusförmige Signale mit einer Frequenz kleiner einer bestimmten
Grenzfrequenz fg werden vom Tiefpass unterdrückt.• Sinusförmige Signale mit einer Frequenz größer einer bestimmten
Grenzfrequenz fg durchlaufen den Tiefpass (nahezu) ungedämpft.System-
beschreibung:
HP( ) )2sin(11 ftUtu π= ( ) )2sin(22 ftUtu π=
f<fg
f>fg f
1
2
UUG =
fg
Übertragungsfkt.
1
Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik 33Prof. Dr. Tatjana Lange
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HP( ) )2sin(11 ftUtu π= ( ) )2sin(22 ftUtu π=
f<fg
f>fg
Verhalten eines realen Hochpass:
Elementare reale Hochpässe:
ZLRu1(t) u2(t)
LfLZL ⋅⋅π=⋅ω= 2 CfCZC ⋅⋅π
=⋅ω
=2
11
oder
Je größer die Frequenz, um so größerder (Blind-) Widerstand der Spule.
Je größer die Frequenz, um so kleiner der(Blind-) Widerstand des Kondensators.
System-beschreibung:
f
1
2
UUG =
fg
ZC Ru1(t) u2(t)
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Experiment:Experiment:
u1(t)
t
u1(t)
t
u1(t)
t
Oszillograph - Meßgerät zurDarstellung des zeitlichenVerlaufs elektrischer Signale
Bildschirm desOszillographen zurDarstellung der Signaleam Eingang und amAusgang des Tiefpasses
ZC Ru1(t) u2(t)
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Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik 38Prof. Dr. Tatjana Lange
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Der Bandpass (BP):Eigenschaften des idealen Bandpaßpass:• Sinusförmige Signale mit einer Frequenz kleiner einer bestimmten
Grenzfrequenz fg1 werden vom Bandpass unterdrückt.• Sinusförmige Signale mit einer Frequenz größer einer bestimmten
Grenzfrequenz fg2 werden vom Bandpass ebenfalls unterdrückt.• Sinusförmige Signale mit einer Frequenz größer fg1 und kleiner fg2
durchlaufen den Bandpass (nahezu) ungedämpft.
BP( ) )2sin(11 ftUtu π= ( ) )2sin(22 ftUtu π=
f<fg1
f>fg2
System-beschreibung:
f
1
2
UUG =
fg1
Übertragungsfkt.
1
fg1<f< fg2
fg2
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BP( ) )2sin(11 ftUtu π= ( ) )2sin(22 ftUtu π=
Verhalten eines realen Bandpass:
Elementarer realer Bandpaß:
ZL
Ru1(t) u2(t)
LfLZL ⋅⋅π=⋅ω= 2
CfCZC ⋅⋅π
=⋅ω
=2
11
Je kleiner die Frequenz, um so kleinerder (Blind-) Widerstand der Spule.
Je größer die Frequenz, um so kleiner der(Blind-) Widerstand des Kondensators.
ZC
„Kurzschluss“ für hohe Frequenzen
„Kurzschluss“ fürtiefe Frequenzen
f<fg1
f>fg2
fg1<f< fg2
System-beschreibung:
f
1
2
UUG =
fg1
1
fg2
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Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik 42Prof. Dr. Tatjana Lange
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Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik 43Prof. Dr. Tatjana Lange
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Übertragungsfunktion
Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik 44Prof. Dr. Tatjana Lange
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Aktive Bauelemente
Die Diode / Halbleiterdiode (grundsätzliche Funktionsweise)
• Zweipol-Bauelement mit einer asymmetrischenStrom-Spannungskennlinie
U
I
Durchbruch-spannung
elektrisches Schaltsymbol:
_
+U
I
Sperr-richtung
+_ U
I
Durchlaß-richtung
Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik 45Prof. Dr. Tatjana Lange
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n-Halbleiter: Halbleiter, in denen dieelektrischen Ladungen vorwiegend durchnegative Ladungsträger (Elektronen)transportiert werden.
• Die Halbleiterdiode nutzt den sog. Halbleitereffekt, der auf der Wechselwirkungder Ladungsträger in den Halbleitermaterialien beruht.
• Für die Diode ist insbesondere der Halbleitereffekt an den Grenzflächen zwischenden unterschiedlich dotierten Halbleitermaterialien wichtig pn-Übergang.
pn
p-Halbleiter: Halbleiter, in denen dieelektrischen Ladungen hauptsächlich durchpositive Ladungsträger (Löcher imKristallgitter) transportiert werden.
Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik 46Prof. Dr. Tatjana Lange
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Der Transistor (grundsätzliche Funktionsweise)Der Transistor (grundsätzliche Funktionsweise)
Transistor = Transfer Resistor = Übertragungswiderstand
• steuerbares Halbleiterbauelement
Man unterscheidet Transistoren nach der Art des Stromtransports:• Bipolartransistoren• Unipolartransitoren (z.B. Feldeffekttransistoren)
steuerndeElektrode
gesteuerteElektroden
I1
I2
I3
• Die Ströme I2 und I3werden durch den StromI1 oder die Spannung U1gesteuert.
U1
Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik 47Prof. Dr. Tatjana Lange
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Bipolartransistor:Bipolartransistor:
pnp-Transistor npn-Transistor
B
C
E
Stromrichtung
Stromrichtung
B
C
E
Stromrichtung
Stromrichtung
EmitterKollektor
Basis
p n p
BC E
EmitterKollektor
Basis
n p n
BC E
+
-
-
+
Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik 48Prof. Dr. Tatjana Lange
Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik 51Prof. Dr. Tatjana Lange
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Man unterscheidet FET nach•der Art des Kanal-Halbleiters
• n-Kanal-FET (bzw. n-leitend), p-Kanal-FET (bzw. p-leitend)•Steuerprinzip bzw. Art der Steuerung
• Sperrschicht-FET (Steuerung durch Änderung des Querschnitts bzw. Sperrungdes Halbleiterkanals)
• IGFET (FET mit isoliertem Gate - Steuerung durch Ladungsinfluenz, d.h.durch Änderung der Leitfähigkeit des Halbleiterkanals) -> MOSFET !!!Verarmungstyp oder selbstleitend -> Kanal ist bei einer Gatespannung = 0
bereits leitend. Durch Anlegen einer Gatespannung wird die Anzahl derLadungsträger kleiner ( „Verarmung“); die Leitfähigkeit sinkt. Beim n-Kanal-FETerfolgt die Verarmung bei Anlegen einer negativer Gatespannung ; beim p-Kanal-FET erfolgt die Verarmung durch Anlegen einer positiven Gatespannung.
Anreicherungstyp oder selbstsperrend-> Kanal ist bei einer Gatespannung = 0gesperrt. Durch Anlegen einer Gatespannung wird die Anzahl der Ladungsträgergrößer ( „Anreicherung“); die Leitfähigkeit steigt. Beim n-Kanal-FET erfolgt dieAnreicherung bei Anlegen einer positiven Gatespannung ; beim p-Kanal-FETerfolgt die Anreicherung durch Anlegen einer negativen Gatespannung.
Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik 52Prof. Dr. Tatjana Lange
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Vorteile des Feldeffekttransistors:• sehr hoher Eingangswiderstand (1012 - 1016 Ω)
• leistungslose Steuerung (defacto kein Steuerstrom)
• Unipolarbauelement -> kein Mitwirken relativ langsamerMinoritätsladungsträger bei Umschaltvorgängen - hoheSchaltgeschwindigkeit
• Unempfindlichkeit gegen thermische Schwankungen ->höhere Stabilität (beim FET sinkt die Leitfähigkeit mitwachsender Temperatur, beim Bipolartransistor wächst dieLeitfähigkeit bei steigender Temperatur)
Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik 53Prof. Dr. Tatjana Lange
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SFET
n p
DSG S
DG
DSG S
DGS
DG G
D
S
UGS
ID
UGS
ID
-UP UP
n p n p
UGS
ID
-UPUGS
-ID
UPUGS
-ID
-UPUGS
-ID
UP
UP - SchwellspanungFür n-Kanal-FET gilt: FET leitend, wenn UGS> UP.Für p-Kanal-FET gilt: FET leitend, wenn UGS< UP.
Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik 54Prof. Dr. Tatjana Lange
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S
DG
UGS
ID
UP
nS
DG
+12 V
U1=10 V U2≈ 0 V
+12 VErsatzschaltbild
S
DG
+12 V
U1=0 V U2= 12 V
+12 V
n-Kanal-FETselbstsperrend
Feldeffekttransistor als elektronischer Schalter
Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik 55Prof. Dr. Tatjana Lange
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Schalttransistor - spezielle Transistoren mit guten Schalteigenschaften
In Verstärkerschaltungen kommt es insbesondere auf eine hoheLinearität der Ausgangskennlinie an, die das Verhältnis zwischenEingangssignal und Ausgangssignal beschreibt.
Bei elektronischen Schaltern kommt es insbesondere auf kleineSchaltzeiten und auf die Belastbarkeit des Ausgangs an.
Grundsätzlich können sowohl Bipolartransistoren als auch FET alsSchalttransistoren ausgelegt sein.
Besonders gut eignet sich jedoch der FET als Schalttransistor mitgrundsätzlich kleineren Schaltzeiten und höheren Belastbarkeitgegenüber dem Bipolartransistor.
Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik 56Prof. Dr. Tatjana Lange
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Leiterplatten
• unterste Ebene bzw. Träger für elektronische Aufbauten
• besteht aus glasfaserverstärkten Polymeren (z.B. Epoxidharz)
• Verbindungen zwischen den Bauelementen sind durchLeiterbahnen realisiert, die per Kupferbeschichtung auf denpolymeren Träger aufgebracht werden
• unterschiedlichste Bauformen in Einlagen-/ Zweilagen undMehrlagenverdrahtung
• Strukturierung der Metallisierung auf der Leiterplatte erfolgt aufBasis des rechnergestützten Schaltungsentwurfs (CAD)
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Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik 64Prof. Dr. Tatjana Lange
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( )
( )
( ) ( )( )
( )231
3322231
323232321
3232321
xxx
xxxxxxx
xxxxxxxxx
xxxxxxxy
+⋅=
=+⋅++⋅⋅=
=⋅+⋅+⋅+⋅⋅=
=⋅+⋅+⋅⋅=
Minimierung unter Anwendung der RechenregelnMinimierung unter Anwendung der Rechenregeln
xxx =+
1=+ xx
( ) 3121321 xxxxxxx ⋅+⋅=+⋅
xx =⋅1und
Rechenregeln
Realisierung: & y
1x3
x1
x2
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Wahrheitstabelle
x1 x3x2 y0 00 00 10 00 01 00 11 0
1 10 11 01 11 11 1
1 00 0
( )321
3121
xxxxxxxy
+⋅==⋅+⋅=
Schritte 2:Kürzung durch paarweiseZusammenfassung benachbarterFelder mit logischer EINS. Dabeientfällt diejenige Variable, die inden benachbarten Feldern sowohldirekt als auch negiert auftaucht.
Minimierung unter Anwendung des Karnaugh-DiagrammsMinimierung unter Anwendung des Karnaugh-Diagramms
Schritt 1:Ausfüllen des Karnaugh-Diagramms auf Basis derWahrheitstabelle
1x1x
3x3x 3x 3x
1 1 1 00 0 0 0
2x 2x2x 2x
Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik 66Prof. Dr. Tatjana Lange
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Anwendung derMorgan‘schen Regel
Realisierung nur mit NAND:Realisierung nur mit NAND:
& y
x1
x2
&
&
3121
3121
xxxx
xxxxyy
⋅⋅⋅=
=⋅+⋅==
x3
2121
2121
xxxx
xxxx
⋅=+
+=⋅
Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik 67Prof. Dr. Tatjana Lange
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Logische Gatter - die Grundelemente digitaler Schaltungen
MOSFET-Realisierungen
NEGATION
x y0 11 0
xy = x yD
SG
S
D
G
+UCC
ux uy
0 - tiefes Potential - L1 - hohes Potential - H
T1
T2
ux uyT1 T2L leitend gesperrt HH gesperrt leitend L
Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik 68Prof. Dr. Tatjana Lange
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S
DG S
DG
UGS
ID
UP
n p
UGS
-ID
-UP
Schaltungsanalyse:
D
SG
S
DGux=UG uy
T1 p-Kanal
T2 n-Kanal
Es gilt: UGS = UG - USFür den p-Kanal-FET (T1) in der Schaltung gilt: US=UCC=12V
Wenn UG = 0 V, dann UGS = -12V T1 leitend Wenn UG = 12 V, dann UGS = 0 V T1 gesperrt
Für den n-Kanal-FET (T2) in der Schaltung gilt: US=0 VWenn UG = 0 V, dann UGS = UG = 0 V T2 gesperrt Wenn UG = 12 V, dann UGS = UG = 12 V T2 leitend
+UCC
US (T1)
US (T2)
zur Erinnerung
ux uyT1 T2
L leitend gesperrt H
H gesperrt leitend L
Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik 69Prof. Dr. Tatjana Lange
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D
S
S
D
+UCC
T12 T11
T21
T22
ux1
ux2
uy
NANDx1 x2 y0 0 10 1 11 0 11 1 0
yxx =⋅ 21
x1x2y&
Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik 70Prof. Dr. Tatjana Lange
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D
S
S
D
+UCC
T12 T11
T21
T22
ux1
ux2
uy
Schaltungsanalyse:
ux1 ux2 T11 T12 T21 T22 uy
Bitte Tabelle ausfüllen !
?
S
DG S
DG
UGS
ID
UP
n p
UGS
-ID
-UP
Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik 71Prof. Dr. Tatjana Lange
Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik
NORx1 x2 y0 0 10 1 01 0 01 1 0
yxx =+ 21
x1x2y1
S
D
D
S
+UCC
T12
T11
T21 T22
ux1
ux2
uy
Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik 72Prof. Dr. Tatjana Lange
Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik
Schaltungsanalyse:
ux1 ux2 T11 T12 T21 T12 uy
Bitte Tabelle ausfüllen !
?
S
D
D
S
+UCC
T12
T11
T21 T22
ux1
ux2
uy
S
DG S
DG
UGS
ID
UP
n p
UGS
-ID
-UP
Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik 73Prof. Dr. Tatjana Lange
Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik
Logische Grundfunktionen (Gesamtübersicht für 2 Variable)Logische Grundfunktionen (Gesamtübersicht für 2 Variable)
Digitale Schaltungen, die neben logischen Gatter auch elementareSpeicherbausteine enthalten, bezeichnet man als sequentielleSchaltungen.
• Als elementarer Speicherbaustein wird vorwiegend das Flipflop(oder Trigger) eingesetzt.
• Sequentielle Schaltungen wie Teiler, Zähler und Register sindwichtige Grundbausteine der Rechentechnik.
Flipflop (FF):• speichert 1 Bit in Form von
2 Schaltzuständen (0 oder 1)
Die wichtigsten Flip-Flop sind:RS-FF Basis-FF, AutomatenbausteinJK-FF Grundbaustein für ZählerD-FF Grundbaustein für Register
bzw. schnelle Speicher
Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik 81Prof. Dr. Tatjana Lange
Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik
RS-FlipflopRS-Flipflop S - Set (Setzen)R - Reset (Zurücksetzen)
&
&
S
R
Q
Q
0
1
1
1
0
1
1
0
1
1
1
00
1
1
0
S
R
Q
Q
t
t
t
t
S R Q Q0 1 1 01 0 0 11 1 keine Änderung0 0 verbotene Eingangsbelegung
S
R
Q
Q
Schaltungssymbol
Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik 82Prof. Dr. Tatjana Lange
Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik
JK-FlipflopJK-Flipflop
JK-FF sind getaktete Flipflop. Sie besitzen neben den• Ausgängen Q und • einen Takteingang C (Clock)• zwei Informationseingänge J und K• zwei Stelleingänge Clear und Preset
QJ
K
Q
Q
Clear
Preset
C
J
K
t
t
t
t
C
Q
(1) J=K=1: FF arbeitet als Teiler(2) J=K=0: FF bleibt im alten Zustand,
d.h. Takt ist wirkungslos(3) J=0 und K=1: nächster Takt stellt
Q=0; danach ist Takt wirkungslos(4) J=1 und K=0: nächster stellt Q=1;
Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik 83Prof. Dr. Tatjana Lange
Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik
D-FlipflopD-Flipflop
D-FF sind getaktete Flipflop. Sie besitzen neben den• Ausgängen Q und • einen Takteingang C (Clock)• einen Informationseingang D• zwei Stelleingänge Clear und Preset
QD Q
Q
Clear
Preset
C
Dt
t
t
C
Q
Clear = 0 setzt Q = 0Preset = 0 setzt Q = 1
Mit jeder positiven Taktflankeübernimmt Q die am D-Einganganliegende Information.
D-FF sind Bausteine von Registernbzw. schnellen Speichern.
Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik 84Prof. Dr. Tatjana Lange