Elektronik
01 Groessen
Prof. Dr. Jörg Vollrath
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Übersicht, Lernziele
- Organisation, Literatur
- Elektrische Systeme
- Ladung, Spannung, Strom, Leistung
Die Grundgrößen der Elektrotechnik sind Spannung U in Volt (V),
Strom I in Amper (A) und die Ladung Q in Coulomb (C).
Bewegliche elektrische Ladung bewegt sich in einem leitendem Material (Metall, Halbleiter).
Die Spannung bestimmt die Bewegungsrichtung und die bewegte Ladung bestimmt den Strom.
Die Leistung P in Watt (W) ergibt sihc als abgeleitete Größe aus U · I.
Eine Spannung wird durch eine Spannungsquelle mit 2 Anschlüssen erzeugt.
Die 2 Anschlüsse werden an einen Verbraucher angeschlossen.
Der einfachste Verbraucher ist ein ohmscher Widerstand R.
Der Zusammenhang zwischen Spannung Strom und Widerstand wird durch das ohmsche Gestz beschrieben.
Für die einzelnen Elemente der Elektrotechnik gibt es Schaltzeichen mit denen ein Schaltplan gezeichnet wird.
In einer Schaltung werden Spannungen und Ströme berechnet und gemessen.
Der elektrischen Messung zur Verifikation der Funktion kommt eine besondere Bedeutung zu.
Mit Spannung und Strom wird Energie und Information übertragen.
Organisation
- Prof. Dr. Petra Friedrich
- Prof. Dr.-Ing. Jörg Vollrath
Literatur
Aktivierungsfragen:
Haben Sie schon Bücher für das Studium gekauft?
Haben Sie Bücher in elektronischer Form?
Wie haben Sie die Bücher genutzt?
Welche Alternativen zu Büchern nutzen Sie?
Fragen
- Was wissen Sie über Elektrotechnik?
- Was wollen Sie über Elektrotechnik lernen?
Fragen
- Welche elektrischen Grössen kennen Sie?
- Wer kennt das ohmsche Gesetz?
- Wer hat schon eine Lampe angeschlossen?
- Wer hat schon mit einem Multimeter gearbeitet?
- Wer hat schon mit einem Oszilloskop gearbeitet?
- Wer hat schon gelötet?
Elektronik
Das Bild zeigt ein elektronisches System mit Spannungsversorgung (gelb).
Umgebungssignale werden mit einem Sensor oder Generator in elektrische analoge Signale gewandelt.
Diese elektrischen analogen Signale werden verstärkt (Amplifier) und gefiltert,
bevor ein Analog-Digital-Wandler diese Signale digitalisiert.
Digitale Elektronik in Form eines Mikroprozessors, Mikrocontrollers oder eines field programmable gate arrays (FPGS)
verarbeitet die Signale und generiert bei Bedarf digitale elektrische Ausgangssignale, die mit Hilfe eines
Digital-Analog-Wandlers, einem Filter und einem Verstärker an einen Aktor gegeben werden.
Der Aktor kann dann Signale (Licht, Kraft, Schall) in die Umwelt abgeben.
Elektronik 3 befasst sich mit Analogelektronik, den gelb und blau umrandeten Blöcken.
Elektronik
| Generator | | Bauelemente | Aktor |
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R, L, C, Transformator, Motor
Diode, Transistor
Batterien, Akku
Schaltungen
Operationsverstärker, AD, DA Wandler
AC-DC, DC-DC Wandler
NAND Gatter, Addierer, Speicher
Mikroprozessor, Mikrocontroller
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| Quelle | | Systeme | Senke |
Größen
- Ladung: Q in C (Coulomb)
- Spannung: U in V (Volt), Strom I in A (Ampere)
- Leistung P in W (Watt)
- Widerstand: R (X) in Ω (Ohm)
- Induktivität: L in H (Henry)
- Kapazität: C in F (Farad)
- Vorsatzzeichen
kleiner: m (milli), µ (micro), n (nano), p (pico), f (femto), a (ato)
größer: k (kilo), M (Mega), G (Giga), T (Tera), P (Penta)
Jede elektrische Größe hat einen Bezeichner, eine Einheit und ein Vorsatzzeichen.
Mit den Vorsatzzeichen ist es leichter eine Größe einzuordnen.
Vorsatzzeichen
Vorsatzzeichen verhalten sich wie Zahlenwerte einer Variablen.
m = 10
-3; µ = 10
-6;
n = 10
-9; p = 10
-12;
f = 10
-15; a = 10
-18
k = 10
3; M = 10
6;
G = 10
9; T = 10
12;
Beispiel:
0.4507 mA = 0.4507 · 10
-3 A = 450.7 · 10
-6 A
= 450.7 µA
Die Vorsatzzeichen lernt man auswendig.
Schreibweisen
| u, i | Augenblicks- oder Momentanwert zeitabhängiger
Größen kleine lateinische Buchstaben |
| U, I | Gleichgrößen, Effektivwerte: große lateinische
Buchstaben |
| \( \hat{u}, \hat{i} \) | Maximalwert |
| \( \underline{u}, \underline{i} \) |
komplexe Zeitfunktion, dargestellt durch rotierende
Zeiger |
| \( \underline{\hat{u}}, \underline{\hat{i}} \) | komplexe Amplitude |
| \( \underline{U}, \underline{I}\) | komplexer Effektivwert, dargestellt durch ruhende Zeiger |
| \( \underline{Z}, \underline{Y}, \underline{z} \) | komplexe Größen |
| \( \underline{Z}*, \underline{Y}*, \underline{z}* \) | konjugiert komplexe Größen (Definition?) -im |
| \( \overrightarrow{E}, \overrightarrow{D} \) | vektorielle Größen |
Elektrische Ladung (Charge)
- Positive Ladungsträger
Löcher; Fehlstellen
- Negative Ladungsträger
Elektronen
- Ladungen gleichen Vorzeichens stoßen sich ab.
- Ladungen ungleichen Vorzeichens ziehen sich an.
- Elementarladung
e = 1.602 ·10-19 C
- Ladung
Q = ±n · e
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Ladungsversuch einer leitenden Kugel zwischen 2 leitenden Platten.
Der elektrische Strom (Current)
- Durch Bewegung von Ladungen entsteht ein elektrischer Strom.
- \( I = \frac{\Delta Q}{\Delta t} \)
- ΔQ ist die innerhalb des Zeitraumes Δt durch den
betrachteten Querschnitt eines Leiters hindurchtretende Ladung.
Der elektrische Strom (Current) 2
- \( Q = \int i(t) dt \)
<\li>
- Bei zeitlicher konstanter Stromstärke
Q = I · t <\li>
- Ein Coulomb ist also diejenige Ladung die bei einer Stromstärke
von 1 A in jeder Sekunde durch den Leiterquerschnitt fliesst.
- Richtungssinn des Stromes in Richtung positiver Ladungsträger
Die elektrische Stromdichte (Current Density)
- Verteilt sich der elektrische Strom gleichmäßig
auf den Leiterquerschnitt A stellt:
\( J = \frac{I}{A} \)
[J] = A/m2
- Die elektrische Stromdichte dar.
- Da Drähte meist Querschnitte im mm Bereich haben
wird die Stromdichte in A/mm2 angegeben.
Zusammenfassung
- Sie kennen elektrische Größen, Einheiten und Vorsatzzeichen
- Sie kennen die Elementarladung (e, q in C), den elektrischen Strom (I in A)
und die elektrische Stromdichte (J in A/m2)
m = 10
-3; µ = 10
-6;
n = 10
-9; p = 10
-12;
f = 10
-15; a = 10
-18
k = 10
3; M = 10
6;
G = 10
9; T = 10
12;
Nächste Vorlesung:
02 Ohmsches Gesetz
