Grundlagen Elektrotechnik 2 (GET2)

01 Einführung, Wechselgrößen

Prof. Dr. Jörg Vollrath

GET 2

Material: Lautsprecher Weiche, Dynamotaschenlampe, Electronic Explorer mit RLC Netzwerk
Test 01, Test 02
Video GET2 01 Einführung kompakt
1. Ziele: Theorie, Simulation, Aufbau, Messung
2. Größen Periodische Schwingung mit T, f,

$\hat{u}$ , u_pp
3. Dynamo Taschenlampe am Electronic Explorer mit Übertragungsnetzwerk

Übersicht

Herzlich Willkommen!

Vorstellung und Organisation

Person, Interessen, Vorlesung, Ziele, Inhalte, Literatur

Elektrotechnik

Beobachtung elektromagnetischer Phänomene, Modellierung, Rechnung und Simulation, Systemaufbau, Messung
Systematik: Zerlegung, Grundprinzipien, Transfer

Wechselgrößen

Audiosignale, Generator, Kenngrößen

Wer hat sich schon die Webseiten angeschaut?
Was finden Sie gut? Was erwarten Sie?
Beteiligen Sie sich.
Fragen Sie! Die Vorlesung lebt von ihren Fragen.

Meine Person

Prof. Dr.-Ing. Jörg Vollrath
Sprechstunde: T221 Di 11:30-12:30 Voranmeldung per email
Joerg.vollrath@hs-kempten.de
Joerg.vollrath@ieee.org
Halbleitertechnik, Studium, Promotion, Darmstadt, 1994
- Halbleiterspeicher DRAM, Siemens, Infineon, Qimonda, Toshiba, IBM, Motorola
  64 Mbit .. 4 Gbit, 0.35 µm .. 50 nm
Vorlesungen

Bei meiner Tätigkeit in der Industrie (1994-2010) wurden die neusten CMOS-Prozesstechnolgien für integrierte Schaltungen (DRAMs) eingesetzt.
In CMOS Technologie wurden Ladungspumpen, Spannungsregler, PLLs und DLLs, analoge Verstärker, Referenzspannungsquellen, digitale Schaltungen und high speed Busse realisiert.
Dabei traten nur parasitäre, laterale bipolare Transistoren auf.
Das Design in einer neuen Technologie musste gleich funktionieren, da ein Maskensatz mehrere hunderttausend Euro kostet.
Die Simulation wurde zur Schaltungsentwicklung eingesetzt und musste das reale Verhalten der Schaltung möglichst genau abbilden.

Eine grosse Bedeutung hat der Test.
Für die Simulation wurden sowohl CMOS Bauelemente, als auch parasitäre Widerstände und Kapazitäten von Leitungen und Bauelementen charakterisiert.
Am Speicherchip wurden mit Hilfe von Testpunkten interne Signal gemessen und mit der Simulation verglichen.
Ausserdem wurde die Gesamtfunktionalität bei verschiedenen Spannungen und Temperaturen verifiziert. Dabei wurde auch der Herstellungsprozess variiert (Process window).
Da Millionen von Chips hergestellt wurden traten einige Fehler nur sehr selten auf 1..100 ppm und mussten dennoch reproduziert, analysiert und behoben werden, um dass Produkt erfolgreich verkaufen zu können.

Meine Arbeitsgebiete

Literatur

Führer, Heidemann, Nerreter, Grundgebiete der Elektrotechnik 2, Hanser, 25 Euro
Hagmann, G.: Grundlagen der Elektrotechnik, Aula, 22 Euro
Wikipedia
http://www.wikipedia.org
LTSPICE und PSPICE
https://www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators.html
Deutsch englische Übersetzung LEO
www.leo.org

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?

MOOC Circuits and Electronics

There are free and paid online classes available

MIT Open Courseware: Circuits and Electronics

edX: Circuits and Electronics

Book:
Agrawal, Lang
Foundations of Analog and Digital Electronic Circuits

Die Kurse sind teilweise kostenlos, allerdings müssen Sie sich registrieren. Gegen eine Gebühr können Sie nach durchgeführtem Kurs bei edX ein Zertifikat bekommen. Die Vorlesung GET1, GET2 sollten ausreichen, so dass sie diese Kurse schnell durchführen und ein Zertifikat bekommen können.

Modulübersicht

Grundlagen der Elektrotechnik 2

Vorlesung (4 SWS)
Mo 11:45-13:15
Übung (1 SWS, 1(2) Gruppen?)
Mi 10:00-11:30
2 Stunden, 14 tägiger Rythmus
Die Termine sind in 'Mein Campus' aktuell hinterlegt.
Aufgaben
Praktikum
Die Unterlagen, Gruppen, Termine sind in Moodle abgebildet.
Klausur: 90 min
Taschenrechner
Alle Hilfsmittel

Details der Vorlesung GET 2
Übung GET 2

Ziele der Vorlesung

Sie können Netze an Sinusquellen entwerfen und analysieren

Berechnung des Übertragungsfaktors für einen elementaren Bandpass (Analytische Gleichung)
Simulation eines elementaren Bandpass mit SPICE (numerische Berechnung)
Aufbau und Messung der Schaltung

Uebertragung_RCCR_03.asc

Version 4
SHEET 1 880 680
WIRE 144 0 80 0
WIRE 256 0 224 0
WIRE 288 0 256 0
WIRE 384 0 368 0
WIRE 80 80 80 0
WIRE 256 80 256 0
WIRE 384 80 384 0
WIRE 80 176 80 160
WIRE 256 176 256 144
WIRE 256 176 80 176
WIRE 384 176 384 160
WIRE 384 176 256 176
WIRE 256 192 256 176
FLAG 256 192 0
FLAG 80 0 Uq
FLAG 256 0 U1
FLAG 384 0 U2
SYMBOL voltage 80 64 R0
WINDOW 0 24 16 Invisible 2
WINDOW 3 24 104 Invisible 2
WINDOW 123 8 8 Left 2
WINDOW 39 0 0 Left 2
SYMATTR InstName Vq
SYMATTR Value SINE(0 1 1E3)
SYMATTR Value2 AC 1
SYMBOL res 240 -16 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R1
SYMATTR Value 47k
SYMBOL cap 240 80 R0
SYMATTR InstName C1
SYMATTR Value 2n
SYMBOL res 368 64 R0
SYMATTR InstName R2
SYMATTR Value 47k
SYMBOL ind 272 16 R270
WINDOW 0 32 56 VTop 2
WINDOW 3 5 56 VBottom 2
SYMATTR InstName L1
SYMATTR Value 10�
TEXT 304 120 Left 2 ;U2
TEXT 192 120 Left 2 ;U1
TEXT 8 120 Left 2 ;Uq
TEXT 32 200 Left 2 !.ac dec 10 1 1E9
TEXT 104 24 Left 2 ;Iq
TEXT 264 56 Left 2 ;IC1
TEXT 400 56 Left 2 ;IR2
LINE Normal 336 160 336 16
LINE Normal 336 160 336 160
LINE Normal 320 144 336 160
LINE Normal 352 144 336 160
LINE Normal 224 160 224 16
LINE Normal 224 160 224 160
LINE Normal 208 144 224 160
LINE Normal 240 144 224 160
LINE Normal 40 160 40 16
LINE Normal 40 160 40 160
LINE Normal 24 144 40 160
LINE Normal 56 144 40 160
LINE Normal 80 16 80 16
LINE Normal 96 32 80 16
LINE Normal 64 32 80 16
LINE Normal 256 48 256 48
LINE Normal 240 32 256 48
LINE Normal 272 32 256 48
LINE Normal 384 48 384 48
LINE Normal 368 32 384 48
LINE Normal 400 32 384 48

Hier wird ein LTSPICE Schaltplan einer typischen RLC Schaltung abgebildet. LTSPICE ist ein Schaltungssimulator, der es erlaubt die Schaltung zu analysieren und Ströme und Spannungen darzustellen. Die Schaltungssymbole sind amerikanisch und nicht DIN konform.
Welche Bauelemente und Symbole erkennen Sie in der Schaltung?
Was für eine Funktion stellt diese Schaltung dar?
Ein Schaltungsentwurf umfasst theoretische Gleichungen, Simulationen, Aufbau und Messung einer Schaltung.
Die Theorie beschreibt das Verhalten, den Zusammenhang und die Grenzen der verwendeten physikalischen Prinzipien, Größen und Bauteile.
Die Simulation erlaubt die schnelle und kostengünstige Untersuchung der Schaltung. Dabei wird die korrekte Umsetzung der Theorie überprüft und können erste Fehler und Optimierungen gefunden werden.
Erst mit einer Messung eines Schaltungsaufbaus kann die korrekte Funktion bestätigt werden.

Vorbemerkung

Zahlendarstellung und Symboldarstellungen sind weltweit verschieden

Dezimaltrennzeichen:
Punkt: Amerikanisch, Programmiersprachen
Komma: Deutsch
Zahlendarstellung:
$2.35 \cdot 10^{-3}$ , 2.35E-03, 2.35 m, 2m35, 2,35E-3
Spannungen:
U: Deutsch
V: Amerikanisch
Schaltungssymbole
Induktivität: schwarzer Kasten, Leiterschleifen
Spannungsquelle

In dieser Vorlesung wird LTSPICE verwendet und Javascript Programme. Deshalb ist die Darstellung nicht einheitlich.
Gerade bei Datentransfer zwischen Programmen (LTSPICE, deutsches Excel) kann es zu Schwierigkeiten kommen, wenn Punkt und Komma unterschiedlich verwendet werden.

Lautsprecherweiche

	Sinuslive 3-Wege-Frequenzweiche CR345
Analyse von Netzen an Sinusquellen durch Berechnung eines komplexen Widerstandes und einer Übertragungsfunktion Analytische Gleichungen Verifikation von Ergebnissen mit SPICE numerische Berechnung

Hier ist der Frequenzgang einer 3-Wege-Frequenzweiche, die Frequenzweiche und ein Schaltbild dargestellt. Auf der x-Achse ist die Frequenz logarithmisch dargestellt. Auf der y-Achse ist das Verhältnis von Ausgangsspannung zu Eingangsspannung logarithmisch in dB (Dezibel) dargestellt (17 Übertragungsfunktion).
Die blaue Kurve zeigt wie Signale unterhalb von 700 Hz durch gelassen werden (Woofer). Die rote Kurve zeigt wie Signale zwischen 700 Hz und 4.5 kHz durch gelassen werden (Midrange). Die grüne Kurve zeigt wie Signale oberhalb von 4.5 kHz durch gelassen werden (Tweeter). Die Ausgänge Woofer, Midrange und Tweeter liefern für 3 verschiedene Lautsprecher Signale. Die Lautsprecher sind für verschiedene Frequenzbereiche optimiert.

Wechselgröße: Ton

Das Bild zeigt die zeitabhängige Spannung eines Musikstückes im Programm Audacity.
Dies ist ein Beispiel für die elektrische Nachrichtenübertragung.

Wechselgröße: Dynamo Taschenlampe

Das Bild zeigt eine Dynamo Taschenlampe. Durch den Hebel wird ein Zahnrad über ein Getriebe und dann ein Magnet bewegt, der in eine Spule eine Spannung induziert. Damit wird eine Batterie aufgeladen und eine LED (Light emitting diode) betrieben.
Dies ist typische elektrische Energietechnik.

Test 1

Geben Sie die charakteristischen Größen der folgenden Spannungsmessung an:

Spannungsmessung

Charakteristische Größen:
Wie kann man obiges Signal beschreiben?
Was ist in dem Bild dargestellt?
Diskutieren Sie mit ihrem Nachbarn.

Ergebnis Test 1 (18.03.2025)

26 Teilnehmer	Summe	ok	Falsch	Teil/Ansatz
Periode	25	20	5	0
Frequenz	23	10	10	3
Gleichanteil	15	12	2	1
Amplitude	23	19	4	0
Effektivwert	18	0	16	2

Rechnen mit Vorsatzzeichen in Brüchen ist schwierig
Gleichwert stimmt, aber die Integralrechnung fehlt
Effektivwert als Integralrechnung fehlt
Das Ergebnis soll eine Zahl mit geeignetem Vorsatzzeichen und Einheit sein.
Der Rechenweg soll ersichtlich sein.

26 Teilnehmer
Der Faktor

$\sqrt{2}$ trifft nur bei Sinusgrößen zu.

Charakteristische Größen

Minimum: -1V; Maximum: 5V
Periodizität
Der Verlauf wiederholt sich.
y(t+T)=y(t)

Periodendauer T [s]

T=50ms/8.5=6ms

Frequenz f [Hz]

$f = \frac{1}{T} = 170 Hz$

Amplitude $\hat{u}$

$\hat{u} = \frac{ u_{Max} - u_{Min}}{2}$
$\hat{u} = \frac{5 V - (-1 V)}{2} = 3 V$
Schwingungsbreite

$u_{PP} = u_{Max} - u_{Min}$

Das Signal nennt man eine periodische Schwingung.
Es kann Strom oder Spannung sein.
Der Maximalwert wird auch Scheitelwert genannt.
Die Schwingungsbreite nent man auch Spitze-Spitze-Wert (peak to peak value).

Praxisbezug: Oszilloskop

Aufnahme schneller periodischer Signale
Die Triggereinheit bewirkt dabei, dass die Kurven immer ab dem selben Zeitpunkt aufgenommen werden.
→ Oszilloskop

Periodische Schwingung

	Periodizität v(t) = v(t +kT) k= 0,±1, ±2, ±3
Signal v(t) kann Strom oder Spannung sein Periodendauer T[s] Frequenz f [Hz] = 1/T Maximalwert , Scheitelwert v_max = max(v_max, \|v_min\|)	Schwingungsbreite Spitze Spitze Wert (peak-to-peak value) v_pp = v_max - v_min

Fragen

Woran erkennt man, dass eine physikalische Größe zeitabhängig ist?
Wie ist die Periodendauer definiert?
Was versteht man unter dem Scheitelwert einer periodisch zeitabhängigen Größe?
Kann der Scheitelwert einer periodischen Größe aus der Schwingungsbreite berechnet werden ?
Wie lässt sich die Periodendauer einer Schwingung aus der Frequenz berechnen?

Wechselgrößen

Begriffe der Wechselgrößen

Periodizität, Periodendauer, Frequenz, Kreisfrequenz
Maximalwert, Amplitude, Gleichrichtwert, Effektivwert (Quadratischer Mittelwert)
Formfaktor, Scheitelfaktor

Test 2

Geben Sie die Charakteristischen Größen der folgenden Spannungsmessung an:

Electronic Explorer: TestWechsel.csv 200 kHz, Amplitude: 3.15 V, Offset 0V

Zusammenfassung und nächstes Mal

Anwendungen Wechselgrößen
Kenngrößen

02 Wechselgrößen

Fragen

Wer sitzt in der Vorlesung?
Haben Sie schon ein Lehrbuch gekauft?
Haben Sie eine eigene Schaltung gelötet?
Was für einen Taschenrechner verwenden Sie?
Haben Sie einen Laptop, PC oder Handy für die Vorlesung?
Schaltungssimulator PSPICE, LTSPICE
Wie sieht ihre Lernstrategie aus?
Wie sieht ihre Prüfungsvorbereitung und ihr Erfolg aus?

2025 GET 2 01 Einführung Prof. Dr. Joerg Vollrath

Grundlagen Elektrotechnik 2 (GET2)

01 Einführung, Wechselgrößen

Prof. Dr. Jörg Vollrath

Video der 19. Vorlesung 8.6.2021

Übersicht

Herzlich Willkommen!

Meine Person

Meine Arbeitsgebiete

Literatur

MOOC Circuits and Electronics

Modulübersicht

Grundlagen der Elektrotechnik 2

Ziele der Vorlesung

Sie können Netze an Sinusquellen entwerfen und analysieren

Vorbemerkung

Zahlendarstellung und Symboldarstellungen sind weltweit verschieden

Lautsprecherweiche

Wechselgröße: Ton

Wechselgröße: Dynamo Taschenlampe

Test 1

Spannungsmessung

Ergebnis Test 1 (18.03.2025)

Charakteristische Größen

Periodendauer T [s]

Frequenz f [Hz]

Amplitude $\hat{u}$

Schwingungsbreite

Praxisbezug: Oszilloskop

Periodische Schwingung

Periodizität

Scheitelwert

Schwingungsbreite

Fragen

Wechselgrößen

Begriffe der Wechselgrößen

Test 2

Zusammenfassung und nächstes Mal

Fragen

2025 GET 2 01 Einführung Prof. Dr. Joerg Vollrath

Grundlagen Elektrotechnik 2 (GET2)

01 Einführung, Wechselgrößen

Prof. Dr. Jörg Vollrath

Video der 19. Vorlesung 8.6.2021

Übersicht

Herzlich Willkommen!

Meine Person

Meine Arbeitsgebiete

Literatur

MOOC Circuits and Electronics

Modulübersicht

Grundlagen der Elektrotechnik 2

Ziele der Vorlesung

Sie können Netze an Sinusquellen entwerfen und analysieren

Vorbemerkung

Zahlendarstellung und Symboldarstellungen sind weltweit verschieden

Lautsprecherweiche

Wechselgröße: Ton

Wechselgröße: Dynamo Taschenlampe

Test 1

Spannungsmessung

Ergebnis Test 1 (18.03.2025)

Charakteristische Größen

Periodendauer T [s]

Frequenz f [Hz]

Amplitude \hat{u} \hat{u}

Schwingungsbreite

Praxisbezug: Oszilloskop

Periodische Schwingung

Periodizität

Scheitelwert

Schwingungsbreite

Fragen

Wechselgrößen

Begriffe der Wechselgrößen

Test 2

Zusammenfassung und nächstes Mal

Fragen

Amplitude $\hat{u}$