Hochschule Kempten      
Fakultät Elektrotechnik      
GET2       Fachgebiet Elektronik, Prof. Vollrath      

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, \( \hat{u} \), upp
3. Dynamo Taschenlampe am Electronic Explorer mit Übertragungsnetzwerk

Video der 19. Vorlesung 8.6.2021


Länge: 1:22:04
0:0:0 Evaluierung

0:0:0 Differenzverstärker

0:2:0 Eingangs und Ausgangswiderstand

Übersicht


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Meine Person

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

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



Details der Vorlesung GET 2
Übung GET 2

Ziele der Vorlesung


Sie können Netze an Sinusquellen entwerfen und analysieren


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

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 TeilnehmerSummeokFalschTeil/Ansatz
Periode252050
Frequenz2310103
Gleichanteil151221
Amplitude231940
Effektivwert180162
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


    vmax = max(vmax, |vmin|)

Schwingungsbreite

Spitze Spitze Wert (peak-to-peak value)
vpp = vmax - vmin

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Wechselgrößen

Begriffe der Wechselgrößen

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


02 Wechselgrößen


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