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
Beobachtung elektromagnetischer Phänomene, Modellierung,
Rechnung und Simulation, Systemaufbau, Messung
Systematik: Zerlegung, Grundprinzipien, Transfer
Wechselgrößen
Audiosignale, Generator, Kenngrößen
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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
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
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?
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
Di 10:00-11:30
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.
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
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 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