ELEKTRONIK 2 SCHALTUNGSTECHNIK L1-1/10 Prof. Dr.-Ing. Johann Siegl. L1 Einführung in die Schaltungstechnik. L1 Einführung in die Schaltungstechnik

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1 1 von :38 ELEKTRONIK 2 SCHALTUNGSTECHNIK L1-1/10 Kenntnisse der Analogen Schaltungstechnik sind notwendig für In der Einführung geht es darum deutlich zu machen, wofür Kenntnisse der "Frontend"-Funktionen bei der Informationsübertragung "Analogen Schaltungstechnik" benötigt werden. Für den Kurs wird eine Aufbereitung des Signals für den Transmitter (Sender), Regenerierung lokale Umgebung beim Anwender benötigt. Der Kursteilnehmer muss sich des Signals am Empfangsort. die dafür erforderlichen Werkzeuge und Datensätze zur Ausführung von Synchronisation autonomer Systeme Experimenten und Übungsbeispielen herunterladen. z.b. Synchronisation zwischen Sender und Empfänger. Sensorelektronik L1.1 Warum brauchen wir die Analoge Schaltungstechnik? Aufbereitung von Sensorsignalen; Sensoren sind Messfühler für Die analoge Schaltungstechnik ist trotz der fortschreitenden Digitalisierung physikalische Größen. ein wichtiger Bestandteil der Elektroniksystem-entwicklung. Die Physik und Leistungselektronik allgemein die Natur gibt uns analoge Zustandsgrößen in Form von Ansteuerung von Leistungsfunktionen; Leistungsfunktionen sind u.a. Temperatur, Kraft, Druck, Feuchte, Dichte, Weg, Beschleunigung u.a. vor. Motoren, Stellglieder, Lautsprecher. Entwurf neuer Schaltkreiszellen Bei der Informationsübertragung über eine Funkstrecke oder eine längere für die Integration von Schaltkreisen auf Silicium. leitungsgebundene Übertragungsstrecke ist am Empfangsort das Störungsanalyse von Elektroniksystemen ankommende Signal sehr schwach und verrauscht. Die analoge Abblockmaßnahmen, Koppelmechanismen, parasitäre Einflüsse, Schaltungstechnik hilft schwache verrauschte Signale oder analoge Einführung von I/O-Modellen für die Analyse von Reflexions- und Sensorsignale aufzubereiten, um sie dann der digitalen Welt zuführen zu Übersprechstörungen. können.

2 2 von :38 L1.1 Warum brauchen wir die Analoge Schaltungstechnik? ELEKTRONIK 2 SCHALTUNGSTECHNIK L1-2/10 In digitalen Systemen ist bei zunehmender Signalverarbeitungsgeschwindigeit ein analoges Grundverständnis und eine analoge Sicht für die Übertragungswege und Kopplungswege erforderlich. Bild L1-1 verdeutlicht dies am Beispiel eines Signaltreibers. Bei höheren Signalverarbeitungsgeschwindigkeiten sind den Signalleitungen, den Versorgungsleitungen und der Groundplane elektrische Eigenschaften zuzuordnen, die sich beim Schalten eines Transistors auswirken. Als Folge davon können sich Störungen auf Signalleitungen, Versorgungsleitungen und Groundplanes ergeben, die möglicherweise das Verhalten des Systems beeinträchtigen. Signaltreiber CMOS-Inverter Störspannung Bild L1-1: Digitalsignal und analoge Sicht eines Digitalsignals Reflexionsstörungen

3 3 von :38 L1.1 Warum brauchen wir die Analoge Schaltungstechnik? ELEKTRONIK 2 SCHALTUNGSTECHNIK L1-3/10 Ein praktisches Beispiel aus dem Bereich Sensorelektronik zeigt einen analogen induktiven Abstandssensor (Bild L1-2). Die Induktivität ist Teil eines Parallelresonanzkreises. Die Eigenschaften des Parallelresonanzkreises werden bei Annäherung eines metallischen Gegenstandes verändert. Das magnetische Feld des Resonanzkreises erzeugt im angenäherten metallischen Gegenstand einen Wirbelstrom, der Wirbelstromverluste verursacht, die sich wiederum u.a. als Bedämpfung des Resonanzkreises bemerkbar machen. Mittels einer geeigneten Sensorschaltung kann ein Sensorsignal erzeugt werden, das im Idealfall proportional zur Entfernung des metallischen Gegenstandes ist. Derartige Sensoren werden in anderer Ausprägung u.a. auch als Drehratensensor in Anti-Blockier-Systemen (ABS-Systeme in Kraftfahrzeugen) eingesetzt. Bild L1-3: Induktiver Abstandssensor Bildquelle: Firma Leoni AG, Nürnberg Bild L1-2: Prinzip eines Sensorsystems Drehratensensor Abstandssensor

4 4 von :38 L1.1 Warum brauchen wir die Analoge Schaltungstechnik? ELEKTRONIK 2 SCHALTUNGSTECHNIK L1-4/10 Bild L1-4: Artikel der Fachzeitschrift "Elektronik", , S. 54ff Onlineversion: elektroniknet: Die Renaissance der Analog-Technik Bild L1-5: Artikel in "Der Spiegel", Ausgabe 17/2004, S. 190

5 5 von :38 L1.1 Warum brauchen wir die Analoge Schaltungstechnik? ELEKTRONIK 2 SCHALTUNGSTECHNIK L1-5/10 Bild L1-6: Artikel in "Markt & Technik", Ausgabe 20/2005, S. 63

6 6 von :38 L1.2 Grundbegriffe ELEKTRONIK 2 SCHALTUNGSTECHNIK L1-6/10 L1.2 Grundbegriffe Aus den Grundlagen der Elektrotechnik bekannt sind Spannungen und Ströme und deren Darstellungen im Zeitbereich und Frequenzbereich. Es sollen hier kurz die wichtigsten Grundbegriffe zusammengefasst werden. Spannungen und Ströme im Zeitbereich: Eine sinusförmige Wechselspannung mit einem Gleichspannungsanteil wird folgendermaßen dargestellt: Parameter Beschreibung zeitlicher Momentanwert der Spannung Gleichspannungsanteil Wechselspannungsamplitude Frequenz Phasenwinkel "Delaytime" des ersten Nulldurchgangs Bild L1-7: Zeitlicher Momentanwert einer sinusförmigen Spannung mit DC-Anteil

7 7 von :38 L1.2 Grundbegriffe ELEKTRONIK 2 SCHALTUNGSTECHNIK L1-7/10 Komplexe Darstellung von Spannungen und Strömen: Mit lässt sich der zeitliche Momentanwert einer sinusförmigen Spannung durch die Projektion eines rotierenden komplexen Zeigers auf die Imaginärachse darstellen. Zum praktischen Rechnen wird in der Regel nur die komplexe Amplitude benötigt. Komplexe Zeiger lassen sich wie Vektoren behandeln. Zwei komplexe Amplituden gleicher Frequenz ergeben die komplexe Summe im Zeigerdiagramm. Bild L1-8: Komplexer rotierender Zeiger mit der Abbildung auf die Imaginärachse Ein wesentlicher Vorteil der komplexen Darstellung von Spannungen und Strömen ist, dass deren zeitliche Ableitung durch die Multiplikation von j & ω vereinfacht wird.

8 8 von :38 L1.2 Grundbegriffe ELEKTRONIK 2 SCHALTUNGSTECHNIK L1-8/10 Überlagerungssatz: Bei linearen oder linearisierten Schaltungen mit mehreren unabhängigen Signalquellen kann der Überlagerungssatz unabhängiger Quellen angewandt werden. Im Folgenden werden die beiden Teillösungen ermittelt: a) Im Beispiel ist eine Schaltung mit zwei unabhängigen Signalquellen und einer spannungsgesteuerten Quelle gegeben. Da es sich um eine lineare b) Schaltung handelt, kann der Überlagerungssatz verwendet werden. Zunächst wird die Signalquelle U 3 ausgeschaltet und die Wirkung von U1 auf den Ausgang betrachtet, sodann wird die Wirkung von U 3 bei Durch Überlagerung der beiden Teillösungen erhält man die Gesamtlösung: ausgeschalteter Signalquelle U 1 ermittelt. Bild L1-9: Schaltung mit Signalquellen repräsentiert durch gegebene komplexe Zeiger

9 9 von :38 L1.2 Grundbegriffe ELEKTRONIK 2 SCHALTUNGSTECHNIK L1-9/10 Knotenspannungen, Zweigströme und Zweigimpedanzen: Knotenspannungen sind Spannungen von einem Netzknoten zum Bezugspotenzial (in PSpice: Knoten 0 identisch mit Ground). Unter einem Zweigstrom versteht man den Strom durch einen Stromzweig von Knoten x nach Knoten y. Im nebenstehenden Beispiel ist der Strom I 1 der Zweigstrom im Stromzweig von Knoten 1 nach Knoten 4; U 1 ist die Knotenspannung an Knoten 1. Es soll nunmehr die Zweigimpedanz Z x in der gegebenen Schaltung bestimmt werden. Die Zweigimpedanz bestimmt sich im konkreten Beispiel aus der Knotenspannung U i und dem Zweigstrom durch R 2, sie stellt eine virtuelle Impedanz gegen das Bezugspotenzial dar. Z x = U i / ( 1001 U i / R 2 ) = R 2 / 1001 ; Für die virtuelle Zweigimpedanz Z x ergibt sich im betrachteten Beispiel ein Wert von ca. 10Ω. Der Zweigstrom I 1 fließt also bei genügend hochohmigem R i nach R 2. Bild L1-10: Ermittlung einer Zweigimpedanz in einem Schaltkreis Beispiel zur Veranschaulichung der Begriffe Knotenspannung Zweigstrom Zweigimpedanz

10 10 von :38 L1.3 Aufgaben ELEKTRONIK 2 SCHALTUNGSTECHNIK L1-10/10 L1.3 Aufgaben Aufgaben Status, Versuche A1: Bestimmung des Nulldurchgangs eines Sinussignals 0 A2: Bestimmung der Phasendrehung 0 A3: Bestimmung der Zweigimpedanz 0 A4: Wirkung der Zweigimpedanz 0 A5: Bestimmung des Eingangswiderstands 0 0 richtig und 0 falsch von 0 bearbeiteten, insgesamt 0 Versuche. Aufgabe A1: Ein sinusförmiges Signal mit der Amplitude von 1 V und der Frequenz von 1 khz weist einen Phasenwinkel von 45 Grad auf. Nach welcher Zeit ab t = 0 liegt der erste Nulldurchgang vor? Antwort: µs