Sysops haften für ihre User ;-)
Stromversorgung | |
| Zusammenstellung und HTML-Bearbeitung: | Horst Lehner |
1. Grundlagen der Elektronik
1.1 Diskrete Halbleiter
1.1.1 Transistor-Grundschaltungen
Hier fehlen noch Erläuterungen mit Dimensionierungshinweisen ???
Emitter-Schaltung:
+----------------o--------------------o +Ub
| |
| |
+---+ +---+
| | | |
| | | | RC
| | | |
+---+ +---+
| |
| | ||
| +-----||-------------o
| | ||
| /
|| | B |/ C
o---||---o-------------|
|| | |\ E
| V
| |
| |
+---+ +---+
| | | |
| | | | RE
| | | |
+---+ +---+
| |
| |
o--------o---------------o--------------------o
Dimensionierungshinweise für Kleinsignalverstärker:
Uce = ca. (Ub-Uea)/2 = ca. 0,4*Ub Index a = im Arbeitspunkt
Ub=Betriebsspannung
Re = ca. Uea * Ica = 0,2 * Ub * Ica
Ib2 = (3..5) * Iba Querstrom durch den Basisspannungsteiler
Cb >= 10/(On*Zet) On=2*pi*f Zet=Betrag d. TS-Eingangs-R
Ce = ca. h21/(On*Zet) h21=Stromverstärkungsfaktor
Cc >= 10/(On*Zl) Zl=Lastwiderstand
Vu = ca. (ß*Rlges)/h11 Vu=Spannungsverst. d. Stufe
Rlges=Gesamtausgangs-R (Rc||Zl)
h11=TS-Eingangs-R
Dimensionierungshinweise für Großsignalverstärker:
Uea = ca. 0,2Ub
Ucea = ca. 0,5(Ub-Uea)
Ic = ca. (Ub-Uce)/(Rl+Re) Gleichstrom-Lastgerade
Ic = ca. (Ub-Uea-Uce)/Rl Wechselstrom-Gerade
Gegenkopplung mittels Emitter-Widerstand:
Re = ca. h21*RE RE = Emitter-R
h21*RE
Ra = ca. ---------
h22*h11
RC
v'u = ca. - ----
RE
v'i = v'
Gegenkopplung mit Kollektor-Basis-Widerstand anstelle von RE:
+--------------------o +Ub
|
|
+---+
| |
RA | |
| |
+---+
R1 |
+-------+ | ||
+--| |----o-----||-------------o
| +-------+ | ||
| /
|| | B |/ C
o---||---o-------------|
|| |\ E
V
|
|
|
|
|
|
|
|
|
o------------------------o--------------------o
1
Re = ca. h11 * --------
RA
1+h21---
R1
R1
Ra = ca. ----
h21
v'u = vu
R1
v'i = ca. ----
RA
Kollektor-Schaltung (Spannungsfolger, Impedanzwandler)
+----------------o--------------------o +Ub
| |
| |
+---+ |
| | |
| | |
| | |
+---+ |
| |
| /
|| | B |/ C
o---||---o-------------|
|| | |\ E
| V
| | ||
| o-----||-------------o
| | ||
| |
+---+ +---+
| | | |
| | | |
| | | |
+---+ +---+
| |
| |
o--------o---------------o--------------------o
Ueca = ca. -0,5Ub Re = ca. Ub/(2*Ica)
Cb >= 2/(On*Zet) Ce = ca. 2/(On*Zl)
Zur Bedeutung der Formelzeichen siehe Emitterschaltung.
Basis-Schaltung
+----------------o----------------o +Ub
| |
| |
+---+ +---+
| | | |
| | | |
| | | |
+---+ +---+
| |
| |
|| | | ||
o---||--o-------------+ +----o-----||---------o
|| | | /\ / ||
| | E \ / C
| | -------
| | | B
| | |
| o--------o
| | |
+---+ +---+ |
| | | | |
| | | | -------
| | | | -------
+---+ +---+ |
| | |
| | |
o-------o-------o--------o------------------------o
Uce = ca. (Ub-Ica*Re)/2 = ca. 0,4Ub Re = ca. 0,2Ub/Ica
Zur Bedeutung der Formelzeichen und zur Dimensionierung der
Kondensatoren siehe Emitterschaltung
Zusammenfassung der Eigenschaften und Anwendungen
Schaltung Emitter- Basis- Kollektor-
Eingangs-
widerstand 500..2k 30..1k 3k..1M
Ausgangs-
widerstand 20..100k 100k..1M 30..1k
Spannungs-
verstärkung max. 10E4 max. 10E4 <1
Strom-
verstärkung max. 10E6 <1 max. 10E2
Leistungs-
verstärkung max. 10E6 max. 10E4 max. 10e2
Phasenwinkel
der U-Verst. 180 Grad 0 Grad 0 Grad
bei reellem
Arbeitswid.
Bevorzugte bei mehrstuf. bei rückwirkungs- als Impedanz-
Anwendung Verstärkern mit freien Verstärkern wandler zur an-
großem Verstär- in UKW-Eingangs- passung hoch-
kungsgrad stufen; bei Ver- ohmiger Quellen
stärkern mit einer an niederohmige
sehr hohen oberen Verbraucher
Grenzfrequenz
Differenzverstärker
Eine der wichtigsten Schaltungen, insbesondere für die noch folgenden
Operationsverstärker (OPV), ist der Differenzverstärker.
+-------------+---------------------------+
| | |
+-+ +-+ |
| | | | |
Rc | | | | Rc |
+-+ +-+ |
| A1 A2 | |
o---o ---> o--o |
| Ua | |
Ic1 V | | V Ic2 |
| | | | |
-->In |/ | | \| <--Ip | +
----------| Ua1| |Ua2 |-----------+ (=) Ub1
| |\ | | /| | | -
+-+ | V | | V | +-+ |
Rq | | | | | | | | | | Rq |
| | |Un | | | | |Up | | |
+-+ | | | | | | +-+ |
| | | | | | | | |
Uq (=) V | V V | V (=) Uq |
| | | | |
+----o------|-------------|-------------o-------------+
| | | |
| | | |
----- +------o------+ |
| |
| | | +
(=) |Ue (=) Ub2
| | | -
Iq>0 V V |
| |
+----------------------------------+
Gegenüber anderen Verstärkern zeichnet sich der Differenzverstärker
besonders durch seine Stabilität gegenüber Änderungen der Temperatur
und der Betriebsspannungen aus. Damit verbunden ist eine geringe Drift
der Ausgangsspannung (Ausgangsdrift).
Diejenige Differenzspannung Ud=Up-Un bei der Ua=0 wird, heißt Offset-
spannung.
Die Eingangsstromdifferenz Ip-In heißt Offsetstrom.
Der Eingangsruhestrom ist der arithmetische Mittelwert der Eingansströme.
_______________________________________________________________________________
1.1.2 Berechnung von Verstärkerstufen durch Ersatzschaltungen
Bei der Berechnung einer z.B. Emitterstufe geht man davon aus, daß der
Innenwiderstand der Betriebspannungsquelle null ist. Damit läßt sich die
Betriebsspannung wechselspannungsmäßig mit Masse verbinden und die
Schaltung ganz einfach berechnen.
+-------o--------+
R1 R2 / | |
|/ | |
+--------o-------o--------| | |
Rq | | | |\ +-+ +-+
+-+ +-+ +-+ V | | | |
| | | | | | | | | | |
| | | | | | | +-+ +-+
+-+ +-+ +-+ | | | Ra
| | | | Rk | |
(q) | | | | |
| | | | | |
+--------o-------o----------o--------o--------+
(q) soll eine Wechselspannungsquelle darstellen.
R1 und R2 sind normalerweise die Widerstände des Spannungsteilers.
Der Kollektorwiderstand Rk ergibt parallel zu Ra den Lastwiderstand.
Mit einer der verbreitetsten Transistorersatzschaltungen ergibt sich
damit folgendes:
+--------o--------o-------+
R1 R2 | | | | Ua
Ie-> | h21*Ie | | Rk | |
+--------o-------o------+ | | | | V
Rq | | | |h11 | +-+ +-+ +-+
+-+ +-+ +-+ +-+ | | | | | | |
| | | | | | | | | | | | | | |
| | | | | | | | (q) +-+ +-+ +-+
+-+ +-+ +-+ +-+ | | 1 | | Ra
| | | | | | --- | |
(q) | | (q) | | h22 | |
Uq | | | | | | | |
+--------o-------o------+ +--------o--------o-------+
h12*Ua
h11 (lies: h-eins-eins) ist der Eingangswiderstand des Transistors,
h12*Ua ist die Spannungsrückwirkung,
h21*Ie ist der verstärkte Eingangsstrom,
h22 ist der Ausgangsleitwert;
Es gibt noch verschiedene andere Ersatzschaltungen mit anderen
Parametersätzen. Hier nun eine Umrechnungstabelle:
------------------------------------------------------------------------
| z | y | h | a |
------------------------------------------------------------------------
| | | | |
| | y22 -y12 | Dh h12 | a11 Da |
| z11 z12 | --- ---- | --- --- | --- --- |
| | Dy Dy | h22 h22 | a21 a21 |
z | | | | |
| | -y21 y11 | -h21 1 | 1 a22 |
| z21 z22 | ---- --- | ---- --- | --- --- |
| | Dy Dy | h22 h22 | a21 a21 |
| | | | |
------------------------------------------------------------------------
| | | | |
| z22 -z12 | | 1 -h12 | a22 -Da |
| --- ---- | y11 y12 | --- ---- | --- --- |
| Dz Dz | | h11 h11 | a12 a12 |
y | | | | |
| -z21 -z11 | | h21 Dh | -1 a11 |
| --- ---- | y21 y22 | --- --- | --- --- |
| Dz Dz | | h11 h11 | a12 a12 |
| | | | |
------------------------------------------------------------------------
| | | | |
| Dz z12 | 1 -y12 | | a12 Da |
| --- --- | --- ---- | h11 h12 | --- --- |
| z22 z22 | y11 y11 | | a22 a22 |
h | | | | |
| -z21 1 | y21 Dy | | -1 a21 |
| ---- --- | --- --- | h21 h22 | --- --- |
| z22 z22 | y11 y11 | | a22 a22 |
| | | | |
------------------------------------------------------------------------
| | | | |
| z11 Dz | -y22 -1 | -Dh -h11 | |
| --- --- | ---- --- | --- ---- | a11 a12 |
| z21 z21 | y21 y21 | h21 h21 | |
a | | | | |
| 1 z22 | -Dy -y11 | -h22 -1 | |
| --- --- | --- --- | ---- --- | a21 a22 |
| z21 z21 | y21 y21 | h21 h21 | |
| | | | |
------------------------------------------------------------------------
Dx = x11*x22 - x12*x21
Umrechnung der Parameter von einer Grundschaltung in die andere:
Dazu benutzt man zweckmäßigerweise nicht die oben verwendeten h-Parameter,
sondern y-Parameter. Mehrere der y-Parameter kehren in zwei Grundschaltungen
wieder, so daß für die 3 Gundschaltungen nicht 12 sondern nur 9 Parameter
erforderlich sind.
+---+---+---+ +---+---+---+ +---+---+---+
| B | E | K | | B | E | K | | B | E | K |
+---+---+---+---+ +---+---+---+---+ +---+---+---+---+
| B |y21|///|y21| | B |///|///|///| | B |y11|y12|///|
+---+---+---+---+ +---+---+---+---+ +---+---+---+---+
| E |///|///|///| | E |///|y11|y12| | E |y21|y22|///|
+---+---+---+---+ +---+---+---+---+ +---+---+---+---+
| K |y21|///|y22| | K |///|y21|y22| | K |///|///|///|
+---+---+---+---+ +---+---+---+---+ +---+---+---+---+
---- ---- ---- A
|/ A / |/
o---| \ / -----|
|\ ----- |\
V | \
| | |
| | |
Eimitter-Sch. Basis-Sch. Kollektor-Sch.
Sind in irgendeiner Grundschaltung die Parameter in irgendeinem Bezeichnungs-
system für den Transistor bekannt, dann werden sie zunächst nach o.a. Tabelle
in die y-Parameter für diese Grundschaltung umgewandelt. Mit den y-Parametern
füllt man die entsprechenden Quadrate für die Grundschaltung aus und läßt die
gestrichelten Felder frei. Danach werden die gestrichelten Felder so berechnet,
daß die Summe jeder Zeile und Spalte Null ergibt. zuletzt streicht man die
Zeile und die Spalte der Elektrode, die dem Eingangs- und Ausgangskreis
gemeinsam sind. Die verbleibenden Felder bilden die Matrix der y-Parameter
der neuen Grundschaltung.
Wichtige Begriffe:
Grenzfrequenz = Fgr ist die Frequenz, bei der |h21| = 0,707*h21 ist;
Transitfrequenz = |h21|*f=h21*Fgr;
Temperaturduchgriff = Dt =ca -2mV/grd bei npn;
Dt =ca 2mV/grd bei pnp;
delta Ube
Dt = ---------
delta Qj Qj = Sperrschichttemp.
_______________________________________________________________________________
1.1.3 Gegentaktverstärker
Hier fehlen noch jede Menge Dimensionierungshinweise???
Parallel-Gegentaktendstufen für symmetrische Betriebsspannung:
------0-------
/ |
|/ +-+ \
+----| | | |
| |\ | | |
| V +-+ |
| | Ub | |
| | | | | |
o---0 |---0--# |--o \ Ra
| | | | | /
| | | |
| / +-+ |
| |/ | | |
+----| | | |
|\ +-+ /
V |
-------0-------
o---+
|
|
-------
komplementär:
------0-------
/ |
|/ +-+ \
o------| | | |
|\ | | |
V +-+ |
| Ub | |
| | | | |
|---0--# |--o \ Ra
| | | | /
| | |
^ +-+ |
|/ | | |
o-----| | | |
|\ +-+ /
\ |
-------0-------
o---+
|
|
-------
Serien-Gegentaktendstufen für symmetrische Betriebsspannung:
--------------0-------
/ |
|/ -----
o------| ###
|\ |
V Ra |
| |
| +----+ |
o--o-| |-----o
| | +----+ |
| | |
/ | |
|/ | |
o-----| | -----
|\ | ###
V | |
--|------------0-------
|
+--------0
o---+ +--------0
| |
| |
--------------
komplementär:
--------------0-------
/ |
|/ -----
+----| ###
| |\ |
| V Ra |
| | |
| | +----+ |
o---o o--o-| |-----o
| | | +----+ |
| | | |
| ^ | |
| |/ | |
+----| | -----
|\ | ###
\ | |
--|------------0-------
|
+--------0
o---+ +--------0
| |
| |
--------------
Prinzip des serien-Gegentaktverstärkers mit einer Betriebsspannung:
+-------------------+
| |
|/ |
o-----| Ub |
|\ -- -----
U1 V 2 ###
| # | |
o-------o-----# |---+ |
| # | | |
|/ +-+ |
o-----| | | |
|\ | | Ra |
U2 V +-+ |
| | |
o-------o-----------o-------+
Phasenumkerstufe zur Ansteuerung von Gegentaktendstufen:
+---------------o--------------------o +Ub
| |
| |
| +---+
| | |
+---+ Ra | |
| | -- | |
| | 2 +---+
| | |
| | | ||
+---+ o-----||-------------o U1
| | ||
| /
|| | B |/ C
o---||---o-------------|
|| | |\ E
| V ||
| o-----||-------------o U2
+---+ | ||
| | +---+
| | Ra | |
| | -- | |
| | 2 | |
+---+ | |
| +---+
| |
o--------o---------------o--------------------o
Klasseneinteilung
Ic | | | |
| / | / | / | /
| / | / | / | /
| * A | / | / | /
| / | / | / | /
| / |B / | * AB |C /
+===----- *===----- +===----- -*=====----
Ube
Man unterscheidet die Endverstärker an der Lage des Arbeitspunktes und
definiert die Betriebsarten A, AB, B, C.
Beim _A-Betrieb_ wird symetrisch um den arbeitspunkt ausgesteuert, der
etwa auf der Mitte des linearen Teiles der Steuerkennlinien liegt.
Der A-Betrieb ist notwendig bei Eintaktendstufen.
Beim _B-Betrieb_ liegt der Arbeitspunkt bei sehr kleinem Ausgangsruhe-
strom, so daß die Kollektorspannung im Arbeitspunkt etwa gleich der
Betriebsspannung ist.
Beim _AB-Betrieb_ wird, abhängig von der jeweiligen Größe des Eingangs-
signals, der Arbeitspunkt zwischen A- und B-Betrieb verschoben. Damit
werden die Eigenschaften eines A- mit denen eines B-Verstärkers ver-
einigt.
Beim _C-Betrieb_ liegt der Arbeitspunkt so weit im Sperrbereich des
Verstärkerbauelements, daß nur solange ein Strom fließt, wie die Ein-
gangswechselgröße über den Kennlinienfußpunkt hinausschwingt. Es ent-
stehen also nur kurze Stromspitzen mit längeren stromlosen Pausen.
C-Betrieb ist auf Resonanzverstärkung beschränkt und findet Anwendung
im Senderverstärker, in Wandlerschaltungen (z.B. Zeilenendstufe im
Fernseher) sowie in der Digitaltechnik.
1.1.4 Darlingtons
sind Doppeltransistoren, die eine sehr viel höhere Stromverstärkung
aufweisen, als dies bei Einzeltransistoren möglich wäre. Dies wird
jedoch mit höheren Schwell- bzw. Sättigungsspannungen erkauft.
Standard-Darlington:
+---------O C
|/ |
B O---| | B = Ic/Ib = ca. B1*B2
|\ |
V | B1,B2 = Stromverstärkungen der TS
| |/
+-------| Ube = ca. 1.4 V
|\
V Ucemin = ca. 0.2 V
|
O E
Komplementär-Darlington:
O
| B = Ic/Ib = ca. B1*B2
V
|/ B1,B2 = Stromverstärkungen der TS
+-------|
|/ |\ Ube = ca. 0.7 V
B O---| |
|\ | Ucemin = ca. 0.9 V
V |
| |
+---------O E
1.1.5 Thyristoren und Triacs
Der Thyristor ist ein steuerbarer Siliziumgleichrichter. er weist zunächst
in beiden Richtungen Sperrverhalten auf, läßt sich aber in Vorwärts-
richtung mit einem Steuerimpuls -über den Steueranschluß- in den leitenden
Zustand schalten. [..] Bei Thyristoren [..] fließt der Strom im gezündeten
Zustand von der Anode "A" zur Kathode "K". Zur Zündung eines Thyristors
muß die Steuerspannung so angelegt werden, daß der positive Pol am
Gitteranschluß "G" und der negative Pol an der Kathode "K" liegt.
|\ |
"A" O---| >|-----O "K"
|/ |\
|
O "G"
Es gibt auch Thyristoren, die mit negativen Spannungen angesteuert werden,
da sitzt das Gate auf der anderen Seite beim "A" (in der Leistungselonik
selten verwendet).
Triacs können in beide Richtungen leiten, wenn sie durch einen entsprech-
enden Steuerimpuls eingeschaltet werden:
|<|
"A1" O---| |-----O "A2"
|>|\
|
O "G"
Thyristoren wie Triacs haben die Eigenschaft, nach der Zündung einge-
schaltet zu bleiben, solange der Haltestrom nicht unterschritten wird.
Das bedeutet bei Gleichspannungsbetrieb, daß man sie nicht ohne weiteres
wieder ausschalten kann. Bei Betrieb an Wechselspannung schalten sie bei
jedem (Strom-) Nulldurchgang (bei ohmscher Last [ohne Phasenverschiebun-
gen] ist das auch der Spannungsnulldurchgang), automatisch wieder ab.
Einige Anwendungen für Triacs finden sich im Abschnitt "Dimmer".
_______________________________________________________________________________
1.2 Operationsverstärker-Schaltungen
Zu diesem Thema gibt es einen Elektor-Kurs oder auch das Buch "Horowitz/Hill:
The Art of Electronic" (siehe "Literaturhinweise").
1.2.1 Grundschaltungen
Spannungsfolger (Impedanzwandler)
+-----------------+
| |
| |\ |
| | \ |
+----| - \ |
| \ |
| >---o----o Ua = Ue
| /
Ue o------------------| + /
| /
|/
Invertierender Verstärker
+-----+
+-----| R1 |-----+
| +-----+ |
| |
| |\ |
+-----+ | | \ |
Ue o----| R2 |--o----| - \ |
+-----+ | \ |
| >---o----o Ua = -Ue * (R1/R2)
| /
+----| + /
| | /
| |/
+---+
| R |
| 3 |
| |
+---+
|
|
===== GND
Nichtinvertierender Verstärker (Achtung: OP gedreht)
|\
+-----+ | \
Ue o----| R1 |-------| + \
+-----+ | \
| >---o----o Ua = Ue * (1 + (R2/R1))
| / |
+----| - / |
| | / |
| |/ |
| +-----+ |
o------| R2 |----+
| +-----+
+---+
| R |
| 1 |
| |
+---+
|
|
===== GND
1.2.2 Analogrechenschaltungen
Aktiver Umkehr-Addierer (Mischverstärker)
.
.
.
R2 | R0
+----+ | +----+
Ue2 o----| |----o-------| |-----+
+----+ | +----+ |
| |
| |
R1 | |\ |
+----+ | | \ |
Ue1 o----| |----o----| - \ |
+----+ | \ | R0 R0
| >----o----o - -- * Ue1 - -- * Ue2 + ...
| / R1 R2
+----| + /
| | /
GND === |/
Subtrahierverstärker
+-----+
+-----| R1 |-----+
| +-----+ |
| |
| |\ |
+-----+ | | \ |
Ue1 o----| R2 |--o----| - \ |
+-----+ | \ | R3 R1
| >---o----o Ua = Ue2 * ----- - Ue1 * --
+-----+ | / R3+R4 R2
Ue2 o----| R4 |--o----| + /
+-----+ | | /
| |/
|
+---+
| R |
| 3 |
| |
+---+
|
|
===== GND
Addier - Subtrahier - Verstärker
+-----+
+-----| R1 |-----+
| +-----+ |
+-----+ | |
Ue11 o----| R21 |--o |
+-----+ | |
| |
+-----+ | |
Ue12 o----| R22 |--o |
+-----+ | |
| |\ |
+-----+ | | \ |
Ue13 o----| R23 |--o----| - \ |
+-----+ | \ | n R4g
| >---o----o Ua = ∑ ( Ue2i * ------- )
+-----+ | / i=1 R4g+R4i
Ue21 o----| R41 |--o----| + /
+-----+ | | / m R2g R1
| |/ - ∑ ( Ue1i * ------- * --- )
+-----+ | i=1 R2i+R2g R2p
Ue22 o----| R42 |--o
+-----+ |
| ∑ = Summensymbol
+-----+ |
Ue23 o----| R43 |--o R4g = Parallelschaltung von R3 und
+-----+ | allen R4x außer R4i (R4/(n-1))
|
| R2g = Parallelschaltung aller R2x
+---+ außer R2i (R2/(m-1))
| R |
| 3 | R2p = Parallelschaltung aller R2x
| | inklusive R2i (R2/m)
+---+
| Um solche Schaltungen von der Berechnung
| her handhabbar zu machen, sollten alle
===== GND R4x den gemeinsamen Wert R4, alle R2x den
gemeinsamen Wert R2 haben. Dann gelten
die oben in Klammern gesetzte Vereinfa-
chungen. Unterschiedliche Gewichtungsfak-
toren lassen sich dann durch weitere vor-
geschaltete OpAmps erreichen.
1.2.3 Integrator und Differenzierer
Aktiver Umkehr-Integrator
C
| |
+-------| |-------+
| | | |
| |
| |
| |\ |
+----+ | | \ |
Ue o----| R1 |----o----| - \ |
+----+ | \ | 1
| >---o----o - ---- * ∫ Ue t dt
| / R1*C
+----| + /
| | / R2 dient zur Kompensation des Eingangs-
+-+ |/ ruhestromes des OpAmps. Was immer noch
|R| als Fehlerquelle übrigbleibt, ist der
|2| Eingangsoffsetstrom , also die Diffe-
+-+ renz der beiden Eingangsströme.
|
===
Aktiver Umkehr-Differenzierer
R
+----+
+------| |-----+
| +----+ |
| |
| |
C | |\ |
| | | | \ |
Ue o-------| |----o----| - \ |
| | | \ | dUe
| >---o----o - RC * ---
| / dt
+----| + /
| | /
GND === |/
_______________________________________________________________________________
1.2.4 Komparatoren
Komparator mit Hysterese nicht invertierend (Achtung: OP gedreht)
+-----+
+-----| R2 |-----+
| +-----+ |
| |
| |\ |
+-----+ | | \ |
Ue o----| R1 |--o----| + \ |
+-----+ | \ |
| >---o----o Breite der Hysterese:
| /
+----| - / R1
| | / UH = (Uamax - Uamin) * --
| |/ R2
+---+
| R |
| 3 |
| |
+---+
|
|
======= GND
Komparator ohne Hysterese invertierend
|\
+-----+ | \
Ue1 o----| R1 |-------| - \
+-----+ | \ R3
| >--------o Ua = sgn ( ----- * Ue2 - Ue1 )
+-----+ | / R2+R3
Ue2 o----| R2 |--o----| + /
+-----+ | | /
| |/
+---+
| R |
| 3 |
| |
+---+
|
|
======= GND
1.2.5 Oszillatoren
Astabiler Multivibrator
+-----+
+-----| R1 |-----+
| +-----+ |
| |
| |\ |
| | \ |
+----------o----| - \ |
| | \ |
| | >---o----o Ua
| | / |
| C1 +----| + / |
------- | | / |
------- | |/ |
| | +-----+ |
| o------| R2 |----+
| | +-----+
| +---+
| | R |
| | 3 |
| | |
| +---+
| |
| |
======= ======= GND
Schwingungsdauer:
2 * R2
T = 2 * R1 * C1 * ln(1 + ------- )
R3
Für R2 = R3 gilt
T = 2 * R * C * ln3 = 2,2 * R * C
Dreieck/Rechteckgenerator
+-------------------------------------------------+
| |
| +---+
| || | |
o-------||-----------------------+ | \
| || | | | \
| | +---+ \
| |\ | | |
| | \ | | |
+---| - \ | |\ o-----+
| \ +-------+ | | \ |
| >---o---| |---o---| - \ |
| / | +-------+ | \ | _ _
+---| + / | | >---o----------o | |_| |_|
| | / | | / |
| |/ | +---| + / |
| | | | / +---+
| | | |/ | |
| o /\/\/\/\/ | | |
| | | |
===== | +---+
| |
| |
+----------------o
|
|
+---+
| |
| |
| |
+---+
|
|
|
=====
1.2.6 Spezielle Anwendungen
Gyrator
+-------o-------+ +-------o-------+
| | | | | |
+-+ /\ +-+ +-+ /\ +-+
Rr | | / \ | | Rr Rr | | / \ | | Rr
| | / \ | | | | / \ | |
+-+ /+ - \ +-+ +-+ /+ - \ +-+
| ---------- | | ---------- |
| | | | +------+ | | | |
+--o---o----+ +------o----| Rr |----o----+ +------o
| | +------+ | |
+-+ Zq | +---------------|------o---+
| | | | |
| | +-+ +-+ +-+
+-+ | | Rr Rr | | Zl | |
| Uq | | | | | |
(~) +-+ +-+ +-+
| | | |
+--o---o------------------------------------------------o-------o--+
Ze = Ue/Ie = ca. Rr^2/Rl Eingangswiderstand
bei Zl = -j/Í*Cl ist der Eingangs-R induktiv:
Le = Ze/jÍ Rr^2*Cl Eingangsinduktivität
U/I-Konverter
+-----+ +-----+
o---| R2 |---o-------| R2 |------------------+
+-----+ | +-----+ |
Ue | |\ |
+--|+ \ |
| \ +-----+ |
| >----o----| R1 |------o Ilast = Ue * (1/R1 + 1/R2)
+--|- / | +-----+ |
| | / | +-+
| |/ | | | Rlast
+-----+ | +-----+ | | |
o---| R3 |---o----| R2 |---+ +-+
+-----+ +-----+ | R3 = R2^2/(R1+R2)
===
Sym. Begrenzer (invertierend)
+---|>J-----L<|----+
| +-----+ | -|>J- = -L<|-
o----| R 1 |-------o Z-Dioden
| +-----+ |
| |
+-----+ | |\ |
o---| R 2 |------o-| \ |
+-----+ |- \ |
| >---------o-----
+---|+ /
| | /
| |/
| -Ua
=== ^
| (rz+red)/R1
Uz+Ued -+ /------------
| / \ R1/R2
| /
<-----------X---------------> Ue
/ |
/ |
-----------/ +- Uz+Ued
(rz+red)/R1 |
V
Umformer 0-20mA -> -10V - 10V
Ie +-----+
<-------o-----------| Rr |------+
-15V | +-----+ |
+-----+ | |\ |
o----| R |------o----| \ |
+-----+ 0V |- \ |
| >------------o-----o Ua
| /
+----|+ /
| |/
+-+
| | R||Rr
| |
+-+
|
|
=====
Gerne nehme ich hier noch weitere kreative Beiträge in Form von ASCII-
Grafiken auf, wenn möglich in der gleichen Optik und mit kurzer Erläu-
terung.
1.3 Praktische Hinweise
1.3.1 Eigenschaften verschiedener OPs
Prinzipiell gilt die Regel: JFET-OPVs sind zwar schneller (höhere
Unity-Gain-Bandwidth und höhere Slewrate), haben aber eine größere
Offsetspannung als Standard-Bipolar-OPVs (wie z.B. LM741). Aber keine
Angst es gibt auch bipolare OPVs mit GBP=1000MHz und Slew-Rates von
ca. 1300V/us (sind sogar relativ günstig).
Für das Frequenz-Bandbreite-Produkt (Gain Bandwidth Product) gibt es
auch die Bezeichnung Transitfrequenz und Unity-Gain-Bandwidth --- Das
hilft beim Lesen der Datenbücher.
GBP und Slew-Rate sind zwar (physikalisch gesehen) nicht voneinander
unabhängig, beschreiben aber zwei verschiedene Sachverhalte:
GBP für Kleinsignalaussteuerung (Ausgangsspannung << max.
Ausgangsspannungshub = ca. Versorgungspannung)
Slew-Rate gilt für Großsignalbetrieb. Dabei
gilt: Die Slew-Rate gibt die max. Anstiegsgeschwindigkeit der
Ausgangsspannung an (für Vergleiche muß man auf die Angabe der, für
die Messung verwendeten, Lastimpedanz achten). Damit ein Sinus
unverzerrt übertragen werden kann, muß daher sein größter Anstieg
du/dt, der im Nulldurchgang auftritt, kleiner als die Slew-Rate sein.
=> Um eine unverzerrte Übertragung eines Sinus zu gewährleisten, muß
daher bei einer Ausgangsamplitude U mit einer Frequenz f
Slew-Rate >= 2 Pi f U erfüllt sein.
Wird im Grenzfall wahlweise die Amplitude oder die Frequenz erhöht,
dann wird aus dem Sinus (langsam, aber sicher) so eine Art Dreieck
(eher "abgerundetes" Trapez) => n i c h t l i n e a r e Verzerrung.
1.3.2 Hochstromausgänge für OPs
Einfachste Variante -- kann nur sinken, nicht sourcen
U1 |\ +-----+
-----|+ \ /-------|Rlast|----O +Ub
| \ |/ +-----+
| >----|
| / |\
+----|- / V U1/R1 = (B+1)Ib <-> Ic=B*Ib
| |/ | U1/R1 = (B+1)*Ilast/B=(1+1/B)*Ilast
| | Ib = Ilast/B
+------------------o
| Ilast = U1/(R1(1+1/B))
|
+-+ Also eine steuerbare Konstantstromquelle R1 | |
| | Das Teil verhält sich nicht wie ein normaler
+-+ - kräftiger - OpAmp.
|
=====
Variante für hohe Spannungen und Ströme -- kann nur sourcen:
o Ub =100V
|
o-------------------------+
| |
+-+ |
| | |
| | R1 T2 |
+-+ V
| |/
+-------------o-------- |
T1 | | |\
| | |
|/ +---||------o--------o Ua
Ue o---------| |
|\ Ck |
V +-+
| | |
| | | R2
| +-+
| |
+-------------------------+
|
+-+
| |
| | R3
+-+
|
===
Verstärkung Ua/Ue = V = 1+R2/R3
Wenn diese Schaltung -- wie vorgesehen -- in den Ausgang des OP's
(vor dem Abgriff der Ausgangsspannung für die Gegenkopplung) gelegt
wird, hat die Leerlaufverstärkung keinen Einfluß auf die Gesamtver-
stärkung. Diese wird weiterhin durch die Gegenkopplung bestimmt.
Die verwendeten Transistoren hängen ganz vom Verwendungszweck ab,
z.B. sind mit Videotransistoren BF 471/472 300V Ausgangsspannung
möglich. Ck soll das Einschwingen optimieren und Schwingen verhin-
dern, das geht nur experimentell mit Funktionsgenerator und Scope,
berechnen kann man das nicht.
Hier muß noch eine Komplementärendstufe rein ???.
1.4 Berechnung von Kühlblechen und -körpern
Pc = Uce * Ic Verlustleistung
Pcmax = (Tjmax-Tug) / Rth Tjmax = max. Sperrschichttemp.
Tug = max. Umgebungstemp.
Rth = Wärmewiderstand zwischen
Sperrschicht und Umgebung
nomalerweise: Rth = Rdev + Riso + Rkü
Rdev = Wärmewiderstand zwischen
Sperrschicht und Gehäuseoberfläche
Riso = Wärmewiderstand der Isolierscheibe
Rkü = Wärmewiderstand des Kühlkörpers
Analogien: el. Spannung entspricht Temperaturdifferenz
el. Ladung entspricht Wärmemenge
el. Strom entspricht therm. Leistung
Dann ist das, was oben steht, nichts anderes, als das Ohm'sche Gesetz
_______________________________________________________________________________
1.5 Digitale Grundschaltungen
1.5.1 Grundlagen der Schaltalgebra
In der Schaltalgebra (boolsche Algebra) gibt es nur die zwei Zahlen "0"
und "1". Deswegen nimmt man diese Algebra auch recht gerne für alle Arten
von elektrischen Schaltungen, da man nur zwei Zustände unterscheiden muß:
"Spannung da" oder "Spannung weg".
Nun ist es im Leben fast so wie in der Schule, überall gibt es
Rechenvorschriften. So auch hier:
"A" und "B" seien die Eingänge und
"X" sei der Ausgang
Es gibt zwei Rechenoperatoren:
A) UND-Operator (Konjunktion)
X = A * B
B) ODER-Operator (Disjunktion)
X = A + B
C) Die Negation
Wird durch einen Strich über der Variablen, manchmal auch durch einen
vorgestellten Schrägstrich gekennzeichnet.
Dann gibt es folgende Regeln:
UND-Verknüpfung gleicher Variablen: A * A = A
ODER-Verknüpfung gleicher Variablen: A + A = A
UND-Verknüpfung mit 1: A * 1 = A
UND-Verknüpfung mit 0: A * 0 = 0
ODER-Verknüpfung mit 0: A + 0 = A
ODER-Verknüpfung mit 1: A + 1 = 1
ODER-Verknüpfung mit invertierten Variablen: A + /A = 1
UND-Verknüpfung mit invertierten Variablen: A * /A = 0
Kommutativgesetze: A + B = B + A
A * B = B * A
Assoziativgesetze: (A * B) * C = A * (B * C) = A * B * C
(A + B) + C = A + (B + C) = A + B + C
Einschließungsgesetze: A * (A + B) = A
A + (A * B) = A
Distributivgesetze: A * (B + C) = (A * B) + (A * C)
A + (B * C) = (A + B) * (A + C)
Doppelte Negation ergibt wieder die ursprüngliche Größe: /(/A) = A
Vorrangigkeit der Rechenoperatoren: UND-Funktion (*) geht vor ODER-Funktion (+)
NOT-Funktion (/) geht vor UND-Funktion
Klammern gehen vor NOT-Funktion
De Morgan'sche Regeln: /(A * B) = /A + /B
/(A + B) = /A * /B
Gesetz von Shannon:
Ist die Anzahl der Negationsstriche über einer Variable oder
einem Verknüpfungszeichen:
- geradzahlig, so entfallen alle Negationsstriche.
- ungeradzahlig, so bleiben die Variablen einfach negiert. die
Verknüpfungszeichen werden geändert. Aus UND wird ODER und
umgekehrt.
1.5.2 Schaltzeichen
Das Grundsymbol
+-----+
o---| |
| |---o
o---| |
+-----+
Das AND
+-----+ a b x
a o---| & | 0 0 0
| |---o x 1 0 0
b o---| | 0 1 0
+-----+ 1 1 1
Nur wenn an beiden Eingängen eine "1" anliegt, wird auch der Ausgang "1"
Das OR
+-----+ a b x
a o---| >=1 | 0 0 0
| |---o x 1 0 1
b o---| | 0 1 1
+-----+ 1 1 1
Wenn an einem der beiden Eingänge eine "1" anliegt, hat der Ausgang auch
eine "1"
Der Treiber
+-----+ a x
a o---| 1 |---o x 0 0
+-----+ 1 1
Dieses Schaltglied dient zur Entkopplung des Signals. Es führt am Ausgang
immer das Eingangssignal.
Das NOT
+-----+ a x
a o---| 1 |O--o x 0 1
+-----+ 1 0
Invertiert das Eingangssignal, wenn also am Eingang eine "0" anliegt, dann
hat der Ausgang eine "1"
Das NAND (AND mit negiertem Ausgang)
+-----+ a b x
a o---| & | 0 0 1
| |O--o x 1 0 1
b o---| | 0 1 1
+-----+ 1 1 0
Wie das AND, nur das hier der Ausgang, bevor er elektrisch wieder aus dem
Chip auftaucht, invertiert worden ist.
Das NOR (OR mit negiertem Ausgang)
+-----+ a b x
a o---| >=1 | 0 0 1
| |O--o x 1 0 0
b o---| | 0 1 0
+-----+ 1 1 0
Wie das OR, nur mit invertiertem Ausgang
RS-Flip-Flop (RS-FF)
+--------------------+
| +---+ |
+-| | |
| 1 o--- |
S o------| | \ ------o---- Q
+---+ \ /
\/
/\
+---+ / \ _
R o------| | / ------o---- Q
| 1 o--- |
+-| | |
| +---+ |
+--------------------+
_
S R Q Q
----------------
_
0 0 Qn-1 Qn-1 Speichern
0 1 0 1 Rücksetzen
1 0 1 0 Setzen
1 1 n.d. nicht definiert
Zustandsgesteuertes RS-Flipflop
+---+
S -----| | +----------+
| & |----------| |
+-| | | S |-------- Q
| +---+ | |
C ---o |----------|
| +---+ | | _
+-| | | R |------- Q
| & |----------| |
R -----| | +----------+
+---+
Dieses FF kann nur während des Taktwertes 1 gesetzt bzw. rückge-
setzt werden.
Zustandsgesteuertes D-Flipflop
+-------+
D ---| 1D |---- Q
| |
C ---| C1 |
| | _
| |---- Q
+-------+
Tn| Tn+1
--------------
| | _
D | Q | Q
---------------
0 | 0 | 1
1 | 1 | 0
1.5.3 Realisierung digitaler Grundschaltungen mit Transistoren
NOT
o +Ub
|
|
+-+
| |
| |
+-+
|
o-------o
|
|/
o------|
|\
V
|
|
=====
NAND
o +Ub
|
|
+-+
| |
| |
+-+
|
o---------o
|
|/
o------|
|\
V
|
|
|/
o------|
B|\
V
|
|
=====
NOR
o +Ub
|
|
+-+
| |
| |
+-+
|
o-----------o--------o
| |
| |
o-----------+ |
| | |
|/ | |/
o-----| +-----|
|\ |\
V V
| |
| |
===== =====
Astabile Kippstufe (Rechteckoszillator)
+----------o-----------------o----------o-------------o +Ub
| | | |
| | | |
+-+ +-+ +-+ +-+
|R| |R| |R| |R|
|1| |3| |4| |2|
+-+ +-+ +-+ +-+
| || | | || |
o----||----o---------+ +---o----||----o-------------o Ua
| ||C1 | | C2|| |
| +----------+ |
\| | | |/
|-----------+ +----------------|
/| |\
V V
| |
| |
| |
+---------------------------------------o-------------o GND
Dimensionierung (Beispiele):
R1 = R2 >= Ub / Icmax (0,5 ... 10 kOhm)
R3 <= 0,2 ... 0,8 * ß * R2 (10 ... 200 kOhm)
R4 <= 0,2 ... 0,8 * ß * R1 (10 ... 200 kOhm)
Wobei "ß" die Verstärkung des Transistors ist.
t_sp1 = ca. 0,7 * C2 * R4
t_sp2 = ca. 0,7 * C1 * R3
f = 1 / (t_sp1 + t_sp2)
Monoflop
+----------o----------------------------o-------------o +Ub
| | |
| | |
+-+ +-+ +-+
|R| |R| |R|
|1| |3| |2|
+-+ +-+ +-+
| || | +------+ |
o----||----o--------+ +---| R4 |---o-------------o Ua
| ||C | | +------+ |
| +----------+ |
\| | | |/
|-----o-----o +------------o----|
/| | | | |\
V | +-+ | V
| | |R| | |
| | |5| | |
| | +-+ | |
| | | | |
| | | | |
+-------------o-------------------------o-------------o GND
| |
o-------+ |
|
o--------------------------------+
Dimensionierung (Beispiele):
R1 = R2 >= Ub / Icmax (0,5 ... 10 kOhm)
R3 <= 0,2 ... 0,8 * ß * R2 (10 ... 200 kOhm)
R4 <= 0,2 ... 0,6 * ß * R1 (10 ... 100 kOhm)
R5 = ca. 10 ... 20 kOhm
Wobei "ß" die Verstärkung des Transistors ist.
Die Sperrzeit des Transistors T2 ist gleich der Impulsdauer t_e
t_e = 0,7 * C * R3
Flipflop
+---------------------------------------o-------------o +Ub
| |
+-+ +-+
|R| |R|
|1| |2|
+-+ +-+
| +------+ +------+ |
o---| R3 |--------+ +---| R4 |---o-------------o Ua
| +------+ | | +------+ |
| +----------+ |
\| | | |/
|-----o-----o o---o--------o----|
/| | | | | |\
V | +-+ +-+ | V
| | |R| |R| | |
| | |5| |6| | |
| | +-+ +-+ | |
| | | | | |
| | | | | |
+-------------o---------o---------------o-------------o GND
| |
o-------+ |
|
o--------------------------------+
Dimensionierung (Beispiele):
R1 = R2 >= Ub / Icmax (0,5 ... 10 kOhm)
R3 <= 0,2 ... 0,6 * ß * R2 (10 ... 100 kOhm)
R4 <= 0,2 ... 0,6 * ß * R1 (10 ... 100 kOhm)
R5 = ca. 10 ... 20 kOhm
R6 = ca. 10 ... 20 kOhm
Wobei "ß" die Verstärkung des Transistors ist.