Drei wichtige Baugruppen der Elektronik

WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik - HeinElektronik/Elektrotechnik – 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik – Teil 2

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Drei wichtige Baugruppen der Elektronik

1. Der Schmitt–Trigger – Ein Baugruppe zur Erzeugung definierter Schaltvorgänge

2. Das RS-Flipflop – Ein Baugruppe zur Speicherung von Zuständen

3. Der astabile Multivibrator – Ein Baugruppe zur Erzeugung von Schwingungen

Alle drei Baugruppen

•gehören zu den Standardbausteinen der Elektronik

•Werden in der Schule angewendet und

•eignen sich didaktisch für den Einstieg in die Elektronik


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Schmitt - Trigger sind Schwellwertschalter. Sie wandeln stetig veränderliche Eingangs-spannungen in zwei diskrete Ausgangsspannungswerte um. Wenn die Eingangsspannung einen bestimmten Wert über- oder unterschreitet, findet ein sprunghafter Wechsel zwischen beiden Ausgangsspannungszuständen statt.(Spannungsdiskriminator)

Schmitt - Trigger

Eingangssignal ueAusgangssignal ua

Symbol

Übertragungskennlinie

ue/V

ue: Eingangsspannung

ua/Vua: Ausgangsspannung

L

L: Low-Pegel von uaH H: High-Pegel von ua

uee

uee: Einschaltspannunguea: Ausschaltspannung

uea

EinschaltenAusschaltenHysteresisspannung

eaeeH uuu


3

Zeitverhalten des Schmitt-Triggers

t

u

uee

ueauaL

uaH

Schaltung

+

_

UB

ue ua

RA1 RA2

RE

T1 T2

RA1: Arbeitswiderstand 1

RA2: Arbeitswiderstand 2

RE: Emitterwiderstand

Verkoppelt die beiden Transistoren


4

+

_

UB

ue ua

RA1 RA2

RE

T1 T2

Wirkungsweise des Schmitt-Triggers

Ruhezustand: Ue Uee ; T1 sperrt, T2 leitet; Ua=L

Wirkungsschema (Kausalkette)

ue/V

ua/V

L

H

ueeuea

Einschalten: Ue = Uee ; T1 wird leitend, T2 geht in den gesperrten Zustand über Ua geht auf H über.

ue ueeUa=L

ue= ueeUa HIB2

Für die Eingangsspannung gilt ue uRE + uBE1

0,7V

UBE1

uREuBE1

Das schnelle Umschalten des Schmitt - Triggers erklärt sich aus der Verkopplung beider Transistoren mit RE und aus der verstärkenden Wirkung der Transistoren.

uBE1<0,7V

UBE1

IB1

IB1 min

IC1

IC1 min

IB2

IB2maxUCE1max

UCE1

UBE2max

UBE2

IC2

IC2max

UCE2

UCE2min

+

_

UB

ue ua

RA1 RA2

RE

T1 T2

uBE1

uRE

IC1

IC1

IB1

IB1

UBE2

UBE2

IB2

UCE1

UCE1

IC2

IC2

UCE2

UCE2


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Übersteuern: ue uee ; T1 leitet, T2 sperrt ; ua = H

+

_

UB

ue ua

RA1 RA2

RE

T1 T2

ue/V

ua/V

L

H

ueeuea

Ausschalten: Ue = Uea ; T1 wird gesperrt, T2 geht in den leitenden Zustand über Ua geht auf L über.

Ue> uee IB1 max IC1 SAT UCE1minUCE2maxUBE2min IC2minIB2min Ua=H

Ue< uea IC1 UCE1 UCE2IB1 UBE2 IC2IB2UBE1

<0,7V

uREuBE1

Ua= L

+

_

UB

ue ua

RA1 RA2

RE

T1 T2


6

Dimensionierung +

_

UB

RA1 RA2

RE

T1 T2

aL

SATCEaLAEAA

C

BA uUB

UuRRRBR

I

UR

)(

;10

1; 22

2212

2

Praktisches Beispiel:

+

_

UB

RA1 RA2

RE

T1 T2

T1,T2: SC 237

RA1,RA2: 1k

RE:100


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RS-Flipflop

Ein Flipflop ist eine Speicherschaltung, die in der Lage ist, 1 Bit zu speichern.

Das bedeutet, dass sich diese Schaltung entweder eine 1 oder eine 0 merkt.

Symbol: Funktion:

S

R

Q

Q

1 0 1 0 Setzen

0 0 1 0 Speichern

0 1 0 1 Rücksetzen

1 0 1 0 Setzen

S R Q Q Vorgang

0 0 0 1 Speichern

RA1

T1

RA2

T2

S R

QQ

Die beiden Eingänge S und R dürfen nicht gleichzeitig mit einer 1 (H-Pegel) belegt werden, weilbeide Ausgänge eine 0 (L-Pegel) führen würden.Das ist nicht zulässig, weil Q und Q immer entgegengesetzt belegt sein müssen.

+

_

UB


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Wirkungsweise des RS-Flipflops

1 0 1 0 Setzen

0 0 1 0 Speichern

0 1 0 1 Rücksetzen

1 0 1 0 Setzen

S R Q Q Vorgang

0 0 0 1 Speichern

Setzen: S=H

R=L

IC1max

IB2min IC2min

UCE1min

UCE2max

Q=L

Q=H

Speichern: Q=LS=L

R=L

IB1maxIC1max

IB2min IC2min

UCE1min

UCE2max Q=H

Das Rücksetzen erfolgt in analoger Weise!

Was erfolgt, wenn an S und R ein H angelegt wird?

RA1

T1

RA2

T2

S R

QQ

IB1max

IB1

RA1

T1

RA2

T2

S R

QQ


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RA: 1k (Arbeitswiderstand)

Dimensionierung

T1 T2

RS2

RK: 50k (Koppelwiderstand zur Erhaltung des H-Pegels an der jeweiligen Basis beim Setzen oder Rücksetzen)

RA1 RA2

RK2RK1

RS1

RS: 1k (Schutzwiderstand für die Basis-Emitterstrecke)

Variante zur Anzeige eines Zustands mit LEDs

+9VBetriebsspannung UB= 9V

Berechnung von RA

3501035,01020

7

20

29 33 A

V

A

V

mA

VV

I

UUBR

F

FA

350 350 50 k

1 k1 k

50 k

Betriebswerte der LED: IF=20 mA; UF=2V

T1 T2


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Astabiler Multivibrator

Astabile Multivibratoren (AMV) sind Kippschaltungen, mit denen Rechteckspannungen bis zu einigen MHz erzeugt werden können.

Symbol:

ua1 ua2

Schaltung:

RA1

C1

ua1 ua2

RA2Rb2Rb1

C2

UBRA: Arbeitswiderstände

Rb: Basiswiderstände

C: Kondensatoren

Rb1 und C1 sowie Rb2 und C2

sind die zeitbestimmenden Glieder.

Zeitkonstante


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Wirkungsweise

RA1

C1

RA2Rb2Rb1

C2

T1 T2

Wenn der AMV schwingt, dann werden die Kondensatoren ständig umgeladen. Die Zeitkonstanten der beiden RC – Glieder bestimmt die Schaltzeiten der Transistoren und damit die Frequenz.

1169,0 CRB 2269,0 CRBP

2211 69,069,0

1

11

CRCRf

Tf

BB

P

Jedes RC-Glied bestimmt abwechselnd die Zeit der Pause und die Zeit p des Impulses.

t

u

p

Für eine Periode gilt: PT

Frequenz des AMV:


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Zur Beschreibung Startsituation festlegen, weil das System ständig schwingt.

RA1

C1

RA2Rb2Rb1

C2

T1 T2

Der AMV hat gerade umgeschaltet, so dass der Transistor T1 jetzt sperrt und T2 jetzt leitet. Wegen des vorangegangenen Vorgangs ist der Kondensator C2 gerade noch entladen und C1 gerade noch geladen.

1. Vorgang: C1 entlädt sich mit iKo1 über T2 . Über Rb1 fließt eine entsprechend große Stromstärke, der entstehende Spannungsabfall hält wegen seines großen Betrags in negativer Richtung T1 weiterhin für eine gewisse Zeit gesperrt.

2. Vorgang: C2 war zuvor entladen und wird jetzt mit iKo2 über RA1 aufgeladen. Der Ladestrom von C2

fließt in die Basis von T2 und schaltet diesen Transistor ebenfalls für eine bestimmte Zeit durch.

Zeitgleich finden zwei Vorgänge statt!!!

Wirkungsschema: T1 sperrt, T2 leitet; C1 noch geladen; C2 noch entladen

uRb1

uRb1

uBE1<0

uBE1<0

iB1 min iC1 minuCE1max

+iko2

ua1 H

iB2 max iC2 maxuCE2min ua2 L

-iko1

Dieser Vorgang dauert die Zeit-konstante und beginnt danach in der entgegen gesetzten Richtung


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Zur Beschreibung Startsituation festlegen, weil das System ständig schwingt.

RA1

C1

RA2Rb2Rb1

C2

T1 T2

Wenn der Kondensator C1 umgeladen ist, beginnt ein Basisstrom über Rb1 in T1 zu fließen.

3. Vorgang: C2 entlädt sich mit iKo2 über T1 . Über Rb2 fließt eine entsprechend große Stromstärke, der entstehende Spannungsabfall uRb2 hält wegen seines großen Betrags in negativer Richtung T2 während der folgenden Zeitkonstanten gesperrt.

4. Vorgang: C1 war zuvor entladen und wird jetzt mit iKo1 über RA2 aufgeladen. Der Ladestrom von C1

fließt in die Basis von T1 und hält diesen Transistor im leitenden Zustand.

Es finden zeitgleich wiederum zwei Vorgänge statt.

Wirkungsschema: T1 leitet, T2 sperrt; C2 noch geladen; C1noch entladen

uRb2

uRb2

uBE2<0

uBE2<0

iB2 min iC2 minuCE2max

-iko2

ua1 H

iB1 max iC1 maxuCE1min

ua1 L

+iko1

Dieser Vorgang dauert die Zeit-konstante und beginnt danach in der entgegen gesetzten Richtung usw., usf..

iB1 T1 beginnt zu leiten, seine Kollektor- Emitterstrecke verliert ihren hohen Widerstand.

Der Kondensator C2 entlädt sich mit Iko2 und erzeugt über Rb2 den hohen Spannungsabfall, der T2 sperrt. Der AMV ist gekippt.


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Impulsdiagramm des AMV

RA1

C1

RA2Rb2Rb1

C2

T1 T2

0,7V

0,7V

<UB

t

uBE2

uBE1

uCE1

uCE2

<UB


15

RA1

C2

RA2Rb2Rb1

C1

T1 T2

Berechnung des AMV

1. Berechnung der Arbeitswiderstände wie gehabt kmA

V

I

UBR

CA 1

10

10

max

2. Berechnung der Frequenz

)69,0(2

1

69,069,0

111

2211 CRCRCRTf

BBBP

Nur bei gleichem Tastverhältnis = P!Beispiel: f = 3 kHz, C=1 nF

)69,0(2

1

CRf

B

k

A

V

VAs

sCf

RB 5,24114,4

101

1011

10369,02

1

)69,0(2

1 6

93

RA=1k

RB=240k

C=1nF


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RC-Glieder

R

C V

A

t

U

I100%

63%

Das Produkt RC ist ein Maßstab für die Aufladegeschwindigkeit und wird Zeitkonstante genannt. Sie gibt die Zeit an, die erforderlich ist, um einen Kondensator auf 63% seiner Endspannung aufzuladen.

ss

V

As

A

VnFk

CR

10010100

101001011001

6

93

Beispiel: Zu berechnen ist die Zeitkonstante eines RC-Gliedes mit R=1k und C=100nF.

AMV

U

I


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Aufgaben

10. Für ihren Unterricht sollen Sie eine Blinkschaltung mit einem einen Astabilen Multivibrator entwickeln.

Die Blinkfrequenz soll 1Hz betragen. Ihnen stehen Kondensatoren mit einer Kapazität von 1F zur

Verfügung. Berechnen Sie die dazugehörigen Basiswiderstände.

Die verwendeten LEDs benötigen bei einer Stromstärke von 15 mA bei einer Flussspannung von 2 V.

Die Betriebsspannung der Schaltung wird mit einer 9V – Batterie zur Verfügung gestellt.

Berechnen Sie die Arbeitswiderstände der Transistoren.

(RA= 460; RB714 k)

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