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elektronische_schaltungstechnik:1_aufgaben [2020/07/07 10:20]
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-<panel type="​info"​ title="​Aufgabe 1.1.1 Mikrofonverstärker I"> 
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-Gegeben sei eine Verstärkerschaltung,​ welche ein Mikrofonsignal so verstärken soll, dass ein Lautsprecher ($R_{LS}= 8 \Omega$) angesteuert werden kann. Der [[https://​de.wikipedia.org/​wiki/​Effektivwert#​Sinusf%C3%B6rmige_Spannung|Effektivwert]] der gewünschten Spannung am Lautsprecher soll $U_{eff,LS} = 10 V$ betragen. Es wird angenommen, dass ein Sinussignal ausgegeben werden soll. Die Spannungsversorgung geschieht über zwei Spannungsquellen mit $V_{S+} = 15 V$ und $V_{S-} = - 15 V$ (siehe Bild in Aufgabe 1).  
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-  - Zeichnen Sie eine beschriftete Skizze der Schaltung mit dem Verstärker als Blackbox. <WRAP onlyprint>​ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ </​WRAP>​ 
-  - Welche Leistung $P$ nimmt der Lautsprecher auf? <WRAP onlyprint>​ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ </​WRAP>​ 
-  - Wie lässt sich daraus der Effektivstrom $I_{eff,S}$ der Spannungsversorgung ermitteln, bei der die oben genannte, gewünschte Spannung $U_{eff,​LS}$ am Lautsprecher ausgegeben wird? \\ (Beachten Sie, dass für einfache Verstärker der abgegebene Strom $I_A$ stets kleinergleich dem Strom $I_S$ der Spannungsversorgung ist.) <WRAP onlyprint>​ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ </​WRAP>​ 
-  - Ermitteln Sie aus der vorherigen Aufgabe den maximalen Strom $I_{max,S}$ für den die beiden Spannungsversorgungen mindestens auszulegen sind. <WRAP onlyprint>​ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\  </​WRAP>​ 
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-<WRAP pagebreak></​WRAP><​panel type="​info"​ title="​Aufgabe 1.1.2 Mikrofonverstärker II">​ 
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-Gegeben sei eine Spannungsverstärkerschaltung,​ welche ein Mikrofonsignal so verstärken soll, so dass ein Lautsprecher ($R_{LS}= 8 \Omega$) angesteuert werden kann. Weder Verstärkung,​ noch die gewünschte Spannung am Lautsprecher ist bekannt. Diese Verstärkerschaltung ist intern mit einer [[https://​de.wikipedia.org/​wiki/​Schmelzsicherung#​Ger%C3%A4teschutzsicherungen_(Feinsicherungen)|Feinsicherung]] gegen Überströme über $I_{max,​Verstärker}= 5 A$ abgesichert. Bekannt ist, dass im erlaubten Spannungsbetrieb von $8 \Omega$-Lautsprechern keine Überströme auftreten. ​ 
-  - Um welchen Faktor ändert sich der Strom, wenn statt einem $8 \Omega$-Lautsprecher ein $4 \Omega$-Lautsprecher verwendet wird? <WRAP onlyprint>​ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\  </​WRAP>​ 
-  - Welche Auswirkung hat dies auf die Sicherung? <WRAP onlyprint>​ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\  </​WRAP>​ 
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-<WRAP pagebreak></​WRAP><​panel type="​info"​ title="​Aufgabe 1.1.3 Wheatstonesche Brückenschaltung">​ 
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-{{ elektronische_schaltungstechnik:​wheatstonesche_brueckenschaltung_tsensor.jpg?​200}} 
-Stellen Sie sich vor, dass Sie in der Firma „HHN Mechatronics & Robotics“ arbeiten. Sie entwickeln eine IoT-System, welches in rauher Umgebung verwendet werden und eine wiederaufladbaren Akku enthalten soll. Die Temperatur des Akkus muss dabei im Betrieb und beim Laden überwacht werden. Bei zu hoher Temperatur muss das Laden abgebrochen,​ bzw. eine Warnung ausgegeben werden. Für die Temperaturmessung am Gehäuse der verwendeten Lithium-Ionen-Zelle {{elektronische_schaltungstechnik:​ncr18650b.pdf|NCR18650}} soll eine Messschaltung aufgebaut werden. ​ 
-Ein Vorschlag für die Schaltung ist folgende: ​ 
-  - Wheatstonesche Brückenschaltung mit $R_1 = R_2 = R_3 = R_4 = 1k \Omega $. 
-  - Der Widerstand $R_4$ soll ein PT1000 mit einem Temperaturkoeffizient $\alpha = 3850 \frac{ppm}{K}$ sein.  
-  - Für die anderen Widerstände greifen Sie auf Komponenten zurück, die laut Datenblatt einen unbekannten Temperaturkoeffizient,​ der sich aber innerhalb $\alpha = \pm 100 \frac{ppm}{K}$ bewegt. ​ 
-  - Die Spannungsquelle des Systems erzeugt eine Spannung von 5V mit hinreichender Genauigkeit. 
-  - Die ermittelte Spannung $\Delta U$ wird durch eine weitere Verstärkerschaltung um den Faktor 20 verstärkt, als $U_{A}$ ausgegeben und durch einen Analog-Digital-Wandler in einem Microcontroller weitergenutzt [(Note3>​In realen Systemen würde sehr wahrscheinlich kein Analog-Digital-Wandler genutzt werden, da dieser für IoT-Anwendungen eine verhältnismäßig große Leistungsaufnahme hat. Bei Atmel Chips sind dies einige 10$\mu A$, welche sich über längere Zeit aufaddieren.)]. ​ 
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-Es ist ein kurzer Bericht zu erstellen; als Analysewerkzeug ist Tina TI zu verwenden. 
-  - Erstellen Sie eine Problembeschreibung. <WRAP onlyprint>​ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\  </​WRAP>​ <WRAP pagebreak></​WRAP> ​ 
-  - Bauen Sie die Schaltung in TINA TI nach und fügen Sie diese <wrap onlyprint>​hier </​wrap>​ein. Berücksichtigen sie dabei folgenden Hinweis. <panel type="​info"​ title="​Hinweis">​ Bei Tina TI wird als Bezugstemperatur für den Temperaturverlauf 27°C (Raumtemperatur) gewählt. Beim PT1000 ist die Bezugstemperatur häufig 0°C (im praktischen Anwendungsfall sollte dies im Datenblatt geprüft werden). Bei Tina TI lässt sich die Bezugstemperatur dadurch ändern, dass bei den Eigenschaften (Doppelklick auf Widerstand) unter ''​Temperature [C]''​ der Wert 27 eingetragen wird.</​panel> ​ <WRAP onlyprint>​ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\  </​WRAP>​ 
-  - Ermitteln Sie aus dem oben verlinkten Datenblatt in welchem Bereich von $T_{min}$ bis $T_{max}$ geladen werden darf und welche Temperatur $T_{lim}$ in keinem der Zustände überschritten werden darf.  <WRAP onlyprint>​ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\  </​WRAP>​ 
-  - Ermitteln Sie zunächst für temperaturunveränderliche $R_1 = R_2 = R_3 = 1k \Omega$ und einem temperaturveränderlichen $R_4$ die Spannungsänderung $\Delta U$ über die Temperatur von $-30...70°C$ in TINA TI. Erstellen Sie dazu ein Diagramm mit $\Delta U$ als Funktion der Temperatur. ​ \\ Lesen Sie $\Delta U^0 (T_{min})$, $\Delta U^0 (T_{max})$, $\Delta U^0 (T_{lim})$, aus dem Diagramm ab und plausibilisieren Sie die Werte per Rechnung. <WRAP onlyprint>​ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\  </​WRAP>​ 
-  - Ermitteln Sie $\Delta U$, wenn die Temperaturabhängigkeit von $R_1$, $R_2$ und $R_3$ berücksichtigt wird. Erstellen Sie dazu ein geeignetes Diagramm mit $\Delta U$ als Funktion der Temperatur in TINA TI. \\ Bei welchen Spannungen $U_A (T_{min})$, $U_A (T_{max})$ muss der Mikrocontroller eingreifen und das Laden deaktivieren?​ \\ Bei welchem Wert $U_A (T_{lim})$ muss eine Warnung ausgegeben werden? <WRAP onlyprint>​ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ </​WRAP>​ 
-  - Diskutieren Sie die Ergebnisse <WRAP onlyprint>​ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\    </​WRAP>​ 
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-<WRAP pagebreak></​WRAP><​panel type="​info"​ title="​Aufgabe 1.2.1 Umwandlung von Verstärkern">​ 
-<WRAP group><​WRAP column 2%>​{{fa>​pencil?​32}}</​WRAP><​WRAP column 92%> 
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-{{ elektronische_schaltungstechnik:​blackboxverstaerker.jpg?​400|}} 
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-In der Vorlesung wurden die verschiedenen Verstärkertypen als Blackboxen vorgestellt. Dabei wurde das nebenstehende Bild für die Eingangs- und Ausgangsgrößen verwendet und die idealen Widerstandwerte hergeleitet. 
-Im folgenden sollen Sie sich überlegen, wie diese durch die Verschaltung mit weiteren passiven, elektrischen Komponenten ineinander umgewandelt werden können. ​ 
-Wie können folgende Verstärker ineinander umgewandelt werden? 
-  - Spannungsverstärker in Stromspannungsverstärker <WRAP onlyprint>​ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\  </​WRAP>​ 
-  - Spannungsstromverstärker in Stromverstärker <WRAP onlyprint>​ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\  </​WRAP>​ 
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-<WRAP pagebreak></​WRAP><​panel type="​info"​ title="​Aufgabe 1.3.1 Gegenkopplung in TINA">​ 
-<WRAP group><​WRAP column 2%>​{{fa>​pencil?​32}}</​WRAP><​WRAP column 92%> 
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-<WRAP right> 
-{{ elektronische_schaltungstechnik:​rueckkopplung_tina.jpg?​400|}} 
-</​WRAP>​ 
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-Mittels der Simulation [[https://​wiki.mexle.hs-heilbronn.de/​doku.php?​id=simulationstools_fuer_elektronische_schaltungstechnik#​tina_-_ti|TINA]] werden im allgemeinen Schaltbilder nachgebildet. Im folgenden soll nun ein Blockschaltbild der Rückkopplung (siehe Bild) untersucht werden. Bitte laden Sie dazu das Folgende File herunter und bearbeiten Sie die darin enthaltene Aufgabe. ​ 
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-Datei: [[https://​wiki.mexle.hs-heilbronn.de/​_media/​elektronische_schaltungstechnik/​aufgabe_1.3.1.tsc|Aufgabe 1.3.1.tsc]] 
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-Vergleiche Sie die Ergebnisse mit den Erkenntnissen aus dem Kapitel [[elektronische_schaltungstechnik:​1_grundlagen_zu_verstaerkern#​rueckkopplung|Rückkopplung]]! ​ 
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-<WRAP pagebreak></​WRAP><​panel type="​info"​ title="​Aufgabe 1.3.2 Rechnungen zur Gegenkopplung">​ 
-<WRAP group><​WRAP column 2%>​{{fa>​pencil?​32}}</​WRAP><​WRAP column 92%> 
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-<WRAP right> 
-{{ elektronische_schaltungstechnik:​rueckkopplung2.jpg?​400|}} 
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-Zum Prinzip der Gegenkopplung war im Skript das nebenstehende Blockschaltbild gegeben. Dabei ist $A_D$ die sogenannte Differenzverstärkung,​ also die Verstärkung der Differenz aus Eingangsspannung $U_E$ und rückgekoppelter Spannung. 
-  - Ermitteln Sie die Spannungsverstärkung $A_V$ als Funktion der Differenzverstärkung $A_D$ und des Rückkoppelfaktors $k$: $A_V = {{U_A}\over{U_E}} = f(A_D, k)$ <WRAP onlyprint>​ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\  </​WRAP>​ 
-  - Welche Spannungsverstärkung $A_V$ ergibt sich für eine Differenzverstärkung $A_D \rightarrow \infty $? <WRAP onlyprint>​ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ </​WRAP> ​ 
-  - Ermitteln Sie die Spannungsverstärkung $A_V$ für Rückkopplung $k = 0,001$ mit einer Differenzverstärkung $A_{D1} = 100‘000$ und $A_{D2} = 200‘000$. \\ Reale Differenzverstärker,​ genauer Operationsverstärker,​ werden im Kapitel 3 näher betrachtet. Zwei typengleiche Operationsverstärker können bei der Differenzverstärkung merklich unterschiedliche Werte aufweisen, z.B. durch Exemplarstreuung,​ Alterung oder Temperaturdrift. \\ Mit Blick auf das Ergebnis aus $A_{D1}$ und $A_{D2}$, was lässt sich zu einer solchen Variation eines großen Differenzverstärkungwertes um z.B. 50% sagen? <WRAP onlyprint>​ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\  </​WRAP>​ 
-  - Geben Sie an, wie sich die Spannungsverstärkung für folgende Rückkopplungen $k$ verhält: 
-    - $k < -0$ <WRAP onlyprint> ​ \\ \\  </​WRAP>​ 
-    - $k = 0$ <WRAP onlyprint> ​ \\ \\  </​WRAP>​ 
-    - $0 < k < 1$ <WRAP onlyprint> ​ \\ \\  </​WRAP>​ 
-    - $k = 1$ <WRAP onlyprint> ​ \\ \\  </​WRAP>​ 
-    - $k > 1$ <WRAP onlyprint> ​ \\ \\  </​WRAP>​ 
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-</​WRAP></​WRAP></​panel>​