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elektronische_schaltungstechnik:1_grundlagen_zu_verstaerkern [2020/07/02 13:39]
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elektronische_schaltungstechnik:1_grundlagen_zu_verstaerkern [2021/05/02 19:48] (aktuell)
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 ====== 1. Grundlagen zu Verstärkern ====== ====== 1. Grundlagen zu Verstärkern ======
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 <​imgcaption tablelabel| Übersicht der verschiedenen Bereiche der Elektronik></​imgcaption>​ <​imgcaption tablelabel| Übersicht der verschiedenen Bereiche der Elektronik></​imgcaption>​
-<a2s> +{{drawio>​UebersichtElektronik}} 
-.-----------------------------------------------------------------------.  +</​panel></​WRAP>
-|[G]                                                          Grundlagen| +
-|.--------------. .--------------. .--------------. .--------------. ​   | +
-||[I]elektrische| |[I]Erstellung | |[H]Werkstoffe,​| |[H]Test, ​     |    |  +
-||+elektronische| |v. Schaltungen| |Entw.Prozesse,​| | Debugging, ​  ​| ​   | +
-|| Komponenten ​ | | +Platinen ​   | | Konzepte ​    | | Design Think.| ​   | +
-|'​-------+------'​ '​-------+------'​ '​-------+------'​ '​------+-------' ​   | +
-|        :                :                :               : ​           | +
-.--------+----------------+----------------+---------------+------------.  +
-         : ​               :                :               : ​  +
-  .------+----------------+----------------+---------------+---. +
-  |[A]                                                         | +
-  |                          ELEKTRONIK ​                       | +
-  |                                                            | +
-  '​------+------------+--------------+--------------+----------'​ +
-         ​| ​           |              |              | +
-.--------+------------+--------------+--------------+--------------------. +
-|[G]     ​| ​           |              |              |   ​Spezialisierungen| +
-| .------+----. ​ .----+-----. ​ .-----+-------. ​ .---+------------. ​      |  +
-| |[B]Digital-| ​ |[C]Analog-| ​ |[D]Leistungs-| ​ |[E]Hochfrequenz-| ​      | +
-| | elektronik| ​ |elektronik| ​ |  elektronik |  |    elektronik ​ |       | +
-| '​----+------' ​ '​-----+----' ​ '​---------+---' ​ '​----------+-----' ​      | +
-|       ​^ ​             ^                 ​^ ​               ^              | +
-'​-------+--------------+-----------------+----------------+--------------'​  +
-        |              |                 ​| ​               |                 +
-.-------+--------------+-----------------+----------------+--------------.  +
-|[G]    v              v                 ​v ​               vSchnittstellen| +
-| .------------. .------------------. .-------------. .--------------. ​  | +
-| |[F] Gatter, | |[J]Verstärker, ​   | |[F] Antriebe,| |[F] Funk,     ​| ​  | +
-| | FPGA, CPLD,| | Filter, Analog- ​ | |Beleuchtung,​ | |  Bluetooth, ​ |   | +
-| |CPU, PCs,.. | |Digital-Wandler,​..| | Netzteile,​..| |   ​EMV,​.. ​    ​| ​  | +
-| '​------------'​ '​------------------'​ '​-------------'​ '​--------------' ​  | +
-'​------------------------------------------------------------------------' ​+
  
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-[G]: {"​fill":"#​DDDDDD","​stroke":"#​EEEEEE",​ "​a2s:​delref":​true} 
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 ===== 1.0 Was ist elektronische Schaltungstechnik ===== ===== 1.0 Was ist elektronische Schaltungstechnik =====
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 Diese Komponenten und Schaltungen verbinden häufig die digitale mit der analogen Welt oder passen Spannungen und Ströme so an, dass diese weiterverwendet werden können. Daneben bilden die Komponenten "​Transistor"​ und "​Diode"​ die Basis sowohl für Digital-, Leistungs- als auch Hochfrequenzelektronik. Ohne zu übertreiben,​ stellen diese Komponenten die Grundlage der modernen Welt dar; sie bilden heute das [[grundlagen_der_digitaltechnik:​im_herzen_eines_computers|Herz jedes Computers]] und jedes Rechners. Diese Komponenten und Schaltungen verbinden häufig die digitale mit der analogen Welt oder passen Spannungen und Ströme so an, dass diese weiterverwendet werden können. Daneben bilden die Komponenten "​Transistor"​ und "​Diode"​ die Basis sowohl für Digital-, Leistungs- als auch Hochfrequenzelektronik. Ohne zu übertreiben,​ stellen diese Komponenten die Grundlage der modernen Welt dar; sie bilden heute das [[grundlagen_der_digitaltechnik:​im_herzen_eines_computers|Herz jedes Computers]] und jedes Rechners.
  
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 ===== 1.1 Warum Verstärker?​ ===== ===== 1.1 Warum Verstärker?​ =====
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 + 
 +Bei den meisten Anwendungen wird ein Spannungsverstärker benötigt. Entsprechend wird dieser für die folgende Erklärung zu Grunde gelegt. Die ermittelten Größen gelten aber entsprechend für andere Verstärker. In <imgref pic1> ist ein Spannungsverstärker als Blackbox abgebildet. Der Spannungsverstärker versucht stets ein vorgegebenes Vielfaches der Eingangsspannung $U_E$ am Ausgang als Eingangsspannung $U_A$ auszugeben. Dieses "​Vielfache"​ kann als Verhältnis ermittelt werden. \\ \\ 
 + 
 +Rechts ist eine **Simulation eines idealen Verstärkers** zu sehen. Die eingangsseitige Quelle gibt die zu verstärkende Spannung vor. Der Verstärker mit Verstärkungsfaktor 100 hat die Anschlüsse für Ein- und Ausgangsspannung eingezeichnet. Auf der rechten Seite ist als Last ein Widerstand vorgesehen; dieser kann über einen Schalter variiert werden.  
 +\\ \\ 
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-Bei den meisten Anwendungen wird ein Spannungsverstärker benötigt. Entsprechend wird dieser für die folgende Erklärung zu Grunde gelegt. Die ermittelten Größen gelten aber entsprechend für andere Verstärker. In <imgref pic1> ist ein Spannungsverstärker als Blackbox abgebildet. Der Spannungsverstärker versucht stets ein vorgegebenes Vielfaches der Eingangsspannung $U_E$ am Ausgang als Eingangsspannung $U_A$ auszugeben. Dieses "​Vielfache"​ kann als Verhältnis ermittelt werden. \\ \\ 
- 
-Rechts ist eine **Simulation eines idealen Verstärkers** zu sehen. Die eingangsseitige Quelle gibt die zu verstärkende Spannung vor. Der Verstärker mit Verstärkungsfaktor 100 hat die Anschlüsse für Ein- und Ausgangsspannung eingezeichnet. Auf der rechten Seite ist als Last ein Widerstand vorgesehen; dieser kann über einen Schalter variiert werden. ​ 
-\\ \\ 
 In der Simulation sind einige Eigenschaften eines Verstärker zu sehen: ​ In der Simulation sind einige Eigenschaften eines Verstärker zu sehen: ​
   - Im Idealfall fließt eingangsseitig kein Strom in den Verstärker.   - Im Idealfall fließt eingangsseitig kein Strom in den Verstärker.
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 ==== idealisierte Verstärkergrundtypen ==== ==== idealisierte Verstärkergrundtypen ====
  
-<WRAP right column ​60%>+<WRAP right column ​40em>
 <panel type="​default"​ title="​idealisierte Verstärkergrundtypen"​ no-body="​true">​ <panel type="​default"​ title="​idealisierte Verstärkergrundtypen"​ no-body="​true">​
 {{tablelayout?​colwidth=""​}} {{tablelayout?​colwidth=""​}}
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 Eine ähnliche Betrachtung lässt sich für den **Ausgangswiderstand** $\boldsymbol{R_A}$ durchführen. Soll eine Spannung ausgegeben werden, so muss der Ausgangswiderstand so dimensioniert sein, dass auch am Ausgang die Spannung an der Last nicht einbricht. Der Ausgangswiderstand möglichst klein sein, damit die dort abfallende Spannung gering wird. \\ Eine ähnliche Betrachtung lässt sich für den **Ausgangswiderstand** $\boldsymbol{R_A}$ durchführen. Soll eine Spannung ausgegeben werden, so muss der Ausgangswiderstand so dimensioniert sein, dass auch am Ausgang die Spannung an der Last nicht einbricht. Der Ausgangswiderstand möglichst klein sein, damit die dort abfallende Spannung gering wird. \\
  
 +~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~
 <WRAP right><​panel type="​default"> ​ <WRAP right><​panel type="​default"> ​
 <​imgcaption pic3|Verstärker mit Quelle und Last (mit realen Stromquellen)>​ <​imgcaption pic3|Verstärker mit Quelle und Last (mit realen Stromquellen)>​
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 ===== 1.3 Rückkopplung ===== ===== 1.3 Rückkopplung =====
  
-<WRAP right> +<WRAP right><​panel type="​default"​>  
-<​imgcaption pic4|Blockschaltbild eines rückgekoppelten Verstärkers>​{{ ​elektronische_schaltungstechnik:​rueckkopplung.jpg?​600}}</imgcaption> +<​imgcaption pic4|Blockschaltbild eines rückgekoppelten Verstärkers>​ 
-</​WRAP>​+</​imgcaption>​ 
 +{{drawio>​BlockschaltbildRueckkopplung}} 
 +</panel></​WRAP>​ 
  
 Eines der grundlegenden Prinzipien der Regelungstechnik,​ Digitaltechnik und Elektronik ist die **Rückkopplung**. So wurde in [[Grundlagen der Digitaltechnik:​start]] bereits für die Entwicklung eines Flipflops der Ausgangswert eines NOR-Gatters auf dessen Eingangs über Umwege zurückgeleitet. Ähnlich soll hier der Ausgangswert des idealen Verstärker zurück auf den Eingang geleitet werden. Im Gegensatz zur Digitaltechnik wird in der Regelungstechnik und Elektronik ein Bruchteil (in seltenen Fällen: ein Vielfaches) des Ausgangswerts zurückgeführt. \\  Eines der grundlegenden Prinzipien der Regelungstechnik,​ Digitaltechnik und Elektronik ist die **Rückkopplung**. So wurde in [[Grundlagen der Digitaltechnik:​start]] bereits für die Entwicklung eines Flipflops der Ausgangswert eines NOR-Gatters auf dessen Eingangs über Umwege zurückgeleitet. Ähnlich soll hier der Ausgangswert des idealen Verstärker zurück auf den Eingang geleitet werden. Im Gegensatz zur Digitaltechnik wird in der Regelungstechnik und Elektronik ein Bruchteil (in seltenen Fällen: ein Vielfaches) des Ausgangswerts zurückgeführt. \\ 
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 <panel type="​danger"​ title="​Merke:​ Verstärkungsfaktoren">​ <panel type="​danger"​ title="​Merke:​ Verstärkungsfaktoren">​
 <WRAP group><​WRAP column 3%>​{{fa>​exclamation?​32}}</​WRAP><​WRAP column 85%> <WRAP group><​WRAP column 3%>​{{fa>​exclamation?​32}}</​WRAP><​WRAP column 85%>
-Die **Differenzverstärkung** $\boldsymbol{A_D}$ bezieht sich nur auf Eingangs- und Ausgangsspannung des inneren Verstärkers:​ $A_D=\frac{U_A}{\Delta U}$ \\ Diese wirkt nur ohne externe Rückkopplung. Sie wird auch Leerlaufverstärkung (im Englischen open-loop gain) genannt. \\ \\+Die **Differenzverstärkung** $\boldsymbol{A_D}$ bezieht sich nur auf Eingangs- und Ausgangsspannung des inneren Verstärkers:​ $A_D=\frac{U_A}{U_D}$ \\ Diese wirkt nur ohne externe Rückkopplung. Sie wird auch Leerlaufverstärkung (im Englischen open-loop gain) genannt. \\ \\
  
 Die **Spannungsverstärkung** $\boldsymbol{A_V}$ bezieht sich auf Eingangs- und Ausgangsspannung der gesamten Schaltung __mit Rückkopplung__:​ $A_V=\frac{U_A}{U_E}$ \\ Sie wird im Englischen closed-loop gain genannt. \\ \\ Die **Spannungsverstärkung** $\boldsymbol{A_V}$ bezieht sich auf Eingangs- und Ausgangsspannung der gesamten Schaltung __mit Rückkopplung__:​ $A_V=\frac{U_A}{U_E}$ \\ Sie wird im Englischen closed-loop gain genannt. \\ \\
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 === mit Antworten === === mit Antworten ===
  
-<quizlib id="​quiz"​ rightanswers="​[['​a3'​],​['​a2'​],​ ['​a3'​]]"​ submit="​Antworten überprüfen">​ +<quizlib id="​quiz"​ rightanswers="​[['​a3'​],​['​a2'​],​ ['​a3'​],​ ['​a1'​],​ ['​a3'​],​ ['​a0', ​'​a3'​]]"​ submit="​Antworten überprüfen">​ 
-    <​question title="​Wie ist der Eingangswiderstand ​eines Verstärkers definiert?"​ type="​checkbox">​ +    <​question title="​Wie ist der Ausgangswiderstand ​eines Verstärkers definiert?"​ type="​checkbox">​ 
-$R_E = \Delta U_E / \Delta I_A$| +$R_A = \Delta U_E / \Delta I_A$| 
-$R_E = U_E / I_A$| +$R_A = U_E / I_A$| 
-$R_E = \Delta ​U_E / \Delta ​I_E$| +$R_A = \Delta ​U_A / \Delta ​I_A$| 
-$R_E = -\Delta ​U_E / \Delta ​I_E$| +$R_A = -\Delta ​U_A / \Delta ​I_A$| 
-$R_E =  ​U_E I_E$+$R_A =  ​U_A I_A$
 </​question>​ </​question>​
     <​question title="​Wann spricht man von Gegenkopplung,​ wann von Rückkopplung?"​ type="​checkbox">​     <​question title="​Wann spricht man von Gegenkopplung,​ wann von Rückkopplung?"​ type="​checkbox">​
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 $R_E → ∞$, $R_A → 0$| $R_E → ∞$, $R_A → 0$|
 $R_E → ∞$, $R_A → ∞$ $R_E → ∞$, $R_A → ∞$
 +</​question>​
 +    <​question title="​Wofür kann man einen Linearregler nutzen?"​ type="​checkbox">​
 +Zum Regeln von Linearmotoren|
 +Zur Ausgabe von festen Spannungswerten|
 +Zum Regeln von linearen Schaltungen|
 +Zur Ausgabe fester Stromwerte
 +</​question>​
 +    <​question title="​Welche Art von Verstärker erzeugt aus einem Eingangsspannung $U_E$ einen Ausgangsstrom $I_A$ in der Art, dass eine Ausgangsspannung $U_A = C \cdot U_E$ mit konstantem $C$ entsteht?"​ type="​checkbox">​
 +Strom-Spannungs-Wandler|
 +Stromverstärker|
 +Spannungs-Strom-Wandler|
 +Spannungsverstärker
 +</​question>​
 +    <​question title="​Der Übertragungswiderstand ..." type="​checkbox">​
 +kann nicht mittels eines Widerstandsmessgeräts gemessen werden|
 +kann für Spannungsteiler genutzt werden|
 +ist gegeben durch ${U_E} \over {I_A}$, mit Eingangsspannung $U_E$ und Ausgangstrom $I_A$ |
 +gibt eine Verstärkung an
 </​question>​ </​question>​
 </​quizlib>​ </​quizlib>​