Elektronik I (3V1Ü) - WS 14/15
(G. Kemnitz, C. Giesemann)
Die Vorlesung "Elektronik 1" vermittelt, wie kleine Schaltungen aus Widerständen, Kondensatoren und anderen Bauteilen zusammengebaut und berechnet werden. Im begleitenden Praktikum Elektronik wird das erlernte Wissen an Steckbrettern und mit echten Bauteilen ausprobiert.
Inhalt der Lehrveranstaltung
- stationärer Zustand: Abbildung von Schaltungen mit Quellen, Widerständen, Dioden, Bipolartransistoren, Operationsverstärkern und MOS-Transistoren auf Gleichungssysteme.
- Zeitveränderliche Spannungen und Ströme: Kapazität, Induktivität; zeitdiskrete Modellierung; geschaltete Systeme; Schaltungen im Frequenzraum.
- Fortgeschrittene Themen: Halbleiterbauelemente; digitale Halbleiterschaltungen; elektrisch lange Leitungen.
Zielgruppe: Diplom Informatik, Informationstechnik, Maschinenbau/Mechatronik, Bachelor Technische Informatik, Maschinenbau, Master Technische BWL
Foliensätze
- [F1: Vorwort bis mathematische Grundlagen]
- Physik: Energie, Potential, Spannung, Strom, Ohmsches Gesetz, Leistung.
- Mathematik: Knoten- und Maschengleichungen, Lineare Zweipole, Nützliche Vereinfachungen, gesteuerte Quellen, Bauteile mit nichtlinearen Kennlinien.
- [F2: Handwerkszeug bis Schaltungen mit Dioden]
- Handwerkszeug: Widerstandsnetzwerke, Spannungsteiler, Stromteiler, Zerlegung in Überlagerungen, Zweipolvereinfachung.
- Dioden: LED-Anzeige für Logikwerte, Gleichrichter, Diode als Spannungsquelle, Logikfunktionen.
- [F3: Schaltungen mit Bipolartransistoren] Spannungsverstärker, Differenzverstärker, Stromquellen, Transistorinverter, DT-Gatter, Spannungsstabilisierung.
- [F4: Schaltungen mit MOS-Transistoren und Operationsverstärkern]
- MOS-Transistoren: Verstärker, Schaltbetrieb, CMOS-Gatter, Speicherzellen.
- Operationsverstärker: Verstärker, Rechenelemente, Komparator, Analog-Digital-Wandler.
- [F5: Kapazitäten und Induktivitäten, Zeitdiskrete Modellierung]
- Kapazität, Induktivität, Gegeninduktivität, Dreckeffekte.
- Zeitdiskretes Modell: Prinzip, Glättungskondensator, Schaltnetzteil, H-Brücke, CMOS-Inverter.
- [F6: Geschaltete Systeme] Sprungantwort, Geschaltetes RC-Glied, Abbildung auf RC-Glieder, Geschaltetes RL-Glied, Abbildung auf RL-Glieder, RC-Oszillator.
- [F7: Frequenzraum] Fouriertransformation, FFT/Matlab, komplexe U, I, R, Abbildung von Schaltungen auf Gleichungssysteme, Handwerkszeug, Transistorverstärker, Operationsverstärker.
- [F8: Halbleiter]
- Halbleiter: Bewegliche Elektronen, Leiter und Nichtleiter, Dotierte Halbleiter.
- pn-Übergang: Spannungsfrei, Sperrbereich, Durchlassbereich.
- Bipolartransistor: Transistoreffekt, Übersteuerung.
- MOS-Transistor: Feldeffekt, Aktiver Bereich, Einschnürbereich.
- [F9: Leitungen] Wellengleichung, Wellenwiderstand, Reflexion, Sprungantwort, Messen von Leitungsparametern.
Übungsaufgaben
-
Aufgaben WS2014/2015: (j -- Leistungsnachweis erteilt; j* -- Leistungsnachweis erteilt und im Prüfungssystem verbucht; ? -- die Erteilung des Leistungsnachweises hängt vom letzten Übungsblitt ab.
VL-Woche Thema Aufgabenblatt Punkte Abgabetermin 1 Physikalische Grundlagen und kirchhoffsche Sätze [E1U1.pdf] 15 30.10.2014 2 Widerstandsnetzwerke, Spannungsteiler, Überlagerungssatz [E1U2.pdf] 14 06.11.2014 3 Dioden [E1U3.pdf] 15 13.11.2014 4 Bipolartransistoren 1 [E1U4.pdf] 16 20.11.2014 5 Bipolartransistoren 2 [E1U5.pdf] 16 27.11.2014 6 MOS-Transistoren [E1U6.pdf] 13 04.12.2014 7 Operationsverstärker [E1U7.pdf] 15 11.12.2014 8 Kapazität, Induktivität, zeitdiskrete Simulation [E1U8.pdf] 12 18.12.2014 9 geschaltete Systeme [E1U9.pdf] 12 15.01.2015 10 Frequenzbereich [E1U10.pdf] 14 29.01.2015 Teilnehmer und Ergebnisse
Matrn Ü1 Ü2 Ü3 Ü4 Ü5 Ü6 Ü7 Ü8 Ü9 Ü10 Summe ZP bestanden 441630 12 14 13,5 15 11,5 13 12 11 14 116 4 ja 432232 12,5 12 9,5 9 11 13 10 5 2 84 3 ja 371762 12,5 9 12,5 11 8 53 2 nein 384975 - - - 10,5 10,5 8 10 39 1,5 nein 380445 nein 416768 nein 450399 8,5 7 15,5 0,5 nein 355391 4,5 4,5 0 nein 420013 15 14 11 13 12.5 14 12 11 11 113,5 4 ja 404611 nein 372543 nein 412290 nein 449834 8,5 7 6 21,5 0,5 nein 428585 nein 424897 8 12 9 8 5,5 7 11 12 72,5 2,5 ja 430704 12 13 9,5 9 9,5 13 10 5 2 83 3 ja 418801 13 7 6,5 10,5 9 14 12 72 2,5 ja 355834 14 13 12,5 15 9,5 7 71 2,5 ja 429043 9 14 7 11 10 11 4 66 2 nein 341792 10 14 4,5 11 12 11 62,5 2 nein 408354 nein 429438 13,5 12 9 11 11 13 10 6 85,5 3 ja 431293 9,5 10 7,5 12 10 4 4,5 7 5 9 78,5 2,5 ja 420642 13,5 12 13 38,5 1,5 nein 392255 14 14 12 13 8 61 2 nein 391175 nein 368119 14,5 13 12 16 16 12 12 95,5 3 ja 430522 13 7 8,5 9 11 13 10 5 1,5 78 2,5 ja 421351 15 14 10,5 11 13 11 11 11 96,5 3 ja 421265 nein 448352 14,5 9 7,5 11 7,5 8 6 9 72,5 2,5 ja 447045 12 12 7 9 3,5 8 10 9 3,5 74 2,5 ja 415372 9 6 15 0,5 nein 436968 13 10,5 12 16 15 11,5 10 12 10,5 14 124,5 4 ja 418296 nein 429469 nein 420116 13 9 12 14 48 1,5 nein -
Hier finden Sie ein Java-Applet zur Simulation elektronischer Schaltungen. Beim Start erscheint eine einfache LRC-Schaltung, andere Schaltungen können über den Menüpunkt "Circuits" geladen werden. Grüne Leitungen signalisieren positive Spannungen, rote negative und graue Verbindungen die Masse. Schalter können mit der Maus geöffnet oder geschlossen werden. Um z.B einen Widerstandswert zu ändern, klicken Sie mit der rechten Maustaste auf ein Bauteil und dann auf "Edit".
Interessante Beispiele:
- Basics->Inductor/Capacitor (Spule/Kondensator)
- Basics->Voltage Divider (Spannungsteiler)
- Diodes->Half-Wave Rectifier (Einweggleichrichter)
- Diodes->Full-Wave Rectifier w/Filter (Brückengleichrichter mit Glättung)
- Op-Amps->Amplifiers->Inverting Amplifier (Invertierender Verstärker)
- 555 Timer Chip->Square Wave Generator (Rechteckgenerator mit IC NE555)
-
Die Abbildungs- und Aufgabennummern beziehen sich auf das Lehrbuch: G. Kemnitz. Technische Informatik Band 1: Elektronik. Springer. 2009.
Berechnung der Ströme zu Abb. 1.15
Erzeugung eines breitbandigen Testsignals zu Abb.2.103
Zeigerdarstellung der Wellenausbreitung zu Abb. 3.72
Zeitdiskrete Simulation der RCL-Schaltung zu Aufgabe 2.8
Zeitdiskrete Simulation RCL-Schaltung zu Aufgabe 2.9
Zeitdiskrete Simulation einer CMOS-Inverterketter zu Aufgabe 2.22
Zusammensetzen eines Ausgabesignals aus Sprungantworten zu Aufgabe 2.22
Annäherung eines Sägezahns durch eine Fourierreihe zu Aufgabe 2.22
Frequenz und Phasenfrequenzgang eines Filters mit Operationsverstärker zu Aufgabe 2.27
Literatur
- G. Kemnitz. Technische Informatik Band 1: Elektronik. Springer. 2009.
- U. Tietze, Christoph Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik. Springer-Verlag. 2002.
- K.-H. Cordes, A. Waag, N. Heuck: Integrierte Schaltungen. Pearson 2011
Organisation
Die Veranstaltung hat einen Gesamtstundenumfang von 3V+1Ü. Am Mittwoch ist immer Vorlesung und donnerstags findet alle zwei Wochen eine Übung statt. Es wird jede Woche Hausübungen geben. Die Aufgabenstellungen werden jeweils donnerstags bekannt gegeben und erfordern einen Arbeitsaufwand von 30 bis 90 Minuten. Die Ausarbeitungen sind am darauffolgenden Donnerstag abzugeben, werden korrigiert zurückgegenen und fließen in Form von Bonuspunkten in die Prüfungsnote mit ein. Für den Leistungsnachweis für die Hausübungen sind 50% der Punkte erforderlich.
Auch für die Studiengänge, für die das keine Pflicht ist, ist eine Teilnahme an dem Praktikum Elektronik I zu empfehlen. Für die meisten dieser Studiengänge wird es als Fachpraktikum anerkannt.
Aktuelles
Die Prüfung findet als Klausur am Mi., den 01.04.2015 von 9:15 bis 10:45 Uhr im HA im Institut für Mathematik statt. Erlaubte Hilfsmittel für die Prüfung sind eigene Ausarbeitungen und Taschenrechner. Zu den eigenen Ausarbeitungen zählen Mitschriften, die ausgeteilten Foliensätze mit eigenen Kommentaren, die zurückgegebenen korrigierten Hausübungen, selbst angefertigte schriftliche Prüfungsvorbereitungen und Bücher mit Lesezeichen und Notizzetteln. Handys sind während der Prüfung auszuschalten. Laptops und andere elektronische Hilfsmittel sind nicht zugelassen.