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

  1. stationärer Zustand: Abbildung von Schaltungen mit Quellen, Widerständen, Dioden, Bipolartransistoren, Operationsverstärkern und MOS-Transistoren auf Gleichungssysteme.
  2. Zeitveränderliche Spannungen und Ströme: Kapazität, Induktivität; zeitdiskrete Modellierung; geschaltete Systeme; Schaltungen im Frequenzraum.
  3. 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]
    1. Physik: Energie, Potential, Spannung, Strom, Ohmsches Gesetz, Leistung.
    2. Mathematik: Knoten- und Maschengleichungen, Lineare Zweipole, Nützliche Vereinfachungen, gesteuerte Quellen, Bauteile mit nichtlinearen Kennlinien.
  • [F2: Handwerkszeug bis Schaltungen mit Dioden]
    1. Handwerkszeug: Widerstandsnetzwerke, Spannungsteiler, Stromteiler, Zerlegung in Überlagerungen, Zweipolvereinfachung.
    2. 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]
    1. MOS-Transistoren: Verstärker, Schaltbetrieb, CMOS-Gatter, Speicherzellen.
    2. Operationsverstärker: Verstärker, Rechenelemente, Komparator, Analog-Digital-Wandler.
  • [F5: Kapazitäten und Induktivitäten, Zeitdiskrete Modellierung]
    1. Kapazität, Induktivität, Gegeninduktivität, Dreckeffekte.
    2. 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]
    1. Halbleiter: Bewegliche Elektronen, Leiter und Nichtleiter, Dotierte Halbleiter.
    2. pn-Übergang: Spannungsfrei, Sperrbereich, Durchlassbereich.
    3. Bipolartransistor: Transistoreffekt, Übersteuerung.
    4. 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-WocheThemaAufgabenblattPunkteAbgabetermin
    1Physikalische Grundlagen und kirchhoffsche Sätze[E1U1.pdf]1530.10.2014
    2Widerstandsnetzwerke, Spannungsteiler, Überlagerungssatz[E1U2.pdf]1406.11.2014
    3Dioden[E1U3.pdf]1513.11.2014
    4Bipolartransistoren 1[E1U4.pdf]1620.11.2014
    5Bipolartransistoren 2[E1U5.pdf]1627.11.2014
    6MOS-Transistoren[E1U6.pdf]1304.12.2014
    7Operationsverstärker[E1U7.pdf]1511.12.2014
    8Kapazität, Induktivität, zeitdiskrete Simulation[E1U8.pdf]1218.12.2014
    9geschaltete Systeme[E1U9.pdf]1215.01.2015
    10Frequenzbereich[E1U10.pdf]1429.01.2015
    Teilnehmer und Ergebnisse
    MatrnÜ1Ü2Ü3Ü4Ü5Ü6Ü7Ü8Ü9Ü10SummeZPbestanden
    441630121413,5 1511,5131211141164ja
    43223212,5129,5911131052 843ja
    37176212,59 12,5 11 8  532nein
    384975---  10,510,5810 391,5nein
    380445            nein
    416768            nein
    4503998,57        15,50,5nein
    355391 4,5        4,50nein
    42001315141113 12.514121111113,54ja
    404611            nein
    372543            nein
    412290            nein
    4498348,576       21,50,5nein
    428585            nein
    424897812985,571112  72,52,5ja
    43070412139,599,5131052 833ja
    4188011376,510,5 91412  722,5ja
    355834141312,5 159,57   712,5ja
    429043914711 10114  662nein
    34179210144,5   1112 1162,52nein
    408354            nein
    42943813,5129111113106  85,53ja
    4312939,5107,5121044,575978,52,5ja
    42064213,512 13      38,51,5nein
    39225514141213 8    612nein
    391175            nein
    36811914,5131216161212   95,53ja
    4305221378,5911131051,5 782,5ja
    421351151410,511 131111 1196,53ja
    421265            nein
    44835214,597,5117,5869  72,52,5ja
    4470451212793,581093,5 742,5ja
    4153729  6      150,5nein
    4369681310,512161511,5101210,514124,54ja
    418296            nein
    429469            nein
    420116      1391214481,5nein
  • 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

  1. G. Kemnitz. Technische Informatik Band 1: Elektronik. Springer. 2009.
  2. U. Tietze, Christoph Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik. Springer-Verlag. 2002.
  3. 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.

Vergangene Semester