Elektronik I (3V1Ü) - WS 15/16
(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
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VL-Woche Thema Aufgabenblatt Punkte Abgabetermin 1 Physikalische Grundlagen und kirchhoffsche Sätze [E1U1.pdf] 15 05.11.2015 2 kirchhoffsche Sätze, Werzeugkasten [E1U2.pdf] 18 12.11.2015 3 Dioden [E1U3.pdf] 18 19.11.2015 4 Bipolartransistoren 1 [E1U4.pdf] 18 26.11.2015 5 Bipolartransistoren 2 [E1U5.pdf] 16 03.12.2015 6 MOS-Transistoren [E1U6.pdf] 16 10.12.2015 7 Operationsverstärker [E1U7.pdf] 18 17.12.2015 8 Kapazität, Induktivität, zeitdiskrete Simulation [E1U8.pdf] 14 14.01.2016 9 Geschaltete RC- und RL-Glieder [E1U9.pdf] 15 21.01.2016 10 Frequenzbereich [E1U10.pdf] 14 28.01.2016 Teilnehmer und Ergebnisse
MatrNr Ue1 Ue2 Ue3 Ue4 Ue5 Ue6 Ue7 Ue8 Ue9 Ue10 sum ZP LN 236728 11.5 5 7.5 15.5 9.5 14 12.5 6 5.5 87 0 x 276001 341792 13.5 9 10 10.5 9.5 8 8 68.5 365673 392028 392729 14 17 14.5 8 13.5 16 83 x 400284 14.5 17 12.5 13 14 15.5 15 0-14 11.5 7.5 >120.5 1.5 x 402406 14 14 17 16 12.5 14.5 15 11.5 12 9.5 136 1.5 x 402592 12.5 9.5 10 7.5 7 13 59.5 403627 13.5 8.5 7 9 12 6 9 12.5 4 81.5 x 404477 2 6 7 7.5 22.5 406503 12 15 16 43 413693 414625 13 13.5 11 12 9 8 9.5 8.5 84.5 x 417178 13 13 417941 14 14 17 16 12.5 14.5 15 11.5 11.5 9.5 135.5 1.5 x 418241 13.5 9.5 8 31 418296 13.5 8.5 7.5 3 5 37.5 418674 419297 14 14 17 16 12.5 15.5 15 12.5 11.5 9.5 137.5 1.5 x 420642 11 4.5 9 6 7 5 12 13 9 76.5 x 421430 13.5 8.5 7.5 3 32.5 421856 423607 13 12 14 16 11 12.5 15 9 102.5 0.5 x 424897 13 16.5 7 6 42.5 425496 13 7 20 427577 11 14 8.5 14 11 12.5 11 0-14 10 3 >95 0.5 x 428578 428585 6.5 8 14.5 429043 4.5 16 8 5.5 14 11.5 11.5 6 77 x 432438 7 4 11 432713 6.5 2.5 9 436085 13 13.5 11 14.5 11.5 14 7 10 7.5 102 0.5 x 442727 13 13 443333 9.5 12.5 9.5 4.5 9 6.5 9 60.5 443807 14 17.5 13 11 11.5 15 13.5 9.5 12.5 5 122.5 1 x 444657 12.5 11.5 9 9.5 10 8 11 9 8 3.5 92 x 445270 12 16 15 16 3.5 7 5 8.5 3 9 95 0.5 x 445823 12.5 17 15 16 3.5 8.5 3 9 84.5 x 446257 14.5 16 17 15 8.5 15 17.5 13.5 13 3.5 133.5 1.5 x 447760 449834 14 4.5 18.5 460932 13.5 11 16.5 12 14 15.5 10 11.5 7 111 1 x 462484 462769 473059 12.5 12 5 29.5 x -- Leistungsnachweis ausgestellt bzw. online verbucht
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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)
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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 und werden korrigiert zurückgegeben. Der Leistungsnachweis für die Hausübungen wird ab 50% der Punkte erteilt. Für Punkte über 50% gibt es bis zu zwei Bonuspunkte für die Klausur (max. eine Notenstufe, siehe Allg. Prüfungsordnung vom 28.04.2015).
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 Prüfungsklausur findet 07.04.2016 von 09:00 bis 11:00 Hörsaal A (IfM) 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.