Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik für nicht
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Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik für nicht-elektrotechnische Fachrichtungen Tatjana Lange Fachbereich Elektrotechnik Automatisierungstechnik 2001 Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 1 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Inhalt: Inhalt: 1.1.Einführung Einführung (wichtige (wichtigeelektrische elektrischeGrößen, Größen,Klassifizierung Klassifizierungvon vonSignalen Signalenund undSystemen) Systemen) 2.2.Bauelemente Bauelementeder derElektronik Elektronik 3.3.Digitale Digitaleelektronische elektronischeSchaltungen Schaltungen Some electric stuff for non-electrical staff Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 2 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik 1. 1. Einführung Einführung Inhalt: • Kleiner geschichtlicher Rückblick • Wichtige elektrische Größen • Klassifikation Signale und Systeme • Typische Anwendungsfälle elektronischer Schaltungen Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 3 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Kleiner Kleinergeschichtlicher geschichtlicherRückblick Rückblick Die Anfänge der Anfänge und die ersten großen Entdeckungen Jahr Entdeckung / Entwicklung Entdecker 1600 Untersuchungen zu „corpora electrica“ W. Gilbert 1600 Elektrisiermaschine v. Guericke 1783 Plattenkondensator A. Volta 1800 Volta-Element / Volta-Säule A. Volta Gleichspannung bis 100 V 1820 Elektromagnetismus H.C. Ørsteds Generatoren, Motoren, Nachrichtenübertragung 1825 Ohmsche Gesetz U=R· I G.S. Ohm Berechnung elektr. Schaltungen 1831 elektromagn. Induktion M. Faraday Dynamo, Generator Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Grundlage für Energiespeicherung Prof. Dr. Tatjana Lange 4 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Bahnbrechende Entdeckungen und Erfindungen 1831/34 Idee des elektr. Feldes M. Faraday Maxwell‘sche Theorie 1847 brauchbarer Zeigertelegraph W. v. Siemens Durchbruch der Telegraphie 1861/64 Postulat d. elektromagn. J.C. Maxwell Elektronik !!! Schwingung bzw. Wellen 1861 elektr. Übertr. von Tönen J.P. Reis Telephonie 1876 Telephon Bell Beginn der Telephonie 1883 Glühemission T.A. Edison Diode und Elektronenröhre 1887/88 Nachweis Wellenausbreitung H. Hertz drahtlose Signalübertragung 1895 Antenne A.S. Popow drahtlose Signalübertragung 1896/97 drahtlose Signalübertragung Markoni/Popow Funk / Rundfunk / Fernsehen 1900/04 Glühkathoden-Diode J.A. Fleming Modulation / Demodulation 1906/07 Elektronenröhre v. Lieben Verstärkertechnik 19913 Schwingungserzeugung A. Meissner Rundfunk, Fernsehen 1919 Röhrenverstärker v. Mihály Informationsübertragung Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 5 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Die großen Erfindungen des 20. Jahrhunderts 1920 um1920 1930 Ende 30er 1947 1947/48 1958 1962 1964 1965 1971 1971 1991 Rundfunk Trägerfrequenztechnik in Fernsprechnetzen elektronisches Fernsehen durch M.v.Ardenne Radar ENIAC - röhrenbestückte Rechenmaschine Erfindung des Transistors durch Bardeen, Brattain, Shockley erster integrierter Schaltkreis von Jack S. Kilby IBM 7070 - volltransistorierte elektronische Rechenmaschine IBM 360 - elektronische Rechenmaschine auf Basis von integrierten Schaltkreisen und Transistoren erste digitale Übertragungssysteme (PCM) INTEL 4004 - erster Mikroprozessor Taschenrechner erste brauchbare mobile Telefone Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 6 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik vgl. mit Wasserdruck Wichtige Wichtigeelektrische elektrischeGrößen Größen Spannung U Maßeinheit: V - Volt vgl. mit Wasserdurchfluß Stromstärke I Maßeinheit: A - Ampère 0,2 A 1,5 V + 0,3 W elektr. Leistung P Maßeinheit: W - Watt • Je größer die Spannung, um so größer die Stromstärke. I~U 3V + 0,4 A • Je größer die Spannung, um so größer die Leistung. • Je größer die Stromstärke, um so größer die Leistung. P = U ·I Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik 1,2 W Prof. Dr. Tatjana Lange 7 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Klassifikation KlassifikationSignale Signaleund undSysteme Systeme Signale: zeitliche Änderungen einer physikalischen Größe, z.B. Spannung, Lichtstärke, ... diskrete analoge digitale u(t) u(t) 121 determinierte u(t) t t u(t) 12101210 t stochastische u(t) u(t) t Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik t 1 -1 0 2 3 ... t Prof. Dr. Tatjana Lange 8 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Beispiele: u(t)) Wechselstrom t Sprachsignal Daten Diese Signale sind Träger von Information ! 01000110 Information = Abbau von Unsicherheit ! Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 9 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Frequenzbegriff: Töne und Frequenzen: Der zeitliche Verlauf eines reinen Tones entspricht dem Verlauf einer SINUS-Kurve: Amplitude [V] Zeit t Je lauter der Ton, um so größer ist die Amplitude der SINUS-Schwingung: Je höher der Ton, um so hoher ist die Frequenz der SINUS-Schwingung: Amplitude [V] Zeit t Was ist Frequenz? Was ist 1 Hz (Hertz) ? Frequenz = Anzahl der Polaritätswechsel pro Zeiteinheit: Amplitude [V] Zeit t + 1 sec 1 Hz Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik + + 1 sec 2 Hz Prof. Dr. Tatjana Lange 10 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik System: griech. sýstema -> „aus mehreren Teilen zusammengesetztes, gegliedertes Ganzes“ Technische Systeme sind gekennzeichnet • durch einen oder mehrere Eingänge, an denen Einflußgrößen (Eingangssignale) wirken, • und durch einen oder mehrere Ausgänge, an denen die beeinflußten Größen (Ausgangssignale) beobachtet bzw. gemessen werden können. 1 Eingang 1 Ausgang System n Eingänge m Ausgänge System Auf (techn.) Systeme wirken immer Störungen, die jedoch unter bestimmten Bedingungen vernachlässigt werden können. System Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 11 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik u1(t) System u2(t) lineares System nichtlineares System Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 12 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik u1(t) System u2(t) zeitinvariantes System nichtzeitinvariantes System Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 13 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Elektronische Systeme typische Einordnung analoge • zeitinvariante Systeme diskrete / digitale • zeitinvariante Systeme • typisch: lineare Systeme • lineare Systeme (im normalen Arbeitsbereich) Beispiel: Verstärker Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Beispiel: digitale Filter • nichtlin. Systeme Beispiel: logische Gatter Prof. Dr. Tatjana Lange 14 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Typische TypischeAnwendungsfälle Anwendungsfälleelektronischer elektronischerSchaltungen Schaltungen Bauelemente Realisierung Signalart Elektronische Schaltungen analoge digitale hybride (ADU, DAU) • Festverdrahtung von Bauelementen und Grundfunktionen binäre • Festverdrahtung der Bauelemente durch Hersteller ð Integrierte Schaltkreise (IC) • programmierbare Verdrahtung durch Anwender • Speicherprogrammierung durch Anwender geringe Komplexität Bipolartechnik (Transistoren, Dioden, R, C, (L)) Unipolartechnik (Feldeffekttransitoren ð MOSFET) Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik mehrwertige hohe Komplexität Hybridtechnik (Transistoren, MOSFET) Ladungstransfertechnik (CCD, BBD) Prof. Dr. Tatjana Lange 15 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik analoge Steuerung und Regelung digitale digitale • Radio , TV • Telefonie • Datenübertragung digitale • Computer • Mainframes • Spezialrechner analoge Informationsübertragung Informationsverarbeitung Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik • Industrie • Transport • Haushalt • Medizin Prof. Dr. Tatjana Lange 16 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Bauelemente Bauelemente der der Elektronik Elektronik Inhalt: • Passive Bauelemente • Aktive Bauelemente ð Halbleiterdiode ð Bipolartransistor ð Bipolartransistor als elektronischer Verstärker ð Feldeffekttransistor ð Feldeffektransistor als elektronischer Schalter • Leiterplatten Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 17 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Passive Bauelemente Ø Leiter und Widerstände Ø Kondensatoren Ø Spulen C [F] L [H] R [Ω] Ohm (nach Ohm) Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Farad (nach Faraday) Henry (nach Henry) Prof. Dr. Tatjana Lange 18 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Elektrische Leiter und Widerstände: Stoffe reagieren unterschiedlich auf das Anlegen einer elektrischen Spannung: • Bei bestimmten Stoffen erfolgt ein nahezu „ungebremster“ Transport von elektrischen Ladungsträgern (z.B. Elektronen), d.h. diese Stoffe haben ein ausgeprägtes Vermögen, unter Einfluß eines elektrischen Feldes einen elektrischen Strom zu führen. Sie besitzen eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit. Diese Stoffe nennt man elektrische Leiter. Beispiele: Metalle wie Silber, Kupfer, Gold, Aluminium. • Stoffe mit äußerst geringer elektrischer Leitfähigkeit nennt man Isolatoren oder Dielektrika. Beispiele: Keramik, Kunststoffe, Papier • Stoffe mit einer mittleren Leitfähigkeit nennt man Halbleiter. Beispiele: Silicium, Germanium, unterschiedliche Legierungen Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 19 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Jeder Stoff besitzt also eine spezifische elektrische Leitfähigkeit σ bzw. einen spezifischen elektrischen Widerstand ρ, wobei ρ=1/σ Der Widerstand eines leitfähigen Quaders mit der Länge L und einer Seitenfläche a·b ergibt sich zu Spannungsquelle I U b L L R=ρ· a·b Maßeinheit Ω (Ohm) a Ohm‘sche Gesetz: U=R · I Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 20 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Das Bauelement „Widerstand“ .... besteht aus Material mit geringer Leitfähigkeit • gewickelter Widerstandsdraht auf nichtleitendem Körper oder • dünne Metall-/Metalloxid-/Metallglasschichten auf nichtleitender Trägermasse Der Widerstand ist das meistverwendete Bauelement der Elektronik. Hauptanwendungen: • Spannungsteiler • Referenzglieder • Ableichwiderstände Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik elektrisches Schaltsymbol: Prof. Dr. Tatjana Lange 21 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik u1(t) R1 R2 u2(t) R2 u 2 (t ) = u1 (t ) ⋅ R1 + R2 u1 (t ) = U 0 = const. R2 u 2 (t ) = U 0 ⋅ R1 + R2 u1 (t ) = U 0 cos(2πf 0t ) Oszillograph zur Darstellung der elektrischen Signale R2 u 2 (t ) = U 0 cos(2πf 0t ) ⋅ R1 + R2 u1(t) u2(t) Das Verhalten der Schaltung ist frequenzunabhängig. Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 22 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Kondensatoren und Spulen - elektrische Energiespeicher elektromagnetisches Feld Spulen Energiespeicher Kondensatoren elektrostatisches Feld Hauptanwendungen: Spulen: Elektromechanik Elektronik • Elektromagnet • Filter • Relais • Schwingkreise • HF-Drosseln Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Kondensatoren: Elektronik • Filter (z.B. Drehkondensator) • Schwingkreise • Speicher (z.B. im DRAM) Prof. Dr. Tatjana Lange 23 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Spule / Induktivität: elektrisches Schaltsymbol: oder typischer Aufbau: gewickelter Kupferdraht L Kern aus magnetischem Material (z.B. Ferritkern) i(t) • Fließt durch eine Spule, so wird ein elektromagnetisches Feld aufgebaut (Energiespeicher). • Dieses elektromagnetische Feld kann sich nicht schlagartig ändern. Als Folge davon gilt: • Der durch eine Spule fließende Strom kann sich nicht sprungartig ändern !!! Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik u (t) L R u (t) t i(t) t Prof. Dr. Tatjana Lange 24 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Kondensator elektrisches Schaltsymbol: typischer Aufbau: Metallplatte C Dielektrikum (Papier, Keramik,...) • Wird eine Spannung an die Platten des Kondensators angelegt, so wird ein elektrostatisches Feld aufgebaut (Energiespeicher). • Dieses elektrostatische Feld kann sich nicht schlagartig ändern. Als Folge davon gilt: • Die an einem Kondensator anliegende Spannung kann sich nicht sprungartig ändern !!! Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik C u (t) uc(t) R u (t) t uc(t) t Prof. Dr. Tatjana Lange 25 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Ø Passive elektronische Schaltungen (Beispiele für das Verhalten einfacher passiver Netzwerke bzw. Filter) Der Tiefpass (TP): Eigenschaften des idealen Tiefpass: • Sinusförmige Signale mit einer Frequenz kleiner einer bestimmten Grenzfrequenz fg durchlaufen den Tiefpass (nahezu) ungedämpft. • Sinusförmige Signale mit einer Frequenz größer einer bestimmten Grenzfrequenz fg werden vom Tiefpass unterdrückt. u1 (t ) = U1 sin( 2πft ) u 2 (t ) = U 2 sin( 2πft ) TP f<fg Systembeschreibung: Übertragungsfkt. U2 G= U1 1 f>fg Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik fg f Prof. Dr. Tatjana Lange 26 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Verhalten eines realen Tiefpass: u1 (t ) = U1 sin( 2πft ) u 2 (t ) = U 2 sin( 2πft ) TP f<fg Systembeschreibung: U2 G= U1 f>fg fg f Elementare reale Tiefpässe: u1(t) ZL R u2(t) Z L = ω ⋅ L = 2π ⋅ f ⋅ L Je größer die Frequenz, um so größer der (Blind-) Widerstand der Spule. Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik oder u1(t) ZC = R ZC u2(t) 1 1 = ω ⋅ C 2π ⋅ f ⋅ C Je größer die Frequenz, um so kleiner der (Blind-) Widerstand des Kondensators. Prof. Dr. Tatjana Lange 27 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Oszillograph - Meßgerät zur Darstellung des zeitlichen Verlaufs elektrischer Signale Experiment: Experiment: u1(t) t u1(t) R ZC u (t) 2 u1(t) t u1(t) t Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Bildschirm des Oszillographen zur Darstellung der Signale am Eingang und am Ausgang des Tiefpasses Prof. Dr. Tatjana Lange 28 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 29 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 30 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 31 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Der Hochpass (HP): Eigenschaften des idealen Hochpaßpass: • Sinusförmige Signale mit einer Frequenz kleiner einer bestimmten Grenzfrequenz fg werden vom Tiefpass unterdrückt. • Sinusförmige Signale mit einer Frequenz größer einer bestimmten Grenzfrequenz fg durchlaufen den Tiefpass (nahezu) ungedämpft. u1 (t ) = U1 sin( 2πft ) u 2 (t ) = U 2 sin( 2πft ) Systembeschreibung: Übertragungsfkt. HP f<fg G= 1 f>fg Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik U2 U1 fg f Prof. Dr. Tatjana Lange 32 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Verhalten eines realen Hochpass: u1 (t ) = U1 sin( 2πft ) Systembeschreibung: U2 G= U1 u 2 (t ) = U 2 sin( 2πft ) HP f<fg f>fg fg f Elementare reale Hochpässe: u1(t) R ZL u2(t) Z L = ω ⋅ L = 2π ⋅ f ⋅ L Je größer die Frequenz, um so größer der (Blind-) Widerstand der Spule. Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik oder u1(t) ZC = ZC R u2(t) 1 1 = ω ⋅ C 2π ⋅ f ⋅ C Je größer die Frequenz, um so kleiner der (Blind-) Widerstand des Kondensators. Prof. Dr. Tatjana Lange 33 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Oszillograph - Meßgerät zur Darstellung des zeitlichen Verlaufs elektrischer Signale Experiment: Experiment: u1(t) t u1(t) ZC R u2(t) u1(t) t u1(t) t Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Bildschirm des Oszillographen zur Darstellung der Signale am Eingang und am Ausgang des Tiefpasses Prof. Dr. Tatjana Lange 34 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 35 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 36 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 37 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Der Bandpass (BP): Eigenschaften des idealen Bandpaßpass: • Sinusförmige Signale mit einer Frequenz kleiner einer bestimmten Grenzfrequenz fg1 werden vom Bandpass unterdrückt. • Sinusförmige Signale mit einer Frequenz größer einer bestimmten Grenzfrequenz fg2 werden vom Bandpass ebenfalls unterdrückt. • Sinusförmige Signale mit einer Frequenz größer fg1 und kleiner fg2 durchlaufen den Bandpass (nahezu) ungedämpft. u1 (t ) = U1 sin( 2πft ) u 2 (t ) = U 2 sin( 2πft ) BP Systembeschreibung: Übertragungsfkt. f<fg1 1 U2 G= U1 fg1<f< fg2 fg1 fg2 f f>fg2 Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 38 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Verhalten eines realen Bandpass: u1 (t ) = U1 sin( 2πft ) u 2 (t ) = U 2 sin( 2πft ) Systembeschreibung: BP f<fg1 G= 1 U2 U1 fg1<f< fg2 fg1 fg2 f f>fg2 Z L = ω ⋅ L = 2π ⋅ f ⋅ L Elementarer realer Bandpaß: u1(t) R ZL „Kurzschluss“ für tiefe Frequenzen ZC u2(t) „Kurzschluss“ für hohe Frequenzen Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Je kleiner die Frequenz, um so kleiner der (Blind-) Widerstand der Spule. 1 1 ZC = = ω ⋅ C 2π ⋅ f ⋅ C Je größer die Frequenz, um so kleiner der (Blind-) Widerstand des Kondensators. Prof. Dr. Tatjana Lange 39 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 40 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 41 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 42 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Übertragungsfunktion Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 43 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Aktive Bauelemente ØDie Diode / Halbleiterdiode (grundsätzliche Funktionsweise) • Zweipol-Bauelement mit einer asymmetrischen Strom-Spannungskennlinie I I + Durchbruchspannung _ I _ U U Durchlaßrichtung Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik elektrisches Schaltsymbol: U + Sperrrichtung Prof. Dr. Tatjana Lange 44 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik • Die Halbleiterdiode nutzt den sog. Halbleitereffekt, der auf der Wechselwirkung der Ladungsträger in den Halbleitermaterialien beruht. • Für die Diode ist insbesondere der Halbleitereffekt an den Grenzflächen zwischen den unterschiedlich dotierten Halbleitermaterialien wichtig ð pn-Übergang. p n Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik p-Halbleiter: Halbleiter, in denen die elektrischen Ladungen hauptsächlich durch positive Ladungsträger (Löcher im Kristallgitter) transportiert werden. n-Halbleiter: Halbleiter, in denen die elektrischen Ladungen vorwiegend durch negative Ladungsträger (Elektronen) transportiert werden. Prof. Dr. Tatjana Lange 45 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik ØDer ØDerTransistor Transistor(grundsätzliche (grundsätzlicheFunktionsweise) Funktionsweise) Transistor = Transfer Resistor = Übertragungswiderstand • steuerbares Halbleiterbauelement I2 • Die Ströme I2 und I3 werden durch den Strom I1 oder die Spannung U1 gesteuert. steuernde Elektrode I1 U1 gesteuerte Elektroden I3 Man unterscheidet Transistoren nach der Art des Stromtransports: • Bipolartransistoren • Unipolartransitoren (z.B. Feldeffekttransistoren) Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 46 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Bipolartransistor: Bipolartransistor: pnp-Transistor Kollektor p C npn-Transistor Emitter n p E Kollektor n C B Basis Emitter p n E B Basis C C + Stromrichtung B Stromrichtung B Stromrichtung Stromrichtung + E Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik E Prof. Dr. Tatjana Lange 47 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Grundschaltungen: +U IC +U +U IC IE IB IB I E ≈ (1 + BN ) ⋅ I B I C ≈ BN ⋅ I B Emitterschaltung •hohe Spannungsverstärkung •hohe Stromverstärkung •mittlerer Eingangswiderstand •hoher Ausgangswiderstand IE • • • • Kollektorschaltung (Emitterfolger) Spannungsverstärkung ≈ 1 hohe Stromverstärkung großer Eingangswiderstand sehr kleiner Ausg.-widerstand Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik IC ≈ BN ⋅ IE (1 + BN ) Basisschaltung • • • • hohe Spannungsverstärkung Stromverstärkung ≈ 1 kleiner Eingangswiderstand hoher Ausgangswiderstand Prof. Dr. Tatjana Lange 48 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik ØBipolartransistor als elektronischer Verstärker +U Einfache Verstärkerstufe in Emitterschaltung u1(t) RC U = R ⋅I iB • maximale Spannung am Eingang ðmaximaler Basisstrom ðmaximaler Kollektorstrom ðmaximaler Spannungsabfall an RC ðminimale Ausgangssapnnung Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik iC I C ≈ BN ⋅ I B u2(t)=U-RCiC(t) • minimale Spannung am Eingang ðminimaler Basisstrom ðminimaler Kollektorstrom ðminimaler Spannungsabfall an RC ðmaximale Ausgangssapnnung Prof. Dr. Tatjana Lange 49 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik S = Source D = Drain G = Gate Feldeffekttransistor Feldeffekttransistor(FET) (FET) Grundprinzip (hier n-Kanal FET): - Steuerelektrode (Gate) Halbleiterkanal Kontakt + G S D - + Stromrichtung (n-Kanal) n-Kanal: negative Ladungsträger (Elektronen) p-Kanal: positive Ladungsträger (Löcher im Kristallgitter) Funktionsprinzip: • Leitfähigkeit des Kanal hängt vom der Stärke des elektrischen Felds bzw. der angelegten Spannung zwischen der Steuerelektrode (Gate) und dem Halbleiterkanal ab. Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 50 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Man unterscheidet FET nach •der Art des Kanal-Halbleiters • n-Kanal-FET (bzw. n-leitend), p-Kanal-FET (bzw. p-leitend) •Steuerprinzip bzw. Art der Steuerung • Sperrschicht-FET (Steuerung durch Änderung des Querschnitts bzw. Sperrung des Halbleiterkanals) • IGFET (FET mit isoliertem Gate - Steuerung durch Ladungsinfluenz, d.h. durch Änderung der Leitfähigkeit des Halbleiterkanals) -> MOSFET !!! ð Verarmungstyp oder selbstleitend -> Kanal ist bei einer Gatespannung = 0 bereits leitend. Durch Anlegen einer Gatespannung wird die Anzahl der Ladungsträger kleiner ( „Verarmung“); die Leitfähigkeit sinkt. Beim n-Kanal-FET erfolgt die Verarmung bei Anlegen einer negativer Gatespannung ; beim p-KanalFET erfolgt die Verarmung durch Anlegen einer positiven Gatespannung. ð Anreicherungstyp oder selbstsperrend-> Kanal ist bei einer Gatespannung = 0 gesperrt. Durch Anlegen einer Gatespannung wird die Anzahl der Ladungsträger größer ( „Anreicherung“); die Leitfähigkeit steigt. Beim n-Kanal-FET erfolgt die Anreicherung bei Anlegen einer positiven Gatespannung ; beim p-Kanal-FET erfolgt die Anreicherung durch Anlegen einer negativen Gatespannung. Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 51 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Vorteile des Feldeffekttransistors: • sehr hoher Eingangswiderstand (1012 - 1016 Ω) • leistungslose Steuerung (defacto kein Steuerstrom) • Unipolarbauelement -> kein Mitwirken relativ langsamer Minoritätsladungsträger bei Umschaltvorgängen - hohe Schaltgeschwindigkeit • Unempfindlichkeit gegen thermische Schwankungen -> höhere Stabilität (beim FET sinkt die Leitfähigkeit mit wachsender Temperatur, beim Bipolartransistor wächst die Leitfähigkeit bei steigender Temperatur) Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 52 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik MOSFET Schaltsymbole Schaltsymbole und undKennlinien Kennlinien selbstsperrend Anreicherungstyp Enhancement Type SFET n p D S G ID -UP n G -ID UGS UP UP - Schwellspanung p n D D S G selbstleitend Verarmungstyp Depletion Type S ID UGS UP D G S D G S -UP UGS D G ID -ID UGS p -UP S -ID UGS UP Für n-Kanal-FET gilt: FET leitend, wenn UGS> UP. Für p-Kanal-FET gilt: FET leitend, wenn UGS< UP. Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 53 UGS Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik ØFeldeffekttransistor als elektronischer Schalter Ersatzschaltbild +12 V G n D S U1=10 V +12 V n-Kanal-FET selbstsperrend U2≈ 0 V D G +12 V G U1=0 V +12 V ID D S U2= 12 V Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik S UP Prof. Dr. Tatjana Lange UGS 54 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Schalttransistor - spezielle Transistoren mit guten Schalteigenschaften In Verstärkerschaltungen kommt es insbesondere auf eine hohe Linearität der Ausgangskennlinie an, die das Verhältnis zwischen Eingangssignal und Ausgangssignal beschreibt. Bei elektronischen Schaltern kommt es insbesondere auf kleine Schaltzeiten und auf die Belastbarkeit des Ausgangs an. Grundsätzlich können sowohl Bipolartransistoren als auch FET als Schalttransistoren ausgelegt sein. Besonders gut eignet sich jedoch der FET als Schalttransistor mit grundsätzlich kleineren Schaltzeiten und höheren Belastbarkeit gegenüber dem Bipolartransistor. Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 55 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik ØLeiterplatten • unterste Ebene bzw. Träger für elektronische Aufbauten • besteht aus glasfaserverstärkten Polymeren (z.B. Epoxidharz) • Verbindungen zwischen den Bauelementen sind durch Leiterbahnen realisiert, die per Kupferbeschichtung auf den polymeren Träger aufgebracht werden • unterschiedlichste Bauformen in Einlagen-/ Zweilagen und Mehrlagenverdrahtung • Strukturierung der Metallisierung auf der Leiterplatte erfolgt auf Basis des rechnergestützten Schaltungsentwurfs (CAD) Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 56 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik 3. 3. Digitale Digitale elektronische elektronische Schaltungen Schaltungen Inhalt: • Schaltalgebra • Logische Gatter - die Grundelemente digitaler Schaltungen • Kombinatorische logische Schaltungen • Sequentielle logische Schaltungen Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 57 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Schaltalgebra Ein Schalter kennt nur 2 Zustände: EIN und AUS Alle Situationen müssen auf Kombinationen von Schaltern abgebildet werden. Alarmanlage Beispiel: Alarmanlage x1 Fenster Tür x1 x2 x3 y AUS AUS AUS AUS EIN EIN EIN EIN Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik AlarmTür Fenster glocke x2 x3 y ZU ZU AUF AUF ZU ZU AUF AUF ZU AUF ZU AUF ZU AUF ZU AUF AUS AUS AUS AUS AUS EIN EIN EIN Wahrheitstabelle x1 0 0 0 0 1 1 1 1 x2 0 0 1 1 0 0 1 1 x3 0 1 0 1 0 1 0 1 Prof. Dr. Tatjana Lange y 0 0 0 0 0 1 1 1 58 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Logische LogischeVerknüpfung: Verknüpfung: Alarmglocke EIN = Alarmanlage EIN UND •Tür ZU UND Fenster OFFEN ODER •Tür OFFEN UND Fenster ZU ODER •Fenster OFFEN UND Tür OFFEN 22logische logischeFunktionen: Funktionen: UND x1 0 0 1 1 x2 0 1 0 1 x1 x2 ODER y y 0 0 x1 ∧ x2 = y x1 & 0 bzw. x2 1 x ⋅x = y 1 2 Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik y x1 0 0 1 1 x2 0 1 0 1 x1 x2 y y 0 1 x1 ∨ x2 = y x 1 1 1 bzw. x2 1 x +x = y 1 2 Prof. Dr. Tatjana Lange y 59 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Alarmglocke EIN = Alarmanlage EIN UND •Tür ZU UND Fenster OFFEN ODER •Tür OFFEN UND Fenster ZU ODER •Fenster OFFEN UND Tür OFFEN Vereinbarung: Alarmglocke: y Ein y =1 Alarmanlage: x1 Ein x1 =1 AUS y =0 AUS x1 =0 bzw. x1 =1 Tür: x2 AUF x2 =1 ZU x2 =0 bzw. x2 =1 Fenster: x3 AUF x3 =1 ZU x3 =0 bzw. x3 =1 Logische Verknüpfung in formaler Schreibweise: y = x1 ⋅ (x2 ⋅ x3 + x2 ⋅ x3 + x2 ⋅ x3 ) Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik x 0 1 3. logische Funktion: NEGATION y x 1 y=x 0 Prof. Dr. Tatjana Lange y 60 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik y = x1 ⋅ (x2 ⋅ x3 + x2 ⋅ x3 + x2 ⋅ x3 ) Logische LogischeSchaltung Schaltung x1 x2 & y & x3 & & Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik 1 Frage: Muß es so aufwendig sein oder geht es auch einfacher ? Schaltungsminimierung Prof. Dr. Tatjana Lange 61 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Rechenregeln Rechenregelnder derSchaltalgebra Schaltalgebra(Boole‘sche (Boole‘scheAlgebra): Algebra): Theoreme: 0⋅ x = 0 x⋅ x = x 1⋅ x = x 0+ x = x x+ x = x !!! x⋅x = 0 1+ x = 1 x + x = 1 !!! x=x Gesetze: x1 ⋅ x2 = x2 ⋅ x1 x1 + x2 = x2 + x1 x1 ⋅ ( x2 + x3 ) = x1 ⋅ x2 + x1 ⋅ x3 x1 ⋅ x2 ⋅ x3 = x1 ⋅ ( x2 ⋅ x3 ) = ( x1 ⋅ x2 ) ⋅ x3 x1 + x2 + x3 = x1 + ( x2 + x3 ) = ( x1 + x2 ) + x3 x1 + ( x2 ⋅ x3 ) = ( x1 + x2 ) ⋅ ( x1 + x3 ) Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik x1 + x1 ⋅ x2 = x1 x1 ⋅ ( x1 + x2 ) = x1 x2 x1 ⋅ (x1 + x2 ) = x1 x1 + x1 ⋅ x2 = x1 + x2 Prof. Dr. Tatjana Lange 62 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Theorem von de Morgan x1 ⋅ x2 = x1 + x2 Weitere logische Funktionen x1 + x2 = x1 ⋅ x2 NAND x1 x2 y 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Vorrangregel, falls keine Klammern gesetzt sind: 1. Negation 2. Konjunktion (UND) 3. Disjunktion (ODER) entweder oder Beliebige Beliebigelogische logischeZusammenhänge Zusammenhänge können könnenmit mit UND UND(AND) (AND)sowie sowieNEGATION NEGATION oder oder ODER ODER(OR) (OR)sowie sowieNEGATION NEGATION ausgedrückt ausgedrücktwerden werden!!! !!! Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik NOR x1 x2 0 0 0 1 1 0 1 1 y 1 0 0 0 x1 ⋅ x2 = y x1 x2 & y x1 + x2 = y x1 x2 Prof. Dr. Tatjana Lange 1 y 63 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Minimierung Minimierungunter unterAnwendung Anwendungder derRechenregeln Rechenregeln y = x1 ⋅ (x2 ⋅ x3 + x2 ⋅ x3 + x2 ⋅ x3 ) = x+x = x = x1 ⋅ (x2 ⋅ x3 + x2 ⋅ x3 + x2 ⋅ x3 + x2 ⋅ x3 ) = Rechenregeln x1 ⋅ ( x2 + x3 ) = x1 ⋅ x2 + x1 ⋅ x3 = x1 ⋅ (x3 ⋅ ( x2 + x2 ) + x2 ⋅ (x3 + x3 )) = x + x = 1 und 1 ⋅ x = x = x1 ⋅ (x3 + x2 ) Realisierung: x1 x2 & y 1 x3 Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 64 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Minimierung Minimierungunter unterAnwendung Anwendungdes desKarnaugh-Diagramms Karnaugh-Diagramms Wahrheitstabelle Schritt 1: Ausfüllen des KarnaughDiagramms auf Basis der Wahrheitstabelle Schritte 2: Kürzung durch paarweise Zusammenfassung benachbarter Felder mit logischer EINS. Dabei entfällt diejenige Variable, die in den benachbarten Feldern sowohl direkt als auch negiert auftaucht. Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik x2 x2 x2 x2 x1 1 1 1 0 x1 0 0 0 0 x3 x3 x3 x3 y = x1 ⋅ x2 + x1 ⋅ x3 = = x1 ⋅ ( x2 + x3 ) x1 0 0 0 0 1 1 1 1 x2 0 0 1 1 0 0 1 1 x3 0 1 0 1 0 1 0 1 Prof. Dr. Tatjana Lange y 0 0 0 0 0 1 1 1 65 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Realisierung Realisierungnur nurmit mitNAND NAND:: y = y = x1 ⋅ x2 + x1 ⋅ x3 = = x1 ⋅ x 2 ⋅ x1 ⋅ x3 x1 Anwendung der Morgan‘schen Regel x1 ⋅ x2 = x1 + x2 x1 + x2 = x1 ⋅ x2 & & x2 y & x3 Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 66 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Logische Gatter - die Grundelemente digitaler Schaltungen MOSFET-Realisierungen G NEGATION S T1 D x y 0 1 1 0 ux L H +UCC y=x x D y ux T1 T2 leitend gesperrt gesperrt leitend Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik uy H L G S uy T2 0 - tiefes Potential - L 1 - hohes Potential - H Prof. Dr. Tatjana Lange 67 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik zur Erinnerung Schaltungsanalyse: +UCC n G S US (T2) S G US (T1) D G D T1 p-Kanal D ux=UG p uy T2 n-Kanal Es gilt: UGS = UG - US Für den p-Kanal-FET (T1) in der Schaltung gilt: US=UCC=12V Wenn UG = 0 V, dann UGS = -12V ð T1 leitend Wenn UG = 12 V, dann UGS = 0 V ð T1 gesperrt Für den n-Kanal-FET (T2) in der Schaltung gilt: US=0 V Wenn UG = 0 V, dann UGS = UG = 0 V ð T2 gesperrt Wenn UG = 12 V, dann UGS = UG = 12 V ð T2 leitend Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik S D G S ID -ID UGS UP ux T1 -UP T2 UGS uy L leitend gesperrt H H gesperrt leitend L Prof. Dr. Tatjana Lange 68 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik NAND x1 x2 y 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 x1 ⋅ x2 = y x1 x2 & T12 +UCC T11 S y D D ux1 uy S T22 ux2 Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik T21 Prof. Dr. Tatjana Lange 69 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Schaltungsanalyse: n +UCC T11 T12 p D G S D G S S D D ux1 S ID uy T21 UP T22 ux2 ux1 ux2 T11 T12 -ID UGS T21 -UP UGS T22 uy ? Bitte Tabelle ausfüllen ! Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 70 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik NOR x1 x2 0 0 0 1 1 0 1 1 y 1 0 0 0 x1 + x2 = y x1 x2 1 y +UCC ux1 S T11 D ux2 T12 D uy S T21 Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik T22 Prof. Dr. Tatjana Lange 71 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Schaltungsanalyse: ux1 n +UCC S D ux2 D T11 G uy UP S T21 S D G S ID T12 D p -ID UGS -UP UGS T22 ux1 ux2 T11 T12 T21 T12 uy ? Bitte Tabelle ausfüllen ! Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 72 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Logische LogischeGrundfunktionen Grundfunktionen(Gesamtübersicht (Gesamtübersichtfür für22Variable) Variable) 16 mögliche Kombinationen zwischen Eingangswerten und Ausgangswerten x1 1 0 x2 1 1 0 0 0 0 0 0 y 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik x1 1 0 x2 1 1 1 0 1 0 1 0 y 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 16 logische Funktionen Nicht jede Funktion ist technisch sinnvoll. Prof. Dr. Tatjana Lange 73 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik x1 1 0 1 0 x2 1 1 0 0 0 0 0 0 y Schalt- TTLzeichen Reihe y≡0 Nullfunktion 0 0 0 1 y = x1 + x2 0 0 1 0 y = x1 ⋅ x2 NOR Inhibition 0 0 1 1 y = x2 Negation 0 1 0 0 0 1 0 1 y = x1 ⋅ x2 y = x1 Inhibition Negation 0 1 1 0 y = x1 ⋅ x2 + x1 ⋅ x2 XOR 0 1 1 1 y = x1 ⋅ x2 NAND Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Gatter pro Chip x1 x2 1 y 7402 4 x1 1 y 7404 6 x1 x2 x1 x2 =1 y 7486 4 & y 7400 4 Prof. Dr. Tatjana Lange 74 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik x1 1 0 1 0 x2 1 1 0 0 1 0 0 0 y Schalt- TTLzeichen Reihe Gatter pro Chip x1 x2 & y 7408 4 x1 x2 1 y 7486 4 y = x1 ⋅ x2 AND 1 0 0 1 y = x1 ⋅ x2 + x1 ⋅ x2 XNOR 1 0 1 0 y = x1 Identität 1 0 1 1 y = x1 + x2 Implikation 1 1 0 0 y = x2 Identität 1 1 0 1 y = x1 + x2 Implikation 1 1 1 0 y = x1 + x2 OR 1 1 1 1 y ≡1 Einsfunktion Hinweis: Die IC sind auch mit 3, 4 und 8 Eingängen verfügbar. Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 75 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Kombinatorische logische Schaltungen Speicherfreie digitale Schaltungen, die auf der Basis der logischen Gatter realisiert sind, bezeichnet man als kombinatorische Schaltungen. Beispiel: Multiplexer D1 D2 D3 D4 y y D1 D2 D3 D4 D1 D2 D3 D4 t Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 76 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik y Steuerleitungen D1 D2 D3 D4 D1 D2 D3 D4 D1 D2 D3 D4 Datenleitungen t T1 & t T2 t & 1 y = D1 T1T2 + D2 T1T2 + D3 T1T2 + D4 T1T2 y & T1 1 T2 & 1 Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 77 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik y Beispiel: Demultiplexer D1 D2 D3 D4 D1 D2 D3 D4 t D1 D2 D3 D4 y D1 D1 D1 t D2 D2 D2 t D3 System mit 1 Eingang und 4 Ausgängen D1 = yT1T2 D2 = y T1T2 D3 t D4 D4 D3 = yT1T2 T1 D4 = yT1T2 T2 Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik D3 D4 tt Prof. Dr. Tatjana Lange 78 t Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Schaltungstechnische SchaltungstechnischeRealisierung Realisierung y Steuerleitungen Datenleitung & D1 D2 D3 D4 y & & T1 D1 D2 D3 1 T2 & 1 Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik D4 Prof. Dr. Tatjana Lange 79 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Sequentielle logische Schaltungen (Flip-Flop, Zähler, Register) Digitale Schaltungen, die neben logischen Gatter auch elementare Speicherbausteine enthalten, bezeichnet man als sequentielle Schaltungen. • Als elementarer Speicherbaustein wird vorwiegend das Flipflop (oder Trigger) eingesetzt. • Sequentielle Schaltungen wie Teiler, Zähler und Register sind wichtige Grundbausteine der Rechentechnik. Flipflop (FF): • speichert 1 Bit in Form von 2 Schaltzuständen (0 oder 1) Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Die wichtigsten Flip-Flop sind: RS-FF ð Basis-FF, Automatenbaustein JK-FF ð Grundbaustein für Zähler D-FF ð Grundbaustein für Register bzw. schnelle Speicher Prof. Dr. Tatjana Lange 80 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik RS-Flipflop RS-Flipflop S 10 11 R 1110 & & S - Set (Setzen) R - Reset (Zurücksetzen) Schaltungssymbol 011 0 Q 1001 t t Q t Q t Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Q R Q Q S R S S 0 1 1 0 R 1 0 1 0 Q 1 0 Q 0 1 keine Änderung verbotene Eingangsbelegung Prof. Dr. Tatjana Lange 81 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik JK-Flipflop JK-Flipflop Clear JK-FF sind getaktete Flipflop. Sie besitzen neben den • • • • Ausgängen Q und Q einen Takteingang C (Clock) zwei Informationseingänge J und K zwei Stelleingänge Clear und Preset (1) (2) (3) C J K Q Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik J Q K Q C Preset Clear = 0 setzt Q = 0 Preset = 0 setzt Q = 1 (4) t t t t (1) J=K=1: FF arbeitet als Teiler (2) J=K=0: FF bleibt im alten Zustand, d.h. Takt ist wirkungslos (3) J=0 und K=1: nächster Takt stellt Q=0; danach ist Takt wirkungslos (4) J=1 und K=0: nächster stellt Q=1; danach ist Takt wirkungslos Prof. Dr. Tatjana Lange 82 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik D-Flipflop D-Flipflop Clear D-FF sind getaktete Flipflop. Sie besitzen neben den • • • • Q D C Ausgängen Q und Q einen Takteingang C (Clock) einen Informationseingang D zwei Stelleingänge Clear und Preset Q Preset Clear = 0 setzt Q = 0 Preset = 0 setzt Q = 1 C t D t Q t Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Mit jeder positiven Taktflanke übernimmt Q die am D-Eingang anliegende Information. D-FF sind Bausteine von Registern bzw. schnellen Speichern. Prof. Dr. Tatjana Lange 83 Fachhochschule Merseburg, FB Elektrotechnik Na, Einstein Ausgewählte Grundlagen der Elektrotechnik Prof. Dr. Tatjana Lange 84
