Elektronik und Digitaltechnik – Analog (EDT)
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Elektronik und Digitaltechnik – Analog (EDT) Schule: HTBLuVA St. Pölten Abteilung / Zweig: Elektronik / Technische Informatik Lehrperson: Prof. Dipl.-Ing. Dr. Herbert Wagner Jahrgang: 2005 / 06 Klasse: 4AHELI 1 Anmerkung Bei den Tests wurden stets Verständnisfragen gestellt – z.B. die Entwicklung einer geeigneten Schaltung. 2 Inhaltsverzeichnis 1 2 3 4 5 6 7 Anmerkung......................................................................................................................... 2 Inhaltsverzeichnis............................................................................................................... 2 Mikrocontroller – Hardware Beschaltung.......................................................................... 4 3.1 i8051 - µC-Familie..................................................................................................... 4 3.2 Ports............................................................................................................................ 6 3.2.1 Low Pegel........................................................................................................... 7 3.2.2 High Pegel .......................................................................................................... 8 3.3 Transistoransteuerung mit µC .................................................................................... 9 3.4 7-Segment-LED-Anzeigen....................................................................................... 11 3.4.1 Ansteuerung mit µC ......................................................................................... 12 3.5 µC Eingänge............................................................................................................. 16 3.6 Matrixtastatur ........................................................................................................... 17 Optische Strahlung – Lichttechnik................................................................................... 20 4.1 Größen und Einheiten............................................................................................... 21 4.2 Raumwinkel ............................................................................................................. 22 4.3 Schwarzer Körper – Farbtemperatur ........................................................................ 23 4.4 Typische Werte ........................................................................................................ 23 Optoelektronik.................................................................................................................. 23 5.1 Sender – Anzeigen ................................................................................................... 23 5.1.1 Leuchtdioden (Light Emitting Diode – LED) .................................................. 23 5.1.2 Laserdioden (LD) ............................................................................................. 25 5.1.3 Flüssigkristallanzeigen (LCD) ......................................................................... 26 5.1.4 Floureszenz-Anzeigen...................................................................................... 31 5.2 Empfänger – Sensoren ............................................................................................. 33 5.2.1 Fotowiderstände ............................................................................................... 33 5.2.2 Fotodioden und Solarzellen.............................................................................. 34 5.2.3 Fototransistoren................................................................................................ 39 5.2.4 Fotothyristoren ................................................................................................. 39 5.3 Optokoppler – Reflexkoppler................................................................................... 40 5.3.1 Spezielle Optokoppler ...................................................................................... 42 Einschub über Klemmschaltung....................................................................................... 42 Sinusoszillatoren .............................................................................................................. 44 7.1 Digitale Oszillatoren ................................................................................................ 44 7.2 Zweipoloszillatoren.................................................................................................. 44 7.2.1 Schwingkreis .................................................................................................... 45 7.2.2 Kompensation mit negativem Widerstand ....................................................... 46 7.2.3 neg. Widerstände in der HF-Technik ............................................................... 46 7.3 Vierpoloszillatoren ................................................................................................... 47 7.4 Anforderungen an Oszillatoren ................................................................................ 51 7.5 Niederfrequenzoszillatoren (RC-Generatoren) ........................................................ 52 7.5.1 Phasenschieberoszillator .................................................................................. 52 HTL / EDT 4AHELI Seite 2 / 88 7.5.2 Wien-Robinson-Oszillator ............................................................................... 53 7.5.3 Allpass-Oszillator............................................................................................. 56 7.5.4 Annäherung mit Dioden ................................................................................... 59 7.5.5 Programmierte Schwingungsdifferentialgleichung.......................................... 59 7.6 Durchstimmbarkeit................................................................................................... 60 7.7 Quarzoszillatoren ..................................................................................................... 61 7.7.1 Schwingquarze ................................................................................................. 61 7.8 Hochfrequenz-Oszillatoren ...................................................................................... 64 7.8.1 Meißner-Oszillator ........................................................................................... 65 7.8.2 Herleitung Meißner Oszillator ......................................................................... 68 7.8.3 Hartley-Oszillator (Induktive Dreipunktschaltung) ......................................... 70 7.8.4 Colpitts-Oszillator (Kapazitive Dreipunktschaltung)....................................... 72 7.8.5 Clapp-Oszillator ............................................................................................... 74 7.8.6 Quarzoszillatoren mit Gatter (Rechteck-Generatoren) .................................... 76 7.8.7 Laufzeitoszillatoren.......................................................................................... 78 7.8.8 Obertonoszillatoren .......................................................................................... 79 7.9 Pufferstufe ................................................................................................................ 79 8 Akustik ............................................................................................................................. 80 8.1 Schalldruck............................................................................................................... 80 8.1.1 Hörempfindlichkeitskurve................................................................................ 81 8.1.2 Doppler Effekt.................................................................................................. 82 8.2 Akustische Wandler ................................................................................................. 83 8.2.1 Piezo-Lautsprecher........................................................................................... 83 8.2.2 Elektrodynamischer Lautsprecher.................................................................... 84 8.2.3 Boxenkonstruktion ........................................................................................... 86 8.2.4 Tontechnik........................................................................................................ 87 8.2.5 Messung des Schalldruck-Frequenzgangs ....................................................... 88 8.2.6 Messung des Impedanz-Frequenzgangs........................................................... 88 HTL / EDT 4AHELI Seite 3 / 88 3 Mikrocontroller – Hardware Beschaltung Was wird gemacht: Geschichte / Zweck HW - Beschaltung Innenschaltung Assembler 51 (bei Prof. Gruber) 3.1 i8051 - µC-Familie Alle ICs der 8051-Familie haben den selben Befehlssatz, CPU und Speichermodell. Ports, Timer, IRQ und andere periphere Einheiten können anders sein. Würde man eine neue Familie entwickeln, müssten sich die Leute erst umgewöhnen. Viele Firmen gehen dieses Risiko nicht ein und entwickeln innerhalb einer Familie. Der i8051 war ein 40 poliger IC, 4kbyte Programmspeicher (ca. 2000 Assemblerbefehle) und war maskenprogrammiert, weiters 128byte RAM, 2 Timer/Counter, RS232 (UART), 32 I/OPins, 5 IRQ Quellen. Maskenprogrammiert bedeutet, dass das Programm schon während der Fertigung hineinprogrammiert werden musste. Æ ICs entstehen durch mehrmaliges Belichten und Wegätzen. Die 128byte RAM reichen bei aus, da man anders als beim PC Programme nicht ins RAM lädt. RS232 ist eine Serielle Schnittstelle (Es gibt tausende Verschiedene Serielle Schnittstelle). UART…Universal asynchronous Receiver Transmitter IRQs: 2 Tim/CNT 2 ext. 1 USART (Serielle Schnittstelle) Aus diesem IC haben sich Unterfamilien entwickelt: 8031 ROMless version (ext. EPROM) 8053 AT89C2051 AT89C8252 AT89553 Der 8031 war durch das externe EPROM frei programmierbar. Dazu brauchte man allerdings wieder 3 ICs. In der HTL wird meistens die Atmel Serie verwendet. HTL / EDT 4AHELI Seite 4 / 88 DB…Datenbus (bidirektional - Daten sausen in beide Richtungen) Der Rechteckgenerator macht aus dem Quarz ein Rechteck, typische Frequenz 12MHz Æ weil 1 Befehl ist gleich 1µs. 1 Timer Tick ist 1µs, z.B. bei 1000 zählen Æ 1ms bei 4MHz Æ 3µs 99% der Zeit verbringt ein Controller mit warten, deshalb immer niedrigste Frequenz nehmen (Print einfacher, weniger Stromverbrauch). Kondensatoren aus Keramik. Beim messen immer kurze Leitungen verwenden, sehr heikel. Bei Datenblättern stehen vorne gleich die besonderen Features: Fully Static…0-24MHz jeder Speicher ist als FF ausgebaut, d.h. er merkt sich die Zustände, wenn keine Frequenz da ist, er macht nachher einfach weiter, als wäre nichts gewesen. Man darf aber nicht komplett die Betriebsspannung abdrehen, sonst vergisst er wieder alles (Ram,…) Früher VCC 5V ± 5% (weil sehr TTL lastig), man muss diese Spannung regeln. Bei unserem 2051 mit 2,7…6V muss man nicht regeln. z.B. 4 1,5V Batterien und wenn sie schwächer werden muss man sie nicht mehr regeln (bis 2,7V). Riesen Vorteil: ungeregelte Betriebsspannung Achtung: Nur bei AT89C2051 Abblock C: Ideal 10µ/100nF um Störungen zu verhindern. Die C stützen die Spannung, wenn ruckartig Strom gesaugt wird. (liefern dann kurzzeitig die Spannung). Möglich nahe am IC platzieren. Power On – Reset drückt sozusagen für uns der Schalter. Dies ist nicht dafür gedacht, dass wenn er sich aufhängt, man ihn wieder in Schwung bringen kann, sondern, dass er definiert anfängt. HTL / EDT 4AHELI Seite 5 / 88 Definiert anfangen: Schalter ein – Oszillator schwingt, nach zwölf Durchlaufen kommt der Reset-Impuls und er beginnt wirklich bei 0 (nicht definiert wäre er irgendwo) Man braucht einen Impuls der eine Zeit lang später ist. Realisierung Beim Prototypen unseres Projektes wird parallel zum Kondensator ein Taster geschalten. Dadurch muss man nicht immer die Spannungsversorgung ausstecken. Beim Reset werden alle Special-Function-Register auf einen bestimmten Wert gesetzt (siehe Datenblatt). Will man dem µC etwas mitteilen, braucht man nur einen Taster vom Ausgang auf Masse hängen. 3.2 Ports Ausgangsbeschaltung von Ports, gilt nur für AT89C2051. Größere µC haben normalerweise schlechtere Ausgänge (Ausgangsstrom). HTL / EDT 4AHELI Seite 6 / 88 Aufbau von Datenblättern: 1. Features Kurzfassung des Bauteils und seiner Eigenschaften (mit viel Angeberei) 2. Absolute Maximum Ratings Absolute Grenzdaten (wie man das Bauteil am besten umbringt †) 3. DC-Characteristics Kann man alle mit Ohmmeter messen (Stromaufnahme, Pegel) 4. AC-Characteristics Pegelsteilheit, maximale Frequenzen 5. Detailierte Beschreibung Ausführliche Beschreibung des Bauteils 3.2.1 Low Pegel VOL IOL=20mA, VCC=5V 0,45V MAX Die 20mA rinnen in den µC hinein. Es ist gemeint, dass dann der Transistor maximal 0,45V hat. Man kann also problemlos eine LED mit einem Vorwiderstand anhängen. Under steady state…im nicht geschalteten Zustand Man kann sich auch das Ptot ausrechnen (Ptot = 20mA*0,45V) Würde man einen niederohmigen Vorwiderstand, eine Diode mit kleiner Flussspannung und einen µC mit 0,3V erwischt, würde es auch nichts machen. Sicherheitshalber kann man aber einen größeren Vorwiderstand (120 Ω) benutzen. Solche Szenarien kann man mit Programmen simulieren (Monte-Carlo-Simulation). Würde man bei einem größeren µC (1-2mA) LEDs direkt ansteuern wollen, müsste man teuere High-Efficient LEDs benutzen. HTL / EDT 4AHELI Seite 7 / 88 Bei 2,7V kann man nur 10mA hineinschicken. Ein Vorteil des 2051 ist, dass man ihn zwischen 2,7V und 6V betreiben kann. Dadurch wird keine zusätzliche Regelung notwendig (anders als bei z.B. 5V±5%) …bei Batteriebetrieb müsste man bei 5V±5% zuerst Leistung vernichten, um die 5V zu haben und müsste zudem die Batterie frühzeitig entsorgen. 3.2.2 High Pegel VOH Schon bei 80µA bricht die Spannung auf 2,4V ein. Ein High-Level-Ausgang ist also zum direkten ansteuern gänzlich ungeeignet. HTL / EDT 4AHELI Seite 8 / 88 3.3 Transistoransteuerung mit µC Aufgabe: Schalten mit einem Relais 12V Relais sind billiger als 5V Relais, außerdem erzeugt es Störungen. Spannungsversorgung mit 7805 Fixspannungsregler. Das UCEmax des Transistors muss größer sein, als die Betriebsspannung. (12V sind kein Problem, 24V aber schon). Die Diode wird benötigt, weil die Spule den Strom nach dem Ausschalten weiterführen will. Ansonsten würde UCE = Ub + URel sein (~ einige 100V). Transistoren, die dies aushalten sind teuer, die Diodenlösung ist besser. So ist die UCE = Ub + 0,7V (Diodenspannung). Als Dioden werden 1N400X verwendet. Die Diode muss in Sperrrichtung ca. 12V aushalten (Ub - UCEsat) UCEsat = 0,2 – 0,5V Um zu messen, ob man dem Transistor genug Basisstrom gegeben hat, misst man die UCEsat. Ist sie zu viel, braucht er mehr IB. Weiß man nicht genau, ob es genug ist (~0,7V), erhöht man die Spannung und beobachtet, ob sich was ändert. Wenn nicht, hat man einfach einen schlechten Transistor. Der maximale IC wird durch UB und RCU des Relais begrenzt. Das Ptot des Transistors ist beim Schalten egal (beim Regeln nicht), da er entweder keine Spannung (geschalten), oder keinen Strom (offen) hat. HTL / EDT 4AHELI Seite 9 / 88 Der IB wird in der Größenordnung von einigen mA sein. Man könnte einen Darlingtontransistor kaufen: …ist zu teuer! Billiger ist ein Widerstand: Zum IB kann man noch einen Sicherheitsfaktor (2-3) dazugeben. (Der Transistor könnte schlecht sein, R zu groß etc.) Auch ohne µC ist das Relais geschalten. Bei Low nimmt der µC dem Transistor den IB weg. B …low aktiv (bei low ist das Relais offen) offener Transistor geschlossener Transistor Beim Transistor wird der durchgeschaltene Zustand als UCEsat, beim MOSFET als RDSon angegeben. Der RDSon ist in der Gegend von mΩ. HTL / EDT 4AHELI Seite 10 / 88 Low Side Switch High Side Switch Low Side Switch ist immer besser. Manchmal braucht man aber einen High Side Switch (Auto, Motorbrückenschaltung). Braucht man mehrere Low Side Switches, verwendet man einen ULN2803A (8 Darlington Transistoren). Er hat auch 8 Freilaufdioden …der Anschluss für die Dioden wird auch als VCC angegeben. 3.4 7-Segment-LED-Anzeigen 2 Ausführungen: • CA…Common Anode DP…dezimal point (Dezimalpunkt) HTL / EDT 4AHELI Seite 11 / 88 • CC…Common Cathode Es gibt auch andere Bauarten. (4 Segemente für Uhr, nur „±1“,…) 3.4.1 Ansteuerung mit µC 3.4.1.1 direkt Das Problem ist, dass man 8 Ports dafür braucht- und 8 Widerstände. Vorteil ist, dass man alle möglichen Symbole anzeigen kann (auch nichts anzeigen). HEX Zahlen (A-f), Pegel (L & H), kann Helligkeit regeln (schnell aus und einschalten), Lauflicht etc. Man muss außerdem die Binärvariablen in aktive Ports umwandeln. 3.4.1.2 mit IC „BCD-7 Segment Dekoder“ Nachteil: Man braucht einen zusätzlichen IC (in Industrie Katastrophe). Wenn man rund um einen µC viele andere Bauteile schaltet, nennt man das „Glue-Logic“. z.B.: 74XX47/48/148 (NE589)…nicht mehr hergestellt CD 4511 …CD4511(für CC) Die Ansteuerung des IC erfolgt mit BCD-Code. Um einfacher hinaus schreiben zu können, sollte man die unteren Bits des Ports verwenden (P3.0, P3.1, P3.2, P3.3). HTL / EDT 4AHELI Seite 12 / 88 Der CD4511 hat noch einige Zusatz PINs: LT…Lamp Test (alle LEDs leuchten auf) Wird oft bei Messgeräten beim Einschalten verwendet. BI…Blinking Input (alle LEDs ausschalten) Mit BCD-Code kann man nicht „nichts“ ausgeben. Der 4511 hat auch einen Latch enable. Der Dezimalpunkt wird nicht über den Decoder angesteuert. Will man, dass er immer leuchtet, einfach Pull-Up anhängen. Problem mit BCD Code: BCD…Binary Coded Decimal Bei einem Segment sind Binär und BCD Code der Selbe. Bei Zahlen kleiner 10 ist das kein Problem: 01 = 0000 09 = 0000 0001 1001 Bei 10 wäre das allerdings das: 10 = 0000 1010 Die Anzeige zeigt „0“ und irgendeinen Schwachsinn (je nach Decoder). Man muss es mit Software so codieren: 0001 0000 Dafür gibt es eigenen Bibliotheken. Beispiel: 2005 ausgeben. 0010 0000 0000 0101 Die Funktionen, um die einzelnen Zahlen zu erhalten schreibt man nicht selbst, schon gar nicht in Assembler. 3.4.1.3 Anzeige im MUX-Betrieb MUX…Multiplex HTL / EDT 4AHELI Seite 13 / 88 Alle a-Segmente, b-Segmente, etc. werden miteinander verbunden. Es wird immer nur der Schalter eingeschalten, von dem man die Anzeige ansprechen will. Wenn das Verfahren über 40Hz läuft, merkt das Auge das nicht mehr. Man braucht allerdings einen höheren Strom (Treiberstufe zwischen Decoder und Segmenten notwendig). Als Schalter (High Side Switch) wird typisch ein BCD557/8/9 verwendet. Man braucht allerdings wieder pro Segement einen Port (+4 Standardports) für die Schalttransistoren. Ab 4 Segementen verwendet man einen 1 aus n-Dekoder (74XX138). Mit den Eingängen wird gesteuert, welcher Ausgang auf Low springt (Low aktiv). So kann man mit 3+4 Ports 8 Anzeigen beschalten. …kann mit npn nicht aufgebaut werden (2-3V = zu wenig) n-Kanal-MOSFET Um den MOSFET durchschalten zu können, braucht man 2-3V, bei manchen Modellen auch 5V. Der Vorteil des MOSFET wäre der geringere Basisstrom. p-Kanal-MOSFET n-Kanal-MOSFETs werden häufiger benutzt. HTL / EDT 4AHELI Seite 14 / 88 Das Prinzip des Multiplexmodus funktioniert auch mit LCD Segmenten und Fluriszenzröhren. Es gebe auch 16-Segment- und Flüssigkristallanzeigen. Maximal ist ein Strom von 60mA zu erwarten (20mA/LED, 3 Anzeigen). Bei Transistoren: ICmaxDC…maximaler Strom, wenn Strom länger (~Minuten) rinnt ICmaxpeek…Kurzzeitstrom, alle ms wird geschalten Deshalb 420mA, weil 7*20mA*3. Es muss 3mal so hell leuchten, weil die LEDs nur ein Drittel der Zeit leuchten. Erklärung: Die wichtigsten Transistordaten werden oft so angegeben: ZN3055 60/15/115 €0,7 UCEmax ICmax Ptot Strom an der CA je nach angezeigter Zahl HTL / EDT 4AHELI Seite 15 / 88 Achtung beim Schalten von Lampen! Beim Einschalten kann der Strom auf ein 6-10faches ansteigen. Der Transistor muss als ICmaxpeek ~ das 10fache des Lampenstromes schaffen. 3.5 µC Eingänge Standardmäßig sind alle Port Pins auf High (Eingänge). Man kann auch Transistoren als Eingangschalter verwenden. Um einem µC etwas galvanisch getrennt mitzuteilen, werden oft Optokoppler verwendet. Bei Port 1.0 und 1.1 gibt es keine internen Pull-Up Widerstände. Wenn er als Eingang verwendet wird, muss man diese extern anschließen. HTL / EDT 4AHELI Seite 16 / 88 In alten Lehrbüchern gibt es solche Schaltungen. Allerdings sind Umschalter teuer und man hat ein Problem mit dem Schalterprellen. Entprellt wird nur noch mit Software. Software ist gratis! Am Eingang sollte man nicht mehr als 5V anlegen. Lange Leitungen zum µC: Bei einem Masseschalter gibt es bei einem Kurzschluss nur das Problem, dass sich der µC aufhängt. Bei einem Schalter der auf „High“ umschaltet, kann ein Kurzschluss von VCC auf GND passieren. 3.6 Matrixtastatur typisch: 10er Tastenfeld HTL / EDT 4AHELI Seite 17 / 88 Normalerweise kauft man die Tastatur mit Matrixschaltung und Flachbandkabel. Es gibt auch welche mit 13 Anschlüssen, diese haben folgende Innenschaltung: Funktionsweise: Der Controller lässt alle Outputs auf High und legt nur einen auf Low, danach fragt er die Inputs ab und weiß somit den Tastenzustand der auf Low gelegten Spalte. Danach wird die nächste Spalte auf Low gelegt. Das Verfahren zum Tastenlesen wird als SCAN bezeichnet. Beachte: Man muss sich die Tasten merken. Es ist üblich, dass wenn jemand 2 Tasten drückt, das Gerät nichts tut. Andererseits könnte man ein Codeschloss bauen, wo man 3 Tasten gleichzeitig drücken muss. Oft werden in diesem System auch einzelne Taster verwendet, die quer über den Print verteilt sind. Bei der Entflechtung braucht man viele Drahtbrücken, deshalb gibt es Taster mit längeren Beinen zu kaufen Æ Drahtbrücken unter dem Taster. Es gibt auch Taster mit integrierten Drahtbrücken: HTL / EDT 4AHELI Seite 18 / 88 Jumper werden als selten verwendete Schalter benutzt: Es gibt auch die Möglichkeit 3 Zustände einzugeben: • • • VCC GND offen Für mehrere Schalter nimmt man DIL-Schalter (Mäuseklavier): Für Hex-Zifferneingabe ist das allerdings ungeeignet. Eine komfortablere Möglichkeit bieten Drehcodierschalter: Es gibt Drehcodierschalter für verschiedenste Codes. Die Drehcodierschalter sitzen üblicher Weiße am Print und werden mit einem Schraubenzieher eingestellt. Für öftere Betätigung nimmt man Daumenradcodierschalter: Oft gibt es diese Bauteile auch ohne Taster, dafür mit Drehrad. Um Pins zu sparen verwendet man wiederum das Multiplexverfahren. Man kann das Ganze auch in eine Matrix einbauen, allerdings sind Daumenradcodierschalter Schalter und keine Taster. Man muss in der Matrix also Dioden einfügen, sonst wird die komplette Reihe blockiert. HTL / EDT 4AHELI Seite 19 / 88 Verwendet man Schalter bei einer Matrixtastatur, kann es sein, dass man einige falsch abfragt. Abhilfe schaffen Dioden in Serie zu den Schaltern (Polung je nach Abfrageart überlegen). 4 Optische Strahlung – Lichttechnik Prof. Wagner stellte ein Skriptum über Lichttechnik und Optoelektronik bereit, dieses wurde im Unterricht ergänzt. Ich habe hier Skriptum des Professors und Mitschrift zusammengefügt. Unter optischer Strahlung versteht man die elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 10nm und 1µm. Der vom menschlichen Auge wahrgenommene Bereich wird als Licht bezeichnet. Umrechnung Wellenlänge – Frequenz: λ*f=c Ultraviolette Strahlung führt zu Hautbräunung und –verbrennung. Infrarote Strahlung wird als Wärme empfunden. HTL / EDT 4AHELI Seite 20 / 88 Das menschliche Auge ist nicht für alle Wellenlängen gleich empfindlich – Augenempfindlichkeitskurve; das Maximum liegt bei 550nm (hellgrün). Solarzelle Lampe Passen die Wellenlängen nicht zusammen, ist der Nutzen sehr klein. 4.1 Größen und Einheiten Bei allen diesen Größen wird zwischen energetischer (Index „e“) und lichtetechnischen (Index „v“ – visible) unterschieden. Lichttechnische Größen werden mit der Augenempfindlichkeitskurve multipliziert; diese entsprechen daher der menschlichen Empfindung. HTL / EDT 4AHELI Seite 21 / 88 4.2 Raumwinkel 1 Steradiant (sr) ist jener Winkel, der aus der Oberfläche einer Kugel mit einem Radius von 1m eine Kalotte mit einer Fläche von 1 m² herausschneidet. Die Lichtmenge ist für die Angabe der Lebensdauer von Lampen gebräuchlich und für die Schwärzung von Filmen maßgeblich. Die Strahl- bzw. Lichtstärke ist nur von der Betrachtungsrichtung der Quelle abhängig, nicht jedoch von der Entfernung. Die Bestrahlungs- bzw. Beleuchtungsstärke nimmt mit der Entfernung ab. Richtcharakteristik ist das räumliche, manche Bauteile leuchten aber nicht symmetrisch (Abblendlicht), dafür gibt es Richtdiagramme. Die Leuchtdichte (Flächenhelligkeit) ist für den Helligkeitseindruck im Auge maßgeblich, weil flächenmäßig kleinere Lichtquellen heller als ausgedehntere trotz gleicher Lichtstärke erscheinen. HTL / EDT 4AHELI Seite 22 / 88 4.3 Schwarzer Körper – Farbtemperatur Jeder Körper, der eine Temperatur über 0K besitzt, sendet eine Strahlung aus (Temperaturstrahler, vgl. glühenden Eisenklotz: Rotglut – Weißglut). Die Strahlungsgesetze werden von einem idealisierten Strahler, dem schwarzen Körper (schwarzer Strahler) abgeleitet. Dieser strahlt in jeder Richtung bei jeder Wellenlänge die maximal möglich abgebbare Strahlungsenergie ab und absorbiert auch jede einfallende Strahlung. Der schwarze Strahler hat bei jeder Temperatur für jede Wellenlänge eine nach dem Planck’schen Strahlungsgesetz bestimmte spektrale Strahldichte. Die Farbtemperatur eines Strahlers ist diejenige Farbtemperatur des schwarzen Strahlers, bei der der schwarze Strahler den gleichen Farbeindruck hervorruft. Die Richtcharakteristik gibt die relative Strahlstärke (bei Sensoren die Empfindlichkeit) in Abhängigkeit der Richtung, gemessen in einer bestimmten Ebene, an. 4.4 Typische Werte Lichtstärke Standard-LED 1…10mcd Helle LED ca. 250mcd Superhelle LED 3000mcd Lichtstrom 25W-Glühlampe 230lm 16W-Leuchtstoffröhre 950lm 3,5kW-Flulichtlampe 300000lm Beleuchtungsstärke Sternklare Nacht 0,0003lx 100 W-Lampe/1m 150lx Gutes Arbeitslicht 1000lx 5 Optoelektronik • • • • • • Fotodiode, -transistor Solarzellen, IR-FB-Empfänger LEDs, Laser LEDs, 7-Segmentanzeigen LCD Fluoreszenzanzeigen Optokoppler 5.1 Sender – Anzeigen 5.1.1 Leuchtdioden (Light Emitting Diode – LED) Sind Halbleiterbauelemente, die aus Gallium-Arsenid/Phosphid u.ä. hergestellt werden. Wenn sie in Durchlassrichtung von Strom durchflossen werden, rekombinieren die Löcher mit den Elektronen. Das Elektron springt nach dem Bändermodell vom energetisch höheren Leitungsin das tiefere Valenzband und gibt die Energiedifferenz als Lichtwelle ab. Der Anteil von „strahlender“ Rekombination an der Gesamtrekombination ist gegenüber Silizium und Germanium deutlich höher. Ab ca. 2mA wird das Licht mit dem Auge wahrnehmbar; der Spektralbereich ist ziemlich scharf begrenzt. Übliche Farben: gelb – orange – rot – grün – infrarot. Blaue Leuchtdioden wurden erst spät entwickelt, sind (noch) teuer und haben eine geringe Leuchtstärke. Leuchtdioden werden oft zu Leuchtfeldern, Sieben-Segment-Anzeigen und Matrix-Anordnungen zusammengeschalten. Durch Pulsen mit hohem Strom und niedrigen Tastverhältnis kann die Helligkeit gesteigert werden (z.B. Multiplex-Anzeige: die HTL / EDT 4AHELI Seite 23 / 88 einzelnen Dezimalstellen werden nacheinander aktiviert, spart auch Anzeigedekoder). Die Lebensdauer erreicht 106 Stunden, modulierbar sind LEDS’s bis in den MHz-Bereich. Sonderbauformen sind mehrfarbige LED’s (mehrere einfarbige in einem Gehäuse), BlinkLED’s mit eingebautem IC und LED’s für die Ankopplung an Glasfasersysteme. Typische Daten: Durchlassspannung Max. Durchlassstrom Max. Sperrspannung Lichtstärke Wirkungsgrad 1,3…2,4V bei 10…20mA 30…250mA (1..10A gepulst) 5V 0,4…4mcd 0,05% (IR bis 5%) Richtdiagramme: Bei 0,5 (Hälfte der Leuchtlänge) ist die Halbwertbreite. Diese Diagramme gibt es auch bei Mikrofonen und Antennen. In Katalogen werden diese Bilder meist nicht abgebildet, da dies zu aufwändig wäre und LEDs meistens gleich sind. Funktionsweise von LEDs: LEDs senden also bei Rekombination nur Licht von einer Frequenz aus. Anfangs fand man nur Stoffe, um rotes Licht zu erzeugen, später auch für andere Farben HTL / EDT 4AHELI Seite 24 / 88 Verschiedene LEDs: Low current 2V, 1…2mA High efficiency entweder low current LEDs (weil sie mit 1mA so stark leuchten wie normale), oder wleche mit 2V/20mA, welche heller leuchten als normale LEDs Blaue LEDs leuchten normalerweise schwächer. RGB-LED Innenschaltung: …es werden 2 blaue LEDs benötigt Die Farbe der LED hängt davon ab, welchen Weg das Elektron zwischen den Schalen zurücklegen muss. Spektren: Luminanz…Helligkeit Krominanz…Farbfestigkeit Normtafel nach DIN5033: Hier sind alle Farben im XY-Raster angeordnet. Bei TFT und Bildröhren ist es wichtig, dass die 3 Farben zum Mischen möglichst weit außen liegen. 5.1.2 Laserdioden (LD) Sind spezielle Leuchtdioden, die ebenfalls in Durchlassrichtung betrieben werden. Beim Überschreiten des so genannten Schwellenstroms beginnt der Laserbetrieb: die hohe Anzahl der Elektronen deckt die Verluste der stimulierten Emission. Weiters ist ein Resonator notwendig, der durch gegenüberliegende, parallele Spaltflächen gebildet wird. Ein Teil der Strahlung durchdringt diese Spiegel und gelangt nach außen. Der Wirkungsgrad ist bedeutend höher als bei LED’s, die Schaltzeiten sind erheblich kürzer, die spektralen„Linienbreite“ liegt bei 1…2nm (LED: 30…40nm). Anwendung: Glasfaser-Nachrichtensysteme, CD-Abtastung, Vermessung HTL / EDT 4AHELI Seite 25 / 88 Licht wird zwischen den Spiegeln reflektiert. Durch Energiezufuhr wird es stärker. Eine Schicht lässt Licht durch (einige %). Dieses Licht kann sehr gut fokussiert werden. Das Licht besitzt nur eine Wellenlänge (kein Lichtgemisch). Unter dem Schwellenstrom arbeiten LDs als normale LEDs. Früher konnte man LDs nur schwer kühlen. CW…contineous waves (Dauerbetrieb) 5.1.3 Flüssigkristallanzeigen (LCD) LCD = Liquid Crystal Display. Zwischen zwei Glasplatten, die auf den Innenseiten mit einer transparenten Metallelektrode versehen sind, befindet sich eine organische Verbindung, (dazwischen SiO2 als Isolator), die im flüssigen Zustand in zwei verschiedenen Erscheinungsformen auftritt. Bei Anlegen einer Spannung richten sich die Kristalle in der Flüssigkeit senkrecht an, ohne Spannung sind die Kristalle „verdrillt“. Das durch die erste Glasplatte einfallende Licht passt sich der Kristallrichtung an und gelangt über die zweite Glasplatte wieder hinaus – Transitive Anzeige (Reflektive Ausführung: zweite Glasplatte ist verspiegelt – Licht wird reflektiert). Versieht man nun die Glasplatte(n) mit einem Polarisationsfilter, kann der Lichtdurchlass mit der anliegenden Spannung gesteuert werden. Transitive Anzeigen werden meist mit einer Hintergrundbeleuchtung ausgestattet. Neben der hohen Lebensdauer bieten LCD noch Segmente bzw. Anzeigesymbole in jeder beliebigen Form und extrem niedrigen Stromverbrauch (= kapazitive Last). Bei MultiplexAnsteuerung müssen beide Elektroden gegenphasig angesteuert werden, damit das Segment „dunkel“ erscheint. Oft verwendet: „Dreischritt-Multiplexen“: um Anschlüsse zu sparen, werden 3 Segmente zusammen geschalten, diese liegen jedoch 3 getrennten Gegenelektroden gegenüber. Aktive Anzeigen: für jeden Punkt einer Matrixanzeige wird ein Transistor in das Display integriert – für TV-Bildschirme. HTL / EDT 4AHELI Seite 26 / 88 Typische Daten: Betriebsspannung Betriebsform Betriebsfrequenz Betrachtungswinkel Schaltzeiten Temperaturbereich 1,5…6V ~ (sonst chem. Zersetzung!) 40nA/mm² > 30Hz (über Flimmerfrequenz!) 120° einige 100ms -15…-5°C bis 40…80°C Wenn die Flüssigkristalle ausgerichtet sind, drehen sie die Polarisationsebene um 90°. Man kann Wellen polarisieren (horizontal und vertikal). Licht ist polar polarisiert (an Schraube denken). Mit einem Polarisationsfilter kann man nur eine Polarisation durchlassen. z.B.: 2 Filter Beim LCD hat man oben und unten Filter, die das Licht durchlassen (eine Polarisation). Wird Spannung angelegt, brechen die Flüssigkristalle das Licht um 90°, es kann nicht mehr durch – schwarz. (Hält man eine Sonnenbrille mit Polarisationsfilter an eine Digitaluhr, so verschwindet die Anzeige, oder auch nicht, je nach Drehung der Brille.) LCDs verbrauchen praktisch keinen Strom (~nA). Nur die Hintergrundbeleuchtung und das Hin- und Herschalten braucht Strom. Reflektiv…hinten ist ein Spiegel Transzentiv…Hintergrundbeleuchtung HTL / EDT 4AHELI Seite 27 / 88 Ein TFT-Bildschirm funktioniert wie ein LCD, es gibt allerdings wieder drei Farben. Damit die Zuleitungen nicht ein zu großes Feld erzeugen, wurde in jedes Element ein Transistor integriert. Dickschichttechnik…Durch Auftragen von Pasten und anschließendes Brennen werden Schichten auf Keramik aufgetragen. Dünnschichttechnik…Dasselbe, nur mit Aufdampfen Der Kontrast ist der Abstand vom hellsten zum dunkelsten: Schichten von Flüssigkeitsanzeigen: Um einen Kontakt zum LCD herzustellen, werden Klemmen benutzt. Es gibt auch noch die Möglichkeit mit Leitgummi: An ein LCD darf man keine Gleichspannung anlegen, deshalb wird ein symmetrisches Rechteck benutzt. (Bei intelligenten LCDs ist dieses Problem schon gelöst.) In einer Uhr wird das so gelöst (Kondensator ist zu teuer). HTL / EDT 4AHELI Seite 28 / 88 LED-Anzeigen sind schmäler als LCDs. Bei LEDs nimmt man eine kleine Fläche, um eine möglichst große Beleuchtung / Fläche zu erreichen. Ein LCD braucht sowieso keinen Strom. Auch bei Feuchtigkeitsmessern in Blumentöpfen würde Elektrolyse die Messsonde (2 Stäbe) zerstören. Deshalb nimmt man auch hier ein symmetrisches Rechteck. Mit Kondensatoren wäre das wieder zu teuer (40 C’s in einer Uhr?) Deshalb benutzt man die Methode mit dem XOR-Gatter. SSI…Small scale integration (einige Gatter im IC) MSI…Medium scale integration (z.B.: µC) LSI…Large scale integration (z.B.: Taschenrechner in IC) VLSI…Very large scale integration (z.B.: Digitalmultimeter in IC) LSI und VLSI werden direkt auf den Print geklebt, mit Golddraht auf den Print verbunden (gebonded) und mit Lack überklebt. Intelligente LCDs: Werden meistens mit 5V versorgt. Standard ist der IC HD4480 (Hitachi). Intelligente LCDs können im 4 oder 8 Bit-Modus angesteuert werden. HTL / EDT 4AHELI Seite 29 / 88 Preis (einzeilig): Sonderverkauf: Normal: 3-5€ 10-20€ Um den Kontrast einzustellen, wird ein Poti verwendet. Am besten funktioniert es mit einer geringen negativen Spannung: Geräte mit Hintergrundbeleuchtung kosten ungefähr 5-10€ mehr. Normale LCDs haben 8 5x8 Anzeigen. Es gibt aber auch grafische Displays, auf denen man jeden Pixel ansteuern kann. (z.B.: Handy, Gameboy) Es gibt auch 16-Segment Anzeigen, diese wurden jedoch von den 5*8 Punktanzeigen verdrängt. HTL / EDT 4AHELI Seite 30 / 88 5.1.4 Floureszenz-Anzeigen Der Aufbau einer Fluoreszenz-Röhre gleicht einer Vakuum-Elektronenröhre. Von der geheizten Kathode (Glühdraht) werden Elektronen emittiert, durch das Gitter hindurch beschleunigt und regen beim Aufprall die spezielle Leuchtschicht der Anodensegmente an. Mit einer negativen Gitterspannung werden die darunter liegenden Segmente dunkel gesteuert. Beliebige Segment-Formen und –Farben möglich, besserer Kontrast als LCD’s, energiesparender als LED-Displays. Typische Daten: Heizspannung Anodenspannung Gitterspannung 1…8V ~ (einige 10mA Strom) 12…47V -2…-8V Durch das Heizen werden Elektronen frei, diese Wandern zum +-Pol. Eigensichere Bildröhre…wird zu viel Spannung angelegt, scheißt sie sich selbst (würde zu viel Röntgenstrahlung verursachen). Die obere Schaltung ist eine Diode. Dreht man die Polung um, rinnt nichts, weil nicht geheizt. HTL / EDT 4AHELI Seite 31 / 88 Hat das Gitter eine positive Spannung (Poti nach oben), steigt der Anodenstrom. Geht man mit dem Potential des Gitters nach unten, wandern die Elektronen nicht mehr. Da kein Strom ins Poti rinnt, kann man nur mit Spannung steuern. Das ist jetzt eine Fluoreszenzröhre. Das Heizgitter wird nicht bis zur Rotglut gebracht (sonst würde man es sehen). Problem: Die Spannungsdifferenz ändert sich je nach Länge der Anzeige. (Der Anfang leuchtet heller, das Ende dunkler). HTL / EDT 4AHELI Seite 32 / 88 So wird es realisiert: 5.2 Empfänger – Sensoren 5.2.1 Fotowiderstände LDR…light depending resistor Fotowiderstände bestehen aus Halbleiter-Mischkristallen ohne Sperrschicht, bei denen der innere fotoelektrische Effekt (Erhöhung der Eigenleitfähigkeit durch Lichteinfall) besonders groß ist (Cadmiumsulfid, Bleisulfid, Bleiselenid, Bleitellurid). Mit steigender Lichteinstrahlung sinkt der ohmsche Widerstand um mehrere Zehnerpotenzen mit einer zeitlichen Verzögerung von einigen Millisekunden ab. Wegen der relativ hohen Lichtempfindlichkeit werden sie trotz Widerstandsänderung durch Temperatur und Abhängigkeit von der „Vorgeschichte“ oft bei Lichtschranken, Dämmerungsschalter, Flammenüberwachungen etc. eingesetzt. Typische Daten: Dunkelwiderstand Hellwiderstand max. Verlustleistung 1…100MΩ 100…2kΩ 50mW…2W LDRs sind extrem empfindlich, allerdings auch auf Temperatur oder die Vorgeschichte (hell oder dunkel gelagert). Anwendung: Luxmeter, Helligkeitsanpassung bei Displays. HTL / EDT 4AHELI Seite 33 / 88 Man kann sie auch in Serie zu Relais schalten: …Blinkschaltung 5.2.2 Fotodioden und Solarzellen sind prinzipiell gleich aufgebaut: Fotodioden können sowohl aktiv (erzeugen elektrische Energie aus Licht, Anode der Diode ist Pluspol der Quelle) als auch passiv (in Sperrrichtung mit externer Spannungsquelle) betrieben werden. Dabei wächst mit steigendem Lichteinfall der Sperrstrom. Solarzellen (Fotoelemente) sind Fotodioden, die speziell auf die Energieerzeugung optimiert sind. Durch Bestrahlung der PN-Sperrschicht mit Photonen werden Elektronen-Löcher-Paare gebildet (inverser Effekt: Rekombination), die durch die Feldstärke in der Raumladungszone getrennt werden und als Fotostrom über den Lastwiderstand abfließen. Fotodioden die als aktives Bauteil geschalten werden, können je nach Lastwiderstand als Spannungsquelle (Leerlauf, RL > 100GΩ) oder als Stromquelle (Kurzschluss, RL <<) betrieben werden. Bei Betrieb als Spannungsquelle ist der Zusammenhang zwischen Lichtmenge und Spannung logarithmisch; als Stromquelle wäre der Verlauf zwar linear, die Empfindlichkeit aber zu gering. Dies lässt sich durch Hinzufügen einer Spannungsquelle umgehen, weil der Sperrstrom von der Sperrspannung unabhängig ist. Bei passiver Schaltung ist der Zusammenhang Sperrstrom zur Lichtmenge über mehrere Dekaden linear; Anwendung bei Beleuchtungsmessungen. Bei höheren Sperrspannungen (bis 30V) sinkt die Sperrschichtkapazität die Diode wird schneller, schlechtere Linearität, mehr Rauschen (für NF-Analogübertragungsstrecken). Typische Daten – Fotodioden: Empfindlichkeit E Empfindlichkeit S Kurzschlussstrom IK Leerlaufspannung UL Grenzfrequenz fg Dunkelstrom Id 10…180nA/lx 25 µA (0,5 mW/cm²) 10…17µA (0,5 mW/cm²) 325…450mV (1000 lx) 10 MHz (PIN-Fotodioden: 1GHz) 5 pA…500nA Sonderbauformen: Foto-PIN-Dioden: extrem kurze Schaltzeiten, hohe IR-Empfindlichkeit Foto-Lawinen-Dioden: bei modulierten Signalen mit geringen Pegeln, Bandbreiten bis in den GHz-Bereich Für Positionier- und Abtastanwendungen werden mehrere gleichartige Fotodioden zu einem „Dioden-Array“ in einem Gehäuse zusammengeschalten. HTL / EDT 4AHELI Seite 34 / 88 UL geht in Sättigung, weil sich die Diode sonst selbst leitend machen würde. Der Sperrstrom steigt mit größerer Beleuchtung. Diese Schaltung ist empfindlicher, sie wird üblicherweise in ∆iPHOTO/lm angegeben (oder mit einer anderen Lichteinheit). HTL / EDT 4AHELI Seite 35 / 88 Photodioden und Transistoren sehen ungefähr so aus: Manche Bauteile müssen von oben, manche von der Seite beleuchtet werden. RLZ…Raumladungszone Photodioden sind auf Geschwindigkeit, Solarzellen auf Leistung gezüchtet. Kratzt man von alten Dioden den Lack von Glasgehäuse, kann man diese ebenfalls als Fotodioden verwenden. Praktisch kann man so keinen µC ansteuern, da das Tages- und Lampenlicht zu hell ist. Darum gibt es Photodioden mit IR-Filter (Infra Rot). Man moduliert ein übertragenes Signal meist auf 36kHz auf. Solche Empfänger gibt es fertig zu kaufen (SFH 506-36). Um mehrere Geräte anzusprechen gibt es den RC5-Code (Philipps). Solche Signale werden sehr selten (Sekunden) übertragen, um Batterie zu sparen. HTL / EDT 4AHELI Seite 36 / 88 Die Sendedioden arbeiten mit Spitzenströmen bis zu einem Ampere. Die Schaltung funktioniert, weil der Ri der Batterien den Kurzschlussstrom begrenzt, welcher nur kurzzeitig benötigt wird. Der 100µF Kondensator ist da, falls die Batterien schwach werden. Quarze für den µC sind zu teuer, es werden Keramikresonatoren benutzt. Der µC schaltet sich nur ein, wenn eine Taste gedrückt wurde. …Keramikresonator Die Taster bestehen aus Gummiflächen (hochohmig verbunden): Bei dieser Schaltung liegen an der Diode 0V Æ Sie glaubt, sie ist im Kurzschluss Æ Kennlinie gerade: Um bei der CD genau in der Rille abzutasten, wird grob mit dem Schieber (~ Zehntel mm) eingestellt, die Feineinstellung erfolgt elektro-magnetisch (Ganze Abtastschaltung sitzt auf einer Spule). HTL / EDT 4AHELI Seite 37 / 88 5.2.2.1 Solarzellenbetrieb Fotodioden können auch als Solarzellen betrieben werden. (~0,5V) Diese Dioden werden in großen Flächen geschaltet. Die Größe der Fläche ergibt den Kurzschlussstrom. MPP…maximum power point Es gibt eigene Regler, die die Diode immer im optimalen Arbeitspunkt halten. Eine Fotodiode liefert ~0,5V Die Fläche bestimmt, wie viel Strom die Diode liefern kann. Die Technik, um aus Licht Strom zu erzeugen nennt man Photovoltaik. Wirkungsgrad ~20% (kein Dreck, 90° Sonneneinstrahlung). Solarladegeräte halten die Solarzellen im MPP (Maximum Power Point). HTL / EDT 4AHELI Seite 38 / 88 5.2.3 Fototransistoren Bei Fototransistoren ist die Kollekor-Basis-Sperrschicht als Fotodiode hergestellt, der Basisanschluss wird nicht immer aus dem Gehäuse herausgeführt. Die spektralen Eigenschaften von Fototransistoren sind daher ähnlich denen von Fotodioden, allerdings ist die Empfindlichkeit durch die Verstärkung des Fotostroms durch den Transistor entsprechend höher. Fototransistoren sind bedeutend langsamer als Fotodioden. Anwendung: wie Fotodioden, in Zeilenform auch für Bildabtastung. Typische Daten: Fotostrom IP Dunkelstrom ID Empfindlichkeit E max. Kollektorstrom max. CE-Sperrspannung max. Verlustleistung 0,25…8mA (1000 lx) 0,2 µA ca. 0,15 µA / lx 50…100 mA 35…50 V 200…330 mW Phototransistoren sind empfindlich aber langsam Æ nichts für Glasfaser (GBit). Von der Bauform kann man Photodioden und Phototransistoren unmöglich unterscheiden. 5.2.4 Fotothyristoren sind Thyristoren, die zusätzlich zur Triggerung mit einem Stromimpuls am Gate durch Beleuchtung gezündet werden können. Vorteil: kein Übertrager, Optokoppler zur galvanisch getrennten Zündung erforderlich. HTL / EDT 4AHELI Seite 39 / 88 5.3 Optokoppler – Reflexkoppler Optokoppler dienen zur Informationsübertragung zwischen galvanisch getrennten Stromkreisen, die durch erhöhte Sicherheitsanforderungen für Mensch und Maschine, Vermeidung von Rückwirkungen, Erd- und Masseschleifen notwendig sind. Als Sender dient eine Infrarot-Leuchtdiode, als Empfänger ein Fototransistor, seltener Fotodarlingtontransistoren und Fotodioden. Koppler mit Fotodioden arbeiten am schnellsten (Grenzfrequenz bis 10 MHz, Stromkoppelfaktor IC/ILED nur 0,1%); transistorbestückte werden 300kHz und 30…300% erreicht; am langsamsten sind Darlingtonkoppler: 30kHz, 500%. Die Basis des Transistors wird nur selten herausgeführt. Meist werden nur binäre Signale übertragen, bei analogen Signalen geringe Übertragungslinearität und Driftprobleme (Sonderbauform: Optokoppler mit optischen Gegenkopplungszweig). Für Triac-Ansteuerung bei Netzspannungsanwendungen werden Optokoppler mit Nulldurchgangsschalter hergestellt. Typische Daten: max. LED-Strom max. LED-Sperrspannung max. Kollektorstrom max. CE-Sperrspannung Prüfspannung 50…60mA 3…5V 50…100mA 32…70V 500…4000V (10000V) Optokopplergehäuse: 6 oder 8 polig. DIL, bei 2 und 4 fach-Kopplern „länger“ Bei offenen Optokoppler (Reflexkoppler) gelangt der Lichtstrahl erst durch Reflexion zum im selben Gehäuse untergebrachten Empfänger – Anwendung als Reflexlichtschranke. Werden Sender und Empfänger gegenüberliegend angeordnet: Gabellichtschranke; Gabelkoppler HTL / EDT 4AHELI Seite 40 / 88 Manchmal ist die Basis des Transistors herausgeführt. Es gibt auch Optokoppler mit 4 Beinen. Optokoppler haben oft ein weißes Gehäuse. Wichtig ist die Isolationsfestigkeit, diese gibt an, wann die Spannung von der Diode auf den Transistor durchschlägt. Prüfspannungen: 2,5kV ; 3,5kV ; 5kV Die Probleme sind immer, dass die Spannung durch die Luft überschlagen kann. Dabei muss auch auf die Größe von PADs geachtet werden. Durchführungen durch Optokoppler sind verboten! Oft wird unter Optokoppler auch ein Schlitz gesetzt, damit sich darunter kein Schmutz oder Staub ansetzen kann. Für besondere Aufgaben gibt es den CNYXX: Zwischen Diode und Transistor ist Plexiglas, Luft würde zu schnell durchschlagen. Æ Luft ist der billigste Isolator, und ein selbstheilender. Die Leuchtdiode ist immer Infrarot (höherer Wirkungsgrad). HTL / EDT 4AHELI Seite 41 / 88 5.3.1 Spezielle Optokoppler …zum Übertragen von wenig Leistung …zum Übertragen von „schönen“ analogen Signalen Signale werden durch das Übertragen verzerrt. Normalerweise macht man eine Rückkopplung Æ bei Optokoppler nicht möglich. Deshalb spezieller Optokoppler, welcher das Ausgangssignal auch auf der „Eingangsseite“ hat. 6 Einschub über Klemmschaltung Wenn ein Draht rausgeht, kann der OPV durchsteuern, was den IC (oder teueres Ding) durchschießt. Deshalb benutzt man eine Klemmschaltung. (Dioden) Die Spannung am Eingang kann ein wenig größer sein. HTL / EDT 4AHELI Seite 42 / 88 Entweder rinnt der Strom über die obere Diode ins Netzgerät, oder aus der unteren in den OPV. Bei vielen Steckbrettbauten reicht das. Bei noch heikleren Geräten (z.B.: ADC an Bleibatterie) kann man einen 1k Widerstand dazwischen hängen, so kann der Strom nicht die Dioden schießen. Es gibt noch andere Möglichkeiten: HTL / EDT 4AHELI Seite 43 / 88 7 Sinusoszillatoren 7.1 Digitale Oszillatoren In der Codetabelle sind nur die Werte von einem Viertel-Sinus gespeichert. Der ganze Sinus wird durch Rückwärts-Auslesen und Vorzeichen-Umdrehen erreicht. 7.2 Zweipoloszillatoren Ein Parallelschwingkreis wird durch einen negativen differentiellen Widerstand entdämpft (z.B.: Tunneldiode, Gasentladungsstrecken, spezielle OPV-Schaltungen,…). HTL / EDT 4AHELI Seite 44 / 88 7.2.1 Schwingkreis Beim Schließen des Schalters entsteht eine ungedämpfte Schwingung. Æ Vergleiche GET 2. Klasse. In Wirklichkeit gibt es Verluste. Die Güte wird meistens von der Spule bestimmt. HTL / EDT 4AHELI Seite 45 / 88 7.2.2 Kompensation mit negativem Widerstand Man könnte diesen Rp auch kompensieren. Einen –Rp bekommt man z.B. von einem Gyrator. …besteht aus 1 bis 2 OPV …ein negativer Widerstand ist eine Quelle. Ein Gyrator wird auch verwendet, um aus C ein L zu machen. Die Spule ist dadurch nicht nur billiger, sondern hat auch eine bessere Güte, Leistung kann sie nicht speichern. 7.2.3 neg. Widerstände in der HF-Technik z.B.: Tunneldiode HTL / EDT 4AHELI Seite 46 / 88 RD = U/I, Diodenstrom und Flussspannung rD, um wie viel steigt der Strom bei Spannungsänderung rD, negativ, erhöht man die Spannung, sinkt der Strom In der HF-Technik werden Schwingkreise schraffiert. Auch Glühlampen und Leuchtstoffröhren hätten Kennlinien, aus denen man einen negativen Widerstand basteln könnte (keine praktische Bedeutung). …Arbeitspunkteinstellung Durch den negativen Widerstand entsteht zwischen U und I eine Phasenverschiebung von 180°. 7.3 Vierpoloszillatoren werden mit positiv rückgekoppelten Verstärkern (Mitkopplung) realisiert. Dabei wird ein Teil des Ausgangssignals wieder an den Eingang des Verstärkers zurückgeführt. Blockschaltbild des rückgekoppelten Verstärkers: HTL / EDT 4AHELI Seite 47 / 88 a…Verstärkung mit Rückkopplung v…Verstärkung ohne Rückkopplung k…Rückkoppelfaktor s1…Eingangssignal (u oder i) s2…Ausgangssignal k*v = g…Schleifenverstärkung Man unterscheidet 3 Fälle: k*v < 0 Gegenkopplung (negative feedback) Die Gesamtverstärkung sinkt; bei hoher Schleifenverstärkung hängt sie nur mehr vom Rückkoppelnetzwerk ab. Anwendung: Verstärkerschaltung mit OPV. 0 < k*v < 1 Mitkopplung (positive feedback) Die Gesamtverstärkung steigt; wird aber selten verwendet, weil sie wegen Bauteiltoleranzen schwer einstell- und stabilisierbar ist. k*v ≥ 1 Oszillator Eigentlich unendlich großes Ausgangssignal, wegen Aussteuerungsgrenze des Verstärkers aber beschränkt (Verzerrungen). Amplitudenbedingung |k|*|v| ≥ und Phasenbedingung φK + φV = n*360° (n = 1,2,3…) müssen erfüllt sein. Dies ist im Allgemeinen nur bei einer Frequenz der Fall Æ Schwingfrequenz. Eine OPV-Schaltung mit Rückkopplung ist ein Paradebeispiel für einen 4-pol Oszillator. Ohne Geräte, die das Einstellen verlangsamen würden (z.B.: Motor), braucht man dafür keine Regelungstechnik Æ sofort eingestellt. Beim Anschwingen sollte |k| * |v| ≥ 1 sein, im stationären Zustand = 1. Ein Oszillator hat keinen Eingang, das Signal, welches man ihm als Start geben müsste, wird durch Brummen und Rauschen beim Einschaltvorgang erzeugt. Æ Oszillatoren nicht schleichend einschalten, sondern gleich mit der vollen Betriebsspannung. HTL / EDT 4AHELI Seite 48 / 88 |v| * |k| ≥ 1 φK + φV = n * 360° Amplitudenbedingung Phasenbedingung Bei |v| * |k| = 1 bleibt der Sinus gleich groß. Allerdings hat man am Anfang noch keinen Sinus, deshalb ≥ 1. Die Phasenbedingung sagt aus, dass das Signal nach einem Umlauf in der richtigen Phase ankommen muss (in der gleichen, wie es weggelaufen ist). Da der Oszillator nur auf einer Frequenz schwingen soll, darf eine der zwei Bedingungen nur bei einer Frequenz erfüllt sein. Mit Faktor 10 kann man den zweiten Tiefpass vernachlässigen. Zweiter Filter für 180° Phasenverschiebung. HTL / EDT 4AHELI Seite 49 / 88 Der 3. Tiefpass wird dazugeschalten, weil sich die Phase asymptotisch 180° annähert – bei 180° keine Amplitude (zu viel Dämpfung). Mit 3. Tiefpass erreicht man die 180° Æ Schwingt auf Wert mit 180° und geringster Dämpfung. --Die Schaltung würde funktionieren, in der Praxis würde man sie aber mit Hochpässen aufbauen: Widerstände bei den Tiefpässen zerstören den Arbeitspunkt. Der letzte Hochpass-Widerstand ist der vor dem OPV. Der Bereich, wo die Phase 180° schneidet, wurde genormt. Das neue Diagramm sagt aus, wie stabil der Oszillator ist. Je steiler die Kurve ist, je stabiler ist er (dφ/dΩ). Die Einheit Omega Ω hat in diesem Fall nichts mit einem Widerstand zu tun. HTL / EDT 4AHELI Seite 50 / 88 Meist wird die Schwingfrequenz durch die Phasenbedingung eingestellt; die „Steilheit“ des Phasenfrequenzganges bestimmt somit Frequenzstabilität des Oszillators. …Frequenzgang der Phasenverschiebung Kurve 1: Wien-Robinson-Brücke mit ε = 0,01. Kurve 2: Schwingkreis mit Q = 10. Kurve 3: Passiver Bandpass mit Q = 1/3. Die Amplitudenbedingung muss in diesem Bereich knapp über 1 liegen. Da während des Anschwingens eine größere Verstärkung notwendig ist, muss diese danach entweder begrenzt (meist durch Aussteuergrenzen des Verstärkers) oder zurückgeregelt werden (Regelung der Amplitude durch FET, OTA, etc.). Die Regelung darf nicht zu schnell erfolgen, weil sonst die Schwingung des Oszillators eliminiert wird. 7.4 Anforderungen an Oszillatoren • • • • • • Hohe Frequenzkonstanz (Betriebsspannung, Belastung, Temperatur, Zeit) Gute Amplitudenkonstanz Kleiner Klirrfaktor ↔ geringes Oberwellenspektrum Gute Verstimmbarkeit, gute Modulierbarkeit Gutes Anschwingen Geringes Phasenrauschen („Jitter“) HTL / EDT 4AHELI Seite 51 / 88 7.5 Niederfrequenzoszillatoren (RC-Generatoren) 7.5.1 Phasenschieberoszillator Die Kettenschaltung von drei RC-Gliedern (Hoch- oder Tiefpässen) erreicht bei der Schwingfrequenz 180° Phasendrehung. Der invertierende Verstärker ergänzt auf 360° und kompensiert den Amplitudenverlust des Rückkoppelnetzwerks bei der Schwingfrequenz. Schaltung mit Transistor Schaltung mit OPV Phasenschieberoszillator mit Transistor: vu = -S * RC Das Problem ist, dass man eine Verstärkung von ~50 aus dem Transistor herausholen muss. HTL / EDT 4AHELI Seite 52 / 88 7.5.2 Wien-Robinson-Oszillator Das Rückkoppelnetzwerk ist ein Wien-Glied (Serienschaltung von einem RC-Hochpass mit einem RC-Tiefpass). Nur bei einer Frequenz ist die Phasenverschiebung zwischen Eingangsund Ausgangsspannung Null; dabei ist UA/UE = 1/3. Grundschaltung mit Amplitudenregelung 7.5.2.1 Wien Glied: Der Verstärker muss bei der Resonanzfrequenz eine Verstärkung von 3 und eine Phasenverschiebung von 0° haben. Erwischt man die Verstärkung <3, schwingt er nicht mehr. Nimmt man mehr, könnte er von der Amplitudenbedingung her schwingen, von der Phase aber nicht. HTL / EDT 4AHELI Seite 53 / 88 In der Praxis benutzt man Stereopotis und die Kondensatoren schaltet man um. Die Kondensatoren werden aussortiert, um genau zu funktionieren. Alle Bauteile funktionierten dekadisch. Man benutzt keine verstellbaren Kondensatoren, weil diese in der Gegend von 10…200pF sind. Die Frequenzbereiche müssen sich überlappen, sonst könnte es passieren, dass man nur bis 96Hz und ab 105Hz einstellen kann (1k in Serie zum 10k Poti sollten reichen). Stufenschalter werden z.B. als 2x4 angegeben (4 Stellungen, 2 Ebenen). Æ Vorsicht bei 3x4 und 4x3 (nicht das Selbe). Die Skala dafür ist aber nicht linear. Um sie linear zu bekommen, bräuchte man negativlogarithmische Potis (ab 10000 Stück erschwinglich). 7.5.2.2 Unterschied Amplituden-Begrenzung und Amplituden-Regelung Die einfachere Variante ist die Amplituden-Begrenzung Beim = 1,0001 Bereich, wird die Amplitude abgeschnitten, aber nur ganz wenig (clipping) Æ Klirrfaktor (~0,5%) Die Amplitude auf 1 einzustellen wäre für die Laborübung zu schwer. Für den Verlauf wäre das zu schlecht. HTL / EDT 4AHELI Seite 54 / 88 Regelung: Die Zeichnung ist ein Schema, der Regler verdreht nicht das Poti. Beim Nachregeln erhält man auch einen Klirrfaktor Æ die Regelung muss sanft nachregeln. …Wien-Robinson-Oszillator mit Amplitudenregelung …Sperrschicht-FET (selbstleitend) Beim C2 erhält man die doppelte Amplitude in verkehrter Richtung, mit dieser wird der Sperrschicht-FET angesteuert. HTL / EDT 4AHELI Seite 55 / 88 Die Regelung muss sehr langsam sein, sonst regelt sie den Sinus aus! Deshalb werden mit dem Umschalter nicht nur die Kondensatoren, sondern auch die Geschwindigkeit der Regelung umgeschaltet. (Bei kleinen Frequenzen langsamer) Man kann auch mit Lampen regeln (Kaltleiter). Steigt die Spannung am Lämpchen, sinkt der Strom. Allerdings darf man nicht irgendeine Lampe nehmen. 7.5.3 Allpass-Oszillator Zwei hintereinander geschaltete aktive Filter ohne Amplitudenbeeinflussung (= Allpass) drehen bei der Resonanzfrequenz die Phase um insgesamt 180°. In untenstehender Schaltung ist zur Verbesserung der Amplitudenstabilität eine Regelstufe eingebaut. Phasenverschiebung eines Allpasses: φ = 2arctanωτ HTL / EDT 4AHELI Seite 56 / 88 schiebt 90° So kann man die Verstärkung knapp um 1 einstellen. Danach könnte man einen invertierenden Verstärker schalten Æ 270°. Probleme: • Wie der OPV abschneidet ist vom Hersteller abhängig. • Spannung driftet mit Versorgungsspannung mit. HTL / EDT 4AHELI Seite 57 / 88 Deshalb definiert man seine Sättigungsspannung mit Z-Dioden. An den Z-Dioden liegt immer |UZ + 0,7V| (0,7V = UF der Z-Dioden in Flussrichtung). Steigt die Spannung Uaus über diesen Wert, wird der Widerstand niederohmiger Æ v sinkt. Der Klirrfaktor steigt extrem an, wenn die obere Halbwelle anders abgeschnitten ist, als die untere. Sind beide gleich abgeschnitten, ist der Klirrfaktor kleiner. Allerdings sind nicht alle Z-Dioden gleich. Lösungen: • 1% Z-Dioden (extrem teuer) • selektieren (extrem aufwändig) • Brückengleichrichter (nur eine Z-Diode benötigt) Mit 2 Dioden statt einer Z-Diode funktioniert es auch. Dafür gibt es einen eigenen IC (Dioden Array), darin sind alle Dioden gleich und haben dieselbe Temperatur. Æ Dioden Arrays sind ICs, wo nur Dioden drin sind. Auch OPVs haben deshalb bessere Eigenschaften als die Schaltung selbst, weil alles in einem Gehäuse ist. Æ Vergleiche: Doppeltransistoren für HiFi. Man wünscht sich runde Übergänge, damit der Sinus nicht eckig abgeschnitten wird (Klirrfaktor). Schaltet man Dioden in Serie, werden die Übergänge runder. HTL / EDT 4AHELI Seite 58 / 88 7.5.4 Annäherung mit Dioden Man kann auch ein Rechteck erzeugen, daraus ein Dreieck machen und daraus einen Sinus basteln. Den dadurch entstandenen Klirrfaktor kann man auch berechnen. In der Praxis ist er allerdings besser als in der Rechnung, da die Diodenkennlinien runder sind als ihre Annäherungen. 7.5.5 Programmierte Schwingungsdifferentialgleichung Die Differentialgleichung, deren Lösung eine Sinusschwingung ist, wird mit Hilfe einer Analogrechenschaltung (2 OPV-Integrierer und ein Umkehrverstärker) nachgebildet. Die Lösung der Differentialgleichung ist ein Sinus. Darum baut man eine Gleichung als Schaltung auf Æ kann nur als Sinus schwingen. Differenzierer sind als OPV aber schlecht, deshalb nimmt man Integrierer. HTL / EDT 4AHELI Seite 59 / 88 7.6 Durchstimmbarkeit Oszillatoren müssen abgeglichen werden (nach dem Aufbau wird die exakte Frequenz eingestellt). Dazu hängt man einen Frequenzzähler oder Spektrumanalysator an den Ausgang und verändert L oder C. Da Metall die Induktivität verändert würde, gibt es Abgleichbessteck aus Keramik. Auch die Handkapazität wirkt sich aus. Deshalb gibt man Bauteile in Metallschachteln oder benutzt Trennbleche. Durchstimmbarkeit: Während des Betriebes eine andere Frequenz einstellen. Oszillatoren mit Schwingkreisen kann man sehr leicht durchstimmen. Quarzoszillatoren sind absolut fix auf einer Frequenz, man kann sie nicht durchstimmen. HF-OSZ HTL / EDT durchst. fix + variabel LC PLL-Synthesiser Æ Siehe IE 4. 4AHELI fix Quarz Seite 60 / 88 7.7 Quarzoszillatoren 7.7.1 Schwingquarze Eine Scheibe aus reinem Siliziumdioxid wird durch Aufdampfen von Metall elektrisch kontaktiert. Durch da Anlegen einer Spannung schwingt der Quarz als mechanischer Resonator hoher Güte (Q = 104…106) durch den piezoelektrischen Effekt mit einer bestimmten Frequenz, die durch seine mechanischen Abmessungen gegeben ist. Quarze werden für Resonanzfrequenzen von etwa 1kHz bis 150MHz hergestellt (ab 30MHz Oberwellenquarze). Die erreichbare Frequenzkonstant ∆f/f0 liegt bei 10-6…10-10. piezoelektrisch…legt man Spannung an, schwingt der Quarz. Funktioniert auch umgekehrt, verbiegt man den Kristall, erzeugt er Spannung (Kristallmikrofon, Feuerzeug,…) Frequenzgang der Impedanz (Betrag): HTL / EDT 4AHELI Seite 61 / 88 2 Resonanzfrequenzen: FS und FP liegen sehr eng zusammen (einige Hz), deshalb steht nur eine Frequenz am Quarz – hier ist der Quarz induktiv. Bei der ersten Resonanzfrequenz schwingt der Quarz, bei der zweiten Resonanzfrequenz (nach Unterbrechung im Diagramm) schwingt er in sich: Quarze schwingen nur bis einige 100kHz wie oben gezeigt. Bei höheren Wellen treten Dickenscherschwingungen auf: Dies passiert auf der dreifachen Resonanzfrequenz und allen weiteren Oberwellen (5, 7, 9,…). Allerdings ist hier der mechanische Widerstand groß, weshalb er immer auf der 1. Resonanzfrequenz schwingt. Das Schwingen funktioniert nur bis 30MHz. will man einen Quarz mit größerer Frequenz, muss man ihm die erste Frequenz wegnehmen. Æ Muss auf nächster Frequenz schwingen (Obertonoszillator) Durch Zuschalten eines Trimmkondensators lässt sich die Serienresonanz des Quarzes bis zur Parallelresonanzfrequenz erhöhen („Ziehtrimmer“). Ersatzschaltbild: CP (CH)…Halterungskapazität, Parallelkapazität Ein Quarz verhält sich wie ein Schwingkreis mit extrem hoher Güte Æ Nicht mit „normalen“ Bauteilen aufbaubar. Mechanische Resonatoren haben im Allgemeinen eine bessere Güte als elektrische. Die Frequenz des Quarzes ist sehr temperatur- und alterungsabhängig. Æ Alte Quarze und Quarzofen verwenden (Uhren). Ein Uhrenquarz hat typischer Weise 32,768 kHz. HTL / EDT 4AHELI Seite 62 / 88 Temperaturkonstanz 10-6: 1MHz 1,000 000 MHz ± 1Hz Die Frequenz des Quarzoszillators mit einem Oszi zu messen ist unnötig Æ Frequenzzähler verwenden. Frequenzzähler zählen die Impulse innerhalb der Gate-Zeit. Da ein Impuls gerade noch hineinfallen kann, ist die letzte Stelle ungenau. Æ Um 1MHz auf 10-6 Stellen messen zu können, muss der Frequenzzähler 8 Stellen haben. Bei vielen Frequenzzählern kann man die Genauigkeit umstellen (genau messen dauert einige Sekunden). Es gibt auch Geräte, die automatisch umschalten. Der Frequenzzähler wird auch mit einem Quarzoszillator betrieben. Dieser sollte mindestens einen Faktor 10 besser sein, als das Messobjekt. Die Quarze im Frequenzzähler werden geheizt. Genauere Messmethoden sind Cäsium-Frequenznormale (einige 1000 €). Es werden auch mehrere Atomfrequenznormale synchronisiert. Warum so genau? Der zeitliche Fehler summiert sich auf. Geht der Quarz im Monat 3 Sekunden falsch, sind es in einigen Jahren eine halbe Stunde. XO…englische Bezeichnung für Quarze TCXO…temperature controlled „Quarz“ Benutzt nur den inneren Temperaturbereich ist ein Quarz mit flacher Kennlinie in der Mitte gut, ansonsten eine von außen (ist in der Mitte ungenauer, im Durchschnitt aber besser – für Anwendung im Freien) Die Winkel rechts beim Diagramm geben den Winkel an, in dem der Quarz ausgeschnitten wird. Erklärung inhomogen: Nicht überall gleich (z.B. Messingwürfel ist nicht überall gleich legiert). Man müsste dann den Widerstand in kleinere Würfel zerlegen und einzeln berechnen. Beispiel: Spule mit Luftspalt. HTL / EDT 4AHELI Seite 63 / 88 Erklärung anisotop: Eigenschaften sind von der Richtung abhängig. Ein Beispiel ist die Walzrichtung von Trafoblechen. Quarze sind Kristalle und deshalb auch richtungsabhängig. Zwischen Serien- und Parallelresonanz ist nicht viel Unterschied. Uhren werden mit Kondensatoren abgestimmt. Das Abgleichen ist sehr zeitaufwändig. Die vorgelegten Informationen dienen lediglich zur Orientierung in der „echten“ Fachliteratur! 7.8 Hochfrequenz-Oszillatoren Zu HF-Generatoren sagt man auch Messsender. HF-Sender sind Sinusgeneratoren Æ bei anderen würde das Spektrum zu breit sein Æ Die Frequenzen auf denen man senden darf sind extrem genormt. HTL / EDT 4AHELI Seite 64 / 88 7.8.1 Meißner-Oszillator Das Rückkoppelnetzwerk ist ein Übertrager, dessen Primärspule zugleich Teil des Frequenz bestimmenden Parallelschwingkreises ist. Nachteil: Übertrager erforderlich. 7.8.1.1 Selektive Verstärker Das Gegenteil von selektiven Verstärkern sind Breitbandverstärker. Bsp. für Breitbandverstärker: HiFi (20…20kHz) fT ( Transitfrrequenz) ist die Frequenz, wo die Verstärkung des Transistors auf 1 gefallen ist. HTL / EDT 4AHELI Seite 65 / 88 Schmalbandverstärker: Kanäle: In einem gewissen Frequenzband passen eine bestimmte Anzahl von Sendern mit einer abgemachten Bandbreite hinein. Diese sind genormt und werden als Kanäle bezeichnet. 7.8.1.2 Transistoren Die Schaltung lässt sich schwer aufbauen (Temperatur), deshalb benutzt man eine Rückkopplung (RE) Die Wechselspannung fällt dann aber auch am RE ab. Deshalb überbrückt man ihn mit einem Kondensator C. HTL / EDT 4AHELI Seite 66 / 88 Die untere Grenzfrequenz wird durch die Koppelkondensatoren begrenzt. (Hochpass am Eingang mit Basisspannungsteiler, am Ausgang mit RL.) Der CCP des Transistors bestimmt die obere Grenzfrequenz. (Miller Effekt) Obwohl der Kondensator sehr klein ist, rinnt ein großer Strom (große Spannung) = Miller Effekt Æ Ein Teil der Ausgangsspannung wird gegengekoppelt. Ein typischer Wert für die fT sind einige MHz. 7.8.1.3 Gewinn-Bandbreite-Produkt: Mit dem Gewinn-Bandbreite-Produkt kann man errechnen, welche Frequenz man maximal bei welcher Verstärkung nutzen kann. Damit der OPV nicht schwingt, haben OPVs eine interne Frequenzkompensation Æ Siehe IE Skriptum 3. Klasse. Es gibt auch OPVs, die nicht intern kompensiert sind. HTL / EDT 4AHELI Seite 67 / 88 7.8.2 Herleitung Meißner Oszillator Serienschwingkreis kann man keinen verwenden, weil sonst der Transistor nicht funktioniert (C = Unterbrechung). Der RC ist nur der Kupferwiderstand vom L. Der Transistor pumpt Strom in den Schwingkreis. f << Æ ωL = 0 (Spule Kurzschluss) f >> Æ 1/ωC = 0 (Kondensator Kurzschluss) Hat der Widerstand des Schwingkreises einen nennenswerten Widerstand, hat man eine Ausgangsspannung. Die Verstärkungskurve der Transistorspannung sieht aus wie die Impedanzkurve. HTL / EDT 4AHELI Seite 68 / 88 Phasenbedingung ist immer erfüllt, Amplitudenbedingung nur bei der Resonanzfrequenz. Eine hohe Güte des Schwingkreises ist wichtig. Durch Abgreifen mit der zweiten Spule entstehen Verluste. Je mehr Energie man entnimmt, je schlechter wird die Güte. Der Basisspannungsteiler vernichtet ebenfalls etwas vom HF-Signal. Man könnte in Serie zu den Widerständen HF-Drosseln schalten. Besserer Trick: Die HF-Spannung liegt an der Spule und am UBE. (Dahinter wegen C∞ ist eine HF-Masse) Die Spule beeinflusst den Arbeitspunkt nicht (HFSpulen sind meist nur Drahtschlingen). Die Formel ist nur eine Näherung, das M des Übertragers wurde als vernachlässigbar angenommen. HTL / EDT 4AHELI Seite 69 / 88 7.8.3 Hartley-Oszillator (Induktive Dreipunktschaltung) Der Übertrager des Meißner-Oszillators wird durch eine Spartransformator (= „angezapfte“ Spule) ersetzt. Da dieser Teil eines Schwingkreises ist, kann bei hoher Güte des Kreises die magnetische Kopplung der beiden Spulen entfallen. 7.8.3.1 Spartrafo Spartrafos werden auch als „Auto-Trafo“ bezeichnet. Verzichtet man bei Trafos auf die galvanische Trennung, kann man trotzdem die Spannung hochwandeln. (Magnetische Kopplung muss vorhanden sein.) HTL / EDT 4AHELI Seite 70 / 88 Von der einen Spule des Spartrafos zur anderen hat man 180° (ein Pfeil zeigt zur Masse, der andere Weg – VCC = HF-Masse) Man kann auch die zweite Spule in den Schwingkreis nehmen. Sind sie in einem Schwingkreis, müsste man sie nicht mehr magnetisch koppeln. In der HF stellt man die Schaltung als 2 ESBs dar (AP und HF-Ersatzschaltbild). Dreipunktschaltung: 3 Punkte, in der Mitte sitzt ein verstärkendes Element. Basisschaltung: Da die Basisschaltung für viele Schüler unbekannt war, wurde sie wiederholt. Die Quelle lässt die 0,7V wackeln, der Transistor verstärkt die Eingangsspannung. Æ Die Spannung liegt auch am Ausgang. Wird meist liegend gezeichnet (Eingang links, Ausgang rechts). HTL / EDT 4AHELI Seite 71 / 88 Eigenschaften: • Ri einige Ω (fast Kurzschluss) • hoher Ausgangswiderstand (kein Strom entnehmbar) • keine Phasendrehung • hohe Transitfrequenz möglich Da man in der HF meist mit Übertragern die Signale ein- und ausspeißt, stören der Ein- und Ausgangswiderstand nicht. Millereffekt-Problem über Masse kurzgeschlossen (C). Transistoren werden auch als 4pole gezeichnet: 7.8.4 Colpitts-Oszillator (Kapazitive Dreipunktschaltung) Duale Schaltung zum Hartley-Oszillator. Die Schaltung nutzt die Transformationseigenschaften eines Parallelschwingkreises in der Nähe der Resonanzfrequenz aus („angezapfter“ Kondensator). HTL / EDT 4AHELI Seite 72 / 88 vu ≈ 0,9, dafür hohe Stromverstärkung. Da man in der HF keine Ströme messen kann (BNC), gibt man Spannung und Impedanz an (z.B. 1V/47kΩ). Æ Kollektorschaltung = Impedanzwandler (Kollektorschaltung heißt auch Emitterfolger) Da der Transistor keine Verstärkung hat, muss das Rückkoppelnetzwerk vu > 1 haben. Kapazitive Spannungsteiler funktionieren nicht wie Spartrafos in die andere Richtung. Buat man damit jedoch einen Schwingkreis, lässt sich die Spannung hochschrauben. Es wird aber keine Leistung erzeugt, das Hochwandeln braucht Strom. Dieser wird von der Kollektorspannung geliefert. lässt sich vereinfachen: C∞ wird benötigt, damit das L kein Kurzschluss ist. HTL / EDT 4AHELI Seite 73 / 88 Kleinsignal ESB: 7.8.5 Clapp-Oszillator Der Quarz ersetzt hier die Induktivität in einem Colpitts-Oszillator. N…Kondensatoren mit negativem Temperaturgang P…positiver Temperaturgang NP…irgendein Temperaturgang NOP… Kondensatoren ohne Temperaturgang Der Quarz ist nur rund um die Resonanzfrequenz induktiv, ansonsten kapazitiv. Er schwingt nicht ganz genau Æ mit Trimm-Ko einstellbar. (gutes Messgerät benötigt, z.B. für Anwendung als Uhr) Auch hier wird ein C∞ in Serie zum Quarz (induktiv) benötigt. Der MOSFET wird benutzt, damit der Lastwiderstand nicht den AP des Schwingkreises verändert (Pufferstufe). HTL / EDT 4AHELI Seite 74 / 88 Mit dem C3 wird das Signal ausgekoppelt. Hier könnte man ein Oszi anhängen. Æ Eins in den Tester einzubauen wäre zu teuer. Deshalb billigere Schaltung: C3 schneidet die Gleichspannung weg (nur Spannung wenn er wirklich schwingt). Danach kommt ein Gleichrichter: Die Schaltung funktioniert allerdings nicht. Der C3 lässt keinen Gleichstrom zum Gleichrichter. Deshalb baut man die Diode anders ein. HTL / EDT 4AHELI Seite 75 / 88 Geht man davon aus, dass der Kondensator aufgeladen ist, kann man ihn als Spannungsquelle sehen. Die Spitzenspannung (Gleichspannung, negativ), addiert sich mit der Kleinsignalspannung (reine Wechselspannung). Die Spannung uD schaut 0,7V über die Masse. Zur Auswertung der Spannung wird ein Transistor verwendet. Kein Basiswiderstand benötigt, da Strom so klein (einige mA). 7.8.6 Quarzoszillatoren mit Gatter (Rechteck-Generatoren) Achtung beim Messen: 10:1 Tastkopf verwenden! (Kondensator stört sonst Quarzschaltung) Benutzt man den Quarz für einen 2. µC, verbindet man den XTAL2 des vorhandenen Oszillators mit dem XTAL1 des neuen µC. HTL / EDT 4AHELI Seite 76 / 88 Mit Widerstand über dem Inverter erzwingt man, dass die Ein- und Ausgangsspannung gleich groß ist (kein Strom durch R [Gatter braucht keinen Strom] Æ keine Spannung) …Kennlinie eines CMOS-Gatters Die CMOS-Kennlinie ist sehr steil (schnell umschalten). Der Widerstand erzwingt den AP bie 45° (nur bei 45° sind Uein und Uaus gleich) Æ Wir haben einen Verstärker gebaut. (v ~ 10000) Diese Schaltung befindet sich in jedem µC. Ausnahme sind µCs mit internem Oszillator. Dies ist bei 8 poligen kleinst µCs der Fall (auch interner Reset). Man könnte auch z.B.: einen Taster an den XTAL1 hängen um Single Schritte zu erzeugen (bei extrem heiklen Debugging – Welcher Interrupt kommt zuerst?) Der Widerstand R wird in manchen Uhrenoszillatoren verwendet. (Siehe Originalschaltung) Da in manchen Gattern (AND, NOR,…) unterschiedlich viele MOSFETs sind, haben sie unterschiedliche Laufzeiten. Deshalb schaltet man eine Pufferstufe nach (HC, HCT, 4000). Für Oszillatoren ist die Pufferstufe schlecht. Darum gibt es Gatter unbuffered (HCU, HCTU). HTL / EDT 4AHELI Seite 77 / 88 Diese Schaltung funktioniert genauso wie die vorher erklärte, nur ohne Phasendrehung. Der Quarz hat in der Nähe der Resonanzfrequenz einmal 0° und einmal 180° Phasendrehung. 7.8.7 Laufzeitoszillatoren Wichtig ist die unterschiedliche Gatterlaufzeit vor allem für Laufzeitoszillatoren. Hier wird die Gatterlaufzeit der Gatter (ungerade Anzahl) ausgenutzt. HTL / EDT 4AHELI Seite 78 / 88 7.8.8 Obertonoszillatoren Wie kurz erwähnt haben Quarze nicht nur eine Resonanzfrequenz. Der Quarz würde auch auf seinen Oberwellen schwingen, bei fres ist es aber „bequemer“. Mit der Spule parallel verhindert man, dass er auf fres schwingt (Hochpass) Æ muss auf 3fres schwingen. Wird benutzt, weil die Quarzplättchen bei hohen Frequenzen zu dünn sein müssten. 7.9 Pufferstufe Problem: Man hat nicht immer den selben Lastwiderstand ZL (auch unterschiedliche Kapazitäten). Man könnte den Kondensator einstellbar machen, das hilft aber nichts, wenn sich ZL oft ändert (andere Geräte/Kabel angeschlossen). Deshalb benutzt man eine Pufferstufe (Verstärker). HTL / EDT 4AHELI Seite 79 / 88 8 Akustik Akustik = Lehre vom Schall Unter Schall versteht man kleine mechanische Schwingungen in einem Medium (gasförmig, flüssig, oder fest), die sich wellenförmig ausbreiten. z.B.: Ausbreitungsgeschwindigkeit in Luft (= Schallgeschwindigkeit): v = 333 m/s (Beton ≈ 2000 m/s) Beispiel für unterschiedliche Schallausbreitung: Man legt das Ohr auf die Schiene, um den Zug schon frühzeitig zu hören. Ein Problem tritt in der Bautechnik auf: Wellen sollten möglichst den Raum nicht durch die Wand verlassen (Wassergeräusche, Streitereien,…). 8.1 Schalldruck wird meist auf einen Bezugsschalldruck (p0 = 20 µPaeff) bezogen und in Dezibel angegeben (Pegel). Lp = 20 lg p/p0 0dB: Hörschwelle 120db: Schmerzgrenze Der Schalldruckpegel (dB) hat nichts mit der Lautstärkeempfindung zu tun. Das Ohr ist ein extrem schlechtes Messgerät. Manche Frequenzen empfindet man lauter, andere leiser. Druck = Kraft / Fläche Ein Schalldruckpegel von 20 dB bedeutet 20 dB über 20 µPaeff. HTL / EDT 4AHELI Seite 80 / 88 8.1.1 Hörempfindlichkeitskurve Das menschliche Ohr ist zwischen 500 und 4000 Hz am empfindlichsten (Sprache). Hätte man bei der Telefonie oben ein paar Frequenzen weggeschnitten, könnte man nicht mehr zwischen Mann und Frau unterscheiden. Bei lauter Musik hört man alle Frequenzen ungefähr gleich gut. Die Hörschwelle bzw. eine Lautstärkeempfindung hängt aber von der Frequenz ab: (f < 16Hz: Infraschall, f > 20kHz Ultraschall) Hörempfindlichkeitskurve In der Musik sind die Töne genormt (A = 440 Hz). Der Unterschied der Musikgeräte liegt in den Oberwellen. Laute Musik hört sich oftmals besser an. Deshalb gibt es eine „Loudness“ Taste. Hört man leise Musik, werden die Bässe und die Höhen verstärkt. Bei guten Schaltungen verschwindet der Effekt bei lauter Musik. HTL / EDT 4AHELI Seite 81 / 88 Es gibt Schallpegelmessgeräte, die man zwischen „linear“ und „Gehörspezifisch“ (A-Filter) umschalten kann. Linear wird mit dB bezeichnet, auf das Gehör bezogen mit dB (A). Die Phon-Skala wurde früher zu diesem Zweck benutzt. Diese Messung wird auch bei der Rauschmessung benötigt. Das digitalisierte (quantisierte) Signal wird durch einen Tiefpass geschickt. Durch das Fehlen der Zwischenwerte entsteht ein Quantisierungsrauschen. Beim Messen des Rauschens kann man: • Fremdspannungsabstand (Spannung ohne uIN zu Vollaussteuerung) • Geräuschspannungsabstand messen. 8.1.2 Doppler Effekt Die Überschallgeschwindigkeit geht auf den österreichischen Physiker Ernst Mach zurück. Die Schallmauer ist Mach 1 (~ 1200 km/h). Mit dem Doppler Effekt wird auch gemessen, wie sich Sterne bewegen. Die Geschwindigkeit der Teilchen (Schallwelle) hat mit der Geschwindigkeit der Welle nichts zu tun. (Das Meer geht auch und ab, die Welle aber läuft zum Strand.) Æ vergleiche Transversalwelle In der Akustik hat man mit Longitudinalwellen zu tun: HTL / EDT 4AHELI Seite 82 / 88 8.2 Akustische Wandler dienen zur Umsetzung von Schall in elektrische Signale (Mikrophone) und umgekehrt (Lautsprecher, Summer, Biepser). 2 wichtige Prinzipien: • Piezo • elektrodynamisch (95% der Lautsprecher) 8.2.1 Piezo-Lautsprecher Piezo-Lautsprecher sind extrem schlecht. Sie werden für Signaltöne verwendet (Handyton, Wecker,…) Eigenschaften: • billig • leicht • hochohmig (C ~100nF) • hoher Wirkungsgrad η • als Lautsprecher unbrauchbar Das Prinzip funktioniert auch umgekehrt (Kristallmikrofon). Dieses kann sogar beträchtliche Spannungen liefern (~ 1V), aber keinen Strom. HTL / EDT 4AHELI Seite 83 / 88 8.2.2 Elektrodynamischer Lautsprecher Universell anwendbar, Membrandurchmesser von einigen mm bis m, Trichter- und Kalottenmembran, Belastbarkeit bis einige 100W, Wirkungsgrad: Prozent-Bereich (thermische Beanspruchung der Schwingspule!), Übertragungsbereich: je nach Typ von einigen Hz bis einige 10 kHz; auch als Mikrophon (mit kleiner Kalottenmembran) verwendet. typ. Frequenzdiagramm eines HIFI-Tieftöners (lt. Hersteller): Übertragungsbereich: ist jener Frequenzbereich, der praktisch für die Abstrahlung nutzbar ist: Die untere und obere Grenzfrequenz werden durch den Abfall des Schalldruckpegels um 10dB gegenüber den über eine Bandbreite von einer Oktave gemittelten Höchstwert des Schalldruckpegels bestimmt. Der Kern des Lautsprechers ist ein Magnetsystem: Die Abbildung ist nur der Querschnitt, es ist ein Zylinder. Die drei Scheiben werden zusammengeklebt (Metallkleber). HTL / EDT 4AHELI Seite 84 / 88 Auf die untere Scheibe wird ein Klotz (Mitte) geklebt, dadurch entsteht ein Luftspalt. Ansicht von oben: magn. Feldlinien in der Luft B0 = 1T Der Magnet ist das teuerste vom Lautsprecher. Ein Dauermagnet wird nicht schwächer! Um den Zylinder in der Mitte wird eine Schwingspule gewickelt. Damit die Windungen nicht verrutschen, gibt es „Sicken“ bei denen die Windungen einrasten. Die Zentriersicke lässt nur eine Schwingung von oben nach unten zu. Es gibt 4 Ω und 8 Ω Lautsprecher. Der Strom durch die Spule ist die Musik (überlagerte Sinusschwingungen). HTL / EDT 4AHELI Seite 85 / 88 Die Kraft ist auf Strom und Magnetfeld jeweils 90°. Der sin α ist der Winkel zwischen Strom und Magnetfeld. Die maximale Kraft hat man bei α = 90°, das ist z.B. bei jedem Elektromotor so. Beim Magnetfeld der Box hat man auch immer 90°. Æ Die Kraft bewegt die Membran nach oben oder unten. 8.2.3 Boxenkonstruktion Aufgrund der großen Wellenlänge tiefer Frequenzen (λ = 16,7 m bei 20 Hz) stellt die Wiedergabe große Schwierigkeiten dar. Übliche Verfahren sind: Geschlossene, bedämpfte Bos: Bassreflexbox: Transmission-Line: Hornlautsprecher: rückseitiger Schall wird absorbiert Phasenrichtige Addition Resonanzüberhöhung Anpassung Die Gehäusewände sollen außerdem nicht mitschwingen; im Inneren sollen sich keine stehenden Wellen bilden können. Dopplerverzerrungen: wenn ein Lautsprecher gleichzeitig einen hohen und einen tiefen Ton abstrahlt, kommt es zu einer Frequenzverschiebung. Partialschwingungen: Durchbiegen der Membran führt dazu, dass Teile der Membran Oberwellen abstrahlen. Daher: Mehrwegsysteme, jeder Lautsprecher strahlt nur einen speziellen Frequenzbereich ab. Kritisch: HTL / EDT Frequenzweiche (= Filter, das die übrigen Frequenzen fernhält) Abstimmung der Kombination 4AHELI Seite 86 / 88 8.2.4 Tontechnik 3 Probleme: Frequenzgang (= lineare Verzerrungen) Klirrfaktor (= nichtlineare Verzerrungen) Rauschen Klirrfaktor: Entstehen von „neuen“ Frequenzen (gekrümmte Kennlinien) Fremdspannungsabstand: Differenz zwischen Nutzsignal (Musik) und Rauschen (in dB). Geräuschabstand: wie Fremdspannungsabstand, nur mit Gehörempfindlichkeit bewertet (Filter, ein Rauschen über 20kHz hört keiner) übliche Werte: Telefon: 40 dB Kassette: 60…70 dB CD: 96 dB Fremdspannungsabstände sind bei guten Verstärkern ~ 120 dB. Es gibt auch Videorauschen (Flankerl). Elektronische Musik rauscht praktisch nicht. Durch die Digitalisierung und Aufnahme von Stimmen und Instrumenten mischt sich bereits Rauschen zur Musik. Bei digitaler Musik gehen praktisch keine Bits verloren. Bei einem Verstärker muss am Anfang der beste OPV sitzen (LNC…Low Noise Converter, beim Satelliten Fernsehen). Abhilfe: Kompandersysteme (Kompressor – Expander): Vor der Übertragung (Aufzeichnung) wird die Dynamik komprimiert – laute Stellen werden abgeschwächt und leise Passagen werden angehoben. Nach der Übertragung (Wiedergabe) erfolgt eine Dynamikexpandierung spiegelbildlich zur Kompression, dabei wird auch das neu hinzugekommene Rauschen abgesenkt. Dynamik: Differenz zwischen „leisesten“ und „lautesten“ Passagen HTL / EDT 4AHELI Seite 87 / 88 8.2.5 Messung des Schalldruck-Frequenzgangs 1. Punktweise Aufnahme 2. Gleitender Sinus („Sweep“) und Schreiber 3. Rauschsignal und FFT-Analysator (FRF…Frequency Response Function) 8.2.6 Messung des Impedanz-Frequenzgangs HTL / EDT 4AHELI Seite 88 / 88
