Grundschaltungen der Elektronik PDF
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Grundschaltungen der Elektronik Arbeitsbuch Mit CD-ROM D1 U R1 AC1 230V U C1 DC 50Hz U R2 AC2 D2 230V/24V UDC t Festo Didactic 567289 de Bestell-Nr.: 567289 Stand: 09/2011 Autor: Karl-Heinz Drüke Redaktion: Frank Ebel Grafik: Anika Kuhn, Thomas Ocker, Doris Schwarzenberger Layout: 09/2011, Frank Ebel, Beatrice Huber © Festo Didactic GmbH & Co. KG, 73770 Denkendorf, 2011 Internet: www.festo-didactic.com E-Mail: [email protected] Weitergabe sowie Vervielfältigung dieses Dokuments, Verwertung und Mitteilung seines Inhalts verboten, soweit nicht ausdrücklich gestattet. Zuwiderhandlungen verpflichten zu Schadenersatz. Alle Rechte vorbehalten, insbesondere das Recht, Patent-, Gebrauchsmuster- oder Geschmacksmusteranmeldungen durchzuführen. Hinweis Soweit in dieser Broschüre nur von Lehrer, Schüler etc. die Rede ist, sind selbstverständlich auch Lehrerinnen, Schülerinnen etc. gemeint. Die Verwendung nur einer Geschlechtsform soll keine geschlechtsspezifische Benachteiligung sein, sondern dient nur der besseren Lesbarkeit und dem besseren Verständnis der Formulierungen. Inhalt Bestimmungsgemäße Verwendung __________________________________________________________ IV Vorwort ______________________________________________________________________________ V Einleitung _____________________________________________________________________________ VII Arbeits- und Sicherheitshinweise __________________________________________________________ VIII Trainingspaket Grundlagen der Elektrotechnik/Elektronik (TP 1011) ______________________________ IX Zuordnung von Lernzielen und Aufgaben – Grundschaltungen der Elektronik __________________________X Gerätesatz _____________________________________________________________________________ XIII Zuordnung von Komponenten und Aufgaben – Grundschaltungen der Elektronik ___________________ XVIII Hinweise für den Lehrer/Ausbilder __________________________________________________________ XX Struktur der Aufgaben ____________________________________________________________________ XXI Bezeichnung der Komponenten ____________________________________________________________ XXI Inhalte der CD-ROM _____________________________________________________________________ XXII Aufgaben und Lösungen Aufgabe 1: Untersuchen der Kennwerte von Transistoren ________________________________________ 3 Aufgabe 2: Unterscheiden von Transistorgrundschaltungen ____________________________________ 21 Aufgabe 3: Untersuchen mehrstufiger Verstärker _____________________________________________ 39 Aufgabe 4: Aufbauen eines Leistungsverstärkers _____________________________________________ 57 Aufgabe 5: Verstärken von Gleichspannungssignalen _________________________________________ 73 Aufgabe 6: Erzeugen von Impuls- und Sägezahnspannungen ___________________________________ 91 Aufgabe 7: Aufbauen von Sinusgeneratoren mit LC- und RC-Gliedern ____________________________ 111 Aufgabe 8: Untersuchen von Netzteilschaltungen ____________________________________________ 129 Aufgabe 9: Kennen lernen von Gleichspannungswandlern _____________________________________ 147 Aufgabe 10: Einsetzen von Thyristoren und TRIACs ___________________________________________ 163 Aufgaben und Arbeitsblätter Aufgabe 1: Untersuchen der Kennwerte von Transistoren ________________________________________ 3 Aufgabe 2: Unterscheiden von Transistorgrundschaltungen ____________________________________ 21 Aufgabe 3: Untersuchen mehrstufiger Verstärker _____________________________________________ 39 Aufgabe 4: Aufbauen eines Leistungsverstärkers _____________________________________________ 57 Aufgabe 5: Verstärken von Gleichspannungssignalen _________________________________________ 73 Aufgabe 6: Erzeugen von Impuls- und Sägezahnspannungen ___________________________________ 91 Aufgabe 7: Aufbauen von Sinusgeneratoren mit LC- und RC-Gliedern ____________________________ 111 Aufgabe 8: Untersuchen von Netzteilschaltungen ____________________________________________ 129 Aufgabe 9: Kennen lernen von Gleichspannungswandlern _____________________________________ 147 Aufgabe 10: Einsetzen von Thyristoren und TRIACs ___________________________________________ 163 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567289 III Bestimmungsgemäße Verwendung Das Trainingspaket Grundlagen Elektrotechnik/Elektronik ist nur zu benutzen: • für die bestimmungsgemäße Verwendung im Lehr- und Ausbildungsbetrieb • in sicherheitstechnisch einwandfreiem Zustand Die Komponenten des Trainingspakets sind nach dem heutigen Stand der Technik und den anerkannten sicherheitstechnischen Regeln gebaut. Dennoch können bei unsachgemäßer Verwendung Gefahren für Leib und Leben des Benutzers oder Dritter und Beeinträchtigungen der Komponenten entstehen. Das Lernsystem von Festo Didactic ist ausschließlich für die Aus- und Weiterbildung im Bereich Automatisierung und Technik entwickelt und hergestellt. Das Ausbildungsunternehmen und/oder die Ausbildenden hat/haben dafür Sorge zu tragen, dass die Auszubildenden die Sicherheitsvorkehrungen, die in diesem Arbeitsbuch beschrieben sind, beachten. Festo Didactic schließt hiermit jegliche Haftung für Schäden des Auszubildenden, des Ausbildungsunternehmens und/oder sonstiger Dritter aus, die bei Gebrauch/Einsatz dieses Gerätesatzes außerhalb einer reinen Ausbildungssituation auftreten; es sei denn Festo Didactic hat solche Schäden vorsätzlich oder grob fahrlässig verursacht. IV © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567289 Vorwort Das Lernsystem Automatisierung und Technik von Festo Didactic orientiert sich an unterschiedlichen Bildungsvoraussetzungen und beruflichen Anforderungen. Abgeleitet hieraus ergibt sich die Gliederung des Lernsystems: • Technologieorientierte Trainingspakete • Mechatronik und Fabrikautomation • Prozessautomation und Regelungstechnik • Mobile Robotik • Hybride Lernfabriken Parallel zu den Entwicklungen im Bildungsbereich und in der beruflichen Praxis wird das Lernsystem Automatisierung und Technik laufend aktualisiert und erweitert. Die technologieorientierten Trainingspakete befassen sich mit den Technologien Pneumatik, Elektropneumatik, Hydraulik, Elektrohydraulik, Proportionalhydraulik, Speicherprogrammierbare Steuerungen, Sensorik, Elektrotechnik, Elektronik und elektrischen Antrieben. Der modulare Aufbau des Lernsystems ermöglicht Anwendungen, die über die Grenzen der einzelnen Trainingspakete hinausgehen. Beispielsweise sind SPS-Ansteuerungen von pneumatischen, hydraulischen und elektrischen Antrieben möglich. © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567289 V Alle Trainingspakete setzen sich aus den folgenden Elementen zusammen: • Hardware • Medien • Seminare Hardware Die Hardware der Trainingspakete besteht aus didaktisch aufbereiteten Industriekomponenten und Systemen. Die Komponentenauswahl und Ausführung in den Trainingspaketen ist speziell an die Projekte der begleitenden Medien angepasst. Medien Die Medien zu den einzelnen Themengebieten sind den Bereichen Teachware und Software zugeordnet. Die praxisorientierte Teachware umfasst: • Fach- und Lehrbücher (Standardwerke zur Vermittlung fundamentaler Kenntnisse) • Arbeitsbücher (praktische Aufgaben mit ergänzenden Hinweisen und Musterlösungen) • Lexika, Handbücher, Fachbücher (bieten Fachinformationen zu vertiefenden Themenbereichen) • Foliensammlungen und Videos (zur anschaulichen und lebendigen Unterrichtsgestaltung) • Poster (für die übersichtliche Darstellung von Sachverhalten) Aus dem Bereich Software werden Programme für die folgenden Anwendungen bereitgestellt: • Digitale Lernprogramme (didaktisch und medial aufbereitete Lerninhalte) • Simulationssoftware • Visualisierungssoftware • Software zur Messdatenerfassung • Projektierungs- und Konstruktionssoftware • Programmiersoftware für Speicherprogrammierbare Steuerungen Die Lehr- und Lernmedien sind in mehreren Sprachen verfügbar. Sie sind für den Einsatz im Unterricht konzipiert, aber auch für ein Selbststudium geeignet. Seminare Ein umfassendes Seminarangebot zu den Inhalten der Trainingspakete rundet das Angebot in Aus- und Weiterbildung ab. Haben Sie Anregungen oder Kritikpunkte zu diesem Buch? Dann senden Sie eine E-Mail an: [email protected] Die Autoren und Festo Didactic freuen sich auf Ihre Rückmeldung. VI © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567289 Einleitung Das vorliegende Arbeitsbuch ist ein Element aus dem Lernsystem Automatisierung und Technik der Firma Festo Didactic GmbH & Co. KG. Das System bildet eine solide Grundlage für eine praxisorientierte Aus- und Weiterbildung. Das Trainingspaket Grundlagen der Elektrotechnik/Elektronik (TP 1011) behandelt die folgenden Themen: • Grundlagen Gleichstromtechnik • Grundlagen Wechselstromtechnik • Grundlagen Halbleiter • Grundschaltungen der Elektronik Das Arbeitsbuch Grundschaltungen der Elektronik schließt die Reihe der Arbeitsbücher für die Grundlagen der Elektrotechnik/Elektronik. Vor allem auf die analytische Betrachtung des Zusammenspiels der bereits aus den ersten drei Grundlagenbüchern bekannten Bauteile wird hier Wert gelegt. Voraussetzung für den Aufbau und das Auswerten der Schaltungen ist ein Laborarbeitsplatz, ausgestattet mit einer abgesicherten Netzspannungsversorgung, zwei Digital-Multimetern, einem Speicher-Oszilloskop und Sicherheits-Laborleitungen. Mit dem Gerätesatz TP 1011 werden die kompletten Schaltungen der 10 Aufgabenstellungen zum Thema Grundschaltungen der Elektronik aufgebaut. Die theoretischen Grundlagen für das Verständnis dieser Aufgaben enthalten die Lehrbücher • Fachkunde Elektroberufe, Bestell-Nr. 567297 und • Elektrotechnik, Bestell-Nr. 567298. Des Weiteren stehen Datenblätter der einzelnen Komponenten (Dioden, Transistoren, Messgeräte usw.) zur Verfügung. © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567289 VII Arbeits- und Sicherheitshinweise Allgemein • Die Auszubildenden dürfen nur unter Aufsicht einer Ausbilderin/eines Ausbilders an den Schaltungen arbeiten. • Beachten Sie die Angaben der Datenblätter zu den einzelnen Komponenten, insbesondere auch alle Hinweise zur Sicherheit! • Störungen, die die Sicherheit beeinträchtigen können, dürfen beim Schulungsbetrieb nicht erzeugt werden und sind umgehend zu beseitigen. Elektrik • Lebensgefahr bei unterbrochenem Schutzleiter! – Der Schutzleiter (gelb/grün) darf weder außerhalb noch innerhalb des Geräts unterbrochen werden. – Die Isolierung des Schutzleiters darf weder beschädigt noch entfernt werden. • In gewerblichen Einrichtungen sind die Berufsgenossenschaftlichen Vorschriften BGV A3 "Elektrische Anlagen und Betriebsmittel" zu beachten. • In Schulen und Ausbildungseinrichtungen ist das Betreiben von Netzgeräten durch geschultes Personal verantwortlich zu überwachen. • Vorsicht! Kondensatoren im Gerät können noch geladen sein, selbst wenn das Gerät von allen Spannungsquellen getrennt wurde. • Beim Ersetzen von Sicherungen: Verwenden Sie nur vorgeschriebene Sicherungen mit der richtigen Nennstromstärke. • Schalten Sie Ihr Netzgerät niemals sofort ein, wenn es von einem kalten in einen warmen Raum gebracht wird. Das dabei entstehende Kondenswasser kann unter ungünstigen Umständen Ihr Gerät zerstören. Lassen Sie das Gerät ausgeschaltet, bis es Zimmertemperatur erreicht hat. • Verwenden Sie als Betriebsspannung für die Schaltungen der einzelnen Aufgaben nur Kleinspannungen, maximal 25 V DC. • Stellen Sie elektrische Anschlüsse nur in spannungslosem Zustand her! • Bauen Sie elektrische Anschlüsse nur in spannungslosem Zustand ab! • Verwenden Sie für die elektrischen Anschlüsse nur Verbindungsleitungen mit Sicherheitssteckern. • Ziehen Sie beim Abbauen der Verbindungsleitungen nur an den Sicherheitssteckern, nicht an den Leitungen. VIII © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567289 Trainingspaket Grundlagen der Elektrotechnik/Elektronik (TP 1011) Das Trainingspaket TP 1011 besteht aus einer Vielzahl von einzelnen Ausbildungsmitteln. Gegenstand dieses Teils des Trainingspaketes TP 1011 sind die Grundschaltungen der Elektronik. Einzelne Komponenten aus dem Trainingspaket TP 1011 können auch Bestandteil anderer Pakete sein. Wichtige Komponenten des TP 1011 • Fester Arbeitsplatz mit Universal-Steckfeld EduTrainer® • Bauteilsatz Elektrotechnik/Elektronik mit Brückensteckern und Sicherheits-Laborleitungen • Grundlagen-Netzteil EduTrainer® • Komplette Laboreinrichtungen Medien Die Teachware zum Trainingspaket TP 1011 besteht aus Fach- und Tabellenbüchern und Arbeitsbüchern. Die Fachbücher vermitteln anschaulich und übersichtlich die Grundlagen der Halbleitertechnik. Die Arbeitsbücher enthalten zu jeder Aufgabe die Aufgabenblätter, die Lösungen zu jedem einzelnen Arbeitsblatt und eine CD-ROM. Ein Satz gebrauchsfertiger Aufgaben- und Arbeitsblätter zu jeder Aufgabe wird mit jedem Arbeitsbuch geliefert. Datenblätter zu den Hardware-Komponenten werden mit dem Trainingspaket und auf der CD-ROM zur Verfügung gestellt. Medien Fachbücher Fachkunde Elektroberufe Elektrotechnik Tabellenbuch Elektrotechnik/Elektronik Arbeitsbücher Grundlagen Gleichstromtechnik Grundlagen Wechselstromtechnik Grundlagen Halbleiter Grundschaltungen der Elektronik Digitale Lernprogramme WBT Elektrik 1 – Grundlagen der Elektrotechnik WBT Elektrik 2 – Gleich- und Wechselstromschaltkreise WBT Elektronik 1 – Grundlagen der Halbleitertechnik WBT Elektronik 2 – Integrierte Schaltkreise WBT Elektrische Schutzmaßnahmen Übersicht der Medien zum Trainingspaket TP 1011 Als Software zum Trainingspaket TP 1011 stehen die digitalen Lernprogramme Elektrik 1, Elektrik 2, Elektronik 1, Elektronik 2 und Elektrische Schutzmaßnahmen zur Verfügung. Diese Lernprogramme beschäftigen sich ausführlich mit den Grundlagen der Elektrik/Elektronik. Die Lerninhalte sind sowohl fachsystematisch als auch anwendungsbezogen an praxisnahen Fallbeispielen dargestellt. Die Medien werden in mehreren Sprachen angeboten. Weitere Ausbildungsmittel ersehen Sie aus unseren Katalogen und im Internet. © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567289 IX Zuordnung von Lernzielen und Aufgaben – Grundschaltungen der Elektronik Aufgabe 1: Kennwerte von Transistoren • Sie können Transistoren auf Funktion überprüfen. • Sie können die Stromverstärkung B von Transistoren ermitteln. • Sie kennen typische Werte der Stromverstärkung von Transistoren. • Sie können Schaltungen für NPN-Transistoren umbauen in solche für PNP-Transistoren. • Sie können die Spannungsverstärkung einer Schaltung ermitteln. • Sie kennen die Wirkungen einer Arbeitspunkteinstellung. • Sie kennen die Auswirkung einer Übersteuerung eines Verstärkers. Aufgabe 2: Transistorgrundschaltungen • Sie kennen den Unterschied zwischen einem Emitterfolger und einer Emitterschaltung. • Sie erkennen die drei Transistorgrundschaltungen. • Sie können die Spannungsverstärkung von Transistorschaltungen messen. • Sie kennen die typische Spannungsverstärkung der Transistorgrundschaltungen. • Sie wissen, welche Transistorgrundschaltung eine Phasendrehung von180° bewirkt. • Sie wissen, welche Transistorgrundschaltungen nichtinvertierend arbeiten. • Sie können die typischen Eingangs- und Ausgangswiderstände der Grundschaltungen angeben. • Sie können die Eingangs- und Ausgangswiderstände von Verstärkerschaltungen messen. Aufgabe 3: Mehrstufige Verstärker • Sie wissen, was eine Darlingtonschaltung ist. • Sie kennen eine komplementäre Darlingtonschaltung. • Sie können Ströme im Nanoamperebereich messen. • Sie wissen, was eine Gegenkopplung ist. • Sie können mit zwei Widerständen den Verstärkungsfaktor programmieren. • Sie wissen, wie man Messsignale im Millivoltbereich erzeugt. • Sie können den Frequenzgang eines Verstärkers aufnehmen. • Sie können die Grenzfrequenzen von Verstärkern ermitteln. X © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567289
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