Elektronikpraktikum - Cheatsheet

Ohmsches Gesetz und Kirchhoffsche Regeln

Definition:

Ohmsches Gesetz beschreibt den Zusammenhang zwischen Strom, Spannung und Widerstand, während die Kirchhoffschen Regeln die Erhaltung von Ladung und Energie in elektrischen Schaltungen regeln.

Details:

• Ohmsches Gesetz: \( U = R \cdot I \)
• Kirchhoffscher Knotenpunktregel: Summe der Ströme an einem Knoten: \[ \sum I_{k, ein} = \sum I_{k, aus} \]
• Kirchhoffscher Maschenregel: Summe der Spannungen in einer Masche: \[ \sum U_{i} = 0 \]
• Anwendung: Berechne unbekannte Ströme und Spannungen in komplexen Netzwerken.

Aufbau und Analyse von RC-, RL- und RLC-Schaltungen

Definition:

Aufbau und Analyse von RC-, RL- und RLC-Schaltungen umfasst die Untersuchung und Charakterisierung von Schaltungen, die Widerstände (R), Spulen (L) und Kondensatoren (C) kombinieren.

Details:

• RC-Schaltungen: Zeitkonstanten berechnen, Übertragungsfunktion bestimmen
• RL-Schaltungen: Induktive Reaktanz und Phasenverschiebung analysieren
• RLC-Schaltungen: Resonanzfrequenz, Dämpfung und Bandbreite ermitteln, Frequenzgang skizzieren
• Schlüsselgleichungen: \( \tau = RC \) für RC-Schaltungen, \( \tau = \frac{L}{R} \) für RL-Schaltungen, \( \omega_0 = \frac{1}{\sqrt{LC}} \) für RLC-Schaltungen
• Spannungsteiler anwenden bei Frequenzanalyse
• Analysemethoden: Impedanzberechnung, Laplace-Transformationen, Bode-Diagramme

Funktion und Anwendung von Dioden und Transistoren

Definition:

Dioden lassen Strom nur in eine Richtung durch. Transistoren dienen als Schalter oder Verstärker.

Details:

• Dioden: Halbleiterbauelement, Stromfluss in nur eine Richtung, Anwendung zur Gleichrichtung
• Transistoren: Halbleiterbauelement, drei Anschlüsse (Basis, Emitter, Kollektor), Anwendung als Schalter oder Verstärker
• PN-Übergang: Grundlage der Funktionsweise (Diode und Transistor)
• Gleichung zur Beschreibung der Diode: I = I_S \, \left( e^{ \frac{qV}{kT}} - 1\right)
• Bipolartransistor: Stromverstärkung \beta = \frac{I_C}{I_B}
• Feldeffekttransistor: Spannungsgesteuert
• Anwendung: Gleichrichtschaltungen, Signalverstärkung, Schaltungselektronik

Grundlagen der Programmierung in C/C++ für Embedded Systems

Definition:

Grundlagen der Programmierung in C/C++ speziell für Embedded Systems im Elektronikpraktikum des Physikstudiums.

Details:

• C und C++: Hauptprogrammiersprachen für Embedded Systems.
• Speicherverwaltung: Nutzung von statischem und dynamischem Speicher.
• Direkte Hardwarezugriffe: Zugriff auf Register und Hardware-Komponenten.
• Echtzeitbedingungen: Erfüllung von Timing-Anforderungen.
• Interrupts: Umgang mit Hardware-Interrupts.
• Effizienz: Optimierung von Code für begrenzte Ressourcen.
• Microcontroller-Programmierung: Bibliotheken und Frameworks zur Integration.
• Debugging: Techniken zur Fehlerdiagnose und -behebung.

Grundlagen der analogen und digitalen Signalverarbeitung

Definition:

Grundlagen der analogen und digitalen Signalverarbeitung umfasst die Analyse und Manipulation von Signalen in sowohl analoger als auch digitaler Form.

Details:

• Analoge Signale: kontinuierlich, z.B. Spannung/Sinuswellen
• Digitale Signale: diskret, z.B. binäre Werte
• Sampling: Umwandlung analoger in digitale Signale
• Nyquist-Theorem: Abtastrate \(f_s \geq 2 \cdot f_{max}\)
• Quantisierung: Rundung analoger Werte auf diskrete Werte
• Fourier-Transformation: Umwandlung von Zeit- in Frequenzbereich
• Filter: Signalverarbeitung zu bestimmten Frequenzen
• ADC (Analog-Digital-Converter) und DAC (Digital-Analog-Converter)

Verwendung von Operationsverstärkern

Definition:

Operationsverstärker (OpAmps) werden in der Elektronik zur Verstärkung, Filterung und Signalverarbeitung eingesetzt.

Details:

• Operationsverstärker haben hohe Verstärkung: \(A_{OL} \sim 10^5 - 10^7\)
• Eigenschaften: hohe Eingangsimpedanz, niedrige Ausgangsimpedanz
• Grundschaltungen: invertierender Verstärker, nicht-invertierender Verstärker, Summierer, Differenzierer, Integrator
• Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR): \(CMRR = 20 \log \left( \frac{A_{d}}{A_{c}} \right)\)
• Bandbreite: \(f_T = \frac{f_{unity}}{A_{cl}}\)
• Offsetspannung – Anpassung notwendig
• Betriebstrom: typischerweise µA bis mA-Bereich
• Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt (GBW): Konstantes Produkt aus Verstärkung und Bandbreite
• Negative Rückkopplung reduziert Verzerrungen, stabilisiert Verstärkung

Simulation von Schaltungen mit Softwaretools

Definition:

Simulation von Schaltungen mit Softwaretools ermöglicht die Analyse und Optimierung elektronischer Schaltungen ohne physische Prototypen.

Details:

• Spart Zeit und Kosten in der Entwicklungsphase.
• Verwendung von Software wie SPICE, LTspice, oder Multisim.
• Simuliert Verhalten von Bauelementen wie Widerständen, Kondensatoren und Transistoren.
• Ermöglicht DC-, AC-, und Transientenanalysen.
• Ermöglicht Fehlersuche und Performance-Optimierung.
• Visualisierung der Ergebnisdaten wie Spannungen und Ströme im Zeit- oder Frequenzbereich.
• Parameter-Sweep und Monte-Carlo-Simulationen für Robustheitsprüfungen.

Entwurf und Implementierung von Regelkreisen

Definition:

Methode zur Kontrolle von Systemzuständen durch Rückkopplung, um gewünschte Ausgangswerte zu erreichen und Störungen zu kompensieren.

Details:

• Regelkreis besteht aus: Regler, Aktor, Sensor, Regelstrecke.
• Reglerverhalten durch Übertragungsfunktion definiert.
• Wichtige Konzepte: Sollwert, Istwert, Regelabweichung.
• Stabilitätskriterien: Nyquist, Bode-Diagramme.
• Typische Regler: PID-Regler, PI-Regler, PD-Regler.
• Simulation und Optimierung: MATLAB/Simulink.
• Reglerparameter: P (Proportional), I (Integral), D (Differential).
• Mathematische Darstellung: