Bauelemente

Navigationshilfe

Diese Navigationshilfe zeigt die ersten Schritte zur Verwendung der Präsention. Sie kann mit ⟶ (Pfeiltaste rechts) übersprungen werden.

Navigation

Zwischen den Folien und Abschnitten lässt sich mittels der Pfeiltasten hin- und herspringen, dazu lassen sich auch die Pfeiltasten am Computer nutzen.

Pfeil runter und hoch: Nächste / Vorherige Folie
Pfeil rechts und links: Nächster / Vorheriger Abschnitt
Leertaste oder „n“: Der Reihe nach alle Elemente in Folien aufdecken oder zur nächsten Folie blättern
Shift-Leertaste oder „p“: Der Reihe nach Elemente rückwärts zudecken oder zur vorherigen Folie blättern

Weitere Funktionen

Mit ein paar Tastenkürzeln können weitere Funktionen aufgerufen werden. Die wichtigsten sind:

F1: Help / Hilfe
o: Overview / Übersicht aller Folien
s: Speaker View / Referentenansicht
f: Full Screen / Vollbildmodus
b: Break, Black, Pause / Ausblenden der Präsentation
Alt-Click: In die Folie hin- oder herauszoomen

Übersicht

Die Präsentation ist zweidimensional aufgebaut. Dadurch sind in Spalten die einzelnen Abschnitte eines Kapitels und in den Reihen die Folien zu den Abschnitten.

Tippt man ein „o“ ein, bekommt man eine Übersicht über alle Folien des Foliensatzes. Das hilft, sich zunächst einen Überblick zu verschaffen oder sich zu orientieren, wenn man das Gefüht hat, sich „verlaufen“ zu haben. Die Navigation erfolgt über die Pfeiltasten.

Durch Anklicken einer Folie wird diese präsentiert.

Referentenansicht

Tippt man ein „s“ ein, bekommt man ein neues Fenster, die Referentenansicht.

Indem man „Layout“ auswählt, kann man zwischen verschieden Anordnungen der Elemente auswählen.

Die Referentenansicht bietet folgende Elemente:

Links sieht man die aktuelle Folie
Rechts oben sieht man die nächste Folie
Rechts in der Mitte Hilfsmittel zur Zeiteinteilung
Rechts unten, die „Notizen für den Vortragenden“
Unten die Pfeile zur Navigation

Praxistipps zur Referentenansicht

Wenn man mit einem Projektor arbeitet, stellt man im Betriebssystem die Nutzung von 2 Monitoren ein: Die Referentenansicht wird dann zum Beispiel auf dem Laptop angezeigt, während die Teilnehmer die Präsentation angezeigt bekommen.
Bei einer Online-Präsentation, wie beispielsweise auf TREFF.darc.de, präsentiert man den Browser-Tab und navigiert im „Speaker View“ Fenster.
Die Referentenansicht bezieht sich immer auf ein Kapitel. Am Ende des Kapitels muss sie geschlossen werden, um im neuen Kapitel eine neue Referentenansicht zu öffnen.
Um mit dem Mauszeiger etwas zu markieren oder den Zoom zu verwenden, muss mit der Maus auf den Bildschirm mit der Präsentation gewechselt werden.

Vollbild

Tippt man ein „f“ ein, wird die aktuelle Folie im Vollbild angezeigt. Mit „Esc“ kann man das Vollbild wieder verlassen.

Das ist insbesondere für den Bildschirm mit der Präsentation für das Publikum praktisch.

Ausblenden

Tippt man ein „b“ ein, wird die Präsentation ausgeblendet.

Sie kann wie folgt wieder eingeblendet werden:

Durch Klicken in das Fenster.
Durch nochmaliges Drücken von „b“.
Durch Klicken der Schaltfläche „Resume presentation“.

Zoom

Bei gedrückter Alt-Taste und einem Mausklick in der Präsentation wird in diesen Teil hineingezoomt. Das ist praktisch, um Details von Schaltungen hervorzuheben. Durch einen nochmaligen Mausklick zusammen mit Alt wird wieder herausgezoomt.

Das Zoomen funktioniert nur im ausgewählten Fenster. Die Referentenansicht ist hier nicht mit der Präsenationsansicht gesynct.

Kondensator I

Kapazität

Wichtigste Eigenschaft des Kondensators: Ladung speichern
$\rightarrow$ Kapazität

$$C = \dfrac{Q}{U}$$

mit $Q$ als elektrische Ladung
Einheit: $\unit{\ampere\second\per\volt}$ bzw. Farad $\unit{\farad}$
Die Kapazität ist die elektrische Ladung pro Volt

Kapazität durch Bauart

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Kurzfassung: Schematische 3D-Darstellung eines quaderförmigen Blocks mit mittigem blauem Streifen „Dielektrikum“ zwischen zwei grauen Schichten „Elektrode“, links und rechts je eine horizontale Anschlusslinie mit kleinem offenem Kreis.

Detaillierte Beschreibung: In der Bildmitte steht ein quaderförmiger Körper in perspektivischer Ansicht. Auf der Frontseite ist ein senkrechter blauer Mittelstreifen zu sehen, der beidseitig von dunkelgrauen Streifen flankiert wird; die übrigen sichtbaren Außenflächen des Quaders sind hellgrau. Oben zeigt ein Pfeil mit der Beschriftung „Dielektrikum“ auf den blauen Streifen; zwei weitere Pfeile mit der Beschriftung „Elektrode“ zeigen auf die beiden grauen Schichten. Aus der linken und rechten Seitenfläche des Quaders führt jeweils eine dünne horizontale Linie nach außen; an den äußeren Enden dieser Linien befindet sich jeweils ein kleiner offener Kreis. Der Hintergrund ist weiß; es gibt keine Achsen, Skalen oder weiteren Beschriftungen. — Abbildung EAS-5.1.1: Prinzipieller Aufbau eines Kondensators

Die Kapazität kann durch die Bauart erreicht werden

$$C = \dfrac{\varepsilon_0 \cdot \varepsilon_r \cdot A}{d}$$

$\rightarrow$ Kapazität ist größer bei größerer Fläche, kleinem Abstand oder anderem Dielektrikum

$\varepsilon_0 = \qty{0,855e-11}{\ampere\second\per\volt\meter}$: elektrische Feldkonstante
$\varepsilon_r$: relative Dielektrizitätszahl, abhängig vom Dielektrikum (ohne Einheit)
$A$: Fläche der Kondensatorplatten
$d$: Abstand der Platten

EA101: Welche Einheit wird üblicherweise für die Kapazität verwendet?

A: Ohm ($\Omega$)

B: Amperestunden (Ah)

C: Henry (H)

D: Farad (F)

EC205: Von welcher der nachfolgenden Größen ist die Kapazität eines Plattenkondensators nicht abhängig?

A: Plattenabstand

B: Plattenfläche

C: Spannung

D: Dielektrikum

EC203: Wodurch verringert sich die Kapazität eines Plattenkondensators? Durch ...

A: größere Plattenflächen.

B: einen größeren Plattenabstand.

C: eine größere Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums.

D: eine größere Spannung.

EC204: In welchem Fall sinkt die Kapazität eines Plattenkondensators?

A: Bei Erhöhung der angelegten Spannung

B: Bei Vergrößerung des Plattenabstandes

C: Bei Vergrößerung der Plattenoberfläche

D: Bei Vergrößerung der Dielektrizitätszahl

Drehkondensator

Eine Platte ist feststehend, die andere Platte kann drehend bewegt werden
Nur dort, wo die Platten sich überlappen, wirkt der Kondensator
Die Fläche wird durch Drehung verändert $\rightarrow$ Änderung der Kapazität

EC206: Wie nennt man ein Bauelement, bei dem sich Platten auf einer isolierten Achse befinden, die zwischen fest stehenden Platten rotiert werden können?

A: Rotorkondensator

B: Styroflexkondensator

C: Keramischer Kondensator

D: Drehkondensator

Elektrolytkondensator

Spezielle Bauform
Ermöglicht große Kapazität
Nur für Gleichspannung
Polarität muss beachtet werden

EC207: Bei welcher der folgenden Bauformen von Kondensatoren muss beim Einbau auf die Polarität geachtet werden?

A: Styroflexkondensator

B: Plattenkondensator

C: Keramikkondensator

D: Elektrolytkondensator

Ladekurve

Ein leerer Kondensator wird an Gleichspannung angeschlossen
Die Spannung steigt steil an und flacht dann zur angelegten Spannung ab

1) Kurzbeschreibung: Diagramm mit einer horizontalen Achse „t“ und einer vertikalen Achse „U“. Eine Kurve beginnt im Nullpunkt unten links, führt zunächst steil nach oben und nähert sich dann allmählich einem konstanten Wert an.

2) Ausführliche Beschreibung: Ein Koordinatensystem hat eine horizontale Achse mit der Beschriftung „t“ und eine vertikale Achse mit der Beschriftung „U“. Eine Kurve beginnt im Nullpunkt unten links, führt zunächst steil nach oben und nähert sich dann allmählich einem konstanten Wert an. Es sind keine weiteren Beschriftungen oder Maße vorhanden. — Abbildung EAS-5.1.4: Ladekurve eines Kondensators

EC201: Welchen zeitlichen Verlauf hat die Spannung an einem entladenen Kondensator, wenn dieser über einen Widerstand an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen wird?

Kondensator im Wechselstrom

Im Gleichstromkreis lädt der Kondensator sich auf, wirkt dann aber wie ein unendlich großer Widerstand
Bei Wechselstrom wird der Kondensator ständig Auf- und Entladen
Je höher die Frequenz, umso geringer ist der Wechselstromwiderstand des Kondensators

EC202: Welches Verhalten zeigt der Wechselstromwiderstand eines idealen Kondensators mit zunehmender Frequenz?

A: Er steigt bis zu einem Maximum und sinkt dann wieder.

B: Er sinkt bis zu einem Minimum und steigt dann wieder.

C: Er sinkt.

D: Er steigt.

Phase

Sinusförmige Wechselspannung

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Zusammenfassung: Die Grafik zeigt links einen Kreis mit mehreren farbigen Pfeilen und rechts eine graue Sinuskurve U(t) mit Zeitachse sowie darunter Skalen für Drehwinkel φ in Grad und im Bogenmaß.

Details: Links ist ein dünn gezeichneter grauer Kreis mit einem schwarzen Mittelpunkt. Vom Mittelpunkt gehen farbige Pfeile aus: ein gelber Pfeil „A“ zeigt schräg nach oben rechts, ein grüner Pfeil „B“ zeigt nach oben, ein cyanfarbener Pfeil „D“ nach unten, und ein orangefarbener Pfeil „C“ nach links; die Buchstaben „A“, „B“, „C“, „D“ stehen farblich passend neben den Pfeilspitzen. Von der oberen und unteren Kreisposition führen dort ansetzende, punktierte horizontale Linien (grün oben, cyan unten) nach rechts; eine orange punktierte Linie verläuft mittig horizontal nach rechts. Rechts daneben beginnt ein Koordinatensystem mit senkrechter Achse „U“ (Pfeil nach oben) bei t = 0 und einer waagerechten Zeitachse „t“ (beschriftet „Zeit“, Pfeil nach rechts). Auf der Zeitachse sind Markierungen mit Beschriftungen 0, T/4, T/2, 3T/4, T, 5T/4. Eine graue Sinuskurve startet bei t = 0 bei U = 0, steigt zum positiven Maximum nahe T/4, fällt durch 0 bei T/2 zum negativen Minimum nahe 3T/4 und kehrt bei T wieder zu 0 zurück; rechts deutet ein Pfeil die Fortsetzung an. Unter der Zeitachse sind zwei weitere waagerechte Skalen mit Pfeilen nach rechts: „Drehwinkel φ“ mit Teilungen und Beschriftungen 0°, 90°, 180°, 270°, 360°, 450°, sowie darunter „Bogenmaß φ“ mit 0, π/2, π, 3π/2, 2π, 5π/2. — Abbildung EAS-5.2.1: Phasenwinkel in Grad und Bogenmaß oder Periodendauerangabe

Erzeugung durch drehende Spule in einem Magnetfeld
Für eine Umdrehung wird eine bestimmte Zeit benötigt
Zu jedem Zeitpunkt steht die Spule in einem bestimmten Winkel $\rightarrow$ Phasenwinkel

AB302: Welche Antwort enthält die richtigen Phasenwinkel der dargestellten sinusförmigen Wechselspannung an der mit X$_3$ bezeichneten Stelle?

A: $\dfrac{3\pi}{2}; 270 °$

B: $\dfrac{\pi}{3}; 270 °$

C: $\dfrac{3\pi}{4}; 135 °$

D: $3\pi; 180 °$

Phasenverschiebung

1) Kurzbeschreibung: Diagramm mit einer horizontalen Achse „t“ („0“, danach acht Markierungen nach rechts ohne Beschriftung) und einer vertikalen Achse „U“ (keine Markierungen); zwei Sinuskurven mit gleicher Amplitude um die Nulllinie; Sinuskurve „a“ oberhalb der Nulllinie beginnend mit Maximum bei der ersten Markierung und Minimum bei der fünften Markierung); Sinuskurve „b“ im Nullpunkt beginnend mit Maximum bei der zweiten Markierung und Minimum bei der sechsten Markierung.

2) Ausführliche Beschreibung: Die Abbildung zeigt ein Koordinatensystem mit einer horizontalen Achse „t“, beginnend bei „0“ und mit acht Markierungen nach rechts ohne Beschriftung, und einer vertikalen Achse „U“ ohne Markierungen. Zwei Sinuskurven verlaufen um die Nulllinie. Sinuskurve „a“ hat ihr erstes Maximum bei der ersten Markierung und ihr Minimum bei der fünften Markierung. Sinuskurve „b“ beginnt im Nullpunkt und hat ihr Maximum bei der zweiten Markierung und ihr Minimum bei der sechsten Markierung. Sie hat also eine Phasendifferenz von einer Markierung gegenüber der ersten Sinuskurve. — Abbildung EAS-5.2.2: Phasenverschiebung zwischen zwei Sinus-Signalen

Phasenverschiebung beschreibt den zeitlichen Versatz zwischen zwei periodischen Signalen gleicher Frequenz
Sie wird meist in Grad (°) oder Radiant angegeben
Eine Phasenverschiebung von Strom und Spannung kann z. B. durch Bauteile wie Kondensatoren oder Spulen entstehen

AB303: Der Betrag der Phasendifferenz zwischen den beiden in der Abbildung dargestellten Sinussignalen ist ...

A: 45 °.

B: 90 °.

C: 0 °.

D: 180 °.

Kondensator II

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1. Zusammenfassung: Ein analoges Oszilloskop zeigt zwei phasenverschobene Sinuskurven auf blauem Raster, daneben sind zahlreiche Drehknöpfe und Tasten der Frontplatte sichtbar.

2. Details: Das Gerät ist frontal zu sehen, links der rechteckige CRT-Bildschirm mit feinem, hellblauem Gitter. Auf dem Schirm verlaufen zwei hellblaue Sinuskurven; die obere ist mit „I“ beschriftet und liegt zeitlich vor der unteren, die mit „U“ markiert ist. Eine horizontale Referenzlinie mit Pfeil nach rechts ist mit „t“ gekennzeichnet. Am unteren Bildschirmrand steht der Text „I eilt U um 90 Grad voraus!“. Rechts vom Bildschirm befindet sich die Bedieneinheit mit einem Schalter „POWER on/off“, Drehknöpfen „X-POS.“ und „Y-POS. I“, Tastenfeldern und einem Bereich „CH. I“. Unten rechts ist eine Eingangsbuchse mit der Beschriftung „INPUT 1 MΩ 25 pF“ zu sehen, unten links mehrere Regler wie „INTEN“, „FOCUS“, „MAG.“, „CAL 0.2V“ sowie ein Feld „COMPONENT TESTER“. Das Gehäuse ist hellgrau, die Bedienelemente sind überwiegend in Grau- und Grüntönen. — Abbildung EAS-5.3.1: Phasenverschiebung am Kondensator zwischen Spannung und Strom

Phasenverschiebung von $\qty{90}{\degree}$
Strom eilt der Spannung voraus

AC101: Ein verlustloser Kondensator wird an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen. Welche Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom stellt sich ein?

A: Der Strom eilt der Spannung um 45 ° voraus.

B: Die Spannung eilt dem Strom um 90 ° voraus.

C: Der Strom eilt der Spannung um 90 ° voraus.

D: Die Spannung eilt dem Strom um 45 ° voraus.

Wirkleistung

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Kurzfassung: Diagramm mit drei sinusförmigen Kurven über der Zeit t; eine blaue, eine orange und eine grüne Kurve, zu denen rechts oben eine Legende mit den Beschriftungen „P“, „I“ und „U“ gehört; die grüne Kurve ist zusätzlich halbtransparent schattiert.

Detailbeschreibung: Ein kartesisches Koordinatensystem zeigt eine horizontale Achse mit Pfeil nach rechts und der Beschriftung „t“ sowie eine vertikale Achse mit Pfeil nach oben; es gibt kurze, unbeschriftete Teilstriche, aber keine Zahlenwerte. Rechts oben steht eine Legende: ein kurzer grüner Linienzug mit „P“, ein orangefarbener Linienzug mit „I“ und ein blauer Linienzug mit „U“. Drei glatte Sinuskurven verlaufen über die Breite: Die blaue Kurve hat die größte Amplitude und die längste Wellenlänge; sie startet links nahe bei Null und steigt an. Die orange Kurve hat etwas kleinere Amplitude und eine ähnliche Wellenlänge wie die blaue, ist jedoch phasenverschoben; links befindet sie sich über der Nulllinie und fällt ab, während die blaue steigt. Die grüne Kurve hat die kleinste Amplitude und eine kürzere Wellenlänge (sie schwingt häufiger als die blaue und orange Kurve); die Fläche zwischen der grünen Kurve und der horizontalen Nulllinie ist halbtransparent grün schattiert, sowohl oberhalb als auch unterhalb der Nulllinie, entsprechend dem Vorzeichen der Kurve. — Abbildung EAS-5.3.2: Das Produkt von $U \cdot I$ ergibt die grüne Leistungskurve

Die grüne Leistungskurve ist das Produkt von Strom und Spannung
Die Leistung schwankt symmetrisch um die Nulllinie und gleicht sich aus
Blindleistung an einem Blindwiderstand

AC111: An einem Kondensator mit einer Kapazität von 1 μF wird ein NF-Signal mit 10 kHz und 12 V$_{\textrm{eff}}$ angelegt. Wie groß ist die aufgenommene Wirkleistung im eingeschwungenen Zustand?

A: 0,9 W

B: Näherungsweise 0 W

C: 9 W

D: 0,75 W

Wirkleistung wird nur in einem ohmschen Widerstand umgesetzt (Strom und Spannung in Phase)
Blindwiderstand nimmt keine Wirkenergie auf
Wird deshalb nicht warm
Ein warmer Kondensator bei Hochfrequenz hat einen ohmschen Anteil und sollte ersetzt werden

AC103: Welcher der folgenden Widerstände hat keine Wärmeverluste?

A: Der NTC-Widerstand

B: Der Metalloxidwiderstand

C: Der Wirkwiderstand

D: Der Blindwiderstand

Kapazitiver Blindwiderstand $X_{\textrm{C}}$

Kondensator wird an Wechselspannung angeschlossen ständig geladen und entladen $\rightarrow$ Wechselstromwiderstand / kapazitiver Blindwiderstand

Wenn die Frequenz der Wechselspannung an einem Kondensator erhöht wird, dann fließt mehr Strom; dies bedeutet, der kapazitive Blindwiderstand ist kleiner geworden.

Wenn die Kapazität des Kondensators erhöht wird, dann steigt auch der Strom, d. h. der Blindwiderstand wird auch kleiner.

$$X_{\textrm{C}} = \frac{1}{\omega \cdot C} = \frac{1}{2\pi \cdot f \cdot C}$$

AC102: Welches Vorzeichen hat der Blindwiderstand eines idealen Kondensators und von welchen physikalischen Größen hängt er ab? Der Blindwiderstand ist ...

A: positiv und unabhängig von der Kapazität und der anliegenden Frequenz.

B: negativ und abhängig von der Kapazität und der anliegenden Frequenz.

C: positiv und abhängig von der Kapazität und der anliegenden Frequenz.

D: negativ und unabhängig von der Kapazität und der anliegenden Frequenz.

AC104: Wie groß ist der Betrag des kapazitiven Blindwiderstands eines Kondensators mit 10 pF bei einer Frequenz von 100 MHz?

A: 318 Ohm

B: 31,8 Ohm

C: 1,59 kOhm

D: 159 Ohm

Lösungsweg

gegeben: $C = \qty{10}{\pico\farad}$
gegeben: $f = \qty{100}{\mega\hertz}$
gesucht: $X_{\textrm{C}}$

$$\begin{split} X_{\textrm{C}} &= \frac{1}{\omega \cdot C} = \frac{1}{2\pi \cdot f \cdot C}\\ &= \frac{1}{2\pi \cdot \qty{100}{\mega\hertz} \cdot \qty{10}{\pico\farad}}\\ &\approx \qty{159}{\ohm} \end{split}$$

AC105: Wie groß ist der Betrag des kapazitiven Blindwiderstands eines Kondensators mit 50 pF bei einer Frequenz von 145 MHz ?

A: ca. 69 Ohm

B: ca. 22 Ohm

C: ca. 18,2 kOhm

D: ca. 0,045 Ohm

Lösungsweg

gegeben: $C = \qty{50}{\pico\farad}$
gegeben: $f = \qty{145}{\mega\hertz}$
gesucht: $X_{\textrm{C}}$

$$\begin{split} X_{\textrm{C}} &= \frac{1}{\omega \cdot C} = \frac{1}{2\pi \cdot f \cdot C}\\ &= \frac{1}{2\pi \cdot \qty{145}{\mega\hertz} \cdot \qty{50}{\pico\farad}}\\ &\approx \qty{22}{\ohm} \end{split}$$

AC106: Wie groß ist der Betrag des kapazitiven Blindwiderstands eines Kondensators mit 100 pF bei einer Frequenz von 100 MHz?

A: ca. 31,8 Ohm

B: ca. 159 Ohm

C: ca. 3,2 Ohm

D: ca. 15,9 Ohm

Lösungsweg

gegeben: $C = \qty{100}{\pico\farad}$
gegeben: $f = \qty{100}{\mega\hertz}$
gesucht: $X_{\textrm{C}}$

$$\begin{split} X_{\textrm{C}} &= \frac{1}{\omega \cdot C} = \frac{1}{2\pi \cdot f \cdot C}\\ &= \frac{1}{2\pi \cdot \qty{100}{\mega\hertz} \cdot \qty{100}{\pico\farad}}\\ &\approx \qty{15,9}{\ohm} \end{split}$$

AC107: Wie groß ist der Betrag des kapazitiven Blindwiderstands eines Kondensators mit 100 pF bei einer Frequenz von 435 MHz ?

A: ca. 0,27 Ohm

B: ca. 3,7 Ohm

C: ca. 11,5 Ohm

D: ca. 27,3 kOhm

Lösungsweg

gegeben: $C = \qty{100}{\pico\farad}$
gegeben: $f = \qty{435}{\mega\hertz}$
gesucht: $X_{\textrm{C}}$

$$\begin{split} X_{\textrm{C}} &= \frac{1}{\omega \cdot C} = \frac{1}{2\pi \cdot f \cdot C}\\ &= \frac{1}{2\pi \cdot \qty{435}{\mega\hertz} \cdot \qty{100}{\pico\farad}}\\ &\approx \qty{3,7}{\ohm} \end{split}$$

AC108: An einem unbekannten Kondensator liegt eine Wechselspannung mit 16 V und 50 Hz. Es wird ein Strom von 32 mA gemessen. Welche Kapazität hat der Kondensator?

A: ca. 4,5 μF

B: ca. 6,37 μF

C: ca. 0,45 μF

D: ca. 0,637 μF

Lösungsweg

gegeben: $U = \qty{16}{\volt}$
gegeben: $I = \qty{32}{\milli\ampere}$

gegeben: $f = \qty{50}{\hertz}$
gesucht: $C$

$$X_{\textrm{C}} = \frac{U}{I} = \frac{\qty{16}{\volt}}{\qty{32}{\milli\ampere}} = \qty{500}{\ohm}$$

$$\begin{split} X_{\textrm{C}} &= \frac{1}{\omega \cdot C} \\ \Rightarrow C &= \frac{1}{\omega \cdot X_{\textrm{C}}} = \frac{1}{2\pi \cdot f \cdot X_{\textrm{C}}}\\ &= \frac{1}{2\pi \cdot \qty{50}{\hertz} \cdot \qty{500}{\ohm}}\\ &\approx \qty{6,37}{\micro\farad}\end{split}$$

Kondensatorverluste

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1) Kurzfassung: Schemazeichnung eines realen Kondensators mit parallel geschaltetem Isolationswiderstand sowie in Serie angeordnetem Widerstand und einer Induktivität, begleitet von erklärendem Text.

2) Detaillierte Beschreibung: Auf weißem Hintergrund steht oben groß „Ersatzschaltbild eines realen Kondensators!“. Rechts daneben/ darunter steht in Klammern „(Equivalent Series Resistance)“, wobei „ESR“ farblich hervorgehoben und wellig unterstrichen ist. Links zeigt ein Schaltbild zwei Anschlussklemmen mit einem Kondensatorsymbol „C“, parallel dazu ein Widerstand mit der Beschriftung „Risol“; dieser Teil ist mit einem roten Kreis markiert. Rechts davon sind in Serie ein Widerstand „RESR“ und eine Spule „LESL“ angeordnet; dieser Teil ist mit einem blauen Kreis markiert. Unten rechts erscheint roter Text: „Ideal: tan δ = 0 bei ESR = 0 Ω!“. Alle Schaltlinien und Bauteilsymbole sind schwarz. — Abbildung EAS-5.3.3: Ersatzschaltbild eines realen Kondensators mit einem seriellen Verlustwiderstand (ESR).

Verlustfaktor
$\tan(\delta) = \frac{R}{X_C}$
Verluste in Dielektrikum und Zuleitung

AC109: Kommt es in einem von Wechselstrom durchflossenen realen Kondensator zu Verlusten?

A: Nein, beim Kondensator handelt es sich um eine reine Blindleistung.

B: Ja, infolge des Blindwiderstands

C: Nein, bei Wechselstrom treten keine Verluste auf.

D: Ja, infolge von Verlusten in Dielektrikum und Zuleitung

AC110: Neben dem kapazitiven Blindwiderstand treten im von Wechselstrom durchflossenen Kondensator auch Verluste auf, die rechnerisch in einem parallelgeschalteten Verlustwiderstand zusammengefasst werden können. Die Kondensatorverluste werden oft durch ...

A: den Verlustfaktor tan $\delta$ angegeben, der dem Kehrwert des Gütefaktors entspricht.

B: den relativen Blindwiderstand in Ohm pro Farad angegeben, mit dem die Kondensatorgüte berechnet werden kann.

C: den relativen Verlustwiderstand in Ohm pro Farad angegeben, mit dem die Kondensatorgüte berechnet werden kann.

D: den Verlustfaktor cos $\phi$ angegeben, der dem Kehrwert des Gütefaktors entspricht.

Spule I

Induktivität

Jeder stromdurchflossene Leiter hat eine Induktivität
Um einen stromdurchflossenen Leiter entsteht ein Magnetfeld
In einem Leiter entsteht ein Strom, wenn dieser durch ein Magnetfeld bewegt wird

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Ein schwarzer Pfeil verläuft diagonal von links unten nach rechts oben. Um den Pfeil sind grüne ovale Linien, die ihn konzentrisch umschließen. An den Linien befinden sich kleine grüne Pfeile, die die Richtung andeuten. Neben dem schwarzen Pfeil steht der Buchstabe — Abbildung EAS-5.4.1: Magnetfeld um einen stromdurchflossenen Leiter

EC304: Hat ein gerades Leiterstück eine Induktivität?

A: Ja, solange der Blindwiderstand 0 Ohm beträgt.

B: Nein, der Leiter muss wenigstens eine Krümmung (eine viertel, halbe oder ganze Windung) haben.

C: Nein, beispielsweise im Vakuum entstehen keine Induktivitäten.

D: Ja, jeder Leiter besitzt, unabhängig von der Form, eine Induktivität.

Spule und Induktivität

Eine Spule optimiert die Induktivität eines Leiters
Wichtigste Eigenschaft der Spule: Energie speichern

$$L = \dfrac{N\cdot \Phi}{I}$$

mit $N$ Anzahl Windungen und $\Phi$ als magnetischer Fluss
Einheit: $\unit{\volt\second\per\ampere}$ bzw. Henry $\unit{\henry}$
Die Induktivität ist der magnetische Fluss pro Ampere

Induktivität durch Bauart

Die Induktivität einer Ringspule kann durch die Bauart erreicht werden

$$L = \dfrac{\mu_0 \cdot \mu_r \cdot N^2 \cdot A_S}{l}$$

$\rightarrow$ Induktivität ist größer bei größerem Querschnitt, anderem Kern oder kleinerer Länge
$\rightarrow$ Induktivität ist viel größer bei höherer Windungszahl

$\mu_0 = \qty{1,2566e-6}{\henry\per\meter}$: magnetische Feldkonstante
$\mu_r$: relative Permeabilität, abhängig vom Spulenkern (Luft $\approx 1$)
$N$: Windungszahl
$A_S$: Querschnittsfläche der Spule
$l$: Länge der Spule bzw. mittlere Feldlinienlänge

EA102: Welche Einheit wird üblicherweise für die Induktivität verwendet?

A: Ohm ($\Omega$)

B: Henry (H)

C: Amperestunden (Ah)

D: Farad (F)

EC307: Wie ändert sich die Induktivität einer Spule von 12 μH, wenn die Windungszahl bei gleicher Wickellänge verdoppelt wird?

A: Die Induktivität sinkt auf 6 μH.

B: Die Induktivität sinkt auf 3 μH.

C: Die Induktivität steigt auf 24 μH.

D: Die Induktivität steigt auf 48 μH.

EC306: Vorausgesetzt sind zwei Spulen in gleicher Umgebung, mit gleicher Windungszahl und mit gleicher Querschnittsfläche. Die erste Spule hat eine Induktivität von 12 μH. Die zweite Spule hat die doppelte Länge der ersten Spule. Wie hoch ist die Induktivität der zweiten Spule?

A: 3 μH

B: 24 μH

C: 48 μH

D: 6 μH

EC305: Wie kann man die Induktivität einer zylindrischen Spule vergrößern?

A: Durch Stauchen der Spule in Längsrichtung.

B: Durch Auseinanderziehen der Spule in Längsrichtung.

C: Durch Einführen eines Kupferkerns in die Spule.

D: Durch Einbau der Spule in einen Abschirmbecher.

EB205: Welcher Effekt verringert die Induktivität einer von hochfrequentem Strom durchflossenen Spule beim Einführen eines Kupfer- oder Aluminiumkerns?

A: Das leitfähige Metall schließt das Feld kurz, sodass es im Inneren der Spule verschwindet.

B: Kupfer und Aluminium sind nicht magnetisch und haben keinen Einfluss auf das Feld.

C: Das hochfrequente Magnetfeld kann nicht in den Kern eindringen, was den Querschnitt des Feldes verringert.

D: Kupfer und Aluminium sind ferromagnetisch und schwächen das Feld ab.

EB204: Welcher der nachfolgenden Werkstoffe ist bei Raumtemperatur ein ferromagnetischer Stoff?

A: Chrom

B: Aluminium

C: Kupfer

D: Eisen

Stromfluss über eine Spule

Strom braucht länger durch die Spule
Erst leuchtet Lampe$_1$
Später leuchtet Lampe$_2$

1) Kurzbeschreibung: Reihenschaltplan in rechteckiger Leitungsführung mit Spannungsquelle links, oben im horizontalen Leiter ein Schalter, im vertikalen Leiter in der Mitte ein verstellbarer Widerstand und eine Lampe und parallel dazu in einem vertikalen Leiter rechts eine Spule und eine zweite Lampe. Beide Lampen sind im unteren, horizontalen Teil mit der Spannungsquelle verbunden.

2) Ausführliche Beschreibung: Der Schaltplan enthält einen rechteckigen Schaltkreis aus geraden Leitern. Auf der linken, vertikalen Seite ist eine Spannungsquelle als Zellensymbol mit einer längeren parallelen Linie oben und einer kürzeren Linie unten eingezeichnet. In der Mitte des oberen horizontalen Leiters gibt es einen geöffneten Schalter, von dem ein vertikaler Leiter nach unten abzweigt. In diesem Leiter befindet sich oben ein verstellbarer Widerstand (Rechteck mit diagonalem Pfeil und Querlinie am Ende des Pfeiles) und darunter ein Lampensymbol mit kreuzförmigem Glühfaden, daneben beschriftet mit „Lampe_1“. Parallel zu diesem vertikalen Leiter verläuft ein zweiter vertikaler Leiter, in dem sich oben eine vertikale Spule mit Eisenkern (mehrere halbrunde Windungen und senkrechte Linie entlang den Halbbögen) befindet, darunter ein zweites Lampensymbol mit kreuzförmigem Glühfaden, daneben beschriftet mit „Lampe_2“. Beide Lampen sind über den unteren horizontalen Leiter mit der Spannungsquelle verbunden. Es sind keine Werte enthalten. — Abbildung EAS-5.4.2: Stromkreis mit Spule

EC302: Schaltet man zwei Leuchtmittel gleichzeitig an eine Gleichspannungsquelle, wobei ein Leuchtmittel, Lampe 1, zum Helligkeitsausgleich über einen Widerstand und das andere, Lampe 2, über eine Spule mit vielen Windungen und Eisenkern angeschlossen ist, so ...

A: leuchtet Lampe 2 kurz auf und geht wieder aus. Lampe 1 leuchtet.

B: leuchtet Lampe 2 zuerst.

C: leuchtet Lampe 1 zuerst.

D: leuchten Lampe 1 und Lampe 2 genau gleichzeitig.

Einschaltkurve Spule

Eine Spule wird an Gleichspannung angeschlossen
Die Spannung nimmt steil ab und gleicht sich mit der Zeit 0 an

1) Kurzbeschreibung: Diagramm mit einer horizontalen Achse „t“ und einer vertikalen Achse „U“. Eine Kurve beginnt oben links, führt zunächst steil nach unten und nähert sich dann allmählich der „t“-Achse an.

2) Ausführliche Beschreibung: Ein Koordinatensystem hat eine horizontale Achse mit der Beschriftung „t“ und eine vertikale Achse mit der Beschriftung „U“. Eine Kurve beginnt oben links, führt zunächst steil nach unten und nähert sich dann allmählich der „t“-Achse an. Es sind keine weiteren Beschriftungen oder Maße vorhanden. — Abbildung EAS-5.4.3: Zeitlicher Verlauf einer Gleichspannung über eine Spule

EC301: An eine Spule wird über einen Widerstand eine Gleichspannung angelegt. Welches der nachfolgenden Diagramme zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannung über der Spule?

Spule im Wechselstrom

Im Gleichstromkreis wirkt eine Spule erst wie ein unendlich großer Widerstand, wird dann aber nach dem Einschaltvorgang so groß wie der Widerstand des Leiters
Bei Wechselstrom wird das Magnetfeld in der Spule ständig umgepolt
Dadurch entsteht eine Selbstinduktionsspannung, die entgegengerichtet ist und stört
Je höher die Frequenz, umso höher ist der Wechselstromwiderstand der Spule

EC303: Welches Verhalten zeigt der Wechselstromwiderstand einer idealen Spule mit zunehmender Frequenz?

A: Er sinkt bis zu einem Minimum und steigt dann wieder.

B: Er steigt.

C: Er steigt bis zu einem Maximum und sinkt dann wieder.

D: Er sinkt.

Spule II

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1) Kurze Zusammenfassung:
Ein analoges Oszilloskop zeigt auf einem blauen Gitter zwei phasenverschobene Sinuskurven mit den Beschriftungen „U“ und „I“, daneben sind diverse Bedienelemente und ein BNC‑Eingang sichtbar.

2) Detaillierte Beschreibung:
Das Gerät ist beige/grau, links die rechteckige Bildröhre mit blauem Graticule. Auf dem Schirm verlaufen zwei helle, cyanfarbene Sinuskurven mit gleicher Amplitude; über den Kurven stehen die Buchstaben „U“ (links) und „I“ (rechts). Eine schwarze horizontale Linie mit Pfeil nach rechts trägt die Beschriftung „t“. Unterhalb des Bildschirms steht in kleiner Schrift „U eilt I um 90 Grad voraus!“. Rechts neben dem Schirm befindet sich ein Bedienfeld mit Drehknöpfen, Schaltern und Tastern; gut lesbar sind u. a. „Y-POS. I“, „CH.1“ mit einem Kippschalter „AC / GD / DC“, sowie unten ein Anschlussfeld „INPUT 1 MΩ 25 pF“ mit BNC-Buchse. Unter dem Schirm sind weitere Regler mit Beschriftungen wie „FOCUS“, „INTEN“, „CAL 0.2V / 2V“ und ein Bereich „COMPONENT TESTER“. Die Front enthält mehrere Skalenringe, Kippschalter und farbige Tasten, insgesamt deutet alles auf ein klassisches, analoges Messgerät. — Abbildung EAS-5.5.1: Phasenverschiebung an einer Spule zwischen Spannung und Strom

Phasenverschiebung von $\qty{90}{\degree}$
Spannung eilt dem Strom voraus

AC201: In einer idealen Induktivität, die an einer Wechselspannungsquelle angeschlossen ist, eilt der Strom der angelegten Spannung ...

A: um 90 ° voraus.

B: um 45 ° nach.

C: um 90 ° nach.

D: um 45 ° voraus.

Wirkleistung

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1) Kurzzusammenfassung: Drei sinusförmige Kurven mit den Legenden U (blau), I (orange) und P (grün) sind über der Zeitachse t dargestellt; die Fläche zwischen der grünen Kurve und der Nulllinie ist abwechselnd ober- und unterhalb schattiert.

2) Detaillierte Beschreibung: Ein kartesisches Koordinatensystem mit vertikaler Achse (Pfeil nach oben) und horizontaler Achse (Pfeil nach rechts) zeigt in der Mitte eine durchgehende horizontale Nulllinie; rechts neben dem Pfeil der Horizontalachse steht kursiv t. Im rechten oberen Bildbereich befindet sich eine Legende: ein grüner Linienstrich mit der Beschriftung P, ein orangefarbener mit I und ein blauer mit U (alle kursiv). Über die gesamte Breite verlaufen drei glatte Sinuskurven: Die blaue Kurve U besitzt die größte Amplitude und die längste Wellenlänge (etwa eineinhalb Perioden im Bild), die orange Kurve I hat kleinere Amplitude und ist gegenüber U phasenverschoben, und die grüne Kurve P hat die kleinste Amplitude und ungefähr die doppelte Frequenz der blauen (sie zeigt etwa drei Perioden im Bild). Die grüne Kurve schneidet die Nulllinie mehrfach; die Fläche zwischen der grünen Kurve und der Nulllinie ist halbtransparent grün gefüllt, sowohl oberhalb als auch unterhalb der Nulllinie, wodurch sich abwechselnde, linsenförmige Schattierungen ergeben. — Abbildung EAS-5.5.2: Das Produkt von $U \cdot I$ ergibt die grüne Leistungskurve

Die grüne Leistungskurve ist das Produkt von Strom und Spannung
Die Leistung schwankt symmetrisch um die Nulllinie und gleicht sich aus
Blindleistung an einem Blindwiderstand

Blindwiderstand nimmt keine Wirkenergie auf
Eine ideale Spule wird nicht warm
Jedoch besteht eine Spule aus Draht und hat dadurch ohmsche Verluste
Zusätzlich wirkt der Skin-Effekt

AC202: Welches Vorzeichen hat der Blindwiderstand einer idealen Spule und von welchen physikalischen Größen hängt er ab? Der Blindwiderstand ist ...

A: positiv und abhängig von der Induktivität und der anliegenden Frequenz.

B: positiv und unabhängig von der Induktivität und der anliegenden Frequenz.

C: negativ und abhängig von der Induktivität und der anliegenden Frequenz.

D: negativ und unabhängig von der Induktivität und der anliegenden Frequenz.

Induktiver Blindwiderstand $X_{\textrm{L}}$

Spule dreht an Wechselspannung angeschlossen ständig das magnetische Feld $\rightarrow$ Wechselstromwiderstand / induktiver Blindwiderstand

Wenn die Frequenz der Wechselspannung an einer Spule erhöht wird, dann fließt weniger Strom; dies bedeutet, der induktive Blindwiderstand ist größer geworden.
Wenn die Induktivität der Spule erhöht wird, dann verringert sich auch der Strom, d. h. der Blindwiderstand wird auch größer.

$$|X_{\textrm{L}}| = \omega \cdot L = 2\pi \cdot f \cdot L$$

AC203: Beim Anlegen einer Gleichspannung $U$ = 1 V an eine Spule messen Sie einen Strom. Wird der Strom beim Anlegen von einer Wechselspannung mit $U_{\textrm{eff}}$ = 1 V größer oder kleiner?

A: Beim Betrieb mit Gleich- oder Wechselspannung wirkt nur der ohmsche Widerstand $X_{\textrm{L}}$ der Spule. Der Strom bleibt gleich.

B: Beim Betrieb mit Gleichspannung wirkt nur der Gleichstromwiderstand der Spule. Beim Betrieb mit Wechselspannung wird der induktive Widerstand $X_{\textrm{L}}$ wirksam und erhöht den Gesamtwiderstand. Der Strom wird kleiner.

C: Beim Betrieb mit Wechselspannung wirkt nur der Wechselstromwiderstand der Spule. Beim Betrieb mit Gleichspannung wird nur der ohmsche Widerstand $X_{\textrm{L}}$ wirksam. Der Strom wird größer.

D: Beim Betrieb mit Gleichspannung wirkt nur der Gleichstromwiderstand der Spule. Beim Betrieb mit Wechselspannung wirkt nur der kleinere induktive Widerstand $X_{\textrm{L}}$. Der Strom wird größer.

AC204: Wie groß ist der Betrag des induktiven Blindwiderstands einer Spule mit 3 μH Induktivität bei einer Frequenz von 100 MHz?

A: ca. 942,0 Ohm

B: ca. 1885 Ohm

C: ca. 1,942 Ohm

D: ca. 1885 kOhm

Lösungsweg

gegeben: $L = \qty{3}{\micro\henry}$
gegeben: $f = \qty{100}{\mega\hertz}$
gesucht: $X_{\textrm{L}}$

$$\begin{split} |X_{\textrm{L}}| &= \omega \cdot L = 2\pi \cdot f \cdot L\\ &= 2\pi \cdot \qty{100}{\mega\hertz} \cdot \qty{3}{\micro\henry}\\ &\approx \qty{1885}{\ohm} \end{split}$$

Steigerung der Induktivität

Zylinderspule

$$L = \dfrac{\mu_0 \cdot \mu_r \cdot N^2 \cdot A_S}{l}$$

Windungszahl $N$ erhöhen
Spulenlänge $l$ verkürzen
Querschnittsfläche $A_S$ der Spule vergrößern

Ringkernspule

$$L = N^2 \cdot A_{\textrm{L}}$$

Windungszahl $N$ erhöhen
Magnetisch leitfähigereres Material (mit größerer Induktivitätskonstante $A_{\textrm{L}}$) als Kern verwenden

AC211: Das folgende Bild zeigt einen Kern, um den ein Kabel für den Bau einer Drossel gewickelt ist. Der Kern sollte üblicherweise aus ...

A: Ferrit bestehen.

B: diamagnetischem Material bestehen.

C: Kunststoff bestehen.

D: Stahl bestehen.

AC205: Wie groß ist die Induktivität einer Spule mit 14 Windungen, die auf einen Kern mit einer Induktivitätskonstante ($A_{\textrm{L}}$-Wert) von 1,5 nH gewickelt ist?

A: 0,294 μH

B: 2,94 μH

C: 2,94 nH

D: 29,4 nH

Lösungsweg

gegeben: $N = 14$
gegeben: $A_{\textrm{L}} = \qty{1,5}{\nano\henry}$
gesucht: $L$

$$\begin{split} L &= N^2 \cdot A_{\textrm{L}}\\ &= 14^2 \cdot \qty{1,5}{\nano\henry}\\ &= \qty{0,294}{\micro\henry} \end{split}$$

AC206: Wie groß ist die Induktivität einer Spule mit 300 Windungen, die auf einen Kern mit einer Induktivitätskonstante ($A_{\textrm{L}}$-Wert) von 1250 nH gewickelt ist?

A: 11,25 mH

B: 112,5 mH

C: 112,5 μH

D: 1,125 mH

Lösungsweg

gegeben: $N = 300$
gegeben: $A_{\textrm{L}} = \qty{1250}{\nano\henry}$
gesucht: $L$

$$\begin{split} L &= N^2 \cdot A_{\textrm{L}}\\ &= 300^2 \cdot \qty{1250}{\nano\henry}\\ &= \qty{112,5}{\milli\henry} \end{split}$$

AC207: Mit einem Ringkern, dessen Induktivitätskonstante ($A_{\textrm{L}}$-Wert) mit 250 nH angegeben ist, soll eine Spule mit einer Induktivität von 2 mH hergestellt werden. Wie groß ist die erforderliche Windungszahl etwa?

A: 3

B: 2828

C: 89

D: 53

Lösungsweg

gegeben: $L = \qty{2}{\milli\henry}$
gegeben: $A_{\textrm{L}} = \qty{250}{\nano\henry}$
gesucht: $N$

$$\begin{split} L &= N^2 \cdot A_{\textrm{L}}\\ N &= \sqrt{\frac{L}{A_{\textrm{L}}}} = \sqrt{\frac{\qty{2}{\milli\henry}}{\qty{250}{\nano\henry}}} \\ &= 89\,\text{Windungen} \end{split}$$

AC208: Ein Spulenkern hat eine Induktivitätskonstante ($A_{\textrm{L}}$-Wert) von 30 nH. Wie groß ist die erforderliche Windungszahl zur Herstellung einer Induktivität von 12 μH in etwa?

A: 20

B: 400

C: 6

D: 360

Lösungsweg

gegeben: $L = \qty{12}{\micro\henry}$
gegeben: $A_{\textrm{L}} = \qty{30}{\nano\henry}$
gesucht: $N$

$$\begin{split} L &= N^2 \cdot A_{\textrm{L}}\\ N &= \sqrt{\frac{L}{A_{\textrm{L}}}} = \sqrt{\frac{\qty{12}{\micro\henry}}{\qty{30}{\nano\henry}}} \\ &= 20\,\text{Windungen} \end{split}$$

Spulenverluste

Verlustfaktor $\tan(\delta) = \frac{R}{X_L}$
Verluste im Leiter

AC209: Neben dem induktiven Blindwiderstand treten in der mit Wechselstrom durchflossenen Spule auch Verluste auf, die rechnerisch in einem seriellen Verlustwiderstand zusammengefasst werden können. Als Maß für die Verluste in einer Spule wird auch ...

A: der Verlustfaktor cos $\varphi$ angegeben, der dem Kehrwert des Gütefaktors entspricht.

B: der relative Verlustwiderstand in Ohm pro Henry angegeben, mit dem die Spulengüte berechnet werden kann.

C: der Verlustfaktor tan $\delta$ angegeben, der dem Kehrwert des Gütefaktors entspricht.

D: der relative Blindwiderstand in Ohm pro Henry angegeben, mit dem die Spulengüte berechnet werden kann.

Scheinwiderstand

Reihenschaltung von Blindwiderstand und Wirkwiderstand $\rightarrow$ Scheinwiderstand $Z$
Tritt nur bei Wechselspannung auf
Kann nicht mit einem Ohm-Meter gemessen werden
Spule in der Funktechnik $\rightarrow$ Impedanz
Antennenimpedanz, Eingangs- und Ausgangsimpedanz, Impedanzwandler, …
Impedanz $Z$ in $\unit{\ohm}$

TODO — Abbildung EAS-5.5.3: Impedanz $Z$ als geometrische Addition von $R$ und $X$

$$Z = \sqrt{R^2 + X^2}$$

Wirkwiderstand $R$
Blindwiderstand $X_{\textrm{L}}$
Scheinwiderstand ist über Pythagoras zu berechnen

AA101: Welche Einheit wird üblicherweise für die Impedanz verwendet?

A: Ohm

B: Siemens

C: Henry

D: Farad

Abschirmung von magnetischen Feldern

Zur Abschirmung: Ein Gehäuse aus einem gut leitfähigem Material.
Beispiel: Abschirmbecher aus Stahl oder Eisen.
Verstellbaren Ferritkern um die Induktivität zu verändern.

AC210: Um die Abstrahlungen der Spule eines abgestimmten Schwingkreises zu verringern, sollte die Spule ...

A: einen hohlen Kupferkern aufweisen.

B: in einem isolierenden Kunststoffgehäuse untergebracht werden.

C: einen abgestimmten Kunststoffkern aufweisen.

D: in einem leitenden Metallgehäuse untergebracht werden.

Übertrager I

Zwei Spulen auf gemeinsamen Kern magnetisch gekoppelt
Energie wird darüber übertragen
Ändern von Spannungen und Strömen ist möglich
Übertrager oder Transformator kurz Trafo

1) Kurzbeschreibung: Schaltplan eines Transformators mit zwei Anschlüssen links, beschriftet mit „230 V“ und einer Wellenlinie, und zwei Anschlüssen rechts, beschriftet mit „a“ und „b“.

2) Ausführliche Beschreibung: Schaltplan eines Transformators bestehend aus zwei vertikalen Spulen, die linke mit nach rechts gerichteten Halbbögen und die rechte mit nach links gerichteten Halbbögen, dazwischen zwei vertikale Linien. Die Spulen haben an beiden Enden jeweils einen Anschluss. Die Anschlüsse der linken Spule sind mit „230 V“ und einer Wellenlinie beschriftet, die Anschlüsse der rechten Spule mit „a“ und „b“. — Abbildung EAS-5.6.1: Schemazeichnung eines Übertragers

Übersetzungverhältnis

Spannungen an den Anschlüssen des Übertragers verhalten sich wie zur Anzahl der Wicklungen

$$ü = \dfrac{N_P}{N_S} = \dfrac{U_P}{U_S}$$

$N_P$: Wicklungen auf der Primärseite
$N_S$: Wicklungen auf der Sekundärseite
$U_P$: Spannung an der Primärseite
$U_S$: Spannung an der Sekundärseite

EC401: Wie hoch ist die Spannung zwischen den Punkten a und b in dieser Schaltung für ein Transformationsverhältnis von 15:1?

A: Etwa 11 V

B: Etwa 22 V

C: Etwa 1 V

D: Etwa 15 V

EC402: Die Primärspule eines Übertragers hat die fünffache Anzahl von Windungen der Sekundärspule. Wie hoch ist die erwartete Sekundärspannung, wenn die Primärspule an eine 230 V Spannungsversorgung angeschlossen wird?

A: 46 V

B: 9,2 V

C: 23 V

D: 1150 V

EC403: An der Primärwicklung eines Transformators mit 600 Windungen liegt eine Spannung von 230 V an. Die Sekundärspannung beträgt 11,5 V. Wie groß ist die Sekundärwindungszahl?

A: 20 Windungen

B: 30 Windungen

C: 180 Windungen

D: 52 Windungen

EC404: An der Primärwicklung eines Transformators mit 150 Windungen liegt eine Spannung von 45 V an. Die Sekundärspannung beträgt 180 V. Wie groß ist die Sekundärwindungszahl?

A: 38 Windungen

B: 30 Windungen

C: 850 Windungen

D: 600 Windungen

Übertrager II

Transformator-Prinzip

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Kurzbeschreibung: Ein Transformator mit zwei Wicklungen und seitlichen Anschlussleisten, von oben auf weißem Hintergrund fotografiert.

Detaillierte Beschreibung: Das Gerät besteht aus einem rechteckigen Blechkern mit zwei nebeneinander liegenden Spulenkörpern, die mit blaugrünem Isoliermaterial umwickelt sind. Auf der oberen Spule klebt mittig ein gelber Streifen, auf der unteren Spule ein hellblaues Etikett mit der Aufschrift „Trafo SU 60 b“ und „Material-Nr. 31-024“. An beiden Stirnseiten befinden sich helle Kunststoffträger mit Reihen von metallischen Lötfahnen; daran sind feine, lackierte Kupferdrähte angeschlossen, teils mit sichtbaren Lötstellen und leichten Anlaufspuren. Links führen zwei rote flexible Leitungen zu einer Anschlussseite; daneben ist ein kleines blaues zylindrisches Element zu sehen. Unten sind Montagewinkel mit Schrauben erkennbar. Der Hintergrund ist einheitlich weiß, das Foto zeigt das Bauteil leicht von oben. — Abbildung EAS-5.7.1: Trafo mit sichtbar getrennten Wicklungen

Magnetisch gekoppelte Spulen
Veränderlicher Strom in einer Spule
Erzeugt Spannung in der anderen Spule
$\rightarrow$ Gegendinduktion

AC301: Durch Gegeninduktion wird in einer Spule eine Spannung erzeugt, wenn ...

A: sich die Spule in einem konstanten Magnetfeld befindet.

B: ein veränderlicher Strom durch die Spule fließt und sich dabei ein dielektrischer Gegenstand innerhalb der Spule befindet.

C: ein konstanter Gleichstrom durch eine magnetisch gekoppelte benachbarte Spule fließt.

D: ein veränderlicher Strom durch eine magnetisch gekoppelte benachbarte Spule fließt.

Das Verhältnis der Windungen zwischen Primär- und Sekundärseite ist wie das Verhältnis der Spannung zwischen Primär- zu Sekundärseite, aber wie das Verhältnis der Ströme zwischen Sekundär- zu Primärseite:

$$ü = \frac{N_P}{N_S} = \frac{U_P}{U_S} = \frac{I_S}{I_P}$$

Das Verhältnis der Primär- zur Sekundärimpedanz ist wie die obigen Verhältnisse zum Quadrat:

$$ü^2 = \frac{Z_P}{Z_S} = \left(\frac{N_P}{N_S}\right)^2 = \left(\frac{U_P}{U_S}\right)^2 = \left(\frac{I_S}{I_P}\right)^2$$

Oder nach ziehen der Wurzel:

$$ü = \frac{N_P}{N_S} = \frac{U_P}{U_S} = \frac{I_S}{I_P} = \sqrt{\frac{Z_P}{Z_S}}$$

AC302: Ein Transformator setzt die Spannung von 230 V auf 6 V herunter und liefert dabei einen Strom von 1,15 A. Wie groß ist der dadurch in der Primärwicklung zu erwartende Strom bei Vernachlässigung der Verluste?

A: 30 mA

B: 0,83 mA

C: 33,3 mA

D: 22,7 mA

Lösungsweg

gegeben: $U_P = \qty{230}{\volt}$
gegeben: $U_S = \qty{6}{\volt}$
gegeben: $I_S = \qty{1,15}{\ampere}$
gesucht: $I_P$

$$\begin{split} \frac{U_P}{U_S} &= \frac{I_S}{I_P} \\ \Rightarrow I_P &= \frac{I_S \cdot U_S}{U_P} = \frac{\qty{1,15}{\ampere} \cdot \qty{6}{\volt}}{\qty{230}{\volt}} \\ &= \qty{30}{\milli\ampere} \end{split}$$

Impedanzanpassung

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Ein Schaltplan zeigt eine Anordnung elektrischer Bauteile. Links verläuft eine Leitung mit 50 Ohm, gefolgt von einer Spule, die als MWS beschriftet ist. Eine weitere Spule und ein Kondensator sind parallel angeordnet. Rechts ist eine größere Spule abgebildet, deren Umwicklungsverhältnis mit — Abbildung EAS-5.7.2: Anpassung von $\qty{2450}{\ohm}$ an $\qty{50}{\ohm}$ mit einem Übertrager mit einem Windungsverhältnis von 1 zu 7

AC306: Für die Anpassung einer 50 Ohm Übertragungsleitung an eine endgespeiste Halbwellenantenne mit einem Fußpunktwiderstand von 2,5 kOhm wird ein Übertrager verwendet. Er sollte in etwa ein Windungverhältnis von ...

A: 1:14 aufweisen.

B: 1:49 aufweisen.

C: 1:7 aufweisen.

D: 1:3 aufweisen.

Lösungsweg

gegeben: $Z_P = \qty{50}{\ohm}$
gegeben: $Z_S = \qty{2,5}{\kilo\ohm}$
gesucht: $ü$

$$\begin{split} ü &= \sqrt{\frac{Z_P}{Z_S}} = \sqrt{\frac{\qty{50}{\ohm}}{\qty{2,5}{\kilo\ohm}}} \\ &= \sqrt{\frac{1}{50}} \approx \frac{1}{7} \end{split}$$

AC303: In dieser Schaltung beträgt $R$=16 kOhm. Die Impedanz zwischen den Anschlüssen a und b beträgt im Idealfall ...

A: 64 kOhm.

B: 4 kOhm.

C: 1 kOhm.

D: 16 kOhm.

Lösungsweg

gegeben: $Z_S = \qty{16}{\kilo\ohm}$
gegeben: $ü = \frac{1}{4}$
gesucht: $Z_P$

$$\begin{split} ü &= \sqrt{\frac{Z_P}{Z_S}} \\ \Rightarrow Z_P &= ü^2 \cdot Z_S = \frac{1^2}{4^2} \cdot \qty{16}{\kilo\ohm} \\ &= \frac{\qty{16}{\kilo\ohm}}{16} = \qty{1}{\kilo\ohm} \end{split}$$

AC304: In dieser Schaltung beträgt $R$=6,4 kOhm. Die Impedanz zwischen den Anschlüssen a und b beträgt im Idealfall ...

A: 6,4 kOhm.

B: 0,4 kOhm.

C: 1,6 kOhm.

D: 26 kOhm.

Lösungsweg

gegeben: $Z_S = \qty{6,4}{\kilo\ohm}$
gegeben: $ü = \frac{1}{4}$
gesucht: $Z_P$

$$\begin{split} ü &= \sqrt{\frac{Z_P}{Z_S}} \\ \Rightarrow Z_P &= ü^2 \cdot Z_S = \frac{1^2}{4^2} \cdot \qty{6,4}{\kilo\ohm} \\ &= \frac{\qty{6,4}{\kilo\ohm}}{16} = \qty{0,4}{\kilo\ohm} \end{split}$$

AC305: Für die Anpassung einer Antenne mit einem Fußpunktwiderstand von 450 Ohm an eine 50 Ohm-Übertragungsleitung sollte ein Übertrager mit einem Windungsverhältnis von ...

A: 3:1 verwendet werden.

B: 16:1 verwendet werden.

C: 9:1 verwendet werden.

D: 4:1 verwendet werden.

Lösungsweg

gegeben: $Z_P = \qty{450}{\ohm}$
gegeben: $Z_S = \qty{50}{\ohm}$
gesucht: $ü$

$$\begin{split} ü &= \sqrt{\frac{Z_P}{Z_S}} = \sqrt{\frac{\qty{450}{\ohm}}{\qty{50}{\ohm}}} \\ &= \sqrt{\frac{9}{1}} = \frac{3}{1} \end{split}$$

Maximaler Strom

Leitung darf nicht zu warm werden
Sonst schmilzt die Isolation
Oder der Leiter glüht
$\rightarrow$ zulässige Stromdichte in Stromstärke bezogen auf den Leiterquerschnitt

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Kurzfassung: Offenes, graues Kunststoffgehäuse mit einem orange umwickelten ringförmigen Kern und zwei schwarzen Anschlüssen an der Unterseite.

Detaillierte Beschreibung: Das quadratische Gehäuse ist von oben auf weißem Hintergrund fotografiert und zeigt innen einen großen, dunkelgrauen Ringkern, der eng mit einem orangefarbenen Draht spiralförmig bewickelt ist. Der Ringkern ist mittig mit einer Schraube und Mutter fixiert; die Drahtenden führen zur Mitte und sind an dortigen Lötpunkten befestigt, ein kleiner Kabelbinder hält eine Drahtschlaufe. Links und rechts im Gehäuseinneren sind Metallschrauben mit Lötösen zu sehen, außerdem Kleber- oder Lötspuren sowie leichte Verschmutzungen und Kratzer. An den Innenwänden sind handschriftliche Markierungen in Grün und Blau, darunter „1:7“ und eine kleine Skizze. Die Ecken haben Schraublöcher mit Messinggewinden. Unten am Gehäuse ragen zwei gerändelte, schwarze Anschlüsse nach außen. — Abbildung EAS-5.7.4: HF-Übertrager (BALUN), der bei zu viel Leistung schmelzen kann

Beispiele zulässige Stromdichte

nach VDE

Frei verlegte Leiter aus Kupfer: $\frac{\qty{12}{\ampere}}{\qty{0,75}{\milli\meter\squared}}$
Schmelzsicherungen: bis zu $\qty{3000}{\ampere\per\milli\meter\squared}$
Transformatoren: $\qty{2,5}{\ampere\per\milli\meter\squared}$ (schlechte Wärmeabstrahlung der Wicklungen)

AC307: Eine Transformatorwicklung hat einen Drahtdurchmesser von 0,5 mm. Die zulässige Stromdichte beträgt 2,5 A/mm². Wie groß ist der zulässige Strom?

A: ca. 0,49 A

B: ca. 1,96 A

C: ca. 1,25 A

D: ca. 0,19 A

Lösungsweg

gegeben: $d = \qty{0,5}{\milli\meter}$
gegeben: Stromdichte $\frac{I}{A} = \frac{\qty{2,5}{\ampere}}{\qty{1}{\milli\meter\squared}}$
gesucht: $I_{\mathrm{max}}$

$$A_{Dr} = \frac{d^2 \cdot \pi}{4} = \frac{(\qty{0,5}{\milli\meter})^2 \cdot \pi}{4} \approx \qty{0,196}{\milli\meter\squared}$$

$$I_{\mathrm{max}} = \frac{I}{A} \cdot A_{Dr} = \frac{\qty{2,5}{\ampere}}{\qty{1}{\milli\meter\squared}} \cdot \qty{0,196}{\milli\meter\squared} = \qty{0,49}{\ampere}$$

Diode I

Anwendung

Eine Diode lässt den Stromfluss nur in eine Richtung durch
In die andere Richtung wirkt sie wie ein hoher Widerstand
Dioden werden u.a. zur Gleichrichtung von Wechselspannung eingesetzt

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Das Bild zeigt vier LED-Komponenten unterschiedlicher Größe und Farbe: eine winzige SMD-LED, eine kleine grüne LED, eine mittelgroße gelbe LED und eine große rote LED. Links oben ist ein Schaltsymbol einer Diode mit Pfeil und Text — Abbildung EAS-5.8.1: Diverse LED in verschiedenen Bauformen und Farben

EC501: Eine in Sperrrichtung betriebene Diode zeichnet sich insbesondere aus durch ...

A: einen hohen Widerstand.

B: eine hohe Induktivität.

C: eine hohe Kapazität.

D: eine geringe Impedanz.

EC502: Wofür können Halbleiterdioden beispielsweise verwendet werden?

A: zur Gleichrichtung von Wechselspannung

B: als Widerstand in Netzteilen

C: als Verstärker in Stromversorgungen

D: zur Speicherung von Wechselströmen

Schwellenspannung

Damit eine Diode in Durchlassrichtung leitet, muss eine bestimmte Spannung – die Schwellenspannung oder Durchlassspannung – überschritten werden
Je nach Basis des chemischen Elements ist die Schwellenspannung unterschiedlich hoch

Germanium: $\qtyrange{0,2}{0,4}{\volt}$
Silizium: $\qtyrange{0,6}{0,8}{\volt}$
LED (Rot): $\qtyrange{1,6}{2,2}{\volt}$
LED (Gelb, Grün): $\qtyrange{1,9}{2,5}{\volt}$
LED (Blau, Weiß): $\qtyrange{2,7}{3,5}{\volt}$

EC503: Welche typischen Schwellspannungen haben Germanium- und Siliziumdioden? Sie liegen bei ...

A: Germanium zwischen 0,6 bis 0,8 V, bei Silizium zwischen 0,2 bis 0,4 V.

B: Germanium zwischen 0,2 bis 0,4 V, bei Silizium zwischen 0,6 bis 0,8 V.

C: Germanium zwischen 0,6 bis 0,8 V, bei Silizium 1,4 bis 1,6 V.

D: Germanium zwischen 1,4 bis 1,6 V, bei Silizium 0,6 bis 0,8 V.

Schottky-Diode

Erlaubt eine hohe Schaltfrequenz
Nur eine sehr niedrige Schwellenspannung von $\qty{0,4}{\volt}$ bis unter $\qty{0,1}{\volt}$ ist nötig

EC504: Welches sind die Haupteigenschaften einer Schottkydiode?

A: Sehr hohe Durchlassspannung und sehr hohe Schaltfrequenz.

B: Sehr niedrige Durchlassspannung und sehr hohe Schaltfrequenz.

C: Sehr hohe Durchlassspannung und sehr niedrige Schaltfrequenz.

D: Sehr niedrige Durchlassspannung und sehr niedrige Schaltfrequenz.

Kennlinien

EC506: Welche Diode wird durch Kennlinie 2 charakterisiert?

A: Siliziumdiode

B: Leuchtdiode

C: Schottkydiode

D: Germaniumdiode

EC507: Welche Diode wird durch Kennlinie 3 charakterisiert?

A: Siliziumdiode

B: Schottkydiode

C: Leuchtdiode

D: Germaniumdiode

EC508: Welche Diode wird durch Kennlinie 4 charakterisiert?

A: Leuchtdiode

B: Germaniumdiode

C: Schottkydiode

D: Siliziumdiode

EC505: Welche Diode wird durch Kennlinie 1 charakterisiert?

A: Schottkydiode

B: Leuchtdiode

C: Germaniumdiode

D: Siliziumdiode

Leitende Diode

Eine Diode leitet immer dann, wenn die Spannung an der Anode um die Schwellenspannung positiver ist als an der Kathode
Gilt auch für negative Spannungen
In der Prüfung kommen nur Siliziumdioden mit $\qty{0,7}{\volt}$ Schwellenspannung vor

1) Kurzbeschreibung: Horizontale Linie mit dem Schaltzeichen für eine Diode (nach links zeigendes Dreieck mit einer vertikalen Linie an der Dreiecksspitze). Links der horizontalen Linie steht „0,6 V“, rechts davon „1,3 V“.

2) Ausführliche Beschreibung: Eine horizontale Linie ist in der Mitte durch das Schaltzeichen für eine Diode mit einem nach links zeigenden Dreieck und einer vertikalen Linie an der Dreiecksspitze unterbrochen. Links der horizontalen Linie steht der Wert „0,6 V“, rechts davon „1,3 V“. — Abbildung EAS-5.8.2: Spannungen an einer leitenden Siliziumdiode

EC513: Bei welcher Bedingung wird eine Siliziumdiode leitend?

A: An der Anode liegen 5,0 V, an der Kathode 5,1 V an.

B: An der Anode liegen 5,0 V, an der Kathode 5,7 V an.

C: An der Anode liegen 5,7 V, an der Kathode 5,0 V an.

D: An der Anode liegen 5,7 V, an der Kathode 6,4 V an.

EC510: Die Auswahlantworten enthalten Siliziumdioden mit unterschiedlichen Arbeitspunkten. Bei welcher Antwort befindet sich die Diode in leitendem Zustand?

EC509: Die Auswahlantworten enthalten Siliziumdioden mit unterschiedlichen Arbeitspunkten. Bei welcher Antwort befindet sich die Diode in leitendem Zustand?

EC511: Die Auswahlantworten enthalten Siliziumdioden mit unterschiedlichen Arbeitspunkten. Bei welcher Antwort befindet sich die Diode in leitendem Zustand?

EC512: Die Auswahlantworten enthalten Siliziumdioden mit unterschiedlichen Arbeitspunkten. Bei welcher Antwort befindet sich die Diode in leitendem Zustand?

LED Anwendung

Eine LED dient als Leuchtanzeige

1) Kurzbeschreibung: Schaltplan in rechteckiger Leitungsführung; im oberen horizontalen Leiter links Anschlusspunkt, rechts davon Schaltzeichen für einen Widerstand, anschließend vertikaler Leiter mit Schaltzeichen für eine Leuchtdiode; darunter unterer horizontaler Leiter mit Anschlusspunkt links.

2) Ausführliche Beschreibung: Der Schaltplan enthält einen rechteckigen Schaltkreis aus geraden Leitern. Im oberen horizontalen Leiter ist links ein Anschlusspunkt eingezeichnet. Rechts davon befindet sich ein Schaltzeichen bestehend aus einem Rechteck (Widerstand). Es schließt sich ein vertikaler Leiter an, in dessen Mitte ein Schaltzeichen mit einem auf der Spitze stehenden Dreieck, einem horizontalen Strich darunter und zwei schräg nach unten rechts zeigenden Pfeilen eingezeichnet ist. Es folgt ein unterer horizontaler Leiter mit einem Anschlusspunkt am linken Ende. — Abbildung EAS-5.8.3: LED mit Vorwiderstand

EC514: Wozu dient die folgende Schaltung?

A: Stromgewinnung

B: Leuchtanzeige

C: Spannungserhöhung

D: Leistungsüberwachung

Vorwiderstand

Da die LED selbst kaum einen Widerstand hat, würde sie bei einem direkten Anschluss an eine Spannungsquelle wie ein Kurzschluss wirken
Mit einem Vorwiderstand wird der Durchlassstrom begrenzt

Berechnung: $R = \dfrac{U_q – U_{\mathrm{LED}}}{I_D}$
$U_q$: Spannungsquelle
$U_{\mathrm{LED}}$: Schwellenspannung LED
$I_D$: Durchlassstrom

EC515: Eine Leuchtdiode mit einer Durchlassspannung von 1,4 V und einem Durchlassstrom von 20 mA soll an eine Spannungsquelle von 5,0 V angeschlossen werden. Berechnen Sie den Vorwiderstand. Die Größe des benötigten Vorwiderstandes beträgt ...

A: 250 Ohm.

B: 180 Ohm.

C: 70 Ohm.

D: 320 Ohm.

EC516: Folgende Schaltung einer Leuchtdiode wird an einer Betriebsspannung von 5,5 V betrieben. Der Strom durch die Leuchtdiode soll 25 mA betragen, wobei die Durchlassspannung 1,75 V beträgt. Der notwendige Vorwiderstand muss folgende Werte haben:

A: 70 Ohm/0,1 W

B: 150 Ohm/0,1 W

C: 70 Ohm/0,06 W

D: 150 Ohm/0,06 W

Z-Diode

Normalerweise liegt die maximale Sperrspannung einer Diode bei ca. $\qty{1000}{\volt}$
Bei Z-Dioden erfolgt ein Spannungsdurchbruch je nach Bauart zwischen $\qty{3}{\volt}$ und $\qty{100}{\volt}$
Dienen zur Spannungsstabilisierung

1) Kurzbeschreibung: Horizontale Linie mit einem Schaltzeichen aus einem nach rechts zeigenden Dreieck in der Mitte und einer kurzen vertikalen Linie an der Dreiecksspitze. Die Linie hat am oberen Ende einen nach links zeigenden, kurzen Strich.

2) Ausführliche Beschreibung: In der Mitte einer horizontalen Linie befindet sich ein nach rechts zeigendes, gleichschenkliges Dreieck; die Linie führt durch das Dreieck hindurch. An der Dreiecksspitze gibt es eine kurze vertikale Linie, die am oberen Ende einen nach links zeigenden, kurzen Strich aufweist. Es sind keine Beschriftungen, Maße, Achsen oder weiteren Bauteile vorhanden. — Abbildung EAS-5.8.5: Schaltzeichen Z-Diode

Polung

Z-Dioden werden mit Vorwiderstand in Sperrrichtung betrieben

1) Kurzbeschreibung: Schaltplan in rechteckiger Leitungsführung mit einem Widerstand im oberen Leiter und einer Zener-Diode in einem vertikalen Abzweig zwischen oberem und unterem Leiter sowie je zwei Anschlussklemmen links und rechts.

2) Ausführliche Beschreibung: Der Schaltplan enthält zwei gerade, parallele Leiter. Im oberen Leiter befindet sich ein Widerstand. Rechts davon gibt es einen vertikalen Abzweig zum unteren Leiter mit einer Zener-Diode in der Mitte. An den Enden der beiden Leiter befinden sich jeweils Anschlussklemmen. Es sind keine Beschriftungen, Maße, Achsen oder weiteren Bauteile vorhanden. — Abbildung EAS-5.8.6: Z-Diode korrekt in Sperrichtung eingesetzt

EC517: Welches Bauteil wird durch das Schaltzeichen symbolisiert?

A: Z-Diode

B: Kapazitätsdiode

C: Leuchtdiode

D: Freilaufdiode

EC518: Für welchen Zweck werden Z-Dioden primär eingesetzt?

A: Zur Leistungsstabilisierung

B: Zur Stromstabilisierung

C: Zur Zweiwegstabilisierung

D: Zur Spannungsstabilisierung

EC519: Wozu dient folgende Schaltung?

A: Stromgewinnung

B: Spannungserhöhung

C: Spannungsstabilisierung

D: Leuchtanzeige

EC520: In welcher der folgenden Schaltungen ist die Z-Diode zur Spannungsstabilisierung richtig eingesetzt?

Vorwiderstand

1) Kurzbeschreibung: Schaltplan mit zwei parallelen horizontalen Leitern; der obere mit einem Schaltzeichen für einen Widerstand „R_V“. Rechts des Widerstands zweigt ein vertikaler Leiter mit einem Schaltzeichen für eine Zener-Diode (Z-Diode) ab. In diesem Leiter oberhalb der Z-Diode Beschriftung „I_Z“ mit Pfeil nach unten. Dieser Leiter führt auf den unteren horizontalen Leiter. Oberer horizontaler Leiter mit Anschlusspunkten links „+13,8 V“ und rechts „+5 V“. Unterer horizontaler Leiter mit Anschlusspunkten links „0 V“ und rechts ohne Beschriftung. Im linken Teil der Abbildung ein vertikaler Pfeil mit der Beschriftung „U_1“, im rechten Teil ein vertikaler Pfeil mit der Beschriftung „U_Z“.

2) Ausführliche Beschreibung: Der Schaltplan besteht aus zwei parallelen horizontalen Leitern. Der obere Leiter enthält ein Schaltzeichen bestehend aus einem Rechteck (Widerstand), beschriftet mit „R_V“. Rechts des Widerstands zweigt ein Leiter ab mit einem Schaltzeichen bestehend aus einem nach oben gerichteten Dreieck und darüber einem horizontalen Strich mit kleinem Strich nach unten am rechten Ende (Zener-Diode oder Z-Diode). In diesem vertikalen Leiter gibt es oberhalb der Z-Diode die Beschriftung „I_Z“ mit Pfeil nach unten. Der vertikale Leiter führt auf den unteren horizontalen Leiter. Der obere horizontale Leiter hat zwei Anschlusspunkte, links mit „+13,8 V“ und rechts mit „+5 V“ beschriftet. Der untere horizontale Leiter hat ebenfalls zwei Anschlusspunkte, links mit „0 V“ beschriftet und rechts ohne Beschriftung. Im linken Teil der Abbildung ist ein vertikaler Pfeil mit der Beschriftung „U_1“ zu sehen, im rechten Teil ein vertikaler Pfeil mit der Beschriftung „U_Z“. — Abbildung EAS-5.8.7: Z-Diode zur Spannungsstabilisierung

$U_Z$ ist die Spannung, auf die die Z-Diode stabilisiert
$$U_V = U_1 - U_Z = \qty{13,8}{\volt} - \qty{5}{\volt} = \qty{8,8}{\volt}$$
$$R_V = \frac{U_V}{I} = \frac{\qty{8,8}{\volt}}{\qty{30}{\milli\ampere}} \approx \qty{293}{\ohm}$$

EC521: Eine unbelastete Z-Diode soll eine 13,8 V Betriebsspannung auf 5 V stabilisieren. Dabei soll ein Strom von 30 mA durch die Z-Diode fließen. Der Ausgang der Schaltung soll nicht belastet werden. Berechnen Sie den Wert des Vorwiderstands.

A: ca. 3,41 \milliOhm

B: ca. 293 Ohm

C: ca. 460 Ohm

D: ca. 167 Ohm

EC522: Folgende Schaltung einer Stabilisierungsschaltung mit Z-Diode ist gegeben. Der Strom durch die Z-Diode soll 25 mA betragen und der Laststrom ist 20 mA. Der Wert des notwendigen Vorwiderstandes beträgt ...

A: ca. 364 Ohm.

B: ca. 202 Ohm.

C: ca. 188 Ohm.

D: ca. 235 Ohm.

Halbleiter II

Halbleiter

Bestehen aus einer Gitterstruktur
4 geteilte Elektronen auf der äußeren Schale
Sind eigentlich Isolatoren
Können durch Temperaturanstieg, Licht oder Dotierung zu Leitern werden

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1) Kurze Zusammenfassung: Schematische Grafik mit einem regelmäßigen 3×3-Raster aus Kreisen, jeweils mit der Beschriftung „Si“ und vier blauen Punkten darum.

2) Detaillierte Beschreibung: Auf weißem Hintergrund verlaufen drei vertikale und drei horizontale, dunkelgraue, gestrichelte Linien und bilden ein gleichmäßiges 3×3-Gitter. An jedem der neun Kreuzungspunkte befindet sich ein kleiner Kreis mit hellgrauem Rand und weißer Füllung; im Inneren steht in schwarzer Schrift „Si“. Auf dem Umfang jedes Kreises sind vier kleine blaue Punkte in den Richtungen oben, rechts, unten und links angeordnet. Die gestrichelten Linien führen durch die Kreise hindurch. Es gibt keine weiteren Beschriftungen, Achsen, Legenden oder Maßeinheiten. — Abbildung EAS-5.9.1: Silizium Halbleiterkristall

AB104: Was versteht man unter Halbleitermaterialien?

A: Einige Stoffe (z. B. Silizium) sind in reinem Zustand bei Raumtemperatur gute Leiter. Durch geringfügige Zusätze von geeigneten anderen Stoffen (z. B. Bor, Phosphor) oder bei hohen Temperaturen nimmt jedoch ihre Leitfähigkeit ab.

B: Einige Stoffe (z. B. Silizium) sind in reinem Zustand bei Raumtemperatur gute Leiter. Durch geringfügige Zusätze von geeigneten anderen Stoffen (z. B. Bismut, Tellur) fällt ihr Widerstand auf den halben Wert.

C: Einige Stoffe (z. B. Silizium) sind in reinem Zustand bei Raumtemperatur gute Elektrolyten. Durch geringfügige Zusätze von geeigneten anderen Stoffen (z. B. Bismut, Tellur) kann man daraus entweder N-leitendes- oder P-leitendes Material für Anoden bzw. Kathoden von Batterien herstellen.

D: Einige Stoffe (z. B. Silizium) sind in reinem Zustand bei Raumtemperatur gute Isolatoren. Durch geringfügige Zusätze von geeigneten anderen Stoffen (z. B. Bor, Phosphor) oder bei hohen Temperaturen werden sie jedoch zu Leitern.

Dotierung

„Verunreinigung“ der Halbleiter
Stoffe mit 5 Elektronen auf der äußeren Schale $\rightarrow$ Elektronenüberschuss $\rightarrow$ n-Dotierung
Stoffe mit 3 Elektronen auf der äußeren Schale $\rightarrow$ Elektronenmangel („Loch“) $\rightarrow$ p-Dotierung

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Kurzzusammenfassung: Schematische Rastergrafik mit neun Knotenpunkten; an acht Knoten steht „Si“ und am mittleren Knoten „P“, jeweils in grauen Kreisen mit kleinen blauen Punkten darum.

Detaillierte Beschreibung: Ein quadratisches 3×3-Raster aus senkrechten und waagerechten, grau gestrichelten Linien. An jedem der neun Kreuzungspunkte befindet sich ein hellgrauer Kreis mit schwarzer Beschriftung. In acht Kreisen steht „Si“ (oben links, oben Mitte, oben rechts; Mitte links, Mitte rechts; unten links, unten Mitte, unten rechts). Im mittleren Kreis steht „P“. Um jeden „Si“-Kreis sind vier kleine blaue Punkte gleichmäßig auf dem Kreis verteilt (oben, rechts, unten, links). Um den „P“-Kreis sind insgesamt fünf blaue Punkte zu sehen: vier davon wie bei den „Si“-Kreisen auf den Kardinalpositionen am Kreis, plus ein zusätzlicher kleiner blauer Punkt knapp rechts außerhalb des Kreises. Die Hintergrundfläche ist weiß. — Abbildung EAS-5.9.2: n-Dotierung mit Phosphor

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Kurzfassung: Schematisches 3×3-Gitter aus gepunkteten grauen Linien mit Kreisen an den Schnittpunkten, die meist „Si“ zeigen; im Zentrum steht „B“ mit einem kleinen orangefarbenen Ring rechts daneben.

Detaillierte Beschreibung: Das Bild zeigt ein quadratisches 3×3-Gitter aus horizontalen und vertikalen, dunkelgrauen, gepunkteten Linien auf weißem Hintergrund. An jedem der neun Schnittpunkte liegt ein kleiner, hellgrauer Ring. In acht Ringen steht mittig der Text „Si“; im mittleren Ring steht „B“. Um jeden „Si“-Ring sind vier kleine blaue Punkte gleichmäßig bei 12, 3, 6 und 9 Uhr angeordnet. Beim „B“-Ring sind drei blaue Punkte bei 12, 6 und 9 Uhr zu sehen; an der 3‑Uhr-Position befindet sich stattdessen ein kleiner, orangefarbener, dünn umrandeter Kreis, der knapp außen am Ring liegt. Die gepunkteten Gitterlinien verlaufen durch die Ringe und setzen sich bis zum Bildrand fort. — Abbildung EAS-5.9.3: p-Dotierung mit Bor

AB105: Was versteht man unter Dotierung?

A: Das Einbringen von chemisch anderswertigen Fremdatomen in einen Halbleitergrundstoff, um freie Ladungsträger zur Verfügung zu stellen.

B: Das Entfernen von Atomen aus dem Halbleitergrundstoff, um die elektrische Leitfähigkeit zu senken.

C: Das Entfernen von Verunreinigungen aus einem Halbleitergrundstoff, um Elektronen zu generieren.

D: Das Einbringen von magnetischen Nord- oder Südpolen in einen Halbleitergrundstoff, um die Induktivität zu erhöhen.

AB106: N-leitendes Halbleitermaterial ist gekennzeichnet durch ...

A: einen Überschuss an beweglichen Elektronen.

B: ein Fehlen von Dotierungsatomen.

C: einen Überschuss an beweglichen Elektronenlöchern.

D: ein Fehlen von Atomen im Gitter des Halbleiterkristalls.

AB107: P-leitendes Halbleitermaterial ist gekennzeichnet durch ...

A: ein Fehlen von Dotierungsatomen.

B: einen Überschuss an beweglichen Elektronen.

C: einen Überschuss an beweglichen Elektronenlöchern.

D: ein Fehlen von Atomen im Gitter des Halbleiterkristalls.

Kombination

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Kurzfassung: Schematische Darstellung einer PN-Grenzschicht mit den Beschriftungen „P“, „Diffusion“ und „N“ sowie einem Diodensymbol darunter.

Detailbeschreibung: Ein horizontaler, von zwei Anschlussleitungen durchquerter Rechteckblock ist in drei Zonen geteilt: links ein rotes Feld mit der Beschriftung „P“ (oben) und sechs roten, leeren Kreisen; rechts ein blaues Feld mit der Beschriftung „N“ (oben) und sechs blauen, ausgefüllten Punkten; in der Mitte eine graue Sperrschicht mit einer dunklen, schmalen Doppellinie. Über der Mitte steht „Diffusion“. Innerhalb des Blocks zeigen ein roter waagerechter Pfeil nach rechts und ein blauer waagerechter Pfeil nach links. In der Sperrschicht sind ein blaues „−“ auf der linken Seite und ein rotes „+“ auf der rechten Seite zu sehen; darunter steht ein gelbes „E“ neben einem gelben Pfeil nach links. Unter dem Block ist das Diodensymbol dargestellt: ein nach rechts weisendes Dreieck vor einer senkrechten Linie. — Abbildung EAS-5.9.4: PN-Übergang

n-dotierter Halbleiter an p-dotieren Halbleiter
Elektronen aus dem n-dotieren Gebiet wandern in das p-dotierte Gebiet $\rightarrow$ Diffusion

Es entsteht eine Verarmungszone oder Sperrschicht
Über der Sperrschicht liegt ein elektrisches Feld
Austausch stoppt, sobald das elektrische Feld für die Elektronen zu stark ist

AB108: Das folgende Bild zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Halbleiterdiode. Wie entsteht die Sperrschicht?

A: An der Grenzschicht wandern Atome aus dem N-Teil in den P-Teil. Dadurch wird auf der N-Seite der Atommangel abgebaut, auf der P-Seite der Atommangel vergrößert. Es bildet sich auf beiden Seiten der Grenzfläche eine leitende Schicht.

B: An der Grenzschicht wandern Elektronen aus dem P-Teil in den N-Teil. Dadurch wird auf der P-Seite der Elektronenüberschuss teilweise abgebaut, auf der N-Seite der Elektronenmangel teilweise neutralisiert. Es bildet sich auf beiden Seiten der Grenzfläche eine isolierende Schicht.

C: An der Grenzschicht wandern Atome aus dem P-Teil in den N-Teil. Dadurch wird auf der P-Seite der Atommangel abgebaut, auf der N-Seite der Atommangel vergrößert. Es bildet sich auf beiden Seiten der Grenzfläche eine leitende Schicht.

D: An der Grenzschicht wandern Elektronen aus dem N-Teil in den P-Teil. Dadurch wird auf der N-Seite der Elektronenüberschuss teilweise abgebaut, auf der P-Seite der Elektronenmangel teilweise neutralisiert. Es bildet sich auf beiden Seiten der Grenzfläche eine isolierende Schicht.

pn-Diode in Durchlassrichtung

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Kurzfassung: Schematische Schaltung mit einem zweigeteilten, farbigen Rechteck oben beschriftet „P“ und „N“, einer Spannungsquelle unten und zwei Pfeilen mit den Texten „tech.“ und „phys.“ für Richtungen.

Detailbeschreibung: Ein rechteckiger, geschlossener Stromkreis ist mit einer dünnen schwarzen Linie gezeichnet. Im oberen horizontalen Zweig sitzt mittig ein breites Rechteck als Bauteil, links rötlich gefärbt und mit „P“ beschriftet, rechts hellblau gefärbt und mit „N“ beschriftet; die seitlichen Leitungen gehen jeweils an die linke und rechte Seite dieses Rechtecks. Im unteren horizontalen Zweig ist in der Mitte ein Batteriesymbol (zwei parallele, vertikale Linien) eingezeichnet. Über diesem Symbol steht „U“ mit einem nach rechts gerichteten Pfeil. Links unten am Leiter steht in roter Schrift „tech.“ mit einem nach links gerichteten Pfeil, rechts unten am Leiter steht in blauer Schrift „phys.“ mit einem nach rechts gerichteten Pfeil. Hintergrund weiß, Leitungen und Umrisse schwarz. — Abbildung EAS-5.9.5: PN-Übergang mit externer Spannung

Anlegen einer Spannung am p-Gebiet (Anode)
Spannung muss positiver als am n-Gebiet (Kathode) sein

Spannung zieht Elektronen über die Sperrschicht hinweg
Sperrschicht wird abgebaut und ein Strom fließt in Durchlassrichtung

AC402: Wie verhalten sich die Elektronen in einem in Durchlassrichtung betriebenen PN-Übergang?

A: Sie bleiben im N-Bereich.

B: Sie zerfallen beim Übergang.

C: Sie wandern von N nach P.

D: Sie wandern von P nach N.

pn-Diode im Sperrbetrieb

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Kurzfassung: Schematische Zeichnung eines rechteckigen Stromkreises mit einem oben eingesetzten Block, der mit „P“ und „N“ beschriftet ist, und einer unten eingezeichneten Spannungsquelle mit dem Hinweis „U“ und einem Pfeil nach links.

Detaillierte Beschreibung: Ein rechteckiger Leitungsrahmen bildet einen geschlossenen Stromkreis. Oben in der Mitte sitzt ein horizontaler, rechteckiger Block, der links mit „P“ und rechts mit „N“ beschriftet ist; in der Mitte verläuft eine senkrechte Trennlinie. Am linken Rand des Blocks ist ein schmaler, rötlicher Streifen, am rechten Rand ein schmaler, hellblauer Streifen; die Bereiche zwischen den farbigen Streifen und der Mittellinie sind grau. Der Block ist links und rechts mit den Leitungen des Rahmens verbunden. Unten in der Mitte liegt ein Batteriesymbol (zwei parallele vertikale Platten, links eine kürzere ausgefüllte, rechts eine längere Linie) im unteren Leiterzug. Über der Batterie steht „U“ mit einem nach links gerichteten Pfeil. Es sind keine Zahlenwerte oder Achsen angegeben. — Abbildung EAS-5.9.6: PN-Übergang mit externer Spannung

Positive Spannung an der Kathode

Sperrschicht vergrößert sich
Stromfluß stoppt und die Diode sperrt

AB109: Wie verhält sich die Verarmungszone in der hier dargestellten Halbleiterdiode?

A: Sie verschwindet.

B: Sie verengt sich.

C: Sie erweitert sich.

D: Sie verändert sich nicht.

Diode II

Durchlassrichtung

Elektronenfluss von N nach P
Technische Stromrichtung ist entgegengesetzt zur Richtung des Elektronenflusses

AC401: Ein in Durchlassrichtung betriebener PN-Übergang ermöglicht ...

A: keinen Stromfluss.

B: den Elektronenfluss von N nach P.

C: den Elektronenfluss von P nach N.

D: die Halbierung des Stromflusses.

Temperatur

Bei höherer Temperatur gibt es mehr freie Elektronen
Der Sättigungsstrom steigt mit steigender Temperatur
Aber die Beweglichkeit ändert sich
Dadurch sinkt die Durchlassspannung (mit ca. $\qty{-2}{\milli\volt\per\kelvin}$)

AC403: Wie verhält sich die Durchlassspannung einer Diode in Abhängigkeit von der Temperatur?

A: Die Spannung ist unabhängig von der Temperatur.

B: Die Spannung steigt bei steigender Temperatur.

C: Die Spannung oszilliert mit steigender Temperatur.

D: Die Spannung sinkt bei steigender Temperatur.

Kapazitätsdiode (Varicap)

Kapazitätsdiode nutzt die Kapazität über der Raumladungszone
Es darf kein Gleichstrom fließen
Wird in Sperrrichtung betrieben

Je negativer die Diodenspannung, umso mehr dehnt sich die Raumladungszone aus und umso geringer wird die Diodenkapazität.

AC404: Wie verhält sich die Kapazität einer Kapazitätsdiode (Varicap)?

A: Sie nimmt mit zunehmendem Durchlassstrom zu.

B: Sie nimmt mit abnehmender Sperrspannung zu.

C: Sie nimmt mit zunehmender Sperrspannung zu.

D: Sie nimmt mit abnehmendem Durchlassstrom zu.

Spannungsbegrenzung

Antiparallele Dioden
Begrenzung der Amplitude einer Wechselspannung
Silizium: ca. $\qty{0,6}{\volt}$ Schwellspannung
Germanium: ca. $\qty{0,3}{\volt}$ Schwellspannung
$\rightarrow$ Clipping

AC405: Das folgende Signal wird als $U_1$ an den Eingang der Schaltung mit Siliziumdioden gelegt. Wie sieht das zugehörige Ausgangssignal $U_2$ aus?

AC406: Das folgende Signal wird als $U_1$ an den Eingang der Schaltung mit Germaniumdioden gelegt. Wie sieht das zugehörige Ausgangssignal $U_2$ aus?

Fotodiode

Licht wird in der Raumladungszone absorbiert
Es entstehen Elektron-Loch-Paare
Elektronen bewegen sich zum p-Gebiet, Löcher zum n-Gebiet
Wird ein Verbraucher (mit negativer Spannung am p-Anschluss) angeschlossen, wirkt die Fotodiode als Stromquelle
Der Strom ist proportional zur Lichtintensität

AC407: Welches Bauteil kann durch Lichteinfall elektrischen Strom erzeugen?

A: Kapazitätsdiode

B: Fotowiderstand

C: Fotodiode

D: Blindwiderstand

Optokoppler

Zusammenschluss von Leuchtdiode und Fotodiode in einem Gehäuse
Eingangsseite: Leuchtdiode
Ausgangsseite: Fotodiode
Beide sind voneinander galvanisch getrennt

AC408: Die Hauptfunktion eines Optokopplers ist ...

A: die galvanische Entkopplung zweier Stromkreise durch Licht.

B: die Signalanzeige durch Licht.

C: die Erzeugung von hochfrequentem Wechselstrom durch Licht.

D: die Erzeugung von Gleichstrom durch Licht.

Transistor I

Von der Diode zum Transistor

Die Funktion kann man sich so vorstellen:

Mittels eines Steuerkanals wird der Durchfluss eines Wehrs geregelt
Fließt kein Wasser im Steuerkanal ist das Wehr geschlossen

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1. Kurzzusammenfassung: Isometrische Zeichnung eines länglichen, halbrund geöffneten Kanals mit einer drehbaren, halbkreisförmigen Platte an einer Querachse und einer rechteckigen, blau gefüllten Abdeckung auf der rechten Seite.

2. Detailbeschreibung: Das Bild zeigt einen langen, trogförmigen Körper mit halbkreisförmigem Querschnitt und nach außen gerollten oberen Rändern; die linke Hälfte ist weiß dargestellt, die rechte Hälfte ist oben durch eine rechteckige Fläche vollständig abgedeckt und flächig blau eingefärbt. Etwa im Übergang zwischen linker und rechter Bildhälfte verläuft eine horizontale Achse quer über den Trog, die an zwei kleinen blockartigen Lagern auf einem Bügel/Steg gelagert ist; oben auf der Achse sitzt ein kleiner zylindrischer Körper. An der Achse ist eine dünne Stange befestigt, die nach rechts unten führt und eine halbkreisförmige Platte hält, deren gekrümmter Rand der Innenkontur des Trogs folgt; der gerade Rand der Platte steht annähernd vertikal. Links der Achse sind zwei schmale, parallele Schienen oder Leisten sichtbar, die über den Trog führen. Die blaue rechteckige Fläche liegt rahmenartig auf den oberen Rändern des Trogs auf und deckt den rechten Teil vollständig ab. Es gibt keine Beschriftungen, Skalen oder Textangaben; Konturen sind schwarz, die Fläche rechts ist blau, der Rest ist weiß. — Abbildung EAS-5.11.1: Steuerkanal schließt Wehr komplett

Von der Diode zum Transistor

Die Funktion kann man sich so vorstellen:

Fließt etwas Wasser im Steuerkanal, öffnet das Wehr zur Hälfte

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1) Kurze Zusammenfassung: Isometrische Zeichnung eines offenen, halbrunden Kanals mit blau dargestelltem Wasser und einer quer montierten Mechanik mit löffelförmigem Bauteil im Wasser; links oben ein kleiner seitlicher Zulauf.

2) Detaillierte Beschreibung: Ein U‑förmiger, nach rechts verlaufender offener Kanal ist bis über die Hälfte mit Blau ausgefüllt; am linken Schnittende ist die Wasserfüllung dunkler schattiert. Die Kanalränder sind als nach außen gebördelte Kanten gezeichnet. Links oben mündet ein schmaler, rechteckiger Nebenkanal mit ebenfalls blauem Wasser auf den Hauptkanal zu. Auf der linken Kanalwand ist eine Halterung mit Band-/Schellenbefestigung montiert; darauf sitzen ein kleiner Zylinder sowie ein Gelenkblock, aus dem ein gerader Hebelarm über die Wasseroberfläche ragt. Am Ende des Hebelarms hängt ein löffel- bzw. schaufelförmiges Element, das in das Wasser eintaucht. Unter diesem Element sind zwei halbkreisförmige, nach oben gewölbte Einbauten im Kanalboden zu sehen. Es sind keine Achsen, Maße oder Textbeschriftungen vorhanden. — Abbildung EAS-5.11.2: Steuerkanal öffnet Wehr halb

Von der Diode zum Transistor

Die Funktion kann man sich so vorstellen:

Fließt mehr Wasser im Steuerkanal, ist das Wehr ganz geöffnet

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Kurz: Isometrische Zeichnung einer langen, halbrunden Rinne mit blau markierter Innenfläche und einer darüber an einem Gelenk befestigten, löffelförmigen Klappe.

Detail: Die Rinne verläuft diagonal von links unten nach rechts oben; am linken Ende ist der halbrunde Querschnitt sichtbar, innen dunkelblau schattiert, die restliche Innenfläche ist hellblau eingefärbt. Die oberen Kanten der Rinne sind nach außen eingerollt. Entlang der linken oberen Rinnenkante befindet sich eine querliegende Trägerleiste mit einer kleinen, rechteckigen Halterung und einem zylindrischen Lager. Daran ist ein dünner Arm befestigt, der eine weiße, tropfen- bis löffelförmige Klappe trägt; diese hängt über der blauen Innenfläche der Rinne und ist nahe der oberen Kante mit einem kleinen Gelenkpunkt verbunden. Auf der rechten Seite setzt sich die Rinne perspektivisch fort; es sind keine Skalen, Texte oder Beschriftungen zu sehen. — Abbildung EAS-5.11.3: Steuerkanal öffnet Wehr komplett

EC602: Ein Transistor ist ...

A: ein Laserbauelement.

B: ein Kaltleiterbauelement.

C: ein Nichtleiterbauelement.

D: ein Halbleiterbauelement.

EC608: Wie lauten die Bezeichnungen der Anschlüsse eines bipolaren Transistors?

A: Drain, Gate, Source

B: Emitter, Basis, Kollektor

C: Emitter, Drain, Source

D: Gate, Source, Kollektor

Bipolarer Transistor und Schaltbild

Merksatz für PNP $\rightarrow$ Pfeil Nach Platte

1) Kurzbeschreibung: Schaltzeichen mit einem Kreis, einem Anschluss links und zwei Anschlüssen rechts.

2) Ausführliche Beschreibung: Das Schaltzeichen besteht aus einem Kreis mit einer vertikalen Linie links im Kreis. Von links führt ein Anschluss horizontal in den Kreis und trifft auf diese vertikale Linie. Von dieser Linie gehen zwei Linien nach rechts. Die obere verläuft schräg nach rechts oben und endet an einem kurzen vertikalen Anschluss. Die untere verläuft schräg nach rechts unten. Sie hat am Ende einen ausgefüllten dreieckigen Pfeil, dessen Spitze zu einem kurzen vertikalen Anschluss zeigt. Es gibt keine Text- oder Achsbeschriftungen. — Abbildung EAS-5.11.4: Schaltbild NPN-Transistor

EC607: Bei diesem Bauelement handelt es sich um einen

A: P-Kanal-FET.

B: PNP-Transistor.

C: N-Kanal-FET.

D: NPN-Transistor.

EC606: Bei diesem Bauelement handelt es sich um einen

A: PNP-Transistor.

B: N-Kanal-FET.

C: NPN-Transistor.

D: P-Kanal-FET.

EC605: Welches Schaltzeichen stellt einen bipolaren Transistor dar?

EC609: Wie bezeichnet man die Anschlüsse des abgebildeten Transistors?

A: 1 = Kollektor, 2 = Emitter, 3 = Basis

B: 1 = Emitter, 2 = Basis, 3 = Kollektor

C: 1 = Basis, 2 = Emitter, 3 = Kollektor

D: 1 = Kollektor, 2 = Basis, 3 = Emitter

Schalter oder Verstärker?

Die Ansteuerung kann so eingestellt werden, dass der Transistor sperrt oder voll durchsteuert, dann spricht man von einem Schalttransistor.
Die Ansteuerung kann so eingestellt werden, dass der Transistor stufenlos gesteuert wird, dann spricht man von einem Verstärker.

EC601: Welches Bauteil kann als Schalter, Verstärker oder Widerstand eingesetzt werden?

A: Kondensator

B: Transistor

C: Transformator

D: Diode

EC603: Was versteht man unter Stromverstärkung beim Transistor?

A: Mit einem geringen Basisstrom wird ein großer Kollektorstrom gesteuert.

B: Mit einem geringen Emitterstrom wird ein großer Kollektorstrom gesteuert.

C: Mit einem geringen Emitterstrom wird ein großer Basisstrom gesteuert.

D: Mit einem geringen Kollektorstrom wird ein großer Emitterstrom gesteuert.

Ansteuerspannung und deren Polarität

Je Art des bipolaren Transistor hat man verschiedene Polaritäten.

Bei einem NPN-Transistor benötigt man zum Durchschalten eine positive Steuerspannung.
Bei einem PNP-Transistor benötigt man zum Durchschalten eine negative Steuerspannung.

Die Steuerspannung liegt wie bei einer Siliziumdiode bei etwa $\qty{0,6}{\volt}$.

EC610: Wie groß muss die Spannung $U_{BE}$ in etwa sein, sodass sich der Transistor im leitenden Betriebszustand befindet?

A: 0,6 V oder -0,6 V

B: -0,6 V

C: 0 V

D: 0,6 V

Da neben dem Kollektorstrom auch der Basisstrom durch den Transistor fließt, fließt durch den Emitteranschluss der größte Strom.

EC611: Durch welchen Transistoranschluss fliesst im leitenden Zustand der größte Strom?

A: Kollektor

B: Basis

C: Gehäuse

D: Emitter

Wann schaltet der NPN Transistor durch?

Ist die Basis-Emitter-Spannung ausreichend und liegt sie im positiven Potential vor? Hier muss man auf die Vorzeichen achten und bei negativen Vorzeichen umdenken, Beispiele:

Basis $\qty{+2}{\volt}$ und Emitter $\qty{+1,4}{\volt} \rightarrow$ Die Basis-Emitter-Spannung ist positiv und beträgt $\qty{+0,6}{\volt}$
Basis $\qty{-5,6}{\volt}$ und Emitter $\qty{-6,2}{\volt} \rightarrow$ Die Basis-Emitter-Spannung ist positiv und beträgt $\qty{+0,6}{\volt}$

Entweder erkennt man das intuitiv oder man rechnet es (unter Beachtung der Vorzeichen) aus.

$$U_{ BE } = U_{ B } - U_{ E }$$

EC612: In einer Schaltung wurden die Spannungen der Transistoranschlüsse gegenüber Massepotential gemessen. Bei welchem der folgenden Transistoren fließt Kollektorstrom?

EC613: In einer Schaltung wurden die Spannungen der Transistoranschlüsse gegenüber Massepotential gemessen. Bei welchem der folgenden Transistoren fließt Kollektorstrom?

Wann schaltet der PNP Transistor durch?

Ist die Basis-Emitter-Spannung ausreichend und liegt sie im negativen Potential vor? Hier muss man auf die Vorzeichen achten und bei negativen Vorzeichen umdenken, Beispiele:

Basis $\qty{+5,6}{\volt}$ und Emitter $\qty{+6,2}{\volt} \rightarrow$ Die Basis-Emitter-Spannung ist negativ und beträgt $\qty{-0,6}{\volt}$
Basis $\qty{-2}{\volt}$ und Emitter $\qty{-1,4}{\volt} \rightarrow$ Die Basis-Emitter-Spannung ist negativ und beträgt $\qty{-0,6}{\volt}$

Entweder erkennt man das intuitiv oder man rechnet es (unter Beachtung der Vorzeichen) aus.

$$U_{ BE } = U_{ B } - U_{ E }$$

EC614: In einer Schaltung wurden die Spannungen der Transistoranschlüsse gegenüber Massepotential gemessen. Bei welchem der folgenden Transistoren fließt Kollektorstrom?

EC615: In einer Schaltung wurden die Spannungen der Transistoranschlüsse gegenüber Massepotential gemessen. Bei welchem der folgenden Transistoren fließt Kollektorstrom?

Typen von Transistoren

Die bisher behandelten Transistoren nennt man Bipolare Transistoren. Sie sind die Art der Transistoren, die in den 50er Jahren eine technische Revolution einläuteten und die Elektronenröhre ablösten. Im Gegensatz zu den stromgesteuerten Bipolartransistoren sind Feldeffekttransistoren (FET) spannungsgesteuert, es fließt also kein Steuerstrom in ihn hinein. Mit diesen werden wir uns im Klasse A Kurs intensiver auseinandersetzen.

EC604: Welche Transistortypen sind bipolare Transistoren?

A: Isolierschicht-FETs

B: NPN- und PNP-Transistoren

C: Dual-Gate-MOS-FETs

D: Sperrschicht-FETs

Transistor II

Bipolarer Transistor

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Kurzfassung: Zwei nebeneinander stehende Transistorsymbole im Kreis, links mit der Beschriftung „NPN“, rechts „PNP“, jeweils mit den Anschlussbuchstaben „B“, „C“ und „E“.

Detailbeschreibung: Auf weißem Hintergrund sind zwei identische Kreis-Symbole mit Transistordarstellungen gezeigt, links das Symbol mit der darunter stehenden Beschriftung „NPN“, rechts das Symbol mit „PNP“. Bei beiden Symbolen ist links am Kreis ein horizontaler Anschluss mit der Buchstabenbeschriftung „B“, oben ein kurzer senkrechter Anschluss mit „C“ und unten ein kurzer senkrechter Anschluss mit „E“ (die Buchstaben „B“, „C“ und „E“ sind hellgrau dargestellt). Im Inneren beider Kreise verläuft eine kurze senkrechte Linie vom linken Rand (Basis) nach innen; von dieser Linie zweigt oben eine schräge Leitung zum oberen Anschluss (Kollektor) ab und unten eine schräge Leitung zum unteren Anschluss (Emitter). Beim linken Symbol („NPN“) befindet sich am unteren schrägen Zweig ein Pfeil, der vom inneren Knoten in Richtung des unteren Anschlusses „E“ zeigt (nach außen). Beim rechten Symbol („PNP“) zeigt der Pfeil am unteren schrägen Zweig in die entgegengesetzte Richtung, also vom unteren Anschluss „E“ zum inneren Knoten (nach innen). Zwischen den beiden Symbolen ist ein deutlicher horizontaler Abstand. — Abbildung EAS-5.12.1: Schaltbild eines npn- und pnp-Bipolartransistors mit Kollektor (C), Basis (B) und Emitter (E)

Drei Halbleiterzonen
Abwechselnd n- und p-dotiert
npn-Transistor und pnp-Transistor

AC503: Mit welchem Anschluss ist der p-dotierte Bereich eines NPN-Transistors verbunden?

A: Gehäuse

B: Emitter

C: Kollektor

D: Basis

AC504: Mit welchem Anschluss ist der n-dotierte Bereich eines PNP-Transistors verbunden?

A: Basis

B: Kollektor

C: Gehäuse

D: Emitter

Stromsteuerung und Faktor

Basis-Emitter-Spannung $U_{\textrm{BE}}$ steuert Kollektorstrom $I_{\textrm{C}}$ exponentiell
Beim Bipolartransistor fließt immer ein exponentiell von $U_{\textrm{BE}}$ abhängiger Basisstrom $I_{\textrm{B}}$
Faktor $B$ ist der Stromverstärkungsfaktor des Transistors
Liegt bei ca. 20 bis 500

$$B = \frac{I_{\textrm{C}}}{I_{\textrm{B}}}$$

AC501: Ein bipolarer Transistor ist ...

A: spannungsgesteuert.

B: thermisch gesteuert.

C: stromgesteuert.

D: feldgesteuert.

Leitender Bipolartransistor

Signifikanter Kollektorstrom fließt
Basis-Emitter-Diode in Durchlassrichtung
Kollektor-Basis-Diode sperrt, damit keine Ladungsträger aus dem Kollektor in die Basis gelangen

AC505: Bei einem bipolaren Transistor in leitendem Zustand befindet sich der Basis-Emitter-PN-Übergang ...

A: in Sperrrichtung.

B: im Leerlauf.

C: in Durchlassrichtung.

D: im Kurzschluss.

AC515: Die Betriebsspannung beträgt 12 V, der Kollektorstrom soll 5 mA betragen, die Gleichstromverstärkung des Transistors beträgt 298. Berechnen Sie den Vorwiderstand $R_1$.

A: ca. 68 kOhm

B: ca. 2,3 kOhm

C: ca. 680 kOhm

D: ca. 715 kOhm

Lösungsweg

Die Größe von $R_1$ stellt den Basisstrom $I_B$ ein
$I_B$ ist um 298 kleiner als $I_C$
Für die Spannung an $R_1$ muss der Transistorverlust abgezogen werden

gegeben: $U = \qty{12}{\volt}$
gegeben: $I_{\textrm{C}} = \qty{5}{\milli\ampere}$
gegeben: $B = 298$
gegeben: $U_{\textrm{BE}} = \qty{0,6}{\volt}$
gesucht: $R_1$

$$B = \frac{I_{\textrm{C}}}{I_{\textrm{B}}} \Rightarrow I_{\textrm{B}} = \frac{I_{\textrm{C}}}{B} = \frac{\qty{5}{\milli\ampere}}{298} = \qty{16,779}{\micro\ampere}$$

$$R_1 = \frac{U-U_{\textrm{BE}}}{I_{\textrm{B}}} = \frac{\qty{12}{\volt} - \qty{0,6}{\volt}}{\qty{16,779}{\micro\ampere}} \approx \qty{680}{\kilo\ohm}$$

AC518: Die Betriebsspannung beträgt 10 V, der Kollektorstrom soll 2 mA betragen, die Gleichstromverstärkung des Transistors beträgt 200. Durch den Querwiderstand $R_2$ soll der zehnfache Basisstrom fließen. Berechnen Sie den Vorwiderstand $R_1$.

A: ca. 76,4 kOhm

B: ca. 85,5 kOhm

C: ca. 540 kOhm

D: ca. 940 kOhm

Arbeitspunktstabilisation

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Schaltplan mit einem Transistor in der Mitte, markiert mit einem Pfeil für den Strom IC. Links davon befinden sich zwei vertikale Widerstände, R1 und R2, sowie ein horizontaler Kondensator C1. Rechts oben vom Transistor ist ein weiterer Widerstand RC und rechts daneben ein Kondensator C2. Eine Spannungsquelle ist oben links eingezeichnet und zeigt positive und negative Anschlüsse. Ein Pfeil zeigt 0,6 V an einem Punkt zwischen R2 und dem Transistor. — Abbildung EAS-5.12.2: Transistorschaltung mit Basisspannungsteiler

Arbeitspunkt wird über den Spannungsteiler eingestellt
Querstrom durch $R_2$ soll so hoch sein, damit der Basisstrom keinen großen Einfluss auf den Arbeitspunkt hat

AC516: Warum soll bei dem gezeigten Basisspannungsteiler der Strom durch $R_2$ etwa 10-mal größer als der Basisstrom sein?

A: Damit $R_2$ eine Spannungsgegenkopplung bewirkt

B: Damit sich der Basisstrom bei Erwärmung nicht ändert.

C: Damit $R_2$ eine Stromgegenkopplung bewirkt.

D: Damit der Arbeitspunkt stabil bleibt.

Lösungsweg

gegeben: $U = \qty{10}{\volt}$
gegeben: $I_{\textrm{C}} = \qty{2}{\milli\ampere}$
gegeben: $B = 200$

gegeben: $U_{\textrm{R2}} = \qty{0,6}{\volt}$
gegeben: $I_{\textrm{R2}} = 10 \cdot I_{\textrm{B}}$
gesucht: $R_1$

$$B = \frac{I_{\textrm{C}}}{I_{\textrm{B}}} \Rightarrow I_{\textrm{B}} = \frac{I_{\textrm{C}}}{B} = \frac{\qty{2}{\milli\ampere}}{200} = \qty{10}{\micro\ampere}$$

$$U_{\textrm{R1}} = U - U_{\textrm{R2}} = \qty{10}{\volt} - \qty{0,6}{\volt} = \qty{9,4}{\volt}$$

$$I_{\textrm{R1}} = I_{\textrm{B}} + I_{\textrm{R2}} = I_{\textrm{B}} + 10 \cdot I_{\textrm{B}} = \qty{110}{\micro\ampere}$$

$$R_1 = \frac{U_{\textrm{R1}}}{I_{\textrm{R1}}} = \frac{\qty{9,4}{\volt}}{\qty{110}{\micro\ampere}} \approx \qty{85,5}{\kilo\ohm}$$

AC517: Die Betriebsspannung beträgt 10 V, der Kollektorstrom soll 2 mA betragen, die Gleichstromverstärkung des Transistors beträgt 200. Durch den Querwiderstand $R_2$ soll der zehnfache Basisstrom fließen. Am Emitterwiderstand soll 1 V abfallen. Berechnen Sie den Vorwiderstand $R_1$.

A: ca. 540 kOhm

B: ca. 940 kOhm

C: ca. 85,5 kOhm

D: ca. 76,4 kOhm

Lösungsweg

$U_{\textrm{R2}}$ ist gleich groß wie $U_{\textrm{BE}} + U_{\textrm{RE}}$
Kollektorstrom wird vor allem durch $R_{\textrm{E}}$ festgelegt
Sehr stabile Schaltung

gegeben: $U = \qty{10}{\volt}$
gegeben: $I_{\textrm{C}} = \qty{2}{\milli\ampere}$
gegeben: $B = 200$

gegeben: $U_{\textrm{BE}} = \qty{0,6}{\volt}$
gegeben: $U_{\textrm{RE}} = \qty{1}{\volt}$
gegeben: $I_{\textrm{R2}} = 10 \cdot I_{\textrm{B}}$

gesucht: $R_1$

$$B = \frac{I_{\textrm{C}}}{I_{\textrm{B}}} \Rightarrow I_{\textrm{B}} = \frac{I_{\textrm{C}}}{B} = \frac{\qty{2}{\milli\ampere}}{200} = \qty{10}{\micro\ampere}$$

$$U_{\textrm{R2}} = U_{\textrm{BE}} + U_{R_{\textrm{E}}} = \qty{0,6}{\volt} + \qty{1}{\volt} = \qty{1,6}{\volt}$$

$$U_{\textrm{R1}} = U - U_{\textrm{R2}} = \qty{10}{\volt} - \qty{1,6}{\volt} = \qty{8,4}{\volt}$$

$$I_{\textrm{R1}} = I_{\textrm{B}} + I_{\textrm{R2}} = I_{\textrm{B}} + 10 \cdot I_{\textrm{B}} = \qty{110}{\micro\ampere}$$

$$R_1 = \frac{U_{\textrm{R1}}}{I_{\textrm{R1}}} = \frac{\qty{8,4}{\volt}}{\qty{110}{\micro\ampere}} \approx \qty{76,4}{\kilo\ohm}$$

AC519: Was passiert, wenn der Widerstand $R_1$ durch eine fehlerhafte Lötstelle an einer Seite keinen Kontakt mehr zur Schaltung hat? Welche Beschreibung trifft zu?

A: Der Kollektorstrom wird nur durch $R_{\textrm{C}}$ begrenzt. Die Kollektorspannung sinkt auf zirka 0,1 V.

B: Der Kollektorstrom steigt stark an. Die Kollektorspannung erhöht sich.

C: Es fließt Kurzschlussstrom. Der Transistor wird zerstört.

D: Es fließt kein Kollektorstrom mehr. Die Kollektorspannung steigt auf die Betriebsspannung an.

Lösungsweg

Kein Strom durch $R_1 \rightarrow$ keine Spannung über $R_2$
Basis liegt auf Massepotential $\rightarrow$ Transistor ist stromlos
Kein Spannungsabfall an $R_{\textrm{C}} \rightarrow$ Kollektorpotential steigt auf Betriebsspannung

AC520: Was passiert, wenn der Widerstand $R_2$ durch eine fehlerhafte Lötstelle an einer Seite keinen Kontakt mehr zur Schaltung hat? In welcher Antwort sind beide Aussagen richtig?

A: Es fließt Kurzschlussstrom. Der Transistor wird zerstört.

B: Der Kollektorstrom wird nur durch $R_{\textrm{C}}$ begrenzt. Die Kollektorspannung sinkt auf zirka 0,1 V.

C: Es fließt kein Kollektorstrom mehr. Die Kollektorspannung steigt auf die Betriebsspannung an.

D: Der Kollektorstrom steigt stark an. Die Kollektorspannung erhöht sich.

Lösungsweg

$R_2$ ist stromlos $\rightarrow$ Basis ist über $R_1$ ist mit der Betriebsspannung verbunden
Aufgrund der Dimensionierung ist der Basisstrom nun 11-fach höher als geplant
Kollektorstrom wird stark ansteigen $\rightarrow$ Spannungsabfall an $R_{\textrm{C}}$ steigt stark
$U_{\textrm{CE}}$ sinkt auf den Sättigungswert von ca. $\qty{0,1}{\volt}$

Feldeffekttransistor (FET)

1) Kurzbeschreibung: Zwei Schaltzeichen („1“ und „2“), jeweils mit einem Kreis, einem Anschluss links und zwei Anschlüssen rechts; linker Anschluss beim linken Schaltzeichen mit Pfeil nach rechts, beim rechten Schaltzeichen mit Pfeil nach links.

2) Ausführliche Beschreibung: Zwei Schaltzeichen /“1“ und „2“) bestehen aus einem Kreis mit einer vertikalen Linie links im Kreis. Von links führt ein Anschluss horizontal in den Kreis und trifft im unteren Bereich auf diese vertikale Linie. Im linken Schaltzeichen besitzt dieser Anschluss einen Pfeil in Richtung auf die Linie, im rechten Schaltzeichen zeigt der Pfeil von der Linie weg. Von der vertikalen Linie gehen im Kreis zwei parallele horizontale Linien nach rechts. Die obere endet an einem kurzen vertikalen Anschluss nach oben, die untere an einem kurzen vertikalen Anschluss nach unten. — Abbildung EAS-5.12.3: Schaltbilder für Feldeffekttransistoren

Anderer Aufbau
Es besteht ein Halbleiterkanal
Der Stromfluss wird über ein elektrisches Feld gesteuert
Dadurch spannungsgesteuert

AC502: Ein Feldeffekttransistor ist ...

A: leistungsgesteuert.

B: stromgesteuert.

C: optisch gesteuert.

D: spannungsgesteuert.

AC506: Welches Bauteil wird durch das Schaltzeichen symbolisiert?

A: Bipolartransistor

B: Lautsprecher

C: Diode

D: Feldeffekttransistor

Anschlüsse des FET

Source Quelle für die Ladungsträger im Kanal
Drain Abfluss der Ladungsträger im Kanal
Gate steuert den Fluss der Ladungsträger im Kanal

AC513: Wie bezeichnet man die Anschlüsse des abgebildeten Transistors?

A: 1: Drain, 2: Source, 3: Gate

B: 1: Anode, 2: Kollektor, 3: Gate

C: 1: Kollektor, 2: Emitter, 3: Basis

D: 1: Anode, 2: Kathode, 3: Gate

AC512: Wie lauten die Bezeichnungen der Anschlüsse eines Feldeffekttransistors?

A: Drain, Gate, Source

B: Emitter, Basis, Kollektor

C: Gate, Source, Kollektor

D: Emitter, Drain, Source

AC514: Wie erfolgt die Steuerung des Stroms im Feldeffekttransistor (FET)?

A: Der Gatestrom steuert den Widerstand des Kanals zwischen Source und Drain.

B: Die Gate-Source-Spannung steuert den Widerstand des Kanals zwischen Source und Drain.

C: Der Gatestrom steuert den Drainstrom.

D: Die Gate-Source-Spannung steuert den Gatestrom.

Bauarten FET

selbstleitend: Ohne Gate-Source-Spannung ist der FET leitend
selbstsperrend: Ohne Gate-Source-Spannung ist der FET sperrend
n-Kanal-FET: Strom im Kanal wird von Elektronen getragen
p-Kanal-FET: Strom im Kanal wird von Löchern getragen
Sperrschicht-FET: Gate ist eine Diode
Isolierschicht-FET: Gate ist eine Kondensator-Struktur (z. B. MOSFET)

Schaltzeichen FET

1) Kurzbeschreibung: Schaltzeichen mit einem Kreis, einem Anschluss links und zwei Anschlüssen rechts sowie einem Pfeil nach rechts.

2) Ausführliche Beschreibung: Das Schaltzeichen besteht aus einem Kreis mit einer vertikalen Linie links im Kreis. Von links führt ein Anschluss von außen horizontal in den Kreis und trifft im unteren Bereich auf diese vertikale Linie. Parallel zu dieser Linie gibt es eine weitere vertikale Linie, von der drei parallele horizontale Linien nach rechts führen. Die obere endet an einem kurzen vertikalen Anschluss nach oben, die mittlere weist einen Pfeil nach rechts von der vertikalen Linie weg auf und ist im Kreis mit der unteren horizontalen Linie verbunden. Die untere horizontale Linie hat einen kurzen vertikalen Anschluss nach unten. — Abbildung EAS-5.12.4: Selbstleitender p-Kanal MOSFET

1) Kurzbeschreibung: Schaltzeichen mit einem Kreis, einem Anschluss links und zwei Anschlüssen rechts sowie einem Pfeil zur Mitte.

2) Ausführliche Beschreibung: Das Schaltzeichen besteht aus einem Kreis mit einer vertikalen Linie links im Kreis. Von links führt ein Anschluss von außen horizontal in den Kreis und trifft im unteren Bereich auf diese vertikale Linie. Parallel zu dieser Linie gibt es drei kleine vertikale Striche, von denen jeweils eine parallele horizontale Linie nach rechts führt. Die obere endet an einem kurzen vertikalen Anschluss nach oben, die mittlere weist einen Pfeil nach links zur vertikalen Linie auf und ist im Kreis mit der unteren horizontalen Linie verbunden. Die untere horizontale Linie hat einen kurzen vertikalen Anschluss nach unten. — Abbildung EAS-5.12.5: Selbstsperrender n-Kanal MOSFET

selbstleitend/selbstsperrend: Gate durchgehend/gestrichelt
p-/n-Kanal: Pfeil zeigt weg vom/hin zum Kanal
Isolierschicht (MOSFET): Gate und Kanal als Kondensator

AC507: Welche Bezeichnungen für die Bauelemente sind richtig?

A: 1: Selbstleitender P-Kanal-Sperrschicht-FET 2: Selbstleitender N-Kanal-Sperrschicht-FET

B: 1: Selbstsperrender P-Kanal-Sperrschicht-FET 2: Selbstsperrender N-Kanal-Sperrschicht-FET

C: 1: Selbstleitender N-Kanal-Sperrschicht-FET 2: Selbstleitender P-Kanal-Sperrschicht-FET

D: 1: Selbstsperrender N-Kanal-Sperrschicht-FET 2: Selbstsperrender P-Kanal-Sperrschicht-FET

AC508: Der folgende Transistor ist ein ...

A: Selbstleitender N-Kanal-Isolierschicht-FET (MOSFET).

B: Selbstsperrender P-Kanal-Isolierschicht-FET (MOSFET).

C: Selbstsperrender N-Kanal-Isolierschicht-FET (MOSFET).

D: Selbstleitender P-Kanal-Isolierschicht-FET (MOSFET).

AC509: Welcher der folgenden Transistoren ist ein selbstsperrender N-Kanal-MOSFET?

AC510: Welcher der folgenden Transistoren ist ein selbstleitender N-Kanal-MOSFET?

AC511: Welcher der folgenden Transistoren ist ein selbstleitender P-Kanal-MOSFET?

AC521: Wie groß ist die Gate-Source-Spannung in der gezeichneten Schaltung? $U_{\textrm{B}} = 44 V$; $R_1 = 10 k\Omega$; $R_2 = 1 k\Omega$; $R_3 = 2,2 k\Omega$ ...

A: 0,7 V

B: 8 V

C: 4 V

D: 4,4 V

Lösungsweg

gegeben: $U_{\textrm{B}} = \qty{44}{\volt}$
gegeben: $R_1 = \qty{10}{\kilo\ohm}$
gegeben: $R_2 = \qty{1}{\kilo\ohm}$
gegeben: $R_3 = \qty{2,2}{\kilo\ohm}$
gesucht: $U_{\textrm{GS}}$
Ansatz: Unbelasteter Spannungsteiler über $R_1$ und $R_2$, mit $U_{\textrm{GS}} = U_{\textrm{R2}}$

$$\begin{split} \frac{U_{\textrm{R2}}}{U_{\textrm{B}}} &= \frac{R_2}{R_1+R_2}\\ \Rightarrow U_{\textrm{R2}} &= \frac{R_2}{R_1+R_2} \cdot U_{\textrm{B}}\\ &= \frac{\qty{1}{\kilo\ohm}}{\qty{10}{\kilo\ohm}+\qty{1}{\kilo\ohm}} \cdot \qty{44}{\volt}\\ &= \frac{1}{11} \cdot \qty{44}{\volt} = \qty{4}{\volt} \end{split}$$

AC522: Wie groß muss $R_2$ gewählt werden, damit sich eine Spannung von 2,8 V zwischen Gate und Source einstellt? $U_{\textrm{B}}$=44 V; $R_1$=10 kOhm; $R_3$=2,2 kOhm ...

A: ca. 1405 Ohm

B: ca. 820 Ohm

C: ca. 68 Ohm

D: ca. 680 Ohm

Lösungsweg

gegeben: $U_{\textrm{B}} = \qty{44}{\volt}$
gegeben: $R_1 = \qty{10}{\kilo\ohm}$
gegeben: $R_3 = \qty{2,2}{\kilo\ohm}$
gegeben: $U_{\textrm{GS}} = U_{\textrm{R2}} = \qty{2,8}{\volt}$
gegeben: $U_{\textrm{B}} = U_{\textrm{R1}} + U_{\textrm{R2}}$
gesucht: $R_2$

$$\begin{split} \frac{U_{\textrm{R1}}}{U_{\textrm{R2}}} &= \frac{R_1}{R_2}\\ \Rightarrow R_2 &= R_1 \cdot \frac{U_{\textrm{R2}}}{U_{\textrm{R1}}}\\ &= R_1 \cdot \frac{U_{\textrm{R2}}}{U_{\textrm{B}}-U_{\textrm{GS}}}\\ &= \qty{10}{\kilo\ohm} \cdot \frac{\qty{2,8}{\volt}}{\qty{44}{\volt}-\qty{2,8}{\volt}}\\ &\approx \qty{680}{\ohm} \end{split}$$

AC523: Welche Verlustleistung erzeugt ein Power-MOS-FET mit $R_{\textrm{DSon}}$ = 4 \mOhm bei einem Strom von 25 A?

A: 6,25 W

B: 2,5 W

C: 1 W

D: 0,1 W

Lösungsweg

gegeben: $R_{\textrm{DSon}} = \qty{4}{\milli\ohm}$
gegeben: $I = \qty{25}{\ampere}$
gesucht: $P$

$$P = I^2 \cdot R = (\qty{25}{\ampere})^2 \cdot \qty{4}{\milli\ohm} = \qty{2,5}{\watt}$$

Freilaufdiode

Relais wird über einen in Serie geschalteten Bipolartransistor betrieben
Transistor schaltet ein $\rightarrow$ Strom fließt durch die Relaisspule
Transistor schaltet ab $\rightarrow$ Strom in der Spule induziert negative Spannung am Transistor
Kann zur Zerstörung des Transistors führen
Verhindern: Freilaufdiode parallel zum Relais in Sperrichtung verbauen
Induktionsspannung wird auf Diodenspannung begrenzt

AC524: In welcher der folgenden Schaltungen ist die Freilaufdiode richtig eingesetzt?

Integrierte Schaltkreise

Integrated Circuit (IC): Integrierte Schaltungen
Komplexe Schaltung auf einem Halbleitersubstrat
Erleichtern den Aufbau von elektronischen Schaltungen

AC601: Eine integrierte Schaltung ist ...

A: eine aus einzelnen Bauteilen aufgebaute vergossene Schaltung.

B: die Zusammenschaltung einzelner Baugruppen zu einem elektronischen Gerät.

C: eine miniaturisierte, aus SMD-Bauteilen aufgebaute Schaltung.

D: eine komplexe Schaltung auf einem Halbleitersubstrat.

Monolithic Microwave Integrated Circuit (MMIC)

Breitbandiger Verstärker mit wenigen Bauteilen
Typischerweise $\qty{50}{\ohm}$ Ein- und Ausgangsimpedanz
Vereint aktive und passive Bauelemente

AC602: Welche Bauteile sind in einem Monolithic Microwave Integrated Circuit (MMIC) enthalten?

A: Ein MMIC enthält nur passive Bauteile auf einem Halbleiter-Substrat.

B: Ein MMIC enthält alle aktiven und passiven Bauteile auf einem Halbleiter-Substrat.

C: Ein MMIC enthält alle aktiven und passiven Bauteile auf einer Leiterplatte.

D: Ein MMIC enthält nur aktive Bauteile auf einem Halbleiter-Substrat.

AC603: Welchen Vorteil hat ein Monolithic Microwave Integrated Circuit (MMIC) gegenüber einem diskreten Transistorverstärker?

A: Ein MMIC bietet einen hohen Eingangswiderstand und einen niedrigen Ausgangswiderstand.

B: Ein MMIC bietet breitbandig eine hohe Verstärkung mit weniger Bauteilen.

C: Ein MMIC bietet schmalbandig eine hohe Verstärkung in einem Bauteil.

D: Ein MMIC bietet einstellbare Eingangs- und Ausgangsimpedanz.

AC604: Was ist typisch für einen Monolithic Microwave Integrated Circuit (MMIC)?

A: Der Verstärkungsbereich ist schmalbandig.

B: Sie sind nur im Mikrowellenbereich einsetzbar.

C: Ein- und Ausgangsimpedanz entsprechen üblichen Leitungsimpedanzen (z. B. 50 Ohm).

D: Die Verstärkung ist bereits ab 0 Hz konstant.

MMIC Beschaltung

1) Kurzbeschreibung: Schaltplan in rechteckiger Leitungsführung mit einem MMIC, mehreren Kondensatoren, einer Spule und einem Widerstand.

2) Ausführliche Beschreibung: Der Schaltplan enthält einen rechteckigen Schaltkreis mit zwei horizontalen Leitern (in der Mitte und oben). Der mittlere besitzt Anschlusspunkte links („RF_IN“) und rechts („RF_OUT“). Der linke Anschlusspunkt ist über einen Kondensator C_1 mit dem Eingang 1 eines MMIC verbunden. Ausgang 2 liegt an Masse. Ausgang 3 führt über einen Kondensator C_3 zum rechten Anschlusspunkt. Ausgang 4 ist mit einem Verzweigungspunkt verbunden, der einerseits an Masse liegt und andererseits über einen Kondensator C_2 und eine Spule zu einem Anschlusspunkt („U_CC“) führt. Zwischen dem rechten Ende von C_2 und Ausgang 3 des MMIC liegt ein Widerstand R_BIAS. In der Abbildung ist ein weiterer Massepunkt eingezeichnet. Zwischen dem Ausgang 3 und diesem Massepunkt gibt es einen vertikalen Pfeil nach unten mit der Beschriftung „U_D = 4 V“. — Abbildung EAS-5.13.1: MMIC-Schaltung

Arbeitspunkt wird über $R_{\textrm{BIAS}}$ eingestellt
Kondensatoren isolieren Gleichspannung
Anschluss 2 und 4 liegen auf Masse gegenüber $U_{\textrm{CC}}$
Anschluss 1 ist offen
$U_{\textrm{CC}}$ fällt über $R_{\textrm{BIAS}}$ und MMIC ab

AF425: Der optimale Arbeitspunkt des dargestellten MMIC ist mit 4 V und 10 mA angegeben. Die Betriebsspannung beträgt 13,5 V. Berechnen Sie den Vorwiderstand ($R_\text{BIAS}$).

A: 95 Ohm

B: 950 Ohm

C: 1350 Ohm

D: 400 Ohm

Lösungsweg

gegeben: $U_{\textrm{D}} = \qty{4}{\volt}$
gegeben: $U_{\textrm{CC}} = \qty{13,5}{\volt}$
gegeben: $I_{\textrm{D}} = \qty{10}{\milli\ampere}$
gesucht: $R_{\textrm{BIAS}}$

$$R_{\textrm{BIAS}} = \frac{U_{\textrm{CC}} - U_{\textrm{D}}}{I_{\textrm{D}}} = \frac{\qty{13,5}{\volt} - \qty{4}{\volt}}{\qty{10}{\milli\ampere}} = \qty{950}{\ohm}$$

AF426: Berechnen Sie $R_\text{BIAS}$ für die dargestellte MMIC-Schaltung und wählen Sie den nächsten Normwert. $U_\text{CC}$ = 13,8 V; $U_\text{D}$ = 4 V; $I_\text{D}$ = 15 mA

A: 560 Ohm

B: 270 Ohm

C: 680 Ohm

D: 820 Ohm

Lösungsweg

gegeben: $U_{\textrm{D}} = \qty{4}{\volt}$
gegeben: $U_{\textrm{CC}} = \qty{13,8}{\volt}$
gegeben: $I_{\textrm{D}} = \qty{15}{\milli\ampere}$
gesucht: $R_{\textrm{BIAS}}$

$$R_{\textrm{BIAS}} = \frac{U_{\textrm{CC}} - U_{\textrm{D}}}{I_{\textrm{D}}} = \frac{\qty{13,8}{\volt} - \qty{4}{\volt}}{\qty{15}{\milli\ampere}} = \qty{653,3}{\ohm} \rightarrow \qty{680}{\ohm}$$

AF427: Wieviel Wärmeleistung wird im MMIC in Wärme umgesetzt, wenn die Betriebsspannung 9 V beträgt und $R_\text{BIAS}$ einen Wert von 470 Ohm hat?

A: 90 mW

B: 43 mW

C: 52 mW

D: 47 mW

Lösungsweg

gegeben: $U = \qty{9}{\volt}$
gegeben: $R_{\textrm{BIAS}} = \qty{470}{\ohm}$
gegeben: $U_{\textrm{D}} = \qty{4}{\volt}$
gesucht: $P$
Ansatz: Strom durch $R_{\textrm{BIAS}}$ ist überall gleich, weil kein anderer ohmschmer Verbraucher in der Schaltung vorhanden ist

$$I_{\textrm{D}} = \frac{U_{\textrm{BIAS}}}{R_{\textrm{BIAS}}} = \frac{U-U_{\textrm{D}}}{R_{\textrm{BIAS}}} = \frac{\qty{9}{\volt}-\qty{4}{\volt}}{\qty{470}{\ohm}} = \qty{10,64}{\milli\ampere}$$

$$P = U_{\textrm{D}} \cdot I_{\textrm{D}} = \qty{4}{\volt} \cdot \qty{10,64}{\milli\ampere} \approx \qty{43}{\milli\watt}$$