kapitel 12 Übertragung, verarbeitung und speicherung von daten

Kap.12 Übertragung und Verarbeitung von Daten

1

Kapitel 12Übertragung, Verarbeitung und

Speicherung von Daten


2

12.1 Der Kondensator

Der einfachste Aufbau eines Kondensators besteht aus 2 gegenüberliegenden Metallplatten, die durch Luft getrennt sind.

Versuch 1:

Kondensator als Energiespeicher

6Vstab.

1000µF

Baue die Schaltung auf. Als Schalter soll ein Wechselschalter verwendet werden.

Was passiert beim Laden? ...........................

Was passiert beim Entladen? .......................

Linke Lampe leuchtet kurz auf.

Rechte Lampe leuchtet kurz auf.

Ein Kondensator kann elektrische Ladung und Energie speichern.


3


4


5


6


7

Wie viel ein Kondensator speichern kann wird durch seine Kapazität angegeben. Die Kapazität wird in Farad gemessen.

Ein Farad ist eine sehr große Einheit. Daher verwendet man: µF, nF, pF, ..

Bauarten:

Elektrolytkondesatoren

Tantalkondensator


8

Drehkondensator


9

Anwendungen: In Blitzgeräten,Zum Glätten von Spannungschwankungen (z. B. bei pulsierendem Gleichstrom).In elektromagnetischen Schwingkreisen.


10

12.2 Halbleiter

Siliziumatom Elektron

Loch

Freies Elektron Zu den Halbleitern zählen Silizium, Germanium, Selen, …

Si und Ge haben 4 Außen-elektronen. (4. Hauptgruppe im Periodensystem)

Bereits bei Zimmertemperatur können sich infolge der Wärme-bewegung Elektronen aus der Bindung loslösen und sich im Kristallgitter frei bewegen.

Neben diesen Elektronen entstehen an den Stellen, wo

sich die Elektronen befanden, Löcher (positive Ladung). Auch diese Löcher tragen zur Leitung bei.


11

Die Löcher werden durch Elektronen von Nachbaratomen aufgefüllt Dadurch wandert das Loch weiter. (vgl. Bild Parkbank)


12

Die Halbleitereigenschaft kann zur Temperatur- und Lichtmessung verwendet werden.

Die Leitfähigkeit von Halbleitern durch Temperaturänderung ist begrenzt.Die große Bedeutung der Halbleiter besteht darin, dass man sie durch gezieltes Verunreinigen mit Fremdatomen, in ihren Eigenschaften beeinflussen kann.


13

Dotierung von Halbleitern:

n-Leiter (Donator)


Freies Elektron

As

- - - -

- - - -

- - - -

- - - -

- - - -

n - Leiter

Einbau von 5-wertigen Atomen (z.B. As)

Das freie Elektron steht für die Elektrizitätsleitung zur Verfügung.

Stromleitung erfolgt durch negative Ladungen.

Buch Seite 32 Abb. 22.2


14

p-Leiter (Akzeptor)


Loch

In

+ + +

p - Leiter

+ + +

+ + +

+ + +

+ + +

Einbau von 3-wertigen Atomen (z.B. In)

Ein „Loch“ verhält sich wie eine positive Ladung. Es kann ein Elektron eines Nachbaratoms einfangen und damit wandert das Loch (+ Ladung) weiter.

Stromleitung erfolgt durch positive Löcher.

Buch Seite 32 Abb. 22.3


15

12.2.1 Die Diode:

Schaltsymbol: Buch Seite 33 Abb. 23.1 – 23.4

+

++++

+

+

++

-

---

-

---

Zwei verschieden (+,-) dotierte Halbleiter werden aneinandergesetzt. Es entsteht an der Stelle des Aneinan-derstoßens eine Grenzschicht.

Verhalten an der Grenzschicht:

Durch die Wärmebewegung der Teilchen treten Elektronen (e) vom N-Leiter in den P-Leiter und füllen dort die Löcher. Daher bildet sich in der Grenzschicht eine schmale Zone, in der fast keine beweglichen Ladungen mehr sind.


16

Wir legen eine Spannung an die Diode:

+

++++

+

+

++

-

---

-

---

– an P-Leiter + an N-Leiter:Sperrschicht verbreitert sich. (Absaugen weiterer frei bewegl. Ladungsträger).

Diode in Sperrrichtung gepolt:

+

++++

+++

-

---

----+

++

++

+ +++

-

--

-

-

--

-

+ an P-Leiter – an N-Leiter:Es werden ausreichend Elektronen nachgeliefert, die Sperrschichtbreite nimmt ab.Diode in Durchlassrichtung gepolt:


17

Wirkungsweise der Diode

Versuchsaufbau:In den Parallelzweigen befinden sich zwei Lämpchen und eine Siliziumdiode. (Beachte die umgekehrte Polung der Dioden!)

Versuch 1: Schließe die Anordnung an eine Gleichspannungsquelle.Kennzeichne, welcher Zweig in Durchlassrichtung zeigt.

Versuch 2: Schließe die Anordnung an einen Funktionsgenerator!Beschreibe was passiert!


18

Die Diode wirkt wie ein Ventil. Sie lässt den Strom nur in eine Richtung durch.

Anwendung der Diode:

1. Einweggleichrichtung

2. Zweiweggleichrichtung


19

Grätzsche Brückenschaltung


20

Stromfluss Grätz


21

Zweiweggleichrichtung

+–


22

Glättung


23

12.2.2 Der Transistor:

pnp -Transistor npn -Transistor

E E

B B

C C

+ ++

-

---

----

+ +

-

--

-

-

--

-

---

----

-

--

-

-

---

n

p

n

K

B

E

Schaltsymbole:

Bringt man hintereinander die Störstellenschichten npn oder pnp auf, so erhält man einen Flächentransistor.

Der Transistor besteht aus zwei Dioden, die einander entgegengesetzt gepolt sind. Legt man nun zwischen Emit-ter und Kollektor eine Span-nung an, so sperrt der Tran-sistor auf einer Diode immer.


24

+ ++

-

---

----

+ +

-

--

-

-

--

-

---

----

-

--

-

-

---

n

p

n

K

B

E

Die Wirkungsweise eines Transistors beruht nun darauf, dass man eine Hilfsspannung zwischen Emitter und Basis anlegt.

Dadurch werden Elektronen aus dem Emitter in die Basis getrieben. Ein geringer Teil von ihnen rekombiniert mit den Löchern der Basis, der größte Teil gelangt aber durch die dünne Basisschicht durch und durchdringt auch die Sperrschicht zwischen Basis und Kollektor.

→ Damit fließt ein Kollektorstrom, der Transistor ist leitend geworden.

Das heißt also, mit einem kleinen Basisstrom lässt sich der Kollektorstrom (groß) steuern.


25

Transistor

+ ++

-

---

----

+ +

-

---

-

---

---

----

-

--

-

-

---

n

p

n

K

B

E

-


26

• Versuch 1: Prinzip des Transistors

• Liegt nur zwischen Emitter und Kollektor eine Spannung an, so ist ein pn-Übergang immer in Sperrrichtung. Welcher ???

• Legen wir nun eine Hilfsspannung zwischen Basis und Emitter an, fließt……………………….., der den Transistor ……….. macht.

• Mit einem kleinen Basisstrom kann also der Transistor

V1: Prinzip des Transistors

2 - 3V

+7V

0

+

10K

E

C

B

ein kleiner Basisstromleitend

gesteuert werden.

Zwischen B und C


27

• Da es nicht sehr sinnvoll wäre zwei verschiedene Spannungsquellen zu verwenden (eine für den Basis - Emitterkreis, eine für den Emitter - Kollektorkreis, verwendet man eine so genannte Spannungsteilerschaltung. – Regle den Regelwiderstand auf 0

Ohm! ---> Zwischen Basis und Emitter liegt eine Spannung von 0 Volt. ---> Der Transistor ……..Regle den Regelwiderstand auf 10 kOhm! ---> Zwischen Basis und Emitter liegt etwa eine Spannung von ………..

– Der Transistor …………………, was man

V2:Spannungsteilerschaltung:

3,5 Vist leitend geworden.

am Leuchten der Lampe erkennt.

sperrt

1k

10K

10K

Versuch 2:Spannungsteilerschaltung:


28

• Wird an Stelle des regelbaren Widerstandes vom vorigen Versuch ein Draht geschaltet, ist die Spannung zwischen Basis und Emitter …… V. Transistor …………..

• Zieht man den Draht heraus, ………………………….. Es fließt ein Basisstrom, weil……………………………………………… …………………...

V3: Stolperdraht

sperrt.

liegt eine Spannung an.

die Basis über den 10 KOhm Widerstand mit dem Pluspol verbunden ist.

01k

10K

Stolperdraht


29

V 4: Automatische Beleuchtung

• Statt des regelbaren Widerstandes von Versuch 2 wird ein LDR (Light Dependend Resistor) zwischen Basis und Emitter geschaltet.

• Wird er belichtet, nimmt der Widerstand ……….., die Spannung zwischen Basis und Emitter………... Transistor …………..

• Wird abgedunkelt, wird der Transistor …………, die Lampe …………..

sinkt. sperrt.

leitend

ab1k

10K

LDR

leuchtet.


30

V 5: Transistor als Verstärker

• Der Basisstrom wird durch das Mikrophon im Rhythmus der Schallschwingungen verändert.

• Diese Änderungen übertragen sich auf den viel stärkeren Kollektorstrom.

• Lautsprecher gibt Sprache, Musik usw. wieder.

Vgl. Buch Seite 35


31

12.2.3 Die Solarzelle


32

Wirkungsweise der Solarzelle

p-Leiter

Kontakt

Kontakte

n-Leiter


33

Wirkungsweise der Solarzelle

• Wird die Solarzelle belichtet, so bilden sich infolge des inneren photoelektrischen Effekts, neue freie Ladungsträgerpaare.

• Die Elektronen wandern wegen des anliegenden Feldes, in die n-Schicht, die Löcher in die p-Schicht.

• Die n-Schicht wird so zum Minus-Pol, die p-Schicht zum Plus-Pol

Kontakte

p-Leiter

Kontakt

n-Leiter


34

Ausbeute bei Solarzellen

• Die Silizium-Solarzelle liefert ca. 0,5V• Wirkungsgrad für polykristalline Zellen ca. 12%• Für eine Leistung von 1kW benötigt man

ca. 10 m²• Solarkonstante: 1,36kW/m² . (Überlege: ca.

1kw/m² . 0,1 . 10 m² = 1 kW)• Das ergibt im Jahr ca. 1000kWh.• amorphe Silizium-Solarzellen haben einen

Wirkungsgrad von ca. 7%. Sie werden für Taschenrechner usw. eingesetzt.


35

Die Solarzelle


36

Beispiele


37

Beispiele


38

Versuch:

6 V

Kondensator wird aufgeladen, dann wird Schwingkreis geschlossen.Am Oszillograph wird eine gedämpfte Schwingung beobachtet.

Der LC-Schwingkreis

C L

12.3 Elektromagnetische Schwingungen


39

elektrische Energie magnetische Energie

elektrische Energiemagnetische Energie

LC-Schwingkreis


40

Der Kondensator entlädt sich über die Spule. In der Spule wird ein Magnetfeld aufgebaut. Ist der Kondensator entladen, bricht das Magnetfeld zusammen, wodurch eine Induktionsspannung induziert wird. Induktionsstrom fließt (Lenzsche Regel) in derselben Richtung weiter und lädt den Kondensator entgegengesetzt auf. usw. Aufgrund des Ohmschen Widerstandes der Leitungen nimmt die Schwingungsamplitude ab.

LC-Schwingkreis


41

Die Schwingung, die ein LC-Schwingkreis ausführt, ist gedämpft und kommt infolge der Verluste an den Leitungswiderständen zum Stillstand.

Abhilfe: Rückkopplung

10k

10k

800W / 1600W

Kopfhörer

1000µF(1µF)(0,1µF)

BD135

+

-

Baue mit den Schülerübungsgeräten die folgende Rückkopplungs-schaltung nach!Der Schwingkreis besteht aus dem Kondensator und der Spule mit 1600 Windungen. Eine zweite Spule mit 800 Windungen ist induktiv an die Schwing-kreisspule gekoppelt.

Sie hat die Aufgabe, die Basis eines Transistors anzusteuern und so im Takt des Schwingkreises den Transistor im richtigen Augenblick leitend zu machen, um die durch ohmsche Verluste "verlorene" Energie nachzu-liefern. Der veränderliche Widerstand (10k) dient zur Einstellung des Arbeitspunktes des Transistors.


42


43

10k

10k

800W / 1600W

Kopfhörer

1000µF(1µF)(0,1µF)

BD135

+

-

Versuch 1: Verwende den Kondensator 1000µF und schalte ein Voltmeter mit 0‑Punkt in der Mitte parallel zum Schwingkreis.Ergebnis:

Versuch 2: Entferne das Voltmeter von vorhin und verwende den 1µF-Kondensator. Stecke einen Kopfhörer in die dafür vorgesehene Buchse. Verschiebe das Joch des Eisenkerns! Ergebnis:


44

12.3.1 Rundfunk

Amplitudenmodulation:

NF-Signale im Tonbereich können als elektromagnetische Welle nicht abgestrahlt werden. Daher benötigen wir ein HF-Signal als Trägerwelle mit konstanter Amplitude.

Das NF-Signal wird der Trägerwelle überlagert.Dieses wird nicht addiert, sondern moduliert.

Dabei gibt es Amplitudenmodulation, Frequenzmodulation und Phasenmodulation.


45

Amplitudenmodulation: Die Amplitude der Trägerschwingung wird im Rhythmus der NF verändert.Amplitudenmodulation wird bei LW, MW und KW angewendet.Sie ist störanfälliger und hat nicht so eine gute Übertragungsqualität wie die Frequenzmodulation.

Frequenzmodulation: Hier wird die Frequenz der Trägerschwingung mit der NF moduliert.Anwendung bei UKW

Die so erzeugten modulierten Schwingungen werden verstärkt und über eine Antenne abgestrahlt. Sie sendet elektromagnetische Wellen aus.


46

TonschwingungenTonschwingungen HF-SchwingungenHF-Schwingungen AM-HF-SchwingungenAM-HF-Schwingungen

RadiosenderRadiosender


47

ModulierterModulierter HF-StromHF-Strom

Modulierter Modulierter pusierender pusierender GleichstromGleichstrom

Tonfrequenz Tonfrequenz verstärktverstärkt

EmpfängerEmpfänger


48

Radiosender und Empfänger


49

12.3.2 Das Fernsehen

Fernsehkamera und Bildschirm arbeiten mit Elektronen.Kathodenstrahlröhre:Versuch:Schattenkreuzröhre:Hochspannung von ca. 8kV anlegen.Am Schirm ist der Schatten des Kreuzes sichtbar. Die Röhre ist ausgepumpt. Die Kathode (-) sendet Elektronen aus, die von der Anode (+ ) angezogen werden. Die Ausbreitungsrichtung ist geradlinig. Daher der Schatten.Die Elektronen selbst sind nicht sichtbar. Die Glaswand ist als Leuchtschirm ausgebildet. D. h., wenn Elektronen auftreffen sendet der Schirm sichtbares Licht aus.Wir nähern einen Magneten: Der Elektronenstrahl (auch Kathodenstrahl) wird abgelenkt.


50

Die Braunsche Röhre

1 2 3 45

6

Glaskolben ist evakuiert. Aus einer Glühkathode (1) treten Elektronen aus, die sich geradlinig ausbreiten. Sie werden zwischen Kathode und Ringanode (3) beschleunigt. Mit dem Wehneltzylinder (2) lässt sich die Helligkeit einstellen. Nach der Ringanode wird der Elektronenstrahl durch zwei Paare von Abklenkplatten (4), (5) abgelenkt.


51

1 2 3 45

6

Horizontale Platten (5): Sägezahnspannung

Vertikale Platten (4): die zu messende Spannung.

Braunsche Röhren werden beim Oszillographen, beim Fernseher und bei Monitoren eingesetzt.


52

Beim Fernseher haben wir ein Ablenksystem mit Spulen. (Zeilentrafo)1 Bild besteht aus 625 Zeilen und 800 Spalten und wird in 1/25 Sekunde aufgebaut. Durch die rasche Bildfolge kommt es zur Bewegung.Beim Farbfernseher haben wir drei Elektronen-strahlen für die 3 additiven Grundfarben RGB.Jeder Bildpunkt besteht eigentlich aus 3 Punkten (Lochmaske) für die 3 Grundfarben.

ElektronenstrahlElektronenstrahl

magnetisches Ablenksystemmagnetisches Ablenksystem

LeuchtschirmLeuchtschirm

Fernseher


53

Bildentstehung

1. Halbbild 2. Halbbild

Gesamtbild

horizontaler Strahlrück-

sprung vertikaler Strahlrück-sprung


54

12.3.3 Mikrophon und Lautsprecher

Der dynamische Lautsprecher

Eine Tauchspule befindet sich im Feld eines Dauermagneten.

Der tonfrequente Wechselstrom erzeugt in der Spule ein wechselndes Magnetfeld.

Dadurch kommt es zu einer Bewegung der Spule. Die an der Spule befestigte Membran bewegt sich im Rhythmus des wechselnden Magnetfeldes.

Dabei werden Schallwellen erzeugt.

Motorprinzip


55


56


57

Das Tauchspulenmikrophon (auch dynamisches Mikrofon)

Es ist ähnlich wie der dynamische Lautsprecher aufgebaut. Durch den Schall wird die Membran in Schwingungen versetzt. Mit ihr bewegt sich die Spule, die sich in einem Magnetfeld eines Permanentmagneten befindet. Dadurch wird eine Wechselspannung im Rhythmus des Schalls erzeugt.

Generatorprinzip


58

Andere Mikrofone:

Kohlekörnermikrophon (bei Telephon). Durch Zusammenpressen der Kohle ändert sich der Widerstand Spannungsänderung Elektretmikrofon: Wie Kondensator aufgebaut. Eine feste Platte und eine bewegliche Membran. An die Platten wird eine Spannung angelegt.Durch den Schall bewegt sich die Membran Änderung der Kapazität des Kondensators Änderung der Spanung. Diese Änderung kann an einem Widerstand abgenommen werden.


59

12.4 Informationsspeicherung, Mikroelektronik, Computer

Lies B. S. 43 – 46

12.4.1 SpeicherungUnterschied Analog – DigitalSpeichermedien:

12.4.2 Mikroelektronik:IC ChipMikroprozessor

12.4.3 ComputerWichtigste drei Bestandteilgruppen:ProzessorSpeicher Ein-/Ausgabeeinheit


60

Spektrum elektromagnetischer Wellen

kapitel 12 Übertragung, verarbeitung und speicherung von daten

Documents