Hallo,
ich möchte mich sowohl praktisch als auch theoretisch im Bereich
analoger Elektrotechnik weiterbilden. Allerdings habe ich das Gefühl,
dass mir für den Bereich nichtlinearer Bauteile (Dioden/Transistoren)
einfach die richtigen Denkweisen/Paradigmen fehlen.
In meinem Maschinenbaustudium, habe ich schon einige Grundlagen zur
Berechnung linearer Netzwerke (ohmsche Widerstände, Kapazitäten,
Induktivitäten) und OPVs erlent. Also komplexe Rechnung,
Zeigerdarstellung, Bodediagramme, Systemtheorie, Regelungstechnik, etc.
ist mir alles ein Begriff. Eigentlich dreht sich vieles im Studium um
die Berechnung des Ein- Ausgangsverhalten im Zeit-/Frequenzbereich,
sodass man das Bauteil komplett simulieren kann. Im Studium wird nicht
vermittelt, welche Schaltungen es gibt und wofür/wie diese eingesetzt
werden. Sondern man bekommt den Schaltplan, berechnet diesen, analysiert
die Gleichngen und versteht dann vielleicht, was die Schaltung macht.
Problematisch wird es bei mir, sobald nichtlineare Bauteile in
Schaltungen vorkommen. Da greifen die theoretischen Kenntnisse nicht
mehr, weil die Gleichungen nicht mehr wirklich lösbar sind. Richtig
vorstellen kann ich mir Elektrotechnik sowieso nur in einfachen Fällen.
Vielleicht ist ja das auch das Problem? Vielleicht müsste ich mehr von
einer physikalischen Seite an die Thematik herangehen (Energiefluss,
etc)?
Ich habe mir z.B. schon eingie Tutorials zur Tansistorberechnung
angeguckt. Allerdings finde ich diese meist recht unbefriedigend, weil
sie nur zeigen, wie man diese auslegt und nicht wirklich Zusammenhänge
erklären. In diese Tutorial fließen dann auch noch Erfahrungswerte und
daraus getroffene Annahmen ein, die einem das Verständnis auch nicht
umbedingt erleichtern. Mathematische herangehensweisen (z.B.
Linearisierung) sind dann wiederum recht aufwendig und scheinen mir auch
nicht wirklich praktikabel zu sein.
Typische Fragestellungen sind:
- Warum kann man bei einem Transistor den Arbeitspunkt genau einstellen,
obwohl, der Verstärkung B extrem variieren kann?
- In vielen Transistorschaltungen sehe ich Kondensatoren. Was mich
stört, ist, dass ich nicht weiß, wie man diese dann auslegt.
- Wenn ich Schaltungen mit mehr als einem Transistor sehe, frage ich
mich, wie man so eine Schaltung ohne Systematik überhaupt verstehen
kann? Zerlegt man die in einzelne Teile? Kann man diese überhautp
zerlegen? Mich stört, dass ich nicht mehr sagen kann, was passiert, wenn
man an einer bestimmten Stelle ein Bauteil hinzufügt oder entfernt.
Einige hier im Forum scheinen ja echt Plan von Schaltungen, Bauteilen,
etc. zu haben. Kann mal jemand mal bitte erzählen, was Geheinis dieser
nichtlinearen Bauteile sind? Wie seid ihr zu diesem Wissen gekommen?
Danke für eure Hilfe!
Grüße
DerKondensator3000
> - Warum kann man bei einem Transistor den Arbeitspunkt genau einstellen,> obwohl, der Verstärkung B extrem variieren kann?
Weil man die Arbeitspunkteinstellung so entwirft und dimensioniert, dass
sie von den individuellen Transistordaten weitgehend unabhängig ist.
> - In vielen Transistorschaltungen sehe ich Kondensatoren. Was mich> stört, ist, dass ich nicht weiß, wie man diese dann auslegt.
Einfache Sache und hängt von den Schaltungsimpedanzen und den
gewünschten Grenzfrequenzen ab.
> - Wenn ich Schaltungen mit mehr als einem Transistor sehe, frage ich> mich, wie man so eine Schaltung ohne Systematik überhaupt verstehen> kann?
Kann man ja gar nicht.
> Zerlegt man die in einzelne Teile? Kann man diese überhautp> zerlegen?
Kommt drauf an. Manche Schaltungen bestehen einfach nur aus der
Kombination von Grundschaltungen, z.B. die Hintereinanderschaltung von
einfachen Verstärkerstufen. Da kann man das machen. Es gibt aber auch
schöne Trickschaltungen, die man nicht so einfach in Grundfunktionen
zerlegen kann, weil die Gesamtfunktion von wechselweisen Zusammenwirken
abhängt (z.B. Stromspiegel...) und nicht einfach nur durch die
unabhängige Funktion von Grundschaltungen erklärt werden kann, da muss
man schon etwas komplexer denken.
> Mich stört, dass ich nicht mehr sagen kann, was passiert, wenn> man an einer bestimmten Stelle ein Bauteil hinzufügt oder entfernt.
Das kommt schon, wenn man die Schaltungen erstmal wirklich versteht.
Dir scheint der Übergang von der Theorie auf die Praxis zu fehlen. Wenn
du bei jeder Diode nur komplexe nichtlineare Zusammenhänge siehst, wirst
du nicht weiterkommen. Zum Verständnis einer Schaltung ist es zumeinst
am besten man stellt sich für diese nichtlinearen Bauteile eine Näherung
vor. Eine Diode läßt sich am einfachsten so definieren: Stromfluß nur in
einer Richtung möglich (also I > 0) und dabei ist der Spannungasbfall an
der Diode ca. 0,6 - 0,7 Volt. Auch Transistoren und OPs kann man
verständnismäßig ähnlich vereinfachen.
Sehr zu empfehlen wäre ein Schaltungstechnik Buch. Tietze Schenk
Halbleiter-
Schaltungstechnik war (und ist?) das Standardwerk dafür.
P.S. Sehr lehrreich ist auch am Anfang möglichst eifache echte
Schaltungen (Schaltungen aus der Praxis) zu studieren und versuchen
diese zu verstehen.
>Problematisch wird es bei mir, sobald nichtlineare Bauteile in>Schaltungen vorkommen.
Streng genommen gibt es nur unlineare Bauteile.
>Da greifen die theoretischen Kenntnisse nicht>mehr, weil die Gleichungen nicht mehr wirklich lösbar sind.
Du machst vereinfachende Annahmen, bis du wieder rechnen und lösen
kannst. Die Resultate sind dann aber eben "nur" Näherungen.
>Ich habe mir z.B. schon eingie Tutorials zur Tansistorberechnung>angeguckt. Allerdings finde ich diese meist recht unbefriedigend, weil>sie nur zeigen, wie man diese auslegt und nicht wirklich Zusammenhänge>erklären.
Dafür gibt es dann andere Bücher. Aber für die Bemessung einer Schaltung
willst du nicht unbedingt wissen, wie die Bauteile im Detail
funktionieren, sondern du versuchst absichtlich zu abstrahieren. Du
denkst dann in Kennlinien, oder Kennlinienfeldern.
>- Warum kann man bei einem Transistor den Arbeitspunkt genau einstellen,>obwohl, der Verstärkung B extrem variieren kann?
Kann man garnicht immer. Viele Schaltungen sind ursprünglich durch
reines Ausprobieren entstanden und von Generationen von
Schaltungsentwicklern über die Jahrzehnte immer weiter verfeinert
worden. Bestimmte spezielle Eigenschaften der Bauteile ermöglichen
spezielle Schaltungen mit speziellen Eigenschaften. Man macht das, was
das Bauteil hergibt und nicht unbedingt das, was man möchte.
>- In vielen Transistorschaltungen sehe ich Kondensatoren. Was mich>stört, ist, dass ich nicht weiß, wie man diese dann auslegt.
Das wissen nur die wenigsten Schaltungsentwickler. Vieles entsteht durch
Abschauen oder durch simples Ausprobieren. Heutezutage kann man immer
besser Schaltungen simulieren. Da siehst du dann auch, welchen Einfluß
ein zusätzlicher Kondensator hat.
>- Wenn ich Schaltungen mit mehr als einem Transistor sehe, frage ich>mich, wie man so eine Schaltung ohne Systematik überhaupt verstehen>kann? Zerlegt man die in einzelne Teile? Kann man diese überhautp>zerlegen?
Das kann man sehr gut. Oft nimmt man Schaltungsteile, die einen solchen
"Separationsansatz" gerade unterstüzen, indem sie beispielsweise
besonders kleine oder große Eingangs- bzw. Ausgangswiderstände
aufweisen. Deshalb werden gerne Konstantstromquellen, Kaskoden,
Stromspiegel und derlei Gurndelemente eingesetzt. Auch der klassische
Differenzverstärker vereinfacht das Schaltungsdesign ganz erheblich,
wegen einer Reihe von genialer Eigenschaften.
>Mich stört, dass ich nicht mehr sagen kann, was passiert, wenn>man an einer bestimmten Stelle ein Bauteil hinzufügt oder entfernt.
Wenn du seine Funktion kennst, kannst du das oft recht genau
voraussagen. Aber nicht immer. Letztlich ist Elektronik wie sonst auch
eine Frage der Erfahrung.
Danke für die Antworten. Falls ihr nichts dagegenhabt, stelle ich noch
ein paar Fragen, die mir noch unter den Nägeln brennen.
Was ich mich zudem auch noch in der Elektrotechnik frage:
Was sind denn die Paradigmen bei der Schaltungsentwicklung? Werden die
ganzen komplexen Schaltungen nur auf Basis von bekannten Komponenten
(RCL-Filter, Wheatstonesche-Messbrücke,
Class-ABC-Verstärkerschaltung,...) zusammengebaut? Oder denkt sich der
E-Techniker auch mal ohne Rückgriffe auf Vorhandenes seine eigene
Verstärkerschaltung aus? Gibt es da auch herangehensweisen, wo man die
Gleichung hat und danach seine Schaltung aufbaut?
Was mir auch noch nicht so ganz klar ist: Viele dieser
Schaltungskomponenten liegen als Zweipol oder Vierpol vor. Wenn ich
mehrere Komponenten zusammenschalte, verhält sich der Zusammenschluss
der Bauteile analog zu ihrer Wirkungsweise als Einzelkomponente. Bei
vielen vierpoligen OPV-Standardschaltungen z.B. (siehe Wikipedia) sind
ja meist nur Ue und Ua in Relation gesetzt. Was passiert denn mit dem
Eingangs-/Ausgansstrom, wenn diese Standardschaltung der Teil einer
größeren Schaltung ist? Ist der Strom innerhalb dieses Bauteils dann
irrelevant? Entwickelt der Strom dann eine Eigendynamik, die an anderer
Stelle der Schaltung Einfluss hat? Oder schaltet man dann immer einfach
einen Impedanzwandler dazwischen?
Außerdem: Wenn ich innerhalb einer komplexen Halbleiter-Schaltung nach
bekannten Strukturen suche und dabei einen Kondensator und einen
Widerstand in der gleichen Weise wie bei einem Tiefpass finde, kann ich
dann davon ausgehen, dass diese Bauteile, sich an der Stelle dann auch
wie ein Tiefpass verhalten? Woher weiß ich, dass dieser Kondensator z.B.
nicht nur Ladungen trennen soll?
@Firtz Habe mir mal das Buch von meiner Bücherei ausgeliehen. Ist ja
ganz schöner klopper. Scheint aber ganz gut zu sein.
> Was sind denn die Paradigmen bei der Schaltungsentwicklung?
Ich habe ein Problem/Aufgabe. Wie kann ich das mit den verfügbaren
Recourcen am besten lösen? Wobei das "am besten" ganz verschieden sein
kann: am schnellsten, am einfachsten, am qualitativ besten, am
billigsten... oder Kombinationen.
> Werden die> ganzen komplexen Schaltungen nur auf Basis von bekannten Komponenten> (RCL-Filter, Wheatstonesche-Messbrücke,> Class-ABC-Verstärkerschaltung,...) zusammengebaut?
Das ist eine einfache Herangehensweise und wird oft so gemacht, damit
kommt man auch recht weit, aber die wirklichen Spezialisten denken sich
neue Sachen aus.
> Oder denkt sich der> E-Techniker auch mal ohne Rückgriffe auf Vorhandenes seine eigene> Verstärkerschaltung aus?
Ohne Rückgriffe auf Vorhandenes gehts schon prinzipiell nicht, denn dann
müsste man das gesammte Wissen ausblenden; aber neue Wege beschreiten
geht mit etwas Phantasie und Intuition schon. Und genau das ist es, was
die Sache so interessant macht.
> Wenn ich> mehrere Komponenten zusammenschalte, verhält sich der Zusammenschluss> der Bauteile analog zu ihrer Wirkungsweise als Einzelkomponente.
Im Prinzip ja, nur ist das oft anders als erwartet, weil sich immer
gegenseitige Beeinflussungen ergeben, die man oft nicht auf Anhieb
durchschaut.
> Habe mir mal das Buch von meiner Bücherei ausgeliehen. Ist ja> ganz schöner klopper. Scheint aber ganz gut zu sein.
Wenn du den T/S durch und verstanden hast, hast du auch keine Fragen
mehr.
>Oder denkt sich der E-Techniker auch mal ohne Rückgriffe auf Vorhandenes>seine eigene Verstärkerschaltung aus?
Wenn er etwas drauf hat, funktioniert seine Schaltungsidee vielleicht
sogar. In der Regel wird aber nur abgekupfert, weil das Entwickeln sehr
langwierig sein kann und nur wenigen Vergnügen bereitet. Die meisten
wollen gleich eine funktionierende Schaltung.
>Gibt es da auch herangehensweisen, wo man die Gleichung hat und danach>seine Schaltung aufbaut?
Eher selten. Und wenn es eine bekannte Gleichung gibt, dann gibt es oft
auch eine Schaltung dazu, die man dann wieder übernehmen kann. Als
Beispiel nenne ich jetzt mal ein Linkwitz-Riley-Filter 4.Ordnung.
In der Meßtechnik hat man manchmal auch zu realisierende "Gleichungen",
also beispielsweise einen vorgegebenen Verstärkungs- oder
Abschwächungsfaktor und vielleicht noch einen bestimmten Offset, wenn
man beispielsweise einen Signalbereich in einen anderen transformieren
muß, für einen µC oder ADC-Eingang. Beispielsweise die Wandlung des
Spannungsabfalls eines Signalstroms von 4...20mA über einer 500R Bürde
in ein 0...5V Signal für einen ADC-Eingang. Das kann man dann mit
Standard-OPamp-Schaltungen direkt umsetzen.
>Oder schaltet man dann immer einfach einen Impedanzwandler dazwischen?
In der Audioelektronik und Mischpulten arbeitet man so. Die meisten
OPamp-Schaltungen stellen das Signal ausreichend niederohmig zur
Verfügung, sodaß oft von einer idealen Quelle ausgegangen werden kann.
Deswegen verwendet man OPamps. Auch die Beschaltung ist sehr einfach.
Der OPamp gestattet auch den modulmäßigen Aufbau von Schaltungen. Es ist
keine schlechte Idee, mehr über OPamps zu lernen...
Ansonsten sollten wir konkrete Schaltungen besprechen, nicht
irgendwelche "Vierpole". So abstrakt hat man das dann in der Praxis auch
nicht, es sei denn, man versucht eine Schaltung theoretisch zu
verstehen, wie beispielsweise einen Pierce-Oszillator.
>Außerdem: Wenn ich innerhalb einer komplexen Halbleiter-Schaltung nach>bekannten Strukturen suche und dabei einen Kondensator und einen>Widerstand in der gleichen Weise wie bei einem Tiefpass finde, kann ich>dann davon ausgehen, dass diese Bauteile, sich an der Stelle dann auch>wie ein Tiefpass verhalten?
Nein. Das einzige was gleich ist, ist die mit steigender Frequenz
abfallende Impedanz. Aber wie das in der konkreten Schaltung eingesetzt
wird, ist oft verschieden.
>Woher weiß ich, dass dieser Kondensator z.B. nicht nur Ladungen trennen>soll?
Nur aus dem Zusammenhang.
Kai Klaas schrieb:> Ansonsten sollten wir konkrete Schaltungen besprechen, nicht> irgendwelche "Vierpole". So abstrakt hat man das dann in der Praxis auch> nicht, es sei denn, man versucht eine Schaltung theoretisch zu> verstehen, wie beispielsweise einen Pierce-Oszillator.
Da kann ich nur zustimmen, möchte das mit dem Autofahren vergleichen: Du
kannst nochsoviel Theorie von Motoren, Reifen, Getriebe, Physik
Straßenverkehrsordnung .. lernen. Aber wenn du dann ein Auto selber
lenkst, sieht die Welt wieder ganz anders aus.
In der Praxis lernt man auch wichtige und unwichtige Dinge einer
Schaltung zu beurteilen. So ist es z.B. in den meisten Fällen völlig
uninteressant ob jetzt 3,0 oder 3,35 mA strom über den VCC-pin eines OP
fließen. Aber die Verstärkung, also Ua/Ue ist sogut wie immer ein Punkt
der beachtet werden muß.
Fritz schrieb:> Sehr zu empfehlen wäre ein Schaltungstechnik Buch. Tietze Schenk> Halbleiter-Schaltungstechnik war (und ist?) das Standardwerk dafür.
Wobei es grad im Zusammenhang mit Grundlagen diskreter Schaltungen nicht
die neueste Ausgabe sein muss, sondern eine ältere gebrauchte ausreicht.
DerKondensator3000 schrieb:> - In vielen Transistorschaltungen sehe ich Kondensatoren. Was mich> stört, ist, dass ich nicht weiß, wie man diese dann auslegt.
Das weiss der Schaltungsentwickler im konkreten Einzelfall manchmal auch
nicht, weil Gewohnheit. ;-)
Ein krasses Beispiel dazu entstammt allerdings der Digitaltechnik. Die
üblichen 100nF Stützkondensatoren beispielsweise streut man seit
Jahrzehnten gewohnheitsmässig über die Schaltung, ohne dass die
allermeisten Entwickler sich jemals darüber Gedanken gemacht haben, wann
welcher Wert wo wirklich optimal wäre.
Ich kann dir "Elektronische Schaltungen" von Horst Wupper empfehlen.
Dort wird der Uebergang von der Theorie zur Praxis sehr gut erklaert.
Also, wie wird Frequenzanalyse, Approximation, Zweipole, Knotenanalyse
benutzt um eine Schaltung zu entwerfen.
Voransicht auch mit http://books.google.de
Fuer den Einstieg auf alle Faelle geeigneter als der T/S.
> In meinem Maschinenbaustudium
Wenn du die progressive Feder kennst, kennst du auch nichtlineare
Bauelemente.
Studier' also richtig, dann wird das auch ein elektrotechnisches
Verständnis ergeben.
