Eine monostabile Kippstufe funktioniert also folgendermaßen.

Ein Impuls am Eingang der Schaltung bringt den Ausgang in den eingeschalteten Zustand. Dieser Zustand ist nicht stabil und wird nur für einen bestimmten, vorher eingestellten Zeitraum gehalten.

Anschließend fällt der Ausgang wieder in den stabilen Grundzustand zurück.

Solche Monoflops gibt es als fertige integrierte Schaltungen.

Ein Monoflop für die Treppenhaus-Beleuchtung

Eine Anwendung eines solchen Monoflops ist die Steuerung für eine Treppenhausbeleuchtung.

Hier soll nach dem Betätigen des Schalters das Licht für eine vorher festgelegte Zeit leuchten und dann automatisch wider abgeschaltet werden.

Sinnvoll für eine Treppenhaus-Schaltung ist jedoch, dass die Zeit wieder von vorn startet, wenn ein Schalter erneut betätigt wird.

Dies lässt sich durch ein Retriggerbares Monoflop realisieren.

Retriggerbar heißt hier, dass das Monoflop erneut gestartet werden kann.

Diskreter Aufbau eines Monoflops

Auf Basis des Schmitt-Triggers, der in diesem Artikel ( zum Schmitt-Trigger-Artikel )beschrieben wird, kann ein diskretes, retriggerbares Monoflop aufgebaut werden.

Wie das genau funktioniert, zeigt Herr Wagener von mg-spots im Video dieses Artikels.

Durch eine weitere Beschaltung mit einem UND-Gatter kann das Retriggern des Monoflops auch unterbunden werden.

Einschaltverzögerung und Ausschaltverzögerung

Bei einer Einschaltverzögerung soll das Signal nach einer bestimmten Zeit nach dem Einschaltzeitpunkt geschaltet werden.

Bei einer Ausschaltverzögerung wird das Ausgangssignal im gleichen Moment eingeschaltet wie das Eingangssignal. Beim Ausschalten läuft das Ausgangssignal jedoch noch eine einstellbare Zeit nach.

Zudem gibt es auch Schaltungen, die sowohl eine Einschalt- als auch eine Ausschaltverzögerung haben.

Im Video wird gezeigt, wie solche Schaltungen basierend auf einen Monoflop mit diskreten Bauelementen, also Transistoren, Kondensatoren und Widerständen aufgebaut werden können.

Vielleicht kennst Du den Begriff „Trigger“ von einem Oszilloskop, bei dem der Start der Anzeige bei einem bestimmten Spannungswert gestartet, also ausgelöst, wird, um ein stehendes Bild auf dem Bildschirm zu erhalten.

Ähnliches gilt auch für den in diesem Artikel beschriebenen Schwellwertschalter, auch Schmitt-Trigger genannt.

Der Schmitt-Trigger

Der Schmitt-Trigger wandelt eine analoge Spannung in einen Schaltimpuls um. Er „analysiert“ das analoge Eingangssignal und gibt ein digitales Signal aus. Abhängig davon, ob definierte Schwellspannungen unter- oder überschritten wurden.

Weil man bei einem Schmitt-Trigger zwei Schwellspannungen hat, erhält man eine Hysterese, wenn man die Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Eingangsspannung in einem Diagramm aufträgt.

Der invertierende Schmitt-Trigger

Beim invertierenden Schmitt-Trigger wird am Ausgang eine positive Spannung ausgegeben, wenn das Eingangssignal einen bestimmten Wert unterschreitet.

Schmitt-Trigger kann man durch Transistorschaltungen, Operationsverstärkerschaltung realisieren oder auch als fertige integrierte Schaltungen einsetzen.

Einen invertierender Schmitt-Trigger findet man beispielsweise in der TTL-Reihe unter der Bezeichnung 7414.

.

Anwendungen eines Schmitt-Triggers

Im Video werden einige Anwendungen für einen Schmitt-Trigger gezeigt. Anwendungen sind beispielsweise ein Helligkeits-/Dämmerungsschalter. ein Temperaturschalter, ein Verzögerungsglied oder auch ein Taktgenerator.

Eine weitere typische Anwendung ist der Impulsformer. Mit Hilfe eines Impulsformers können Rechtecksignale, die durch Störungen oder über einen Transport über Leitungen mit Tiefpassverhalten nicht mehr schön eckig sind, wieder in die richtige Form gebracht werden.

Diskreter Aufbau eines Schmitt-Triggers durch eine Transistorschaltung

Zum Abschluss des Videos zeigt Herr Wagener von mg-spots, wie man mit Hilfe von Transistoren eine diskrete Schmitt-Trigger-Schaltung aufbauen kann.



Jetzt aber wieder zum Video.
Viel Spaß!

Bei einer Ampelsteuerung macht es beispielsweise keinen Sinn, wenn die einzelnen Ampelphasen nur eine Sekunde dauern. So schnell kommt niemand über die Straße.

Zur Erzeugung eines Taktes gibt es viele Möglichkeiten.

Häufig werden, vor allem für hohe Frequenzen, Schwingquarze verwendet.

Bei niedrigeren Frequenzen, die man häufig für Steuerungsaufgaben benötigt, nutzt man die Auf- und Entladezeiten von Kondensatoren.

Sehr häufig wird hierfür ein zusätzliches IC, der Timerbaustein NE555 verwendet.

Unter folgendem Link findest Du eine kleine Artikelserie zur Realisierung einer Astabilen Kippstufe mit dem Baustein NE555.

Die Astabile Kippstufe mit diskreten Bausteinen

Astabile Kippstufen können aber auch diskret mit Transistoren aufgebaut werden.

Eine sehr gern gesehene Variante im Physik- oder (Elektro-)technik-Unterricht.

Eine astabiler Kippstufe mit Transistoren ist symmetrisch aufgebaut.

Zwei Transistoren und zwei RC-Glieder werden spiegelbildlich aufgebaut. Die Kondensatoren werden abwechselnd aufgeladen. Durch die Bauteilwahl von R und C werden die Zeitkonstanten festgelegt.

Diese Zeitkonstanten RC legen die jeweiligen Puls-/Pause-Zeiten fest.

Bei der Analyse einer diskreten Astabilen Kippstufe geht am besten so vor, dass man mit einem beliebigen Zustand beginnt und sich dann ausgehend von diesem Zustand die Ladevorgänge der Kondensatoren überlegt.

Das Video zur astabilen Kippstufe mit Transistoren

Im Video werden die einzelnen Spannungsverläufe an den Kondensatoren und den einzelnen Kollektor-Emitterstrecken gezeigt.

Wenn das Video an der einen oder anderen Stelle zu schnell geht, dann halte das Video einfach an, schau Dir die Schaltung in Ruhe an und setze dann das Video fort.

Evtl. macht es auch Sinn, wenn Du Dir das Video ein zweites Mal anschaust.

An dieser Stelle noch einmal vielen Dank an Herrn Wagener von mg-spots, der seine Videos hier zur Verfügung stellt.

Jetzt aber los und viel Spaß mit dem Video.

Mit der Fourier Transformation lassen sich Signale in eine Summe von Sinus-Funktionen unterschiedlicher Frequenz zerlegen.

Anders herum ist das natürlich auch möglich.

Durch das Aufsummieren von Sinusfunktionen lassen sich beliegige periodische Signale zusammensetzen.

Die Fourier Transformation, benannt nach dem französischen Mathematiker Jean-Baptiste-Joseph Fourier, lässt sich also nicht nur im Bereich der Elektrotechnik anwenden.

Fourier war Mathematiker und die Anwendung der Fourier Transformation in der Elektrotechnik nur ein Sonderfall.

Mit etwas mathematischem Verständnis lassen sich auch andere Dinge damit produzieren.

Die Anwendung ist natürlich nicht ganz ernst gemacht, aber toll gemacht wie ich finde.

Hier also das Video mit einer etwas anderen Anwendung der Fourier Transformation.

Viel Spaß !

Vereinfache einer Schaltung mit vier Eingangsvariablen

Zunächst wird eine 4-spaltige Wertetabelle in ein KV-Diagramm überführt.

Wenn man die Eingangsvariablen für das KV-Diagramm geschickt anordnet, so wie im Video gemacht, kann man die einzelnen Felder des KV-Diagramms leicht durchnummerieren.

Die Zuordnung der einzelnen Werte fällt dann besonders leicht.

Bildung der Blöcke im KV-Diagramm

Im nächsten Schritte geht es dann darum, die Felder, in denen eine „1“ steht, in möglichst großen Blöcken unterzubringen.

Je größer einer Block ist, also je mehr Felder dieser Block umschließt, desto weniger Eingangsvariablen werden benötigt um diesen Block zu beschreiben.

Aufstellen der Funktionsgleichung

Hat man die Blöcke definiert, stellt man für jeden Block die passende UND-Verknüpfung auf. Die einzelnen UND-Verknüpfung werden dann mit einer ODER-Verknüpfung verbunden.

Realisierung der Logik-Schaltung

Mit Hilfe der Funktionsgleichung lässt sich dann leicht die Logik-Schaltung zeichnen.

Zusammenfassung der „Nullen“

Wenn wenig „0“ vorhanden sind, ist es häufig sinnvoll diese „0-en“ zusammenzufassen und hiermit dann die Funktionsgleichungen aufzustellen.

Wie das funktioniert zeigt Herr Wagener in seinem Video.

Von der Funktionsgleichung zur optimierten Schaltung

Zu Ausbildungszwecken erhält man häufig die Aufgabe eine gegebene Funktionsgleichung zu optimieren.

Das kann man einerseits durch Anwendung der Boolschen Algebra machen.

Viel einfacher, schneller und sicherer geht es aber mit Hilfe von KV-Diagrammen. Auch hierzu gibt es in dem Video ein Beispiel.

Blockbildung in der Wertetabelle

Wenn man ein wenig Übung hat, kann man die Blockbildung in einigen Fällen auch direkt in der Wertetabelle vornehmen.

Wie dies funktioniert wird am Ende des Videos gezeigt.

Das Video mit den Aufgaben und Lösungen zum KV-Diagramm

Genug gelesen.

Hier also das Video mit den Aufgaben und Lösungen zum KV-Diagramm.

Wo wird ein Tiefpass angewendet

In der Schaltungstechnik hat der Tiefpass verschiedene Anwendungsgebiete.

In der Nachrichtentechnik wird ein Tiefpass beispielsweise eingesetzt, um tiefe Frequenzen aus einem Musiksignal herauszufiltern.

Lautsprecherboxen haben normalerweise mindestens einen Hochtöner und einen Tieftöner.

Während der kleine Hochtöner die hohen Töne wiedergeben soll, werden über den großen Tieftöner die tiefen Frequenzen wiedergegeben.

Häufig findet man sogar spezielle Bassboxen für die Widergabe der tiefen Frequenzen.

Ein Tiefpass sorgt nun dafür, nur die tiefen Frequenzen aus einem Musiksignal zu filtern und diese dann dem Tieftöner zur Widergabe zu liefern.

Ein Tiefpass in der Spannungsversorgung

In einer Gleichspannungsversorgung sind Wechselsignale beispielsweise durch Störsignale oder durch die Restwelligkeit der gleichgerichteten Wechselspannung unerwünscht.

Ein Tiefpass unterdrückt diese Wechselsignale und erhöht so die Qualität der Gleichspannung.

Leitungen als Tiefpass

Übertragungsleitungen in der Nachrichtentechnik aber auch in der Energietechnik bestehen aus ohmschem Anteil, aber auch aus Induktivitäten und Kapazitäten.

Im Ersatzschaltbild mit Längs-Induktivitäten und Kapazitäten in Querrichtung erkennt man das Tiefpass-Verhalten.

In der Nachrichtentechnik hat man hierdurch die negative Wirkung, dass die hochfrequenten Anteile von Rechtecksignalen verloren gehen.

Ein Tiefpass begegnet einem also nicht nur dort, wo er gewünscht ist, sondern auch als unerwünschte Eigenschaften von Systemen.

Das Video zum Tiefpass

Das heutige Video ist eine erste Einführung in das Thema Tiefpass.

Ich untersuche das Verhalten eines RC-Tiefpass für unterschiedliche Frequenzen.

Wir werden sehen, das tiefe Frequenzen ungehindert passiert werden.

Es gibt einen Frequenzbereich, in dem die Spannungsen geschwächt werden.

Und bei den hohen Frequenzen, ist die Amplitude der Ausgangsspannung fast 0.

In weiteren, späteren Videos werde ich die Eigenschaften eines Tiefpass, wie Frequenzgang, Amplitudengang, Phasengang, Grenzfrequenz, Bode-Diagramm und Nyquist Diagramm noch weiter untersuchen.

Das Dezimalsystem arbeitet mit 10 verschiedenen Zeichen,

0,1,2,3,4,5,6,7,8,9.

Wahrscheinlich rechnen wir historisch gesehen mit dem Dezimalsystem, weil wir 10 Finger haben.

In dem Gast-Video dieses Artikels zeigt Herr Wagener von mg-spots, was es mit den unterschiedlichen Zahlensystemen auf sich hat und wie diese aufgebaut sind.

Zunächst zeigt Herr Wagener den Aufbau des bekannten Dezimalsystems.

Der Aufbau des Dezimalsystems

Die einzelnen Stellen haben unterschiedlich e Wertigkeiten. Es gibt Einer, Zehner, Hunderter, Tausender, …

Rechts neben dem Komma, finden wir Zehntel, Hundertstel, usw.

Statt der Wertigkeiten, also 1, 10, 100, usw. kann man auch die Zehnerpotenzen angeben, also 10^0, 10^1, 10^2, …

Durch die Addition der Werte der einzelnen Stellen multipliziert mit deren Wertigkeit, erhält man dann die mehrstellige Zahl. Herr Wagner zeigt das im Video an einem Beispiel.

Der Aufbau von Dualzahlen

Im Dual-, Zweier- oder Binärsystem, erfolgt die Berechnung einer Zahl analog.

Eine Dualzahl besteht nur aus „1“ oder „0“, die Basis für die Potenzen ist die Zahl 2.

Eine Dualzahl 1 0 1 1 0 hat also den (Dezial-)Wert

1×2^4
+
0×2^3
+
1×2^2
+
1×2^1
+
1×2^0


= 16 + 0 + 4 + 2 + 0 = 22

Der Aufbau von Hexadezimalzahlen

Das Hexadezimalsystem hat als Basis die Zahl 16. Man benötigt also 16 verschiedene Zeichen.

Da wir aber nur 10 Ziffern kennen, nehmen wir die ersten 6 Buchstaben des Alphabets hinzu.

Das Hexadezimalsystem arbeitet also mit den Zeichen:

0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F


Die Wertigkeiten der einzelnen Stellen haben den Wert …, 16^2, 16^1, 16^0, also 256, 16 und 1.

Herr Wagner zeigt in seinem Video die Umrechnung einer fünfstelligen Hexadezimalzahl in eine Zahl in der Dezimaldarstellung.

Am Ende des Videos zeigt Herr Wagner noch die Umrechnung zwischen den Zahlensystemen.

Die Umwandlung zwischen den Zahlensystemen ist sehr wichtig, da Computer mit Dualzahlen rechnen, während wir Menschen besser mit den Dezimalzahlen zurechtkommen.

Weil Dualzahlen aufgrund ihrer kleinen Basis von 2 schon bei kleinen Zahlen sehr lang werden können, verwendet man häufig die Hexadezimalzahlen, weil sich Dualzahlen sehr leicht in Hexadezimalzahlen umrechnen lassen, und umgekehrt.

Zur Planung einer Digitalschaltung gehört das Erstellen einer Verknüpfungsschaltung.

Das prinzipielle Vorgehen bei der Erstellung einer Verknüpfungsschaltung lässt sich in 4 Schritte zusammenfassen.

1. Das Erstellen der Wertetabelle gemäß der Aufgabenstellung

2. Ermittlung der Schaltungsgleichung aus der Wertetabelle

3. Vereinfachung (Minimierung, Optimierung) der Schaltungsgleichung

4. Erstellung der Schaltung auf Basis der minimierten Schaltungsgleichung

Das Vereinfachen der Schaltung lässt sich mit Hilfe der bekannten Rechenregeln der Schaltalgebra durchführen. Bei einfachen Termen ist dies gut möglich.

Wenn die Terme jedoch komplizierter werden, kann auf ein anderes Verfahren zurückgegriffen werden, mit dem man

schneller

sicherer und

einfacher

Terme vereinfachen kann.

Um dieses Verfahren geht es in diesem Artikel und dem zugehörigen Video.

Das KV-Diagramm (Karnaugh-Veitch-Diagramm)

Ein KV-Diagramm ist eine andere Schreibweise für die Wertetabelle.

Ein KV-Diagramm ist eine rechteckige Anordnung mit genau so vielen Feldern, wie die Wertetabelle Zeilen hat.

Jedes Feld des KV-Diagramms ist einer Zeile der Wertetabelle zugeordnet, so dass die eine Darstellung immer in die andere Darstellung überführt werden kann.

Im Video wird zunächst gezeigt, wie ein einfaches KV-Diagramm mit zwei Variablen aufgebaut ist und wie die einzelnen Werte aus der Wertetabelle in das KV-Diagramm überführt wird.

Erstellen der Schaltungsgleichung aus dem KV-Diagramm

Aus dem KV-Diagramm kann anschließend auf sehr einfache Art und Weise die zugehörige Schaltungsgleichung ermittelt werden.

Wie das genau funktioniert, zeigt Herr Wagener in dem Video.

KV-Diagramme mit mehreren Eingangsvariablen

Größere KV-Diagramme entstehen durch das Umklappen der einfachen KV-Diagramme.
Deshalb sind gegenüberliegende Felder eines KV-Diagramms benachbart.

Dies kann man bei der Erstellung der Schaltungsgleichungen nutzen, indem man gegenüberliegende „1“ zusammenfassen kann.

Herr Wagner zeigt dies bei einem KV-Diagramm mit 3 Eingangsvariablen und einem weiteren KV-Diagramm mit 4 Variablen.

Tipps und Regeln für die Arbeit mit KV-Diagrammen

Am Ende des Videos gibt Herr Wagner noch 7 Tipps für die Arbeit einige Tipps und Regeln für die Arbeit mit KV-Diagrammen

Jetzt aber zu Video.

Fourier für Elektrotechniker

Für uns Elektrotechniker ist diese Aussage von Fourier sehr hilfreich.

Statt unsere Systeme in der Nachrichtentechnik für alle möglichen Signale zu untersuchen hilft es uns, das Verhalten für unterschiedliche Frequenzen von Sinus-Signalen zu beschreiben.

Nach Fourier können wir uns dann auch diesen Sinus-Signalen wieder zusammenbauen.

Auch wenn dies nach Fourier nur für periodische Signale geht und auch wenn wir, wenn wir ein Signal sehr genau aufbauen möchten, unendlich viele Sinus- und Cosinus-Signale addieren müssen, gelten viele Aussagen von Fourier auch, wenn man Vereinfachungen zulässt.

Also, ab und zu man Fünfe gerade sein lassen

Fourierreihe

Jedes periodische Signal lässt sich also nach Fourier durch eine unendliche Summe von Sinus- und Cosinus-Signalen aufbauen.

Interessant dabei ist, dass man nicht alle Frequenzen benötigt, sondern nur die Frequenz des Signals, das man zusammenbauen möchte und die Vielfachen dieser Frequenz.

Die Formel für die Fourierreihe lautet also:

Endliche Summe der Fourierreihe

Wie gesagt, man benötigt zwar nur die Vielfachen den Grundschwingung. Da es davon aber unendlich viele gibt, kommt trotzdem einiges zusammen

Durch eine Approximation mit einer begrenzten Anzahl von Schwingungen erhält man auch schonsehr interessante Ergebnisse.

Die Formal lautet dann also:

Koeffizienten der der Fourierreihe

Fourier gibt auch an, wie man die Koeffizienten a und b berechnet. Dies kann man mit Hilfe der Integralrechnung tun. Für viele Signalformen gibt es aber auch Tabellen, bzw. Rechenvorschriften im Tabellenbuch.

Fourier in einem Video

Im folgenden Video möchte ich einmal zeigen, wie man Signale mit den Erkenntnissen von Fourier aufbauen kann.

Viel Spaß mit dem Video.

Wie funktioniert ein Stirlingmotor

Stirlingmotoren arbeiten in einem geschlossenen System, in dem ein Arbeitsgas zwischen einem permanent erhitzten und einem permanent gekühltem Bereich hin- und her bewegt wird.

Das Arbeitsgas ist von der Umwelt abgeschlossen. Es gibt also keine Abgase.

Nun wird beim Stirlingmotor der Effekt ausgenutzt, dass sich ein Gas ausdehnt, wenn es erhitzt wird und sich wieder zusammenzieht, wenn es wieder abkühlt.

Durch das Ausdehnen und Zusammenziehen des Arbeitsgases entstehen Über- und Unterdruck, wodurch die beiden Kolben des Stirlingmotors bewegt werden. Diese Bewegungsenergie kann beispielsweise genutzt werden, um eine Pumpe anzutreiben oder mit Hilfe eines Generators Strom zu erzeugen.

Im folgenden Video wird der Erfinder des Stirlingmotors, Robert Stirling, und die Funktionsweise des Stirlingmotors vorgestellt.

Experimente mit dem Stirlingmotor

Durch die hohe Umweltverträglichkeit hat der Stirlingmotor eine große Chance als künftige Technologie zur Bereitstellung dezentraler Energie zu werden.

Der Franzis-Verlag hat ein sehr interessantes Lernpaket Stirlingmotor entwickelt, mit dem sich viele Aspekte des Stirlingmotors erlernen und ausprobieren lassen.

In folgendem Video wird der Aufbau des Experimentierkastens gezeigt.

Besonders interessant ist auch das mitgelieferte Lehrbuch, in dem auf über 200 Seiten die Funktionsweise und Anwendung des Stirlingmotors detailliert beschrieben wird.

Hier kannst Du einen Blick in das Buch werfen.