## OPs

### Gegentaktverstärker

Mit Hilfe von verschiedenen Schaltungen oder Bauteile lassen sich Ströme ein-, ausschalten oder auch verstärken. Diese haben aber meist einen großen Nachteil. Sie können nur - oder + durchschalten.

Für diese Probleme gibt es die Gegentaktstufe. So eine Stufe besteht aus zwei Komplementärtransistoren. Das heißt aus einem NPN- und einem PNP-Transistor. Beide Typen sollten, im Idealfall, komplett gleiche technische Daten haben.

#### Gegentaktverstärker an positiver Spannung


Der Eingang wird an die Plus-Leitung gelegt. Hier kommt dann ein Stromfluss zur Basis von T1, begrenzt durch den Lastwiderstand R4, zustande und dieser steuert durch. Aus der Basis von T2 kommt aber kein Strom zustande und er sperrt.

R1 und R2 dienen als Temperaturkompensation. Alle Halbleiter haben die Eigenschaft, dass sie bei steigender Temperatur leitfähiger werden, so auch Transistoren. Sollten sich hier die Transistoren erwärmen, würde der Strom steigen. Dies bewirkt eine Spannungssteigerung an den entsprechenden Widerständen. Dadurch sinkt die CE-Spannung und der Strom sinkt wieder etwas. Dies hat zur Folge, dass sich der Transistor wieder abkühlt.


An R3 fallen jetzt ca. 0,7 V ab.


Der Rest fällt über R4 ab. Hier messen wir die 8,3 V.

#### Gegentaktverstärker an negativer Spannung


Der Verstärker ist mit dem Null-Potenzial verbunden.
Wie bereits bekannt sein dürfte, steuert ein PNP-Transistor durch, wenn ein Strom aus der Basis fließt (wenn das Potenzial an der Basis negativer ist als das des Kollektors). Dies ist hier bei T2 gegeben. Der Basisstrom muss hier nicht begrenzt werden, er ergibt sich aus dem Lastwiderstand R3.

Bei der Messung an R4 wurde dort auch eine kleine Spannung festgestellt. Diese entsteht durch den Spannungsabfall von R2 und der EC-Strecke des Transistors.

T1 benötigt zum Durchsteuern aber einen Stromzufluss (Das Potenzial an der Basis mit positiver sein als das des Kollektors). Da dieser hier nicht gegeben ist, sperrt der Transistor.


Über R4 misst man tatsächlich ca. 8,3 V.


Über R3 misst man eine Spannung von ca. 0,7 V.

### Differenzverstärker

In der Elektronik kommt es immer wieder vor, dass man eine genaue Messung von einem bestimmten Wert machen muss. Dafür reichen einfache Transistorstufen nicht aus, da diese sehr bauteil- und temperaturabhängig sind. Für genauere Messungen benutzt man so genannte Differenzverstärker. Diese besitzen 2 Eingänge und am Ausgang kann man die genaue Differenz der Eingänge ablesen.


Betrachten wir die Schaltung erst einmal mit der Bedingung, dass beide Potentiometer sich in Mittelstellung befinden, also die beiden Eingangsspannungen gleich sind.
In diesem Fall steuern die beiden Transistoren gleich stark durch und es ist kein Spannungsunterschied an den beiden Kollektoranschlüssen messbar.


Drehen wir nun z.B. den Potentiometer P2 in Richtung der positiven Spannung, leuchtet die Diode D1 auf.
Durch die höhere Spannung an der Basis von T2 steuert er weiter durch. Dementsprechend wird die Kollektorspannung von T2 geringer. Nun ist die Kollektorspannung von T1 positiver als die von T2 und durch die Leuchtdiode D1 kommt es zu einem Stromfluss. Die LED leuchtet auf.


Wird nun an der Basis von T2 eine geringere Spannung angelegt, indem wir den Poti P2 in die negative Richtung drehen, sperrt dieser stärker. Die Kollektorspannung an T2 steigt entsprechend.
Nun haben wir eine höhere Kollektorspannung an T2 als an T1 und es kommt ein Stromfluss durch D2 zustande. Nun leuchtet diese auf.

### Komparator


#### Allgemein:
Ein Komparator ist ein Vergleicher, der zwei Eingänge besitzt. Ein Eingang ist invertiert und wird mit einem Minuszeichen (-) gekennzeichnet. Der andere Eingang ist nicht invertiert und wird mit einem Pluszeichen (+) gekennzeichnet. Je nachdem, welcher Eingang das höhere Spannungspotential aufweist, bzw. bei einer negativen Spannungsdifferenz zwischen den beiden Eingängen wird der invertierende Eingang verstärkt und bei einer positiven Spannungsdifferenz zwischen den beiden Eingängen wird der nicht-invertierende Eingang verstärkt, wird der Ausgang des Komparators umgeschaltet.
Am Ausgang liegt dann entweder die Vcc+ oder Vcc-.
Wenn am nicht-invertierenden Eingang das höhere Potenzial anliegt, bleibt die Polarität der Spannung gleich. Wenn am invertierenden Eingang das höhere Potenzial anliegt, wird die Spannung am Ausgang polaritätsmäßig umgekehrt.

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#### Komparator bei uns:
Der Komparator wird mit Vcc+ an 5 V und mit Vcc- an GND betrieben, d.h. unser Ausgangssignal am Out sind entweder 5 V oder 0 V.
Außerdem Abblockkondensatoren: Sie dienen dazu, die impulsartigen Spannungseinbrüche der Versorgungsspannung zu glätten, die entstehen, wenn das IC schaltet. Sie müssen so nah wie möglich am IC sein, um dynamische Spannungsabfälle gering zu halten (Leiterbahnen verhalten sich wie Induktivitäten und bei hohen Frequenzen weisen diese dann einen hohen Widerstand auf, an dem mehr abfällt).

**Grundfunktion:**
Eine variable Spannung wird mit einer festen Referenzspannung verglichen. Unsere Referenzspannung liegt bei GND (0 V). Die variable Spannung ist die Ausgangsspannung des Netzteils.

**Netzteil 1,25 - 12 V**
Am invertierenden Eingang ist die Referenzspannung von 0 V angelegt. Am nicht-invertierenden Eingang ist die variable Spannung von 1,25 V - 12 V angelegt. Haben wir an diesem Eingang eine Spannung, wird die Differenzspannung zwischen den beiden Eingängen positiv, und die Spannung am nicht-invertierenden Eingang wird durchgeschaltet. Die Ausgangsspannung wird zu Vcc+, also 5 V. Die Polarität bleibt erhalten (nicht-invertierender Eingang + und Vcc+).


**Netzteil -1,25 - -12 V**
Am nicht-invertierenden Eingang ist die Referenzspannung von 0 V angelegt. Am invertierenden Eingang ist die variable Spannung von -1,25 V - -12 V angelegt. Haben wir an diesem Eingang eine Spannung, wird die Differenzspannung zwischen den beiden Eingängen negativ, und die Spannung am invertierenden Eingang wird durchgeschaltet. Die Ausgangsspannung wird zu Vcc+, also 5 V. Die Polarität wird umgekehrt (invertierenden Eingang - und Vcc+).


**Ausgangsproblem:**
Wir wollen mithilfe einer LED anzeigen, dass die Spannung seitens des Netzteils gegeben ist. Aber eine LED mit einer variablen Spannung zu betreiben,funktioniert nicht. Also haben wir ein Bauteil gesucht, das aus einer variablen Eingangsspannung trotzdem einen konstanten Ausgang gibt.

In einem Bauteil zwei Komparatoren: 4 Eingänge, 2 Ausgänge, Vcc+, GND

SO-8 Gehäuse

https://www.reichelt.de/komparator-2-fach-so-8-lm-393-d-smd-p18717.html?&trstct=pos_0&nbc=1

## Step Down Switching Regulator

https://www.reichelt.de/de/de/step-down-adj-1-235--35-v-4-0--36-v-so-8-l-5973-d-p109304.html?trstct=pos_0&nbc=1&&r=1

ein interner Transistor wird regelmäßig ein und ausgeschaltet mit hoher Frequenz
dadurch wird elektrische Energie vom Vcc zu OUT transferiert
Spule und Kondensatoren sind dafür da, die Last zu versorgen in den Phasen, in denen der Transistor ausgeschaltet ist
Wenn der Schalter offen ist, ist die Diode dafür da, dass die Energie aus der Spule über die Diode abfließen kann

Vcc 24V gleichgerichtet vom Trafo
Vref 3,3V
FB 1,235V
OUT Output eingestellt auf 5 V
INH mit High Bauteil deaktiviert, mit LOW aktiviert
GND GND
(SYNC für Master/Slave Synchronisation (brauchen wir nicht))
(COMP Frequenzkompensation)

Im Datenblatt vorgegeben:
* C21 / C4 : Spannung glätten (Spannungseinbrüche, niederfrequente Störungen)
* C11 / C10 : Glätten (Spannungsspitzen, hochfrequente Störungen)
* Folie im Kondensator -> induktiver Anteil -> großer Kondensator: hohe Frequenz entspricht hohem Widerstand $(X_L = 2π \cdot f \cdot L)$ -> Induktivität sperrt für hochfrequente Signale -> kleiner Kondensator: sperrt nicht für hohe Frequenzen und glättet diese dann
* Spule und Kondensatoren : Tiefpass und Energiespeicher
* D4 : ermöglicht Stromfluss aus der Spule heraus, wenn der interne Transistor nicht schaltet
* COMP : Frequenzkompensation (stabile Funktion ohne große Schwankungen, kein Überschwingen)
* FB : Der Spannungsteiler legt die Ausgangsspannung fest. Die Referenzspannung wird mit der Rückkopplungsspannung verglichen. Dadurch kann er im geschlossenen Regelkreis arbeiten und entsprechend takten. Der Ausgang wird hingeregelt.

Nicht vorgegeben:
* Z-Dioden: Spannungsstabilisierung
* 1Ω : für einfachen Austausch, um andere Verstärkung zu schaffen

Über das Widerstandsverhältnis am FB kann man die Ausgangsspannung einstellen. Am FB liegen 1,235V an und entsprechend der gewünschten Ausgangsspannung kann man seinen Spannungsteiler wählen.

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### 5V


#### Berechnungen:

$\frac{V_{FB}}{V_{OUT}} = \frac{R_{12}}{R_{ges}}$

$R_{ges}=R_{12}+R_{15}+R_8$

$\frac{1,235V}{5,3V} = \frac{3,3kΩ}{14301Ω}$

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### 1,25V - 12,5V


* keine Z-Diode am Ausgangs mehr, weil wir variablen Ausgang haben
* ==1Ω für einfachen Austausch, um andere Verstärkung zu schaffen==
* durch die Nutzung eines Potis im Spannungsteiler an FB ist die Ausgangsspannung einstellbar

#### Berechnungen:

$\frac{V_{FB}}{V_{OUT}} = \frac{R_1+R_5}{R_{ges}}$

$R_{ges}=R_1+R_5+R_6+P_2$

Höchste Ausgangsspannung, größter Wert beim Poti:

$\frac{1,235V}{12,5V} = \frac{100Ω + 1kΩ}{11101Ω}$

Niedrigste Ausgangsspannung, niedrigster Wert beim Poti:

$\frac{1,235V}{1,25V} = \frac{100Ω + 1kΩ}{1101Ω}$

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### -1,25V - -12,5V


#### Berechnungen:

$\frac{V_{FB}}{V_{OUT}} = \frac{R_1+R_5}{R_{ges}}$

$R_{ges}=R_1+R_5+R_6+P_2$

Höchste Ausgangsspannung, größter Wert beim Poti:

$\frac{1,235V}{12,5V} = \frac{100Ω + 1kΩ}{11101Ω}$

Niedrigste Ausgangsspannung, niedrigster Wert beim Poti:

$\frac{1,235V}{1,25V} = \frac{100Ω + 1kΩ}{1101Ω}$

* OUT wird auf das reale GND (0 V) gelegt, das Bauteil erhält einen neuen Bezugspunkt, das Potenzial wird verschoben, der Ausgang wird festgelegt
* OUT ist immer positiver als das, was an GND und FB anliegt (siehe andere Beschaltungen)
* Poti bestimmt das Potenzial zwischen FB & GND
* über R2 und R3 fallen 1,23V ab
* GND ist der Ausgang, GND ist einstellbar
* Ein Regler-IC vergleicht die Ist-Ausgangsspannung über eine Feedback Leitung mit der Soll-Ausgangsspannung und passt das PWM Signal für den Transistor dementsprechend an

## Einspeisung


### Trafo


https://www.reichelt.de/de/de/printtrafo-25-va-12-v-rm-32-5-mm-ei-60-25-5-112-p27383.html?trstct=pol_0&nbc=1&&r=1

Sicherheitstransformator: SELV und PELV
Eingang 230Vac
Ausgang 24Vac
Bemessungsleistung 50 VA
Leerlaufverluste 3,8W
Wirkungsgrad 87%
Schutzklasse 2
Frequenz 50-60 Hz

Ein Transformator kann Wechselspannung umwandeln. Man kann eine Wechselspannung in eine höhere oder niedrigere Spannung umwandeln.


Meistens besteht er aus zwei Spulen aus Kupferdraht und einem Eisenkern. Es gibt die Primär- und die Sekundärspule: An der Primärspule wird die Eingangsspannung angelegt und an der Sekundärspule kann man die Ausgangsspannung entnehmen.
Damit die Wechselspannung in eine andere umgewandelt werden kann, werden die beiden Spulen unterschiedlich oft um den Eisenkern gewickelt. Man sagt, sie haben unterschiedlich viele Wicklungen, sie besitzen unterschiedliche Windungszahlen.
Der Eisenkern ist dafür da, eine magnetische Verbindung zwischen den beiden Spulen herzustellen.

**Elektromagnetische Induktion:** Wenn eine Spule von einem sich wechselnden Magnetfeld durchdrungen wird, entsteht in ihr eine elektrische Spannung, eine Induktionsspannung.
Die Eingangswechselspannung wird primärseitig an den Transformator angelegt. Dadurch entsteht an der Primärspule ein sich kontinuierlich änderndes Magnetfeld. Mithifle des Eisenkerns erreicht das Magnetfeld die Sekundärspule.
Die Spule wird dann von einem sich wechselnden Magnetfeld durchdrungen, wodurch in ihre eine Wechselspannung entsteht. Die Wechselspannung an der Sekundärspannung ist die Ausgangsspannung, die entnommen werden kann.

Das Wicklungsverhältnis wird wie folgt bestimmt:

$\frac{N_1}{N_2}=\frac{U_1}{U_2}$

$N_1$ = Windungszahl an der Primärspule
$N_2$ = Windungszahl an der Sekundärspule
$U_1$ = Eingangsspannung (an der Primärspule)
$U_2$ = Ausgangsspannung (an der Sekundärspule)


### Gleichrichter


B2U - Die ungesteuerte Zweipuls-Brücken-Schaltung bzw. der Brückengleichrichter
Sie klappt die negative Halbwelle der Wechselspannung nach oben.


Positive Halbwelle: D1 und D2 sind in Durchlassrichtung und D3 und D4 in Sperrrichtung. Dadurch entsteht ein Stromfluss durch D1 und D2, und nicht durch D3 und D4.


Negative Halbwelle: D3 und D4 sind in Durchlassrichtung und D1 und D2 in Sperrrichtung. Dadurch entsteht ein Stromfluss durch D3 und D4, und nicht durch D1 und D2.

Während der positiven Halbwelle schalten D1 und D2 durch und während der negativen Halbwelle schalten D3 und D4 durch. So entsteht am Ausgangs des Brückengleichrichter eine pulsierende Gleichspannung.


### Glättung / Siebung



* die Lücken der pulsierenden Gleichspannung überbrücken

* $C_{26}$: Spannung glätten (Spannungseinbrüche, niederfrequente Störungen)
* $C_{25}$: Glätten (Spannungsspitzen, hochfrequente Störungen)

* Folie im Kondensator -> induktiver Anteil -> großer Kondensator: hohe Frequenz entspricht hohem Widerstand $(X_L = 2π \cdot f \cdot L)$ -> Induktivität sperrt für hochfrequente Signale -> kleiner Kondensator: sperrt nicht für hohe Frequenzen und glättet diese dann

* Brummspannung: Restwelligkeit der elektrischen Spannung
* der noch verbleibende Wechselspannungsanteil einer geglätteten Spannung

### Sicherung

Sicherungen unterbrechen den Stromkreis, wenn die Stromstärke im Kreis den zulässigen Nennstrom übersteigt. Sie schützt Bauteile, Leitungen und den Menschen vor Überstrom.
Eine Sicherung besteht meist aus einem Metallstreifen, der sich bei einem zu hohen Strom auflöst, bzw. “durchbrennt”. Durch das Auflösen des Metallstreifens wird der Stromkreis unterbrochen und es kann kein Strom mehr fließen. Ein zu hoher Strom kann sowohl durch Kurzschlüsse als auch eine zu hohe Leistungsaufnahme des Verbrauchers kommen. Die Sicherung minimiert die Brandgefahr und verhindert, dass weitere Bauteile der Schaltung im Fehlerfall zerstört werden.


Sicherung bei uns: Zusätzliche Status-LED, die leuchtet, wenn die Sicherung nicht mehr funktioniert.

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## Löten

### THT("Through Hole Technology"): Durchsteckmontage
**Löten:**
* Bauteile in die Löcher der Platine stecken
* auf der Rückseite Beinchen umknicken und abknipsen
* Bauteile befinden sich dadurch schon in einer einigermaßen festen Position, man muss sie nicht mit weiterem Werkzeug festhalten
* an der Rückseite verlöten

**Entlöten:**
* die Beinchen mithilfe eines Entlötkolbens von Zinn befreien und von der Platine trennen
* Bauteil herausziehen

### SMD ("Surface-Mounted Device"): oberflächenmontiertes Bauteil
* unterschiedliche Größen, die wir benutzt haben bei Kondensatoren und Widerständen:
* 0402: 0,4x0,2mm
* 0603: 0,6x0,3mm
* 0805: 0,8x0,5mm
* entsprechend klein müssen die Lötspitzen sein
* Entlötlitze und Heißluftfön anstatt Entlötkolben
* schmales Lötzinn
* feines Werkzeug zum Halten der Bauteile
* ggf. Lupe und entsprechendes Licht

**Löten:**
* ein Pad verzinnen
* Bauteil mit Pinzette an das verzinnte Pad halten
* das verzinnte Pad wieder erwärmen und das Bauteil mit Pinzette in die gewünschte Position schieben
* Lötkolben entfernen und die Lötstelle anziehen lassen
* alle anderen Pads an das Bauteil löten

**Entlöten:**
* mit Lötkolbenzangen bei Widerständen, Kondensatoren und allem, was an zwei Seiten festgelötet ist
* mit Heißluftfön bei ICs und allem, was viele Beinchen oder sogar Flächen hat

Größenvergleich zwischen IC, Lötspitze und Finger

Löten mit dem Heißluftfön

## Inbetriebnahme

### Verhalten im Lastfall (10Ω)

Bei -7,5 V : -0,711A
beschränkt durch die Buck-Boost-Schaltung des L5973Ds (laut Datenblatt nur 0,6A)
Bei 10 V : 1,028A

### Innenwiderstand der Schaltung

Ermittelt mithilfe zwei verschiedener Lastfälle:
Bei 10 Ω : 10 V und 1,055 A
Bei 100 Ω : 9,8 V und 0,104 A

$$ R_i = \frac {ΔU}{ΔI} = \frac{10 V - 9,8 V}{1,055 A - 0,104 A} = \frac{0,2 V}{0,951 A} = 210mΩ $$

Jede Spannungsquelle besitzt einen Innenwiderstand Ri, der symbolisch alle inneren Verluste zusammenfasst. Aufgrund dieses Innenwiderstands weicht die Klemmenspannung einer belasteten Spannungsquelle von der Urspannung im unbelasteten Fall ab.

Die nutzbare Leistung einer Spannungsquelle hängt immer vom Verhältnis von Innenwiderstand der Quelle zu dem des Verbrauchers ab.

## SELV

Der Begriff SELV (Safety Extra Low Voltage = Sicherheitskleinspannung) bezeichnet Spannungen, die aufgrund ihrer geringen Spannungshöhe und Isolierung besonderen Schutz gegen elektrischen Schlag bieten. Die Sicherheitskleinspannung muss bei <50Vac oder <120Vdc liegen.
Kein aktiver Leiter darf mit Schutzleiter, Erde oder mit Körpern anderer Spannungen verbunden sein.
Die Anschlüsse der Primärseite (230V) des Trafos sind berührungssicher (untere Anschlüsse). Auf der Platine selbst befindet sich keine Hauptspannung.