Kap 3 Ergänzung Nach GTO WS14 (2)

7/25/2019 Kap 3 Ergnzung Nach GTO WS14 (2)

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Bauelemente../Leistungselektronische Bauelemente

Gate Turn Off Thyristor (GTO) Bisherige Schaltelemente (Thyristor,Triac) nur EIN

AUS nur ber:

Last/Versorgung/Lschschaltung

Nur Anschnitt der Phase mglich

(nur 1x EIN pro Halbwelle)

Lschschaltung: inverser Gateimpuls rumt kurzzeitig freie

Ladungstrger aus Thyristor heraus hochohmig, sperrt.

Nachteil: Abschalt Gatestrom = neg. Laststrom (bis kA!)

GTO:Abschalten mit ~25% des Laststromes

Dadurch "pulsen" mglich (1-2kHz)

Umax ~ 5kV Imax ~ 2kA

Einsatz: sehr hohe Leistungen ~10MW (z.B.:Schiffsantriebe)60


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Bauelemente../Leistungselektronische Bauelemente A

Gate Turn Off Thyristor / Aufbau

Schaltsymbol:

hnlich Thyristor

Aufbau:

stark asymmetrische Dotierung (graue Zonen)

Stromverstrkung von T1

(grau) gering

Nach EIN bleibt Thyristor "gerade noch" niederohmig

AUS : Neg. Gatestrom

freie Ladungstrger aus Basis T2, Kollektor T1kurzzeitig "ausgerumt" Thyristor sperrt

@ Impuls (geladener Kondensator) @

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Leistungs MOSFET Grenzwerte:Umax ~ 1kV Imax ~ 15A

Umax

~ 200V Imax

~ 400A

Durchlasswiderstand RDS,ON :10m (Umax~50V)

200m (Umax~500V)1000m (Umax~1000V)

Schaltfrequenz:10 kHz bis 100 kHz

Einsatzgebiete:

Niederspannung (


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Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) Aufbauend auf Leistungs MOSFET

untere (Drain-Schicht) verndert

hhere Sperrspannung ~6kV hhere Strme ~2kA (kleinerer Durchlasswid.)

kleinere Schaltfrequenz (


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Leistungselektronische Anwendungen Unterscheidung: Elektronik zur Signalverarbeitung:

Ziel: Aufbereitung und bertragung von Signalen (Informationen)

Analog sowie DigitalAnwendung:Analogtechnik: Messelektronik...; Digitaltechnik: Computer,Telefon, ...

Leistungselektronik:

Ziel: Energie umwandeln, bertragen

Leistungselektronik - Anwendungen:10-3 W (mW) ... 10+6 W (MW)

lineare Systeme ... hhere Leistung getaktete Systeme Funktionsprinzip:hochfrequentes EIN/AUS-schalten + Energiespeicher

kontinuierliches Ausgangssignal

Beispiele: Gleichstrom (DC)-Wandler (BUCK - BOOST)105


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Ausgang:IA = Mittelwert von IL ; C filtert UA

Leitphase:Eingangsstrom IE = IL dIE/dt=(UE-UA)/L (UE>UA)Energie : LI2/2

Sperrphase:Strom IL kommutiert in Diode UL = -UAdIL/dt=(-UA)/L Induktivitt treibt Strom zum Ausgang

Tiefsetzsteller (BUCK-Konverter) Abwrtswandler (UA


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Tiefsetzsteller (BUCK-Konverter) Parameter:Schaltfrequenz konstant

Tastverhltnis (Ein-/Ausschaltdauer)

"Nicht-lckender Betrieb":Strom IL immer > 0

Tastverhltnis : gro

Ausgangsstrom : groAusgangsspannung : gro (UA=UE Mittelwert!)

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"Lckender Betrieb":Strom ILphasenweise = 0Kondensator treibt IAAusgangsstrom : klein

Regelung:Tastverhltnis bestimmt UA und IA

Animationen: IPES(http://www.ipes.ethz.ch/ipes/d_index.html)

Tiefsetzsteller (BUCK-Konverter) Parameter:Schaltfrequenz konstant

Tastverhltnis (Ein-/Ausschaltdauer)

"Nicht-lckender Betrieb":Strom IL immer > 0

Tastverhltnis : gro

Ausgangsstrom : groAusgangsspannung : gro (UA=UE Mittelwert!)

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1..0===Schalt

LeitSchaltLeit f

109

Tiefsetzsteller (BUCK-Konverter) Formeln:S = 1: IE=IL=I0+1/L (UE-UA)dt

S = 0: UA=-UL=-L*dIL/dt

TastverhltnisAusgangsspannung: UA = UE (Mittelwert, nicht-lckend)

Leistungsbilanz:

UE IE= PE = UA IA = PA(Mittelwerte; Verluste in Bauteilen vernachlssigt)

Strme: IE = IA(Mittelwerte, nicht-lckend)

Energiebertragung:

berwiegend whrend LeitphaseInduktivitt daher nicht als Speicher (Drossel+Luftspalt)> z.B.: 'normaler' hf Transformator

geeignet fr grere Leistungen (>200W)

"Durchflusswandler"


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Leitphase: @Eingangsstrom IE = IL dIL/dt=UE/L Eingangsstrom fliet nur in linker Masche

Energie : LI2/2 Sperrphase: @

Strom IL kommutiert in Ausgangskreis UA = UE + (-UL)Strom sinkt (dIL/dtUE) Funktionsprinzip:

2 Phasen (Leit- / Sperrphase)Schalter geschlossen LeitphaseEnergie in Speicher

Schalter offen Sperrphase

Energie aus Speicher zum Ausgang

110


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Lckender BetriebNicht-lckender Betrieb

Animation: IPES(http://www.ipes.ethz.ch/ipes/d_index.html)

Hochsetzsteller (BOOST-Konverter) Formeln:Spannung

Strom

Tastverhltnis

Energiebertragung:

nur in Sperrphase Induktivitt = Speicher (Drossel)

Sperrwandler ; Leistung


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Ausgang:IR= Mittelwert von IL ; C filtert UA

Leitphase:Eingangsstrom IE=IL UE=UL= LdIL/dt Energie : LI2/2

Sperrphase:Strom IL kommutiert in Ausgangsmasche UL = -UA (Vorzeichen springt)dIL/dt=(-UA)/L Induktivitt treibt Strom zum Ausgang

Tief-hochsetzsteller (BUCK-BOOST Konv.) Spannungsinvertierer (UA UE) Funktionsprinzip:

2 Phasen (Leit- / Sperrphase)Schalter geschossen LeitphaseEnergie in Induktivitt (Speicher)

Schalter offen Sperrphase

Energie aus Speicher zum Ausgang

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Animation: IPES(http://www.ipes.ethz.ch/ipes/d_index.html)

Tief-hochsetzsteller (BUCK-BOOST Konv.) Formeln:Spannung

Strom

Tastverhltnis:

Spannungsoffset an L:

Stromanstieg (!Sttigung Magnetkreis!)

Energiebertragung:

nur in Sperrphase Induktivitt = Speicher (Drossel) Sperrwandler ; Leistung


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Bauelemente../Operationsverstrker A

Operationsverstrker (OPV) Integrierte Schaltungen mit hoher Verstrkung (UA >> UE; V~105)Informationsbertragung, Signalverarbeitung (NICHT Energiewandlung)

Weit verbreitet in Analogtechnik

Signalaufbereitung

Filtern von Strungen

Verstrkung von Audio- /Videosignalen

Leistung : max. einige Watt Ziel:

Genau definierte Eigenschaften

Unabhngig von Arbeitspunkt, Temperatur, .

Transistorverstrker @

Erfllt Anforderungen meist nicht

(iB, iC, Temperatur, Frequenz, )

Abhilfe:

OPV mit hoher Geradeausverstrkung + Rckkopplung114


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Bauelemente../Operationsverstrker

Operationsverstrker (OPV) Rckkopplung definiert Gesamteigenschaften

Vorwrts- , Rckwrtszweig:

OPV (v0), bertragungsfaktor

Differenzbildung: (Differenzverstrker)

Ausgangsspannung:

Gesamtverstrkung: (v0 sehr gro)

Schwankungen von v0 haben kaum Einfluss

AE uu

( )AEA uuu = v0

1

v1v

0

0 +

=E

A

uu

115


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Operationsverstrker (OPV) Aufbau / Funktion Bipolare Spannungsversorgung (15V)

2 Eingnge: E+ , E-

Ausgang (~ 13V) Entscheidend fr Funktion:

Differenzspannung: uD= uE+- uE-Geradeausverstrkung: v0 >> (10

5)

uA= v0 uDEingangswiderstand: >> (1012 )

iE+, iE- ~0

Rckkopplung (positiv / negativ)

(Mit- / Gegenkopplung)

Weitere Betrachtungsweise: idealer OPV Differenzverstrkung: v0 =

Gleichtaktverstrkung: vCM = (d)uA/(d)uCM = 0 (uD=0; uE1=uE2=uCM )

Eingangswiderstand: rE =

Ausgangswiderstand: rA = 0116


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Operationsverstrker (OPV) Verstrkerschaltungen(negative Rckkopplung; Gegenkopplung)

Kennzeichen:Ausgang E-Eingangsspannung: uE = uE+Differenzspannung: uD 0

Ausgangsspannung: uA = uE/ Komparatorschaltungen

(positive Rckkopplung; Mitkopplung)

Kennzeichen:Ausgang E+ (wegen v0 auch ohne Rckkopplung)

Eingangsspannung: uE = uE- (bei Rckkopplung)Differenzspannung: uD 0 !!

Ausgangsspannung: uA = uA,max


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Negative Rckkopplung Elektrometerverstrker Kennzeichen:

sign(uE) = sign(uA): nicht invertierend Eingangswiderstand: rE >>; iE 0

Ausgangsspannung: uA uE

Formeln: rechte Masche:

Bauelemente../Operationsverstrker/Gegenkopplung A

118

AuRiRi =+ 21

22 Riuuu ERD ==+

=

+==

1

2

21

R

RR

u

uv

E

A

u

linke Masche: (uD=0 virtuelle Verbindung + - )

Verstrkung:


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Negative Rckkopplung Summierverstrker 1 Kennzeichen:

sign(uE) sign(uA): invertierend Eingangswiderstand: rE = RE Ausgangsspannung: uA = - uE/

Formeln: Knotenregel:


119

RAE ii =

EEEDEE RiuuRi == = )0(

===

1

E

A

E

A

u R

R

u

uv

Maschenregel: (uD=0 virtuelle Masse)

Verstrkung:

IPES

ARADA Riuu += = )0(


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Negative Rckkopplung Summierverstrker 2 Kennzeichen:

sign(uE) sign(uA): invertierend summiert Eingangsspg.: uEi Verstrkung ber RA einstellbar



120

RAEEE iiii =++ 321

iEDiEiE uuRi ,)0(,, = =

=

++==

1

3

3

2

2

1

1

E

E

E

E

E

EA

E

Au

R

u

R

u

R

uR

u

uv

Maschenregel:

Verstrkung:

ARADA Riuu += = )0(


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Negative Rckkopplung Summierverstrker 3: Integrator Kennzeichen:

sign(uE) sign(uA): invertierend Integration des Stromes

Widerstand verhindertDavonintegrieren



121

CE ii =

EDEE uuRi = = )0(

==

11

)( 0 dtuCR

uuu EE

CEA

Maschenregel:

Verstrkung: (uC0 = 0)

dtiC

uuu CCDA ++= = 10)0(


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Negative Rckkopplung Summierverstrker 4: Differentiator (Hochpa) Kennzeichen:

invertierend

Differentiation von uE Widerstand verhindert

Sttigung - Bandbegrenzung



122

RAE ii =

=+= dtiCuu EED

1)0(

==

1)( A

EEA RC

dt

duuu

Maschenregel:

Verstrkung:

RAADAEE iRuuiC

dtdu +== = )0(


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Negative Rckkopplung Summierverstrker 5: Exponential / Logarithmier Schaltung Kennzeichen:

bentzt Diodenkennlinie

am Eingang - Exponential

am Ausgang - Logarithmus

Formeln: Diodengleichung:


123

= 1T

EU

u

SAA eiRu

==

E

EA

Uu

SEDR

uueiii T

A

ln1

Exponential:

Logarithmisch:

Vorsicht: UT = temperaturabhngig

= 1T

EU

u

SE eii


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Positive Rckkopplung Komparator Grundschaltung Kennzeichen:

uD 0

(Maschenregel NICHT anwendbar) Vergleich von Spannungen

(schaltender Regler)Ausgangsspannung: uA = uA,max

bei v0

=nur 2 Spannungspegel mglichIn Grundschaltung : ohne Rckkopplung

Funktion:

Bauelemente../Operationsverstrker/Mitkopplung A

124

Referenzspannung uRef

definiert Schaltschwelle

V0 ~ 105 uA=v0 uE

uE = 0,1mV uA=10V

Inversion durch Vertauschen von E+ / E-

Nachteil: keine Hysterese:Strungen von uE nahe uRef verstrkt


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Positive Rckkopplung Komparator mit Hysterese (Schmitt-Trigger) Kennzeichen: REbestimmt Eingangswid.

uD 0 ! NICHT invertierend !

wird durch Rckkopplung verstrkt Strungen von uE

durch Hysterese eliminiert

bertragungsverhalten durch:

uSat+ und uSat- (fix) bzw. uaus und uein (RE,RA) festgelegt Funktion / Berechnung:

OPV-Typ bestimmt uSat+ und uSat-typisch: V+,V- 15V; uA= 13V

Maschengleichung:


125

Umschaltpunkte: uE+ =0 : (uD wird kurzzeitig = 0)

IPES

( ) EEAAE iRRuu +=

A

ESatEEausEAESatA

R

RuRiuuRiuu ++ =====:nAusschalte

A

ESatEEeinEAESatA

RRuRiuuRiuu =====:nEinschalte


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Maschengleichung:


126


IPES

( ) EEAAE iRRuu +=

A

ESatEEausEAESatA

R


A

ESatEEeinEAESatA


B l /O i k /Mi k l A


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Maschengleichung:


127


IPES

( ) EEAAE iRRuu +=

A

ESatEEausEAESatA

R


A

ESatEEeinEAESatA


B l t /O ti t k /Mitk l A


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Positive Rckkopplung Komparator mit Hysterese (Schmitt-Trigger) Kennzeichen:

uD 0 ! INVERTIEREND !

wird durch Rckkopplung verstrkt Eingangswiderstand

bertragungsverhalten durch:uSat+ und uSat- (konst. mit OPV-Typ)

bzw. uaus und uein (R1,R2) festgelegt Funktion / Berechnung:

uSat+ und uSat- typisch: |V+,V-| -2V; uA= 13V

Gleichungen:


128

Umschaltpunkte: uE = uE1 :21 RR

u

i

Sat

+=

+

21bzw. RR

u

i

Sat

+=

21

22bissteigend:nAusschalte

RR

RuRiuu SatausE

+== +

21

2bisfallend:nEinschalteRR

Ruuu SateinE+=

Bauelemente /Operationsverstrker/Mitkopplung A


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Positive Rckkopplung astabiler Multivibrator Kennzeichen:

Zeitabhngige Rckkopplung

Erzeugung periodischer Signalfolgen zustzliche Rckkopplung

Funktion :

Invertierender Komparator &zeitverzgerte Rckkopplung auf (-) @

uA = uSat+ uE- steigt mit (RC) an @

uE- uaus Komparator springt um

uA = uSat- uE- sinkt mit (RC) ab @ uE- uein Komparator springt um

Frequenz einstellbar ber:

RC = R1. R2


129



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Positive Rckkopplung monostabiler Multivibrator (Univibrator) Kennzeichen:

Zeitabhngige positive Rckkopplung

Entprellen von Schaltern/Tastern Funktion : (|uSat+|=|uSat-|=uSat)

Ausgangszustand iC= 0 uE+= uRef , uC= uSat-uRefEingang uE-= 0 uA= uSat @

uE- uRef uA springt um (uA=-2uSat)uE+= uRef -2 uSat + uRefKondensator wird entladen umgeladen

Kondensator uC= -uSat @

uA springt um (uA=+2uSat) Kondensator wird umgeladen uC= uSat-uRef Ausgangszustand erreicht @

"Ausblendezeit" einstellbar ber:

RC = bzw. uRef


130



33/48









RC = bzw. uRef


131



34/48









RC = bzw. uRef


132



35/48









RC = bzw. uRef


133



36/48









RC = bzw. uRef

p pp g

134

Bauelemente../Operationsverstrker/ Mess-Regel-Schaltungen A


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Regler: PI Anwendung / Eigenschaften

Eingang = Regelabweichung(sollist)

P-Anteil:

+ unverzgert- bleibende Abweichung

I-Anteil:+ keine Stationrabweichung

- Schwingung mglich

Funktion:

p g g

135

Summierverstrker (inverterend):P-Anteil (RA, RE):

Kondensator in Rckkopplung:I-Anteil (RE, C):

= dtu

CRu

R

Ru E

E

E

E

AA

1

E

E

AA u

R

Ru =



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P-Anteil:



- Schwingung mglich

Funktion:

136



= dtu

CRu

R

Ru E

E

E

E

AA

1

E

E

AA u

R

Ru =



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P-Anteil:



- Schwingung mglich

Funktion:

137



= dtu

CRu

R

Ru E

E

E

E

AA

1

E

E

AA u

R

Ru =



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Regler: PID Anwendung / Eigenschaften Bei manchen Regelstrecken

D-Anteil:

+ Zustzliche Stellgre(direkter Durchgriff)

- Messrauschen

- Stellgrenbegrenzung bei Sprung

Funktion:

138

mathematisch exakte Differentiationpraktisch nicht realisierbar:

R1begrenzt Dynamik (du

E

/dt)

R2 stabilisiert Integration (uEdt)

dt

duCRdtu

CRu

C

C

R

Ru EEAE

AE

E

A

E

E

AA +

+

+=

1



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Differenzverstrker Anwendung / Eigenschaften strempfindliche Signale

Gleichtaktstrungen

Reine Differenzbildung Eingangswiderstand !

Formeln:

139

Maschenregel mit uD=0:

+=

+

+

EGE

EGER

RR

Ruu

EG



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Gleichtaktstrungen


Formeln:

140


+=

+

+

EGE

EGER

RR

Ruu

EG

( )+

+

+==

EEGE

EGEE

E

REERRR

Ruu

Ruui

EG

11 =+ EREE uuRi EG



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Gleichtaktstrungen


Formeln:

141


Verstrkung (mit iRA=-iE-):

+=

+

+

EGE

EGER

RR

Ruu

EG

( )+

+

+==

EEGE

EGEE

E

REERRR

Ruu

Ruui

EG

11 =+ EREE uuRi EG

+

+

++= E

AE

EGE

EGERA

RRu

RRRuuu EGARARA Riuu EG =



44/48


Gleichtaktstrungen


Formeln:

142


Verstrkung (mit iRA=-iE-):

+=

+

+

EGE

EGER

RR

Ruu

EG

( )+

+

+==

EEGE

EGEE

E

REERRR

Ruu

Ruui

EG

11 =+ EREE uuRi EG

+

+

++= E

AE

EGE

EGERA

RRu

RRRuuu EGARARA Riuu EG =

( )( )

+

+=

+

+

E

AE

EEGE

AEEGEA

R

Ru

RRR

RRRuu

Mit RE-=RE+=R1 sowie RA=REG=R2 : ( ) 12

R

R

uuu EEA = +

Bauelemente../Analogtechnik/Schaltungen


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Filter Frequenzabhngige Schaltungen:

Bearbeitung von Information (nicht Energie, Leistung)

Kommunikation (Audio, Video, Telefon,)

Metechnik (Signalverarbeitung) Frequenzanteile gezielt abschwchen bzw. verstrken

Signalrauschen (hohe Frequenzen)

Offset (Gleichanteil)

143

Einfachste Ausfhrung: passive Filterschaltungen(keine OPV, Transistoren etc.)

Hochpass: hohe Frequenzen unvernderttiefe Frequenzen abgeschwcht (nicht eliminiert)

Tiefpass: tiefe Frequenzen unverndert

hohe Frequenzen abgeschwcht

Bandpass: Frequenzbereich (Frequenzband:minmax ) unverndert

ausserhalb (minbzw. max ) abgeschwcht



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Hochpass Einfachste Realisierung:

C R:

Eingang: uE = uC + uR Ausgang: uA = uR

nur Abschwchung (uE uA) Funktion / Formeln:

144

nur Information bertragen (Spannung)

Ausgang unbelastetiA=0

Spannungen:

bertragungsfunktion:

Grenzfrequenz:

RC ii =

Riuu RAR == CjiuCC

1=

CjRE Riu

1+=

)0(90

)(0

1arctan

=+

=

Sperr

Durchlassuu AECR

Cj

R

1bei =

2

1=

GE

A

u

u

CR

G

=1

CR

fG

=

2

1

( ) 11 +=+= CRjCRj

R

R

u

u

CjE

A



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Tiefpass Einfachste Realisierung:

R C:

Eingang: uE = uR+ uC Ausgang: uA = uC

Gegenstck zu Hochpass Funktion / Formeln:

145

Ausgang unbelastetiA=0

bertragungsfunktion:

Grenzfrequenz:

CR ii =

CjCE Riu

1+=

( ))(90

)0(0arctan

==

Sperr

Durchlassuu AECR

( ) CRjRuu

Cj

Cj

E

A

+=

+=

1

11

1

Cj

R

1=

2

1=

GE

A

u

u

CR

G

=1

CR

fG

=

2

1

Cj

iuu CCA

1==



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Alternativ: LR Filter Hochpass:

Tiefpass:

Anwendung zumeist RC: (Kondensator: billiger, sttigt nicht, ..)146

( )LjRiu LE +=

Sperr

Durchlassuu AEL

R +=

900

arctan

LjR

Lj

u

u

E

A

+=

L

RG =

L

RfG

=

2

Ljiuu LLA ==

Riu RA =

( )LjRiu RE +=

LjR

R

u

u

E

A

+

=

Sperr

Durchlassuu AER

L =

900

arctan

Kap 3 Ergänzung Nach GTO WS14 (2)

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