Simulationsprogramme on Elektronik Dachbude

VB.Net: Beispielprogramme aus Grundlagen der Elektronik

Thu, 31 Jan 2013 18:02:23 +0100

Am besten lernt man eine Programmiersprache immer anhand von Beispielen, die man anschließend selbst nachprogrammiert. Deswegen werde ich hier einige Programme veröffentlichen und teilweise auch erklären. Da sich einige Programme sehr ähneln, habe ich sie in Pakete zusammengepackt und erkläre nur das erste im Detail. Bei den restlichen werden nur die Besonderheiten kurz erläutert.

Alle Simulationsprogramme als Exe-Dateien

Beispielset I

NPN-Transistor

Reihenschaltung

Innenwiderstand

Widerstand - VB.Net Beispiel

Wed, 30 Jan 2013 17:45:33 +0100

Widerstände spielen in jeder Schaltung eine große Rolle. Sie ermöglichen es uns u.A. den Strom genau zu steuern und verhindern somit das Durchbrennen von LEDs und anderen Bauteilen. In diesem Programm dreht es sich speziell um die Widerstände der meist benutzen E24-Reihe. In dieser Reihe gibt es eine diskrete Anzahl von Widerstandswerten. Diese Werte kann man anhand der Farbringe ablesen. Die ersten beiden Ringe stehen für eine zweistellige Zahl, die noch mit einer Zahl 10x multipliziert wird. Der letzte Ring (meist golden) gibt die Genauigkeit dieser Angaben an (in diesem Fall 5%). Angenommen Sie suchen also einen 100-Ohm-Widerstand, müssen Sie nach den Farbringen braun (1), schwarz(0), braun (= 101 = 10) Ausschau halten. Die genauen Farbcodes finden Sie u.A. hier: http://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/1109051.htm

Diodenkennlinie - VB.Net Beispiel

Wed, 30 Jan 2013 17:43:41 +0100

Dioden zeichnen sich durch ihre logarithmischen Strom/Spannungs-Kennlinie aus. Welche Form die U/I-Kurve aber genau annimmt; hängt von der Art der Diode und ihrer Temperatur ab. Das hier vorgestellte Programm simuliert dabei die vier geläufigsten Dioden bei Temperaturen zwischen 0° und 150°C. Sie können sich das Strom/Spannungs-Verhältnis bei gewählten Parametern angucken, oder Sie lassen sich gleich den ganzen Verlauf, also die Diodenkennlinie im Bereich von 0 bis 20 mA aufzeigen.

Das Programm besteht größtenteils aus bekannten Elementen. Dreh und Angelpunkt ist die folgende Diodengleichung, die den Strom in Abhänigkeit von der Spannung und der Temperatur berechnet. I_s ist vom jeweiligen Diodentyp abhängig:

Elektronen - VB.Net Beispiel

Wed, 30 Jan 2013 17:41:41 +0100

Dieses Programm simuliert, wie sich Elektronen in einem Leiter verhalten. Man kann gut sehen, wie sich die Elektronen bei kleinem Strom nur langsam fortbewegen. Bei größeren Strömen werden die Elektronen aktiver und bewegen sich schneller durch den Leiter. Wenn kein Strom anliegt bewegen sich die Elektronen trotzdem ein wenig, aber ohne eine bestimmte Richtung zu bevorzugen. Dies nennt man Rauschen. Zu beachten ist, dass sich die Elektronen nie berühren, sondern immer leicht voneinander abstoßen.

Tiefpassfilter - VB.Net Beispiel

Wed, 30 Jan 2013 16:24:37 +0100

Die Simulation des Tiefpassfilters konnte mit geringen Änderungen aus dem Hochpassfilterprogramm entwickelt werden. Beide Programme unterscheiden sich nur in der Berechnung der Amplitude und Phasenverschiebung.

z = Math.Sqrt(r * r + Xc * Xc)
uC = (u0 * Xc) / z
‘Phasenverschiebung berechnen
phasev = (-Math.Acos(uC / u0)) * 180 / Math.PI
‘Ur Zeichen
ZeichnenSin(freq, 3, uC, 0.5, phasev)

Diesmal eilt die Phase am Ausgang nach. Man kann sehr anschaulich das Verhalten des Filters untersuchen. Interessant ist z.B. der Fall der Grenzfrequenz. Die Amplitude ist gerade auf 0,7 gefallen (-3 dB), die Phase ist um 45 Grad verschoben.

Hochpassfilter - VB.Net Beispiel

Wed, 30 Jan 2013 16:22:48 +0100

Das Programm stellt ein Zweikanal-Oszilloskop dar. Ein Sinusgenerator mit einstellbarer Frequenz und konstanter Amplitude liegt am Eingang des Tiefpassfilters und an einem Kanal des Oszilloskops. Die Sub ZeichnenSinb plottet den Sinus im Ausgabefenster

freq = (VScrollBarF.Maximum + VScrollBarF.Minimum - VScrollBarF.Value) / 10
u0 = 2

ZeichnenSinb(freq, 3, u0, 0.5, 0) ‘Eingangsspannung zeichnen

Der andere Kanal liegt am Ausgang des Filters. Die folgenden Rechnungen ermitteln die Ausgangsamplitude und die Phasenverschiebung. Die Ausgangsspannung wird entsprechend dieser Ergebnisse in einem zweiten Sinusgenerator gebildet.

Netzteil - VB.Net Beispiel

Wed, 30 Jan 2013 16:20:20 +0100

Das Programm simuliert die Restwelligkeit eines 12V-Netzteils mit Vierweggleichrichter und Siebelko. Sowohl der Lastwiderstand als auch die Kapazität des Elkos lassen sich einstellen. Auf dem simulierten Oszilloskopschirm (der Picturebox) kann man den Spannungsverlauf sehen.

Die Berechnungen sind hier verhältnismäßig simpel. Ut ist die gleichgerichtete Eingangswechselspannung, wobei die Sinusfunktion die Wechselspannung am Trafo berechnet und die Absolutwertbestimmung (Abs) den Vierweggleichrichter simuliert.

vt = vt + 360 / 80
If vt >= 361 Then vt = 0
xvt = Math.PI * vt / 180.0
ut = Math.Abs(17 * (Math.Sin(xvt)))

Arbeitspunkt Emitterschaltung - VB.Net Beispiele

Wed, 30 Jan 2013 16:18:23 +0100

Für jeden Transistorverstärker gibt es einen optimalen Kollektorstrom, den man auch als Arbeitspunkt bezeichnet. Bei diesem Signalverstärker in Emitterschaltung sollte man den Basiswiderstand rb passend zur Stromverstärkung V möglichst so einstellen, dass die Kollektorspannung uce ohne Aussteuerung (ut=0) in der Mitte bei 2,5 V liegt. Das ergibt dann den idealen Arbeitspunkt, bei dem die größte verzerrungsfreie Aussteuerung möglich ist.
ib = 4.4 / rb + ut / 1000
ic = ib * v
uce = 5 - ic * 1000

Gegenkopplung - VB.Net Beispiel

Wed, 30 Jan 2013 16:15:48 +0100

In diesem Programm wird eine Emitterschaltung mit Gegenkopplung simuliert. Die Änderung zu einem normalen Transistorverstärker ist, dass hier die Basis über einen Widerstand mit dem Kollektor verbunden ist. Damit wird einer Vergrößerung des Kollektorstroms entgegengewirkt. Das Resultat ist eine verkleinerte Verstärkung aber auch eine geringere Verzerrung.

In dem Programm treten viele Neuerungen auf einmal auf. Es wird hier zum ersten Mal mit einer gezeichneten Ausgabe auf einer Picturebox gearbeitet. Wenn Sie sich bereits mit älteren VB-Versionen auskennen, werden Sie hier einige Änderungen feststellen. Allerdings habe ich versucht, altbekannte Prozeduren nachzuprogrammieren. Das sollte die Umstellung erleichtern.

Schmitt-Trigger - VB.Net Beispiel

Wed, 30 Jan 2013 16:09:40 +0100

Bei dem Schmitt-Trigger-Programm tritt wieder etwas Besonderes auf. Hier haben wir das erste Mal Select Case statt einer IF-Abfrage benutzt. Das liegt daran, dass die Berechnung der Werte davon abhängen, welcher Zustand vorher gültig war. Visuell wird das in einer Hysteresekurve dargestellt.

Quelltext

Public Class frmST
Dim Re, Ui As Double
Dim fall
Dim uc1, ue, ub2, u1, ua As Double
Dim i1, i2

Private Sub frmST_Load(ByVal sender As System.Object, ByVal e As System.EventArgs) Handles MyBase.Load
fall = 1
berechnen()
End Sub

Invertierender Verstärker -VB.Net Beispiel

Wed, 30 Jan 2013 16:07:49 +0100

Das Programm Inventierender Verstärker funktioniert ähnlich wie das vorangegangen Programm Nichtinvertierender Verstärker.

Das Programm unterscheidet sich vom Vorgänger fast nur durch eine etwas andere Rechenregel (vgl. ELEXS)

Rv = R1 / (R1 + R2)
V = -(R2 / R1)
Uv = Rx * V

Quelltext

Public Class frmIV

Dim R1, R2, Rx
Dim V
Dim Uo, Uplus, Uminus
Dim Uv, Rv

Private Sub sR2_Scroll(ByVal sender As System.Object, ByVal e As System.Windows.Forms.ScrollEventArgs)Handles sR2.Scroll
berechnen()
End Sub

Nichtinvertierender Verstärker - VB.Net Beispiel

Wed, 30 Jan 2013 16:05:27 +0100

Dieses Programm simuliert eine Schaltung mit einem nichtinvertierenden Operations-Verstärker.

Die eigentliche Berechnung im Programm ist ganz einfach und bestimmt die Verstärkung und die Ausgangsspannung aus dem Verhältnis von Widerständen (vgl. ELEXS).

Rv = R2 / (R1 + R2)

V = (R1 + R2) / R2
Uv = Ui * V

Die Rechnung kann theoretisch auch Ausgangspannungen außerhalb des Bereichs der Betriebsspannung ergeben. Deshalb wird hier in einem zweiten Schritt die tatsächliche Spannung nach oben und unten bis auf 0,5 V an der Betriebsspannung begrenzt. Wenn dieser Übersteuerungsfall eintritt weicht die Spannung am invertierenden Eingang des OPV von der am nichtinvertierenden ab und muss eigens aus dem Spannungsteilungsverhältnis berechnet werden.

Innenwiderstand - VB.Net Beispiel

Wed, 30 Jan 2013 16:03:19 +0100

Mit dem Programm Innenwiderstand kann man beobachten, wie sich Strom und Spannung in Schaltungen verhalten, wenn man den Innenwiderstand einer Stromquelle, die Spannung der Stromquelle oder die Last verändert.

Die Berechnung ähnelt der bei der Reihenschaltung, weil der innere und der äußere Widerstand einen Spannungsteiler bilden. Mehr dazu findet man in ELEXS .

rges = Ri + Ra
Ia = Ui / rges
Ua = Ra * Ia

Quelltext

Public Class frmInnen
Dim Ui, Ri, Ia, Ra, Ua
Private Sub berechnen()
Dim rges

Reihenschaltung -VB.Net Beispiel

Wed, 30 Jan 2013 15:57:17 +0100

Dieses Programm berechnet Ströme und Spannungen in einer Reihenschaltung. Sowohl die beiden Widerstände als auch die Eingangsspannung sind dabei veränderbar.

In diesem Programm wird die Funktion Math.Round benutzt. Mit ihr kann man Zahlen auf eine bestimmte Anzahl von Nachkommastellen runden. Auf wie viele Stellen gerundet werden soll, gibt der zweite Parameter an, z.B.: Math.Round(2.2345, 3).

Die eigentliche Berechnung (vgl. physikalische Hintergründe in ELEXS) steht in den folgenden drei Zeilen:

I = Math.Round(U / ((R1 + R2)), 3)
Ur1 = R1 * I
Ur2 = U - Ur1
Alles andere beschäftigt sich mit der Eingabe und Ausgabe von Werten.

NPN-Transistor - VB.Net Beispiel

Wed, 30 Jan 2013 15:52:42 +0100

Bei diesem Programm geht es darum, eine einfache NPN-Transistor-Schaltung zu simulieren. Mit verschiedenen Schiebern kann man einen veränderlichen Widerstand und damit die Eingangsspannung verstellen. Interessante Größen werden dann berechnet und an entsprechenden Labels ausgegeben.

Hauptsächlich können Sie an diesem Beispiel sehen, wie man eine Sub aufruft und wie man kleinere Rechnungen ausführt.

Die visuelle Oberfläche ist größtenteils durch ein vorgegebenes Hintergrundbild definiert. Somit spart man sich das komplizierte Zeichnen im Desingeditor. Anschließend sind an den passenden Stellen Label und Schieber hinzugefügt worden.