Elektronik. Lehr- und Übungsbuch für Grundschaltungen der Elektronik, Leistungselektronik, Digitaltechnik/Digitalisierung mit einem

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1 Dieter Zastrow Elektronik Lehr- und Übungsbuch für Grundschaltungen der Elektronik, Leistungselektronik, Digitaltechnik/Digitalisierung mit einem Repetitorium Elektrotechnik 7, überarbeitete und erweiterte Auflage Mit 425 Abbildungen, 77 Lehrbeispielen und 143 Übungen mit ausführlichen Lösungen Viewegs Fachbücher der Technik vieweg

2 VI Inhaltsverzeichnis I R&petitorium Elektrotechnik mit Übungen 1 Elektrotechnische Grundlagen (Auswahl) Definition elektrischer Grundgrößen Stromkreis Messen von Gleichströmen und Gleichspannungen Eigenschaften von Bauelementen und grundlegende Stromkreisgesetze Widerstände mit physikalischen Abhängigkeiten 4 -Temperatur 4 -Kraft 5 -Magnetismus 5 -Licht Beschreibungsmittel und Kenngrößen von Spannungen (Strömen) Mittelwerte periodischer Größen Komplexe Rechnung für Wechselstromtechnik Drehstromsystem Transformator 10 - Einphasen-Kerntransformator 10 - Gesetze des idealen Transformators Grundschaltungen mit Formelsammlung Übungsaufgaben 17 irwngln die Elektronik 2 Grundbegriffe der Halbleitertechnik Elektrische Leitfähigkeit der Materialien Störstellenleitung der Halbleiter Eigenleitung der Halbleiter Halleffekt als Nachweis für Elektronen- und Löcherleitung Eigenschaften des pn-übergangs der Halbleiter, Eigenschaften von Halbleiter-Kanälen Übungsaufgaben,» 31 3 Halbleiterdiode als nichtlihearer Widerstand /-{/-Kennlinie der Halbleiterdiode Arbeiten mit Kennlinien /-[/-Kennlinien Übertragungs-Kennlinen Begrenzerschaltungen mit Dioden Übungsaufgaben 37

3 VII III Grundschaltungen der Elektronik 4 Spannungsstabilisierung mit Z-Diode Aufgabe einer Spannungsstabilisierung Z-Diode als Stabilisierungselement Analyse derz-dioden-konstantspannungsschaltung Leerlauffall Belastungsfall Übungsaufgaben 47 5 Konstantstromschaltung mit JFET Aufgabe einer Konstantstromschaltung Feldeffekttransistor (JFET) als Konstantstromelement Analyse der JFET-Konstantstromschaltung Übungsaufgaben 56 6 Transistor als Schalter Übersicht über grundlegende Transistortypen Kennlinien und Kennwerte der Bipolartransistoren Schichtenaufbau, Anschlüsse, Polung Messschaltung Kennlinien Kennlinien und Kennwerte der Feldeffekttransistoren Kanalstruktur, Anschlüsse, Polung Messschaltung Kennlinien Grenzdaten Spannungsgrenzwerte Stromgrenzwerte Temperatur- und Leistungsgrenzwerte Sicherer Arbeitsbereich (SOA = Safe Operating Area) Grundbegriffe der Schaltverstärker Schaltzustände des Transistors Übersteuerung Schaltzeiten Berechnungsgang für den Schaltverstärker Schalten mit Leistungstransistoren Eigenschaften von Leistungs-MOSFETs Ansteuern von Leistungs-MOSFETs High-Side und Low-Side-Schalter Periodisches Schalten von induktiven Lasten in Gleichstromkreisen CMOS-Inverter als Schalter Schaltungsprinzip eines CMOS-Inverters Betriebsspannung, Pegel, Belastbarkeit Schalten mit Optokoppler Übungsaufgaben 83

4 VIII Inhaltsverzeichnis 7 Transistor als Verstärker Grundbegriffe der Verstärkertechnik Vierpoldarstellung des Verstärkers Kennwerte des Verstärkers Arbeitspunkteinstellung Kollektorruhestrom Arbeitswiderstand Arbeitspunkt Verstärkungsvorgang im Kennlinienfeld Ermittlung der Verstärkerkennwerte Messen der Leerlauf-Spannungsverstärkung Messen des Eingangswiderstandes Messen des Ausgangswiderstandes Rechnerische Ermittlung der Verstärkerkennwerte Frequenzgang Untere Grenzfrequenz Obere Grenzfrequenz Verstärker-Grundschaltungen Übungsaufgaben 99 8 Operationsverstärker und Grundschaltungen Übersicht Eigenschaften eines Standard-Operationsverstärkers Der invertierende und nichtinvertierende Eingang Aussteuerungsgrenzen der Ausgangsspannung Aussteuerungsgrenzendes Ausgangsstromes Differenzverstärkung und Gleichtaktverstärkung Gleichtaktunterdrückung Ausgangsspannung Eingangswiderstand Ausgangswiderstand Frequenzgang Slew Rate Datenblatt des Standard-Operationsverstärkers Operationsverstärker als linearer Verstärker Gegenkopplungsprinzip Rechenregeln für gegengekoppelte Operationsverstärker, Invertierender Verstärker Nichtinvertierender Verstärker, Operationsverstärker als Schalter Komparator...: Invertierender Schmitt-Trigger Nichtinvertierender Schmitt-Trigger Übungsaufgaben 124

5 IX 9 Analoge Signalverarbeitung Addierer Grundschaltung des Umkehraddierers Prinzip der Digital-Analog-Umsetzung mit Umkehraddierer Subtrahierer Grundschaltung mit 1 Operationsverstärker Variante mit 2 Operationsverstärkern Instrumentenverstärker (Subtrahierer mit 3 OpV) Integrierer Grundschaltung Betriebsarten eines Integrators Integratoranwendungen Mittelwertbildener Multiplizierer Multiplizieren Dividieren Leistungsverstärker Komplementärendstufe im B-Betrieb Komplementärendstufe im AB-Betrieb Gegentaktendstufe als Nachsetzverstärker für Operationsverstärker Leistungs-Operationsverstärker Trennverstärker Einsatzgebiete für Trennverstärker Prinzipien der Trennverstärker Kennwerte der Trennverstärker Beschaltung von Trennverstärkern Übungsaufgaben Schwingungserzeugung Rechteckgeneratoren Astabile Kippschaltung mit Operationsverstärker Rechteckgenerator mit Timer Funktionsgenerator Spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) Phase-Locked-Loop PLL Nachlaufsynchronisation Aufbau eines PLL-Regelkreises * Integrierter PLL-Baustein Sinus-Oszillatoren f; Übungsaufgaben 171 IV Leistungselektronik 11 Gleichrichtung Mischspannung Gleichrichterschaltungen im Leerlaufbetrieb 178

6 Mittelpunktschaltungen Brückenschaltungen Spannungsglättung Stromglättung Berechnung von Gleichrichterschaltungen mit Stromglättung Sekundärspannung U Sekundärstrom I *' Primärstrom/i Typenleistung des Transformators Sj r Zusammenstellung der Berechnungsgrundlagen Übungsaufgaben Leistungssteuerung mit Thyristoren, Triacs, IGBTs und IGCTs Thyristor als steuerbarer Schalter Steuersatz Thermische Eigenschaften von Thyristoren Triac als bidirektionaler Thyristor Wechselstromsteller (Phasenanschnittsteuerung) Wechselstromschalter (Periodengruppensteuerung) Gesteuerte Drehstrombrücke mit Gleichstrommotor als Last Gleichrichter-und Wechselrichterbetrieb Ausgangsgleichspannung der Drehstrombrücke, ideelle Gleichspannung Drehzahlverstellung durch Ansteuerung der Drehstrombrücke Pulsierender Gleichstrom der Drehstrombrücke, ideeller Gleichstrom Betriebsarten des Stromrichterantriebs im «-M-Betriebsdiagramm Frequenzumrichter mit Drehstrom-Asynchronmotor als Last Schaltungs- und Funktionsprinzip des Frequenzumrichters Drehstrom-Asynchronmotor als Motorlast für den Frequenzumrichter Drehzahlsteuerung des Asynchronmotors mit dem Frequenzumrichter Eigenschaften und Schaltverhalten der Leistungshalbleiter Freilaufdioden Insulated Gate Bipolar Transistor: IGBT Integrated Gate Commutated Thyristor: IGCT Übungsaufgaben Stabilisierte Stromversorgung * Kenngrößen einer Stabilisierungsschaltung Einfache Serienstabilisierung,...: Lineare Spannungsregler Spannungsreglerprinzip Prinzip der Strombegrenzung Integrierte lineare Spannungsregler DC/DC-Wandler Abwärtswandler (Tiefsetzsteller) Aufwärtswandler (Hochsetzsteller) Invertierender Wandler 266

7 XI 13.5 Schaltnetzteile Schaltnetzteil, gesteuerter Betrieb Schaltnetzteil, geregelter Betrieb Übungsaufgaben 271 V Digitaltechnik und Digitalisierung 14 Grundlagen der digitalen Schaltungstechnik Begriffe: digital, binär, positive Logik, Bit, Byte Abgrenzung zwischen Analog- und Digitalschaltungen Schaltnetze Logische Funktionen und Grundverknüpfungen Abgeleitete Grundfunktionen Disjunktive Normalform für beliebige Schaltnetze Vereinfachung einer redundanten Schaltfunktion Schaltungsumwandlung, De Morgan'sche Regeln Schaltwerke Monostabile Kippstufe Bistabile Kippstufen (Flipflops) Zähler Schieberegister Abhängigkeitsnotation Übungsaufgaben Grundlagen der Digitalisierung Grundsätzliches zu Datenerfassungssystemen (Messketten) Grundbegriffe der Abtast- und Quantisierungstheorie Verfahren der Analog-Digital-Umsetzung Flash-Umsetzer Sukzessive Approximations Umsetzer Dual-Slope-Umsetzer Beschattung und Abgleich eines Analog-Digital-Umsetzers Grundsätzliches zu Datenausgabesystemen Verfahren der Digital-Analog-Umsetzung Digital-Analog-Umsetzer mit dual gestuften Widerständen Digital-Analog-Umsetzer mit R-2R-Netzwerk Beschallung und Abgleich eines DA-Umsetzers Übungsaufgaben 322 Lösungen der Übungen 325 Sachwortverzeichnis 362