Erwin Böhmer Dietmar Ehrhardt Wolfgang Oberschelp. Elemente der angewandten Elektronik

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1 Erwin Böhmer Dietmar Ehrhardt Wolfgang Oberschelp Elemente der angewandten Elektronik

2 Erwin Böhmer Dietmar Ehrhardt Wolfgang Oberschelp Elemente der angewandten Elektronik Kompendium für Ausbildung und Beruf 16., aktualisierte Auflage Mit 603 Abbildungen und einem umfangreichen Bauteilekatalog STUDIUM

3 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. Zusätzliches Material der früheren CD-ROM kann auf extras.springer.com heruntergeladen werden. Das in diesem Werk enthaltene Programm-Material ist mit keiner Verpflichtung oder Garantie irgend - einer Art verbunden. Der Autor übernimmt infolgedessen keine Verantwortung und wird keine daraus folgende oder sonstige Haftung übernehmen, die auf irgendeine Art aus der Benutzung dieses Programm-Materials oder Teilen davon entsteht. Höchste inhaltliche und technische Qualität unserer Produkte ist unser Ziel. Bei der Produktion und Auslieferung unserer Bücher wollen wir die Umwelt schonen: Dieses Buch ist auf säure freiem und chlorfrei gebleichtem Papier gedruckt. Die Einschweißfolie besteht aus Polyäthylen und damit aus organischen Grundstoffen, die weder bei der Herstellung noch bei der Ver brennung Schadstoffe freisetzen. 1. Auflage , neu bearbeitete und erweiterte Auflage , überarbeitete und erweiterte Auflage , überarbeitete und erweiterte Auflage , überarbeitete und erweiterte Auflage , überarbeitete Auflage , überarbeitete Auflage , überarbeitete Auflage , überarbeitete und erweiterte Auflage , überarbeitete Auflage , verbesserte Auflage , verbesserte und erweiterte Auflage , verbesserte und erweiterte Auflage , korrigierte Auflage , aktualisierte und erweiterte Auflage , aktualisierte Auflage 2010 Alle Rechte vorbehalten Vieweg+Teubner GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2010 Lektorat: Reinhard Dapper Walburga Himmel Vieweg+Teubner ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich ge schützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Ur heber rechts ge set zes ist ohne Zustimmung des Verlags unzuläs sig und straf bar. Das gilt ins be sondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg Druck und buchbinderische Verarbeitung: Těšínská Tiskárna, a. s., Tschechien Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in the Czech Republic ISBN

4 Vorwort zur dreizehnten Auflage (gekürzt) Das vorliegende Buch verfolgt wie bisher das Ziel, das Basiswissen zur Elektronik umfassend, kompakt und übersichtlich darzustellen. In den inzwischen erschienenen dreizehn Auflagen habe ich mich stets bemüht, durch Verbesserungen und Ergänzungen manchmal auch durch Streichungen diesem Anspruch zunehmend gerecht zu werden. Dabei habe ich im Hauptteil des Buches die strenge Unterteilung in abgeschlossene Sachthemen auf jeweils einer Text- und einer Bildseite beibehalten, da diese ein Größtmaß an Übersichtlichkeit ergibt. Viele Zusammenhänge, die in dem knapp gehaltenen Text nicht zur Sprache kommen, erscheinen in den Bildern. Die vielen Zuschriften zu dem Buch zeigen, daß es als Begleittext zu sehr unterschiedlichen Lehrveranstaltungen verwendet wird. Offenbar eignet es sich besonders, um Lücken zu schließen, die ein noch so guter Lehrplan schon aus Zeitgründen da und dort läßt. Mit seinen zahlreichen Beispielen dient es als Mittler zwischen Theorie und Praxis. In diesem Sinne ebnet es den Studierenden auch den Weg durch ihr Elektronik-Praktikum und gibt ihnen eine Arbeitsgrundlage zur eigenen Schaltungsentwicklung. Im Hinblick auf diese Funktion wurde der im Anhang zusammengestellte Bauteile-Katalog (blaue Seiten) nochmals erweitert und aktualisiert. In der Hand der Studierenden ersetzt dieser eine Datenbuchsammlung, über die jeder Ingenieur als wichtiges Werkzeug verfügt. Da heute in vielen Fällen die Datenbeschaffung auch über das Internet möglich ist, wurden im Bauteile-Katalog zahlreiche Internetadressen eingefügt. Das bisher schon umfangreiche Sachwortverzeichnis wurde nochmals erweitert, um so den Nutzen des Buches als Nachschlagewerk zu steigern. Da es ein umfassendes Grundlagenwissen enthält, sind auch die wesentlichen Begriffe und ihre Bedeutungen zugänglich. Siegen, 2001 Vorwort zur fünfzehnten Auflage (gekürzt) Ab der jetzt vorliegenden fünfzehnten Auflage beteiligen sich die Professoren Dr.-Ing. D. Ehrhardt und Dr.-Ing. W. Oberschelp als Mitautoren, um mit aktuellen Beiträgen die Weiterentwicklung zu gewährleisten. Besonders hervorzuheben ist der neue Anhang C mit einer praktischen Einführung in die Simulation elektronischer Schaltungen. Siegen und Gelsenkirchen im Januar 2007 Erwin Böhmer Dietmar Ehrhardt Wolfgang Oberschelp Vorwort zur sechzehnten Auflage Das Buch erfährt immer noch eine große Beliebtheit, wie die zahlreichen Zuschriften und Verbesserungsvorschläge beweisen. Wir nehmen die wohl gemeinten Ratschläge gerne auf und haben die meisten der geäußerten Verbesserungsvorschläge in die Neuauflage des Buchs eingearbeitet. Daneben wurde der Anhang C um die graphische Spektralanalyse erweitert. Auch diesem Buch ist wieder eine CD beigefügt, die über Lehre und Forschung auf den Gebieten Halbleiterelektronik, Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik am Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Siegen berichtet. Die Autoren danken dem Institut für diese Unterstützung. Siegen und Gelsenkirchen im Januar 2009 Erwin Böhmer Dietmar Ehrhardt Wolfgang Oberschelp V

5 Inhaltsverzeichnis 1 Elektrische Leitung und Widerstände 1.1 Elektrische Leitung, Grundbegriffe Leitungen und Sicherungen Elektrische Widerstände Übliche Bauformen der Widerstände Stellwiderstände mit Schleifkontakt Widerstandsnetzwerke, passive und aktive Zweipole Homogene Halbleiterbauelemente 2.1 Grundbegriffe der Halbleiter Mess- und Kompensationsheißleiter Anlassheißleiter Kaltleiter Varistoren Feldplatten Fotowiderstände Hallgeneratoren Halbleiterdioden 3.1 Grundlagen der Halbleiterdiode Silizium-Leistungsdioden Dioden im Ladegleichrichter Z-Dioden (Zenerdioden) Fotodioden und Fotoelemente Lumineszenz-Dioden (Leuchtdioden) Kondensatoren 4.1 Kondensatoren, Grundbegriffe Laden und Entladen eines Kondensators Bauformen und Eigenschaften Elektrolytkondensatoren RC-Übertragungsglieder Impulsübertragung durch RC-Glieder Spannungsglättung mit Kondensatoren Spulen und Schwingkreise 5.1 Spulen, Grundbegriffe Spulenkenngrößen und Schaltvorgänge Drosselspulen mit Eisenkernen oder Eisenpulver-Kern Ferritkernspulen Spulen bei höheren Frequenzen Spulen mit nanokristallinem Kern Schwingkreise, Grundbegriffe...68 VII

6 5.8 Schwingkreise mit Tiefpassfunktion Resonanzschaltungen Schwingkreise mit Anzapfungen Schwingquarze Transformatoren und Übertrager 6.1 Verlustfreie Spulensysteme Transformatoren als Übertrager Aufbau und Berechnung von Übertragern Impulsübertrager (Impulstransformatoren) Netztransformatoren Relais 7.1 Elektromagnetische Relais, Arten und Wirkungsweise Betriebseigenschaften von Relais Kontaktmaterial, Kontaktbeanspruchung und Kontaktschutz Relais-Kondensator-Schaltungen Röhren und Displays 8.1 Gasentladungsröhren Vakuumdioden und -trioden Tetroden und Pentoden Bildverstärker, Bildwandler und Bildaufnehmer Vakuum-Lumineszenzröhren (Fluoreszenzröhren) Flüssigkristall-Anzeigen (LC-Displays) Feldeffekt-Transistoren 9.1 Aufbau und Wirkungsweise des Sperrschicht-Feldeffekt-Transistors Feldeffekttransistoren, Groß- und Kleinsignalbetrieb Feldeffekttransistoren in Konstantstromschaltungen Sourceschaltung im Kleinsignalbetrieb Analyse eines Kleinsignalverstärkers in Sourceschaltung Drainschaltung (Sourcefolger) Gateschaltung Feldeffekttransistoren mit isolierter Gate-Elektrode Integrierte MOS-Schaltungen Analogschalter und -multiplexer Kenngrößen und ihre Anwendung Bipolare Transistoren 10.1 Aufbau und Wirkungsweise Emitterschaltung als Großsignalverstärker Temperaturabhängigkeit und innere Stromverteilung Schaltbetrieb des Bipolar-Transistors Gleichstrombetrieb im aktiven Bereich Emitterschaltung als Kleinsignalverstärker Hochfrequenzverhalten der Emitterschaltung VIII

7 10.8 h-parameter und y-parameter Kleinsignalverstärker mit Parallelgegenkopplung Emitterschaltung mit Reihengegenkopplung Kollektorschaltung (Emitterfolger) Basisschaltung Differenzverstärker Transistorverbundschaltungen Operationsverstärker 11.1 Grundbegriffe des Operationsverstärkers Linearer invertierender Verstärker Linearer nichtinvertierender Verstärker Eingangsverhalten des realen Verstärkers Ausgangsverhalten des realen Verstärkers Frequenzgang und Stabilität Differenzierschaltungen Integrierschaltungen Aktive RC-Filter zweiter und höherer Ordnung State-Variable-Filter (SVF) Messgleichrichter Begrenzer, Amplitudenfilter und Funktionsgeber Spannungsquellen Stromquellen Transformationsschaltungen Ausgewählte Analogbausteine 12.1 Standard-Operationsverstärker TAA 765 und LM Mehrfachverstärker und ihre Anwendung Präzisions-Operationsverstärker Steilheits-Operationsverstärker CA 3080 und LM Logarithmierschaltungen Multiplizierbaustein AD Filterbaustein HY 3105 als Universalfilter Schalter-Kondensator-Filter (Switched Capacitor Filter, SC-Filter) Abtast-Halte-Glieder Sinusoszillatoren 13.1 Einfache RC-Oszillatoren RC-Oszillatoren mit Amplitudenregelung LC-Oszillatoren mit der Basisschaltung LC-Oszillatoren mit der Emitterschaltung Kippschaltungen 14.1 Triggerschaltungen mit Transistoren Symmetrische bistabile Kippschaltungen Monostabile und astabile Multivibratoren Trigger mit Operationsverstärkern Fensterkomparatoren Multivibratoren mit Operationsverstärkern IX

8 14.7 Multivibratoren mit dem Timer-IC Funktionsgenerator Spannungs-Frequenz-Umsetzer Kippschaltungen mit Unijunction-Transistoren Vierschichtelemente (Thyristoren) Digitale Verknüpfungs- und Speicherschaltungen 15.1 Diodengatterschaltungen Emitterschaltung als Inverter NOR- und NAND-Gatter in DTL-Technik Grundschaltungen der TTL-Technik Schottky- und ECL-Schaltungen CMOS-Logikschaltungen Kippschaltungen mit NOR- und NAND-Gattern Einfache Flip-Flops mit Taktsteuerung Master-Slave-Flip-Flops (MS-Flip-Flops) Register Frequenzteiler (Untersetzer) und Zählschaltungen Zeitzähler (Timer-Counter) Impulszähler Vergleicher (Komparatoren) Multiplexer und Demultiplexer Schreib-Lese-Speicher (RAMs) ROMs, PROMs und PLDs DA- und AD-Umsetzer 16.1 DA-Umsetzer (DAU) Drei Konzepte für die Analog-Digital-Umsetzung Indirekte Verfahren zur Analog-Digital-Umsetzung Optoelektronik 17.1 Fototransistoren und Fotothyristoren Optokoppler Lichtschranken und Lichtleiter Optische Nachrichtentechnik Leistungstransistoren und Anwendungen 18.1 Verlustleistung und Wärmeableitung Transistor als Leistungsschalter Schnelles Schalten induktiver Lasten Darlington-Leistungstransistoren als Schalter und Steller Leistungs-MOSFETs und IGBTs Leistungsmodule Schaltungsdesign zu MOSFETs und IGBTs Gleichspannungsquellen mit Leistungstransistoren Wechselspannungsquellen für hohe Strombelastung Niederfrequenz-Leistungsverstärker Digitale Niederfrequenz-Leistungsverstärker (D-Verstärker) X

9 19 Thyristoren und Triacs 19.1 Leistungsthyristoren, Grundbegriffe und Funktionsweise Ansteuerschaltungen für Thyristoren Wechselstromsteller mit Thyristoren Dynamische Vorgänge und Schutzbeschaltung Triac, Grundbegriffe und Anwendungsbeispiel Wechselstromschalter mit Triacs und Thyristoren Ansteuerbausteine für Triacs Zeitsteuerungen mit Triacs Spannungs- und Stromversorgung 20.1 Netzgeräte mit Spannungsregler Erzeugung von mehreren Betriebsspannungen Primärzellen und Primärbatterien Sekundärzellen und Sekundärbatterien (Akkumulatoren) Ladeverfahren und Ladetechniken für Akkumulatoren Solargeneratoren Brennstoffzellen ( Fuel Cells, FCs) Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) Drossel-Aufwärtswandler mit PFM-Schaltregler Drossel-Inverswandler mit PFM-Schaltregler Drossel-Abwärtswandler mit PFM-Schaltregler Drossel-Abwärtswandler mit PWM-Schaltregler Sperrwandler mit Speichertransformator Begriffe und Problematik moderner Netzgeräte Formelzeichen und Zählpfeile Anhang A (Tabellen, Diagramme, Formeln) Anhang B Bauteile-Katalog Anhang C SPICE eine Einführung mit Beispielen Anhang D CD-ROM Lehre und Forschung Literaturverzeichnis Quellenverzeichnis Sachwortverzeichnis XI