Klaus Beuth/Olaf Beuth. Elementare Elektronik

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2 Klaus Beuth/Olaf Beuth Elementare Elektronik

3 Klaus Beuth/Olaf Beuth Elementare Elektronik mit Grundlagen der Elektrotechnik 8., überarbeitete Auflage Vogel Buchverlag

4 Zur Fachbuchgruppe «Elektronik» gehören die Bände: Klaus Beuth/Olaf Beuth: Elementare Elektronik Heinz Meister: Elektrotechnische Grundlagen (Elektronik 1) Klaus Beuth: Bauelemente (Elektronik 2) Klaus Beuth/Wolfgang Schmusch: Grundschaltungen (Elektronik 3) Klaus Beuth: Digitaltechnik (Elektronik 4) Helmut Müller/Lothar Walz: Mikroprozessortechnik (Elektronik 5) Wolfgang Schmusch: Meßtechnik (Elektronik 6) Klaus Beuth/Richard Hanebuth/Günther Kurz: Nachrichtentechnik (Elektronik 7) Wolf Dieter Schmidt: Sensorschaltungstechnik (Elektronik 8) Olaf Beuth/Klaus Beuth: Leistungselektronik (Elektronik 9) Weitere Informationen: ISBN Auflage Alle Rechte, auch der Übersetzung, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf in irgendeiner Form (Druck, Fotokopie, Mikrofilm oder einem anderen Verfahren) ohne schriftliche Genehmigung des Verlages reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Hiervon sind die in 53, 54 UrhG ausdrücklich genannten Ausnahmefälle nicht berührt. Printed in Germany Copyright 1987 by Vogel Business Media GmbH & Co. KG, Würzburg Umschlaggestaltung: Michael M. Kappenstein, Frankfurt/M.

5 5 Vorwort Die Elektronik wuchs heran als ein Teilgebiet der Elektrotechnik und wurde in mehr oder weniger großem Umfang zunächst nur von den Angehörigen elektrotechnischer Berufe genutzt und weiterentwickelt. Erstaunliche Dinge konnte man jetzt verwirklichen. Elektrische Steuerungen aller Arten wurden mit Elektronik wesentlich leistungsfähiger, kleiner und sogar billiger. Die Mikroelektronik erlaubt die Herstellung sehr komplizierter Schaltungen auf kleinem Raum und zu Preisen, die man vorher nicht für möglich gehalten hätte. Mechanische Teile können in großer Zahl eingespart werden. Mit dem Aufkommen der Digitaltechnik wuchsen der Elektronik vielfältige weitere Möglichkeiten zu. Digitale Signale werden durch nur zwei Zustände, 0 und 1, in bestimmten Codes dargestellt. Die Schaltungen arbeiten nach digitaler Logik. Elemente der Computertechnik dringen immer mehr auch in Bereiche ein, die mit dem eigentlichen Rechnen nichts zu tun haben. Der steuernde Mikrocomputer, die künstliche Intelligenz, ist in vielen Maschinen wirksam. Roboter übernehmen Teilaufgaben in der Produktion, Kraftfahrzeuge erhalten einen Bordcomputer als zentrale Steuereinheit. Werkzeugmaschinen, Geräte der Nachrichtentechnik und Haushaltsgeräte werden digital gesteuert und arbeiten zum großen Teil automatisch. Angehörige von Berufen, die bisher der Elektrotechnik und der Elektronik weitgehend fernstanden, wie z. B. Maschinenbauer und Kraftfahrzeugtechniker, werden plötzlich mit elektronischen Bauteilen und Schaltungen konfrontiert. Sie sollen mit solchen Schaltungen umgehen können, sie montieren, in Betrieb nehmen und warten und nach Möglichkeit auch reparieren. Vor allem erwartet man von ihnen, dass sie Fehler eingrenzen und beurteilen können. Das alles geht nicht ohne fundierte Kenntnisse. Führungskräfte müssen informiert sein. Ihr Wissen muss den großen Überblick erlauben und Entscheidungen ermöglichen, die vielleicht sehr weitreichend sind. Grundkenntnisse sind erforderlich. Unbedingt notwendig ist die Kenntnis der Begriffe. Ohne Begriffskenntnis kann man Gesprächen und Vorträgen nicht folgen und ist so ziemlich hilflos. Man sollte mitreden können. Die Autoren haben es sich zur Aufgabe gemacht, ein Buch vorzulegen, das alle wichtigen Teilgebiete der Elektronik leicht verständlich, klar gegliedert und mit hohem Informationswert darstellt. Es war ihr Ziel, das Wesentliche herauszuarbeiten und zu erläutern. Hierbei wurde berücksichtigt, dass die Grundkenntnisse der Elektrotechnik für das Verständnis elektronischer Bauelemente und Schaltungen unbedingt notwendig sind. «Von den Grundgrößen Strom, Spannung und Widerstand bis zur Mikrocomputerschaltung», so könnte der Untertitel lauten. Erfahrungen aus der Erstellung und aus der Überarbeitung langjährig erfolgreicher Fachbücher über Gebiete der Elektronik wurden eingebracht. Bei der Darstellung des Stoffes konnten Erkenntnisse aus der Praxis und aus vielfältiger Lehrtätigkeit mitverwendet werden. Wichtige Merksätze stehen in roten Kästen und sind so leicht auffindbar. Die Formeln sind nach ihrer Bedeutung rot unterlegt herausgehoben. Der Aufbau des Buches ist so, dass ein Selbststudium leicht möglich sein dürfte. Die Autoren wünschen den Benutzern des Buches guten Arbeitserfolg. Für Anregungen und Verbesserungsvorschläge sind sie stets dankbar. Berlin und Waldkirch Klaus Beuth Olaf Beuth

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7 7 Inhaltsverzeichnis Vorwort Elektrische Grundgrößen Elektrische Ladung Elektrische Spannung Elektrischer Strom Elektrischer Widerstand Elektrischer Leitwert Leiter und Nichtleiter Spezifischer Widerstand Leitfähigkeit Widerstand und Temperatur Elektrische Stromkreise Ohmsches Gesetz Unverzweigte Stromkreise, Reihenschaltung Verzweigte Stromkreise, Parallelschaltung Widerstandsnetzwerke Vorwiderstände Spannungsteiler Unbelasteter Spannungsteiler Belasteter Spannungsteiler Brückenschaltung Arbeit und Leistung bei Gleichstrom Elektrische Arbeit Elektrische Leistung Wirkungsgrade Spannungserzeuger Urspannung und Innenwiderstand Ersatzspannungsquelle Reihenschaltung von Spannungserzeugern Parallelschaltung von Spannungserzeugern Elektrisches Feld Grundlagen Kapazität, Ladung und Energie Kondensatoren an Gleichspannung Magnetisches Feld Grundlagen Dauermagnetismus Magnetische Kreise Kraftwirkung magnetischer Felder... 67

8 8 Inhaltsverzeichnis 6.5 Induktion und Selbstinduktion Abschirmung magnetischer Felder Spulen an Gleichspannung Wechselspannung und Wechselstrom Sinusförmige Wechselspannungen Sinusförmige Wechselströme Liniendiagramm und Phasenverschiebung Zeigerdiagramme Nichtsinusförmige Wechselgrößen Blindwiderstände und Scheinwiderstand Induktiver Blindwiderstand und Blindleitwert Kapazitiver Blindwiderstand und Blindleitwert Scheinwiderstand und Scheinleitwert Arbeit und Leistung bei Wechselstrom Elektrische Leistung Elektrische Arbeit Mehrphasenwechselstrom (Drehstrom) Drehstromsysteme Anwendungen Sternschaltung Dreieckschaltung Leistung und Arbeit bei Drehstrom Lineare und nichtlineare Widerstände Allgemeine Eigenschaften Festwiderstände Eigenschaften von Festwiderständen Bauarten von Festwiderständen Einstellbare Widerstände Heißleiterwiderstände (NTC Widerstände) Kaltleiterwiderstände (PTC Widerstände) Spannungsabhängige Widerstände (VDR) Kondensatoren und Spulen Kondensatoren Eigenschaften von Kondensatoren Bauarten von Kondensatoren Spulen Eigenschaften von Spulen Bauarten von Spulen Frequenzabhängige Zwei- und Vierpole Allgemeines Reihenschaltung von R und C

9 Inhaltsverzeichnis Reihenschaltung von R und L RC Glied CR Glied RL Glied LR Glied RC Glied als Integrierglied Arbeitsweise Integrationsvorgang CR Glied als Differenzierglied Arbeitsweise Differentiationsvorgang Halbleiterdioden Arbeitsweise von Halbleiterdioden Bauarten von Halbleiterdioden Flächendioden Spitzendioden Leistungsdioden (Gleichrichter) Kennwerte und Grenzwerte Prüfen von Halbleiterdioden Halbleiterdioden als Gleichrichter Einweg Gleichrichterschaltung (Einpuls Mittelpunktschaltung M 1) Siebkette Mittelpunkt Zweiweg Gleichrichterschaltung (Zweipuls Mittelpunktschaltung M 2) Brücken Zweiweg Gleichrichterschaltung (Zweipuls Brückenschaltung B 2) Mehrphasen Gleichrichterschaltungen Halbleiterdioden mit speziellen Eigenschaften Z Dioden Arbeitsweise Kennlinien, Kennwerte, Grenzwerte Anwendungen Kapazitätsdioden Aufbau und Arbeitsweise Kennlinien, Kennwerte, Grenzwerte Bipolare Transistoren Bauarten bipolarer Transistoren npn Transistoren pnp Transistor Kennlinien, Kennwerte, Grenzwerte Kennlinien Kennwerte Grenzwerte Datenblätter

10 10 Inhaltsverzeichnis 16.5 Transistorkühlung Verstärker Grundschaltungen Verstärkerstufe in Emitterschaltung Verstärkerstufe in Basisschaltung Verstärkerstufe in Kollektorschaltung Transistor als Schalter Übersteuerungszustand und Sättigungsspannungen Transistor Schalterstufen Unipolare Transistoren Sperrschicht Feldeffekttransistoren Aufbau und Arbeitsweise Kennlinien, Kennwerte, Grenzwerte Anwendungen MOS Feldeffekttransistoren Aufbau und Arbeitsweise Kennlinien, Kennwerte, Grenzwerte Anwendungen Dual Gate MOS FET Verstärkerschaltungen Wechselspannungsverstärker Anforderungen Mehrstufige Verstärker Leistungsverstärker Gleichspannungsverstärker Differenzverstärker Operationsverstärker Einführung Aufbau und Arbeitsweise Idealer Operationsverstärker Realer Operationsverstärker Anwendungsbeispiele Kippschaltungen Bistabile Kippstufe Schaltung und Arbeitsweise Anwendungsbeispiele Monostabile Kippstufe Schaltung und Arbeitsweise Anwendungsbeispiele Astabile Kippschaltung (Multivibrator) Schaltung und Arbeitsweise Anwendungsbeispiele Schmitt Trigger Schaltung und Arbeitsweise Anwendungsbeispiele

11 Inhaltsverzeichnis Oszillatorschaltungen Prinzip einer Oszillatorschaltung Meißner Oszillator Hartley Oszillator (Induktiver Dreipunktoszillator) Colpitts Oszillator (Kapazitiver Dreipunktoszillator) Quarzoszillatoren Stabilisierungsschaltungen Schaltungen zur Spannungsstabilisierung Schaltungen zur Stromstabilisierung Integrierte Schaltungen Allgemeines Integrationstechniken Monolithtechnik (Halbleiterblocktechnik) Hybridtechnik Analoge und digitale integrierte Schaltungen Digitale IC Analoge IC Integrationsgrad und Packungsdichte Vor und Nachteile integrierter Schaltungen Programmierbare integrierte Schaltungen Thyristoren Vierschichtdioden (Thyristordioden) Aufbau und Arbeitsweise Kennwerte und Grenzwerte Anwendungen Thyristoren (Rückwärtssperrende Thyristortrioden) Aufbau und Arbeitsweise Kennwerte und Grenzwerte Anwendungsbeispiele Thyristortetroden Aufbau und Arbeitsweise Kennwerte und Grenzwerte Anwendungen Diac und Triac Diac Zweirichtungsdioden Zweirichtungs Thyristordioden Anwendungen von Diac Triac Aufbau und Arbeitsweise Kennwerte und Grenzwerte Steuerungen mit Diac und Triac

12 12 Inhaltsverzeichnis 25 Optoelektronik Innerer fotoelektrischer Effekt Fotowiderstände Aufbau und Arbeitsweise Kennwerte und Grenzwerte Anwendungen Solarzellen Aufbau und Arbeitsweise Solarzelltypen Fotodioden Aufbau und Arbeitsweise Kennwerte und Grenzwerte Anwendungen Fototransistoren Aufbau und Arbeitsweise Kennwerte und Grenzwerte Anwendungen Leuchtdioden (LED) Grundlagen Aufbau und Arbeitsweise Technologie der LED Bauformen Versorgungsschaltungen LED Farben Anwendungen Wirkungsgrad Lebensdauer, Temperatureinflüsse Vorteile / Nachteile zu konventionellen Leuchtmitteln Kennwerte und Grenzwerte Opto Koppler Aufbau und Arbeitsweise Kennwerte und Grenzwerte Anwendungen Halbleiterbauelemente mit speziellen Eigenschaften Hallgeneratoren Halleffekt Hallspannung Aufbau Kennwerte und Grenzwerte Anwendungen Feldplatten Aufbau Arbeitsweise Kennwerte und Grenzwerte Anwendungen Magnetdioden Aufbau

13 Inhaltsverzeichnis Arbeitsweise Kennwerte und Grenzwerte Anwendungen Druckabhängige Halbleiterbauelemente Piezoeffekt Piezohalbleiter Flüssigkristall Bauteile Flüssige Kristalle Aufbau von Anzeigebauteilen Anwendungen Digitale Grundschaltungen Grundbegriffe Analoge und digitale Signale Logische Zustände «0» und «1» Logische Verknüpfungen UND Verknüpfung ODER Verknüpfung Verneinung NAND Verknüpfung NOR Verknüpfung EXKLUSIV ODER Glied (XOR) Digitale Codes Darstellung von Ziffern und Zahlen Duales Zahlensystem BCD Code ( Code) Weitere Binärcodes Binäre Speicher Schaltungsanalyse Allgemeines Soll Verknüpfung Ist Verknüpfung Schaltalgebra Grundlagen Bestimmung der Funktionsgleichung einer Schaltung Darstellung der Schaltung nach der Funktionsgleichung Funktionsgleichung und Kontaktschema Nutzungsmöglichkeiten der Schaltalgebra Schaltungssynthese Schaltkreisfamilien Schaltungen in Relais Technik DTL Technik TTL Technik

14 14 Inhaltsverzeichnis 32.4 MOS Technik ECL Technik Pegelangaben «Low» und «High» Positive und negative Logik Flipflops Eigenschaften von Flipflops SR Flipflops T Flipflops JK Flipflops Master Slave Flipflops Anwendungen Digitale Auswahl- und Verbindungsschaltungen Datenselektor, Multiplexer, Demultiplexer Bit zu 1 Bit Datenselektor Bit zu 4 Bit Datenselektor Bit zu 8 Bit Datenselektor Bit zu 4 Bit Demultiplexer Adressdecodierer Busschaltungen Register- und Speicherschaltungen Schieberegister Flipflop Speicher Schreib Lese Speicher (RAM) Speicheraufbau Speicherkenngrößen Festwertspeicher (ROM) Programmierbarer Festwertspeicher (PROM) Löschbare programmierbare Festwertspeicher Magnetkernspeicher Zählerschaltungen Frequenzteiler Vorwärtszähler Rückwärtszähler Zähldekaden D/A-Umsetzer, A/D-Umsetzer Digital Analog Umsetzer (D/A Umsetzer) Prinzip der Digital Analog Umsetzer D/A Umsetzer mit gestuften Widerständen Analog Digital Umsetzer (A/D Umsetzer) Prinzip der Analog Digital Umsetzung Eigenschaften von A/D Umsetzern

15 Inhaltsverzeichnis Rechenschaltungen Halbaddierer Volladdierer Paralleladdierschaltung Addier Subtrahier Werk Mikroprozessoren und Mikrocomputer Der Mikroprozessor als Universalschaltung Arithmetisch logische Einheit (ALU) Von der ALU zum Mikroprozessor Mikroprozessorbausteine Mikroprozessortypen Mikroprozessor SAB 8080 A Zusatzbausteine für Mikroprozessoren Mikrocomputer (Mikrocontroller) Stichwortverzeichnis