Elektronik. Ein Grundlagenlehrbuch für Analogtechnik, Digitaltechnik und Leistungselektronik

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1 Dieter Zastrow Elektronik Ein Grundlagenlehrbuch für Analogtechnik, Digitaltechnik und Leistungselektronik 6., verbesserte Auflage Mit 417 Abbildungen, 93 Lehrbeispielen und 120 Übungen mit ausführlichen Lösungen Vieweg Fachbücher der Technik a vieweg

2 VIII Inhaltsverzeichnis Arbeitshinweise zu diesem Buch Schreibweise von Formelzeichen VII XIV 1 Widerstandsverhalten von Halbleitern Stromleitungsmechanismus Widerstandsverhalten der Heißleiter Widerstandsverhalten der Sperrschichten 7 - Spannungssteuerung einer Sperrschicht 9 - Lichtsteuerung einer Sperrschicht Widerstandsverhalten von Halbleiter-Kanälen Vertiefung und Übung 14 2 Halbleiterdiode als nichtlinearer Widerstand Halbleiterdiode Arbeiten mit Kennlinien Begrenzerschaltungen mit Dioden Vertiefung und Übung 22 3 Spannungsstabilisierung Prinzip der Spannungsstabilisierung Z-Diode Analyse der Stabilisierungs-Crundschaltung Vertiefung und Übung 33 4 Stromstabilisierung Prinzip der Konstantstromquelle Feldeffekttransistor J-FET Analyse der Stromquellenschaltung Vertiefung und Übung 42 5 Transistor als Schalter Übersicht über grundlegende Transistortypen Kennlinien und Kennwerte der Bipolartransistoren 45 - Schichtenaufbau, Anschlüsse, Polung 45 - Meßschaltung 46 - Kennlinien Kennlinien und Kennwerte der Feldeffekttransistoren 49 - Kanalstruktur, Anschlüsse, Polung 49

3 Inhaltsverzeichnis IX - Meßschaltung 50 - Kennlinien Crenzdaten 51 - Spannungsgrenzwerte 51 - Stromgrenzwerte 52 - Temperatur- und Leistungsgrenzwerte 52 - Sicherer Arbeitsbereich (SOA = Safe Operating Area) Grundbegriffe der Schaltverstärker 56 - Schaltzustände des Transistors 56 - Übersteuerung 57 - Schaltzeiten 58 - Berechnungsgang für den Schaltverstärker Schalten mit Leistungstransistoren 61 - Eigenschaften von Leistungs-MOSFETs 61 - Ansteuern von Leistungs-MOSFETs 62 - High-Side und Low-Side-Schalter 63 - Periodisches Schalten von induktiven Lasten in Gleichstromkreisen CMOS-Inverter als Schalter 67 - Schaltungsprinzip eines CMOS-Inverters 67 - Betriebsspannung, Pegel, Belastbarkeit Schalten über Optokoppler Vertiefung und Übung 70 6 Transistor als Verstärker Grundbegriffe der Verstärkertechnik 73 - Vierpoldarstellung des Verstärkers Arbeitspunkteinstellung 75 - Kollektorruhestrom 75 -Arbeitswiderstand 76 -Arbeitspunkt Verstärkungsvorgang im Kennlinienfeld Ermittlung der Verstärkerkennwerte 80 - Messen der Leerlauf-Spannungsverstärkung 80 - Messen des Eingangswiderstandes 80 - Messen des Ausgangswiderstandes 81 - Rechnerische Ermittlung der Verstärkerkennwerte Frequenzgang 82 - Untere Grenzfrequenz 82 - Obere Grenzfrequenz Verstärker-Grundschaltungen Vertiefung und Übung 86 7 Operationsverstärker und Grundschaltungen Übersicht Eigenschaften eines Standard-Operationsverstärkers 88

4 X Inhaltsverzeichnis - Der invertierende und nichtinvertierende Eingang 88 - Aussteuerungsgrenzen der Ausgangsspannung 88 - Aussteuerungsgrenzen des Ausgangsstromes 89 - Differenzverstärkung und Gleichtaktverstärkung 89 - Cleichtaktunterdrückung 89 -Ausgangsspannung 90 - Eingangswiderstand 90 - Ausgangswiderstand 90 - Frequenzgang 90 -SlewRate 91 - Datenblatt des Standard-Operationsverstärkers Operationsverstärker als linearer Verstärker 92 - Gegenkopplungsprinzip 92 - Rechenregeln für gegengekoppelte Operationsverstärker 94 - Invertierender Verstärker 95 - Nichtinvertierender Verstärker Operationsverstärker als Schalter Komparator Invertierender Schmitt-Trigger Nichtinvertierender Schmitt-Trigger Vertiefung und Übung Analoge Signalverarbeitung Addierer Grundschaltung des Umkehraddierers Prinzip der Digital-Analog-Umsetzung mit Umkehraddierer Subtrahierer Grundschaltung mit 1 Operationsverstärker 116 -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 Strombegrenzung Gegentaktendstufe als Nachsetzverstärker für Operationsverstärker Leistungs-Operationsverstärker 135

5 Inhaltsverzeichnis XI 8.7 Trennverstärker Einsatzgebiete für Trennverstärker Prinzipien der Trennverstärker Kennwerte der Trennverstärker Beschaltung von Trennverstärkern Übung und Vertiefung Schwingungserzeugung Mitkopplung Ungedämpfte Schwingung Gedämpfte Schwingung Entdämpfte Schwingung Anschwingung und stationäre Schwingung LC-Oszillator 149 -Arbeitspunkt Oszillogramme Phasenbedingung 150 -Amplitudenbedingung Anschwingen und stationäre Schwingung RC-Oszillator Rechteckgeneratoren Funktionsgenerator Spannungsgesteuerte Oszillatoren VCO Phase-Locked-Loop PLL Spannungsgesteuerter Oszillator VCO Phasendetektor 168 -Tiefpaß Vertiefung und Übung Gleichrichtung Mischspannung Gleichrichterschaltungen im Leerlaufbetrieb Mittelpunktschaltungen MI, M2, M Brückenschaltungen B2, B Spannungsglättung Stromglättung Berechnungsgrundlagen für Leistungsgleichrichter mit Stromglättung Sekundärspannung Sekundärstrom Primärstrom Typenleistung des Transformators Vertiefung und Übung 195

6 XII Inhaltsverzeichnis 11 Leistungssteuerung mit Thyristoren Thyristor als steuerbarer Schalter Steuersatz Thermische Eigenschaften von Thyristoren Triac als bidirektionaler Thyristor Thyristor/Triac als phasenanschnittsgesteuerter Wechselstromsteller Thyristor/Triac als periodengruppengesteuerter Wechselstromschalter Thyristor als gesteuerter Gleichrichter Rein ohmsche Last Rein ohmsche Last mit Cegenspannung Ohmsch-induktive Last Induktive Last mit Gegenspannung Thyristor als Gleichstromsteller Vertiefung und Übung Stabilisierte Stromversorgung Kenngrößen einer Stabilisierungsschaltung Serienstabilisierung mit Emitterfolger Spannungsregler mit Operationsverstärker Integrierte Spannungsregler Schaltregler Vertiefung und Übung Grundlagen der Digitaltechnik Logische Grundverknüpfungen 244 -UND-Verknüpfung ODER-Verknüpfung NAND-Verknüpfung NOR-Verknüpfung Entwurf einer logischen Verknüpfung Vereinfachen einer redundanten logischen Verknüpfung Schaltungsumwandlung Zeiten bilden Analogzeitbildung mit monostabiler Kippstufe Zeitglieder: Verkürzen, Verlängern, Verzögern und Ausblenden von Signalen Integrierte monostabile Kippschaltungen Speichern Speichern einer Information 256 -RS-Flipflop 258 -D-Flipflop Flankengetriggertes JK-Flipflop JK-Master-Siave-Flipflop Zählen 265

7 Inhaltsverzeichnis XIII - Kodierung des Zählerausgangs: Dual, BCD Asynchrone und synchrone Zählimpulsverarbeitung Kaskadierung von Zählern: Asynchroner und synchroner Übertrag Zählrichtungsumkehr Programmieren eines Zählers Beispiele für Zähleranwendungen: Vorzeichenrichtiges Zählen von Mengendifferenzen Programmsteuerung mit Wortspeicher Vertiefung und Übung DA- und AD-Umsetzung Prinzipien der DA-Umsetzung Beschaltung und Abgleich eines DA-Umsetzers Datenblattangaben eines DA-Umsetzers Prinzipien der AD-Umsetzung Sukzessive Approximation Dual-Slope-Verfahren Beschaltung und Abgleich von AD-Umsetzern Datenblattangaben eines AD-Umsetzers Vertiefung und Übung 305 Lösungen der Übungen 308 Sachwortverzeichnis 333