Beuth/Schmusch. Grundschaltungen

Transkript

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2 Beuth/Schmusch Grundschaltungen

3 Elektronik 3 Klaus Beuth / Wolfgang Schmusch Grundschaltungen 17., überarbeitete Auflage unter Mitwirkung von Olaf Beuth Vogel Buchverlag

4 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 1976 by Vogel Business Media GmbH & Co. KG, Würzburg Das Umschlagbild ist eine freie grafische Umsetzung von Bild 4.14

5 5 Vorwort Mit dem vorliegenden Band «Elektronik 3, Grundschaltungen» wird die Elektronik- Reihe fortgesetzt. In dieser Auflage wurde, wie in anderen Bänden der Elektronik- Reihe auch, die Gestaltung des Themas weiterentwickelt. Das neue Layout orientiert sich optisch an veränderte Lese- und Lerngewohnheiten. Lebende Kolumnentitel erleichtern die Orientierung im Text, mit Icons ausgezeichnete Kernpunkte halten Wesentliches fest. Das Schriftbild ist gefälliger, wichtige Formeln und Gleichungen wurden mit rotem Rahmen besser hervorgehoben und bleiben so leichter im Gedächtnis. Beispiele sind jetzt besonders ausgewiesen und somit beim Nachschlagen leicht auffindbar. Die Verfasser haben sich die Aufgabe gestellt, nach den im Band «Elektronik 2» behandelten elektronischen Bauelementen dem Leser die Kenntnis der grundlegenden elektronischen Schaltungen zu vermitteln. Dabei wird besonderer Wert auf klare systematische Darstellung und möglichst große Anschaulichkeit gelegt. Sehr viele Skizzen, Bilder und Diagramme erleichtern das Verstehen. Das Erarbeiten des teilweise komplizierten Stoffes wird nicht durch eine ebenfalls komplizierte, fremdwortreiche «Wissenschaftssprache» zusätzlich erschwert. Mit einfachen Formulierungen wird das Wesentliche herausgestellt. Auf mathematische Ableitungen konnte zwar nicht ganz verzichtet werden, sie wurden jedoch auf ein sinnvolles, der Praxis angemessenes Maß beschränkt. Höhere Mathematik ist zum Verständnis nicht erforderlich. Die Wirkungsweisen und Anwendungsmöglichkeiten der Schaltungen werden an Beispielen dargestellt, die der Praxis entnommen wurden. Für die Schaltungsbemessung sind ausführlich dargestellte Berechnungen mit den notwendigen Begründungen angegeben. Auf integrierte Schaltungen der Analog- und Digitaltechnik wird besonders eingegangen. Ein zweckmäßiger Einsatz integrierter Schaltungen setzt die Kenntnis der entsprechenden Grundschaltungen voraus. Die einzelnen Abschnitte sind wie in Band «Elektronik 2» so aufgebaut, dass ein Selbststudium ohne Schwierigkeiten möglich ist, obwohl das Buch in erster Linie als unterrichtsbegleitendes Lernmittel für Schulen und Fortbildungskurse gedacht ist. Es ist auf die Bedürfnisse der in der Praxis stehenden Ingenieure, Meister, Techniker und Facharbeiter verschiedenster Berufszweige zugeschnitten, die über Kenntnisse der Arbeitsweise elektronischer Bauelemente verfügen und sich in die elektronische Schaltungstechnik einarbeiten wollen. Auch Nichttechniker mit entsprechenden Vorkenntnissen können das Buch mit Erfolg nutzen. Waldkirch und Freiburg Br. Klaus Beuth Wolfgang Schmusch

6 6 Zur Fachbuchreihe «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: Elektronische Messtechnik (Elektronik 6) Klaus Beuth/Richard Hanebuth/Günter Kurz/Christian Lüders: Nachrichtentechnik (Elektronik 7) Wolf-Dieter Schmidt: Sensorschaltungstechnik (Elektronik 8) Olaf Beuth/Klaus Beuth: Leistungselektronik (Elektronik 9)

7 7 Inhaltsverzeichnis Vorwort Das Oszilloskop als vielseitiges Messgerät Kenndaten eines Oszilloskops Empfindlichkeit Ablenkkoeffizient Anstiegszeit Bandbreite Y-Verstärker Zeitbasis X-Verstärker Eingangswiderstand Eingangskapazität Tastköpfe Einsatzmöglichkeiten und Vorteile von Tastköpfen : 1-Tastkopf : 1-Tastkopf Gleichrichter-Tastkopf Abgleich von Tastköpfen Ausführungsformen von Oszilloskopen Zweistrahloszilloskop Zweikanaloszilloskop Speicheroszilloskop Analog-Speicheroszilloskop Digitalspeicheroszilloskop Einsatzmöglichkeiten des Oszilloskops Darstellung und Messung von periodischen Spannungen Darstellung und Messung von einmaligen Spannungssprüngen Frequenzmessung und Phasenmessung Verwendung der Zeitbasis Auswertung der Lissajous-Figuren Darstellung einer Kennlinie Wobbeln eines Filters Gleichrichterschaltungen Allgemeines Netzgleichrichterschaltungen Grundschaltungen Gleichrichterschaltungen mit ohmscher Belastung Einweg-Gleichrichterschaltung (Einpuls-Mittelpunktschaltung M1) Brücken-Gleichrichterschaltung (Zweipuls-Brückenschaltung B2)... 45

8 Mittelpunkt-Zweiweg-Gleichrichterschaltung (Zweipuls-Mittelpunktschaltung M2) Gleichrichterschaltungen mit kapazitiver Belastung Gleichrichterschaltungen mit induktiver Belastung Siebschaltungen Ladekondensator Siebglieder RC-Siebglieder LC-Siebglieder Dimensionierung von Netzgleichrichterschaltungen Spannungsverdopplerschaltungen Delon-Schaltung (Zweipuls-Verdopplerschaltung D2) Villard-Schaltung (Einpuls-Verdopplerschaltung D1) Spannungsvervielfacher-Schaltungen Schaltnetzteile Schaltnetzteil-Prinzip Primärgetaktete Schaltnetzteile Durchflusswandler Sperrwandler Sekundärgetaktete Schaltnetzteile Schaltnetzteil mit Gegentaktflusswandler Kondensatornetzteile Verstärkerschaltungen Grundschaltung des Transistors Ersatzschaltung des Transistors bei Kleinsignalaussteuerung Der differentielle Eingangswiderstand r BE (Vierpolparameter h 11e ) Differentieller Ausgangswiderstand r CE (Vierpolparameter 1/h 22e ) Rückwirkung Eingangs- und Ausgangskapazität Ersatzschaltbild nach Giacoletto h-parameter-ersatzschaltbild Emitterschaltung Arbeitspunkteinstellung Arbeitspunkteinstellung mit Spannungsteiler Arbeitspunkteinstellung mit Vorwiderstand Arbeitspunktstabilisierung Stabilisierung durch Temperaturkompensation Stabilisierung durch Gegenkopplung Kleinsignalverhalten der Emitterschaltung Verstärkung der Emitterschaltung Eingangs- und Ausgangswiderstand Ankopplung des Verbraucherwiderstandes Berechnung einer Emitterschaltung Kleinsignalverhalten der Emitterschaltung mit Stromund Spannungsgegenkopplung

9 Stromgegenkopplung Spannungsgegenkopplung Anwendung der Emitterschaltung Kollektorschaltung (Emitterfolger) Arbeitspunkteinstellung Kleinsignalverhalten der Kollektorschaltung Verstärkung Eingangs- und Ausgangswiderstand Kollektorschaltung als Impedanzwandler Bootstrap-Schaltung Darlington-Schaltung Basisschaltung Arbeitspunkteinstellung Kleinsignalverhalten der Basisschaltung Eingangs- und Ausgangswiderstand Verstärkung Wechselspannungsverstärker Kenngrößen des Wechselspannungsverstärkers Verstärkung Spannungsfrequenzgang Phasenverschiebung Signalverzerrungen Klirrfaktor Störspannungen Mehrstufige Verstärker Verstärkung und Bandbreite Kopplung mehrstufiger Verstärker Breitbandverstärker Untere Grenzfrequenz f gu Obere Grenzfrequenz Erhöhung der Bandbreite durch Gegenkopplung Nf-Vorverstärker Anforderungen Schaltungsbeispiele mit bipolaren Transistoren Schaltungsbeispiele mit Feldeffekt-Transistoren Nf-Leistungsverstärker Anforderungen Verstärkerarten Kollektorschaltung als Leistungsverstärker im A-Betrieb Kollektorschaltung im Gegentaktbetrieb Gleichspannungsverstärker Anforderungen Differenzverstärker Grundschaltung des Differenzverstärkers Asymmetrischer Ausgang Anwendungen des Differenzverstärkers Operationsverstärker

10 Betriebsarten des Operationsverstärkers Kenngrößen des Operationsverstärkers Ruhegleichstrom Stromoffset Eingangs- und Ausgangswiderstände Frequenzgang der Leerlaufverstärkung Spannungsoffset Gleichtaktverstärkung und Gleichtaktunterdrückung Zusammenfassung der Eingangsspannungen Aussteuerbereich des OPV Maximale Anstiegsgeschwindigkeit Zusammenstellen von Datenblattwerten Grundschaltungen der Gegenkopplung Gegenkopplungsarten des OPV Wirkungsweise der Gegenkopplung Schleifenverstärkung Grenzen der Gegenkopplung Linearität, Bandbreite und Phasenverschiebung des gegengekoppelten Verstärkers Stabilität des gegengekoppelten Verstärkers Ausgewählte gegengekoppelte Schaltungen Nichtinvertierender Verstärker (Elektrometerverstärker) Invertierender Verstärker Summierverstärker Subtrahierverstärker Differenzverstärker Umschalten von invertierendem Betrieb auf nichtinvertierenden Betrieb Filterschaltungen Integrierverstärker Stromquellen und Stromverstärker Prinzip des Regelverstärkers Instrumentierungsverstärker Transimpedanzverstärker Schaltungen zur Stabilisierung von Spannungen und Strömen Einführung Konstantspannungsquelle Konstantstromquelle Stabilisierung Spannungsstabilisierung Kenngrößen der Stabilisierung Parallelstabilisierung Serienstabilisierung Stromstabilisierung Transistoren als Stromquelle Stromquelle mit Operationsverstärker Stromquelle für höhere Ströme

11 Strombegrenzung Überstromsicherung Strombegrenzung durch Widerstand Stromregelung Spannungsstabilisierung mit Schaltregler Prinzip eines Schaltreglers mit Speicherdrossel (Durchflusswandler) Schaltregler nach dem Sperrwandlerprinzip Regelung des Tastverhältnisses Integrierte Festspannungsregler Transistor-Schalterstufen Allgemeines Betriebsarten Nichtübersteuerter Betrieb Übersteuerter Betrieb Schaltvorgänge und Schaltzeiten Schalten in den Durchlasszustand Schalten in den Sperrzustand Beeinflussung der Schaltzeiten Schalten bei verschiedenartiger Belastung Schalten bei ohmscher Belastung Schalten bei kapazitiver Belastung Schalten bei induktiver Belastung Schalten von Heiß- und Kaltleitern Belastbarkeit Höchstzulässige Verlustleistung Mittlere Verlustleistung Impulsverlustleistung Mehrstufige Transistorschalter Schaltungen mit Mehrschichtdioden, Diac und Triac Vierschichtdiode als elektronischer Schalter Thyristor als elektronischer Schalter Zündschaltungen Allgemeines Phasenanschnittsteuerung Vollwellensteuerung (Wellenpaketsteuerung) Anwendungen des Thyristors Vollweg-Leistungssteuerung Einstellbarer Gleichrichter Vollwellenschaltung Diac und Triac als elektronische Schalter Phasenanschnittsteuerung Kippschaltungen Bistabile Kippstufe Arbeitsweise

12 Ansteuerungsarten Bistabile Kippstufen mit besonderen Eigenschaften Anwendungsbeispiele Bistabile Kippstufe als Frequenzteiler Bistabile Kippstufe als Signalspeicher Bemessung bistabiler Kippstufen Monostabile Kippstufe Arbeitsweise Monostabile Kippstufe mit Schutzdiode Ansteuerungsarten Anwendungsbeispiele Schaltung zur Impulsverlängerung Schaltung zur Impulsregenerierung Schaltzeichen Bemessung monostabiler Kippstufen Astabile Kippschaltung (Multivibrator) Arbeitsweise Schaltungsaufbau und Impuls-Pausen-Verhältnis Bemessung von astabilen Kippschaltungen Anwendungsbeispiele Impulsgeber Rechteckgenerator Einfache Blinkschaltung Synchronisierte astabile Kippschaltung Schaltzeichen Kippschaltungen mit Operationsverstärker Bistabile Kippstufe Monostabile Kippstufe Astabile Kippstufe Generatorschaltungen Prinzip einer Generatorschaltung Allgemeine Schwingbedingungen Erzeugung rechteckförmiger Spannungen Erzeugung von sägezahnförmigen Spannungen Sägezahngenerator mit Stromquelle Miller-Integrator Sperrschwinger Synchronisierung eines Sägezahngenerators Erzeugung sinusförmiger Spannungen LC-Generatoren Meißner-Oszillator Induktive Dreipunktschaltung (Hartley-Oszillator) Kapazitive Dreipunktschaltung (Colpitts-Oszillator) Quarzgeneratoren RC-Generatoren

13 Phasenschiebergenerator Wien-Robinson-Generator Impulsformerschaltungen Zeitfunktionen von Strom und Spannung Begrenzerschaltungen Begrenzerschaltungen mit Dioden Begrenzerschaltungen mit Transistoren Integrierglied Arbeitsweise des RC-Gliedes Mathematische und elektrische Integration Differenzierglied Arbeitsweise des CR-Gliedes Mathematische und elektrische Differentiation Schmitt-Trigger Arbeitsweise Bemessung eines Schmitt-Triggers Anwendungsbeispiele Schwellwertschalter Sinus-Rechteck-Spannungswandler Schaltzeichen Grundlagen der Regelungstechnik Allgemeines Begriffe der Regelungstechnik Darstellung des Regelkreises Zeitverhalten der Regelkreisglieder Unstetige Regeleinrichtungen Stetige Regeleinrichtungen Proportionale Regeleinrichtung (P-Regelung) Integrierende Regeleinrichtung (I-Regelung) PI-Regeleinrichtung D-Regeleinrichtung PD-Regeleinrichtung PID-Regeleinrichtung Beispiele für einfache Regelkreise Temperaturregelung Drehzahlregelung von Kleinmotoren Einführung in die Digitaltechnik Grundbegriffe Analoge und digitale Signale Logische Zustände «0» und «1» Logische Verknüpfungen UND-Verknüpfung ODER-Verknüpfung Verneinung NAND-Verknüpfung

14 NOR-Verknüpfung Schaltungen logischer Glieder Schaltungen in Relais-Technik Schaltungen in DTL-Technik Schaltungen in TTL-Technik Schaltungen in MOS-Technik Pegelangaben «Low» und «High» Allgemeines Positive Logik Negative Logik 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 Digitale Codes und digitale Zähl- und Speichertechnik Darstellung von Ziffern und Zahlen Duales Zahlensystem BCD-Code ( Code) Weitere Binär-Codes Schaltungen zum Codieren und Decodieren Umsetzen von Dezimalziffern in Dualzahlen Umsetzen von Dualzahlen in Dezimalziffern Rechnen mit Dualzahlen Umwandlung von Zahlen Addition von Dualzahlen Subtraktion von Dualzahlen Speichern und Verschieben digitaler Signale Flipflop-Arten Schieberegister Flipflop-Speicher Zählerschaltungen Frequenzteiler Vorwärtszähler Rückwärtszähler Zähldekaden Stichwortverzeichnis

15 15 1 Das Oszilloskop als vielseitiges Messgerät Elektronische Schaltungen haben die Aufgabe, Gleich- und Wechselspannungen so zu verändern, dass sie einem geplanten Zweck dienen können. Zur Funktionskontrolle steht uns eine große Zahl von Messgeräten zur Verfügung. Solange die elektrische Größe zeitlich konstant bleibt, genügt die Erfassung des Betrages mit Hilfe eines Instrumentes. Zur Kennzeichnung einer Wechselstromgröße gehören aber zusätzliche Angaben über die Kurvenform, die Periodendauer oder Frequenz und den Maximalwert. Gerade die Kurvenform einer Wechselgröße kann so vielfältig sein, dass sie nur durch ein Bild ausreichend beschrieben werden kann. Diese Bilddarstellung elektrischer Größen ist beinahe selbstverständlich geworden. Bestimmte elektrische Vorgänge werden gleichsam in einer Bildsprache beschrieben und nur so verständlich. Wir kennen den «sinusförmigen» Wechselstrom, die «Sägezahn»- Spannung und den «Rechteck»-Impuls, um nur einige solcher Bilder anzusprechen. Als Vermittler derartiger «elektrischer» Bilder ist uns das Oszilloskop in der modernen Elektronik unentbehrlich. Vielfach ersetzt es eine ganze Reihe von Einzelinstrumenten: Spannungsmesser, Strommesser, Frequenzmesser, Phasemesser usw. Die prinzipielle Funktionsweise des Oszilloskops ist in «Beuth, Elektronik 2», dargestellt. Hier sollen zunächst die Kenndaten erläutert werden. 1.1 Kenndaten eines Oszilloskops Empfindlichkeit Ablenkkoeffizient Die Darstellung des zeitlichen Verlaufes einer Spannung erfolgt durch Ablenkung des Elektronenstrahles in Y- und X-Richtung. In der vertikalen Y-Richtung wird entsprechend einem Koordinatensystem der Betrag der Spannung angezeigt, während in der horizontalen X-Richtung die Zeitablenkung erfolgt. Die Ablenkspannung für die Y-Richtung liefert der Y-Verstärker, der von dem zu messenden Eingangssignal gespeist wird. Die X-Ablenkung erfolgt entweder durch die Zeitbasis oder über den X-Verstärker von einem externen Signal. Je größer die Verstärkung des Y- und X-Verstärkers ist, desto empfindlicher reagiert der Elektronenstrahl auf Änderungen der Y- und X-Eingangsspannung. Grundsatz Die Empfindlichkeit oder der Ablenkkoeffizient des Oszilloskops gibt an, welche Spannungsänderung am Y- bzw. X-Eingang nötig ist, um den Strahl um 1 cm oder 1 Rastereinheit in Y- oder X-Richtung zu verschieben. Die Empfindlichkeit in Y-Richtung kann durch einen Spannungsteiler, Abschwächer genannt, am Eingang des Y-Verstärkers in weiten Grenzen verändert werden und so der Größe des Eingangssignals angepaßt werden. Die Verstärkung des X-Verstärkers liegt meist fest oder kann nur in 2 oder 3 Stufen geändert werden.