Elektronik. Dieter Zastrow

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1 Dieter Zastrow Elektronik Lehr- und Ubungsbuch fur Grundschaltungen der Elektronik, Leistungselektronik, Digitaltechnik/Digitalisierung mit einem Repetitorium Elektrotechnik 8., korrigierte Auflage Mit 425 Abbildungen, 77 Lehrbeispielen und 143 Ubungen mit ausfuhrlichen Losungen STUDIUM VIEWEG+ TEUBNER

2 VI Inhaltsverzeichnis I Repetitorium Elektrotechnik mit Ubungen Elektrotechnische Grundlagen (Auswahl) Definition elektrischer GrundgroBen Stromkreis Messen von Gleichstromen und Gleichspannungen Eigenschaften von Bauelementen und grundlegende Stromkreisgesetze Widerstande mit physikalischen Abhangigkeiten 4 -Temperatur 4 -Kraft 5 - Magnetismus 5 -Licht Beschreibungsmittel und KenngroBen von Spannungen (Stromen) Mittelwerte periodischer Grofien Komplexe Rechnung fur Wechselstromtechnik Drehstromsystem Transformator 10 - Einphasen-Kerntransformator 10 -Gesetze des idealen Transformators Grundschaltungen mit Formelsammlung Ubungsaufgaben 17 II Einfiihrung in die Elektronik 2 Grundbegriffe der Halbleitertechnik Elektrische Leitfahigkeit der Materialien Storstellenleitung der Halbleiter Eigenleitung der Halbleiter Halleffekt als Nachweis fur Elektronen- und Locherleitung Eigenschaften des pn-ubergangs der Halbleiter Eigenschaften von Halbleiter-Kanalen Ubungsaufgaben 31 3 Haibleiterdiode als nichtlinearer Widerstand /-(/-Kennlinie der Haibleiterdiode Arbeiten mit Kennlinien /- /-Kennlinien Ubertragungs-Kennlinen Begrenzerschaltungen mit Dioden Ubungsaufgaben 37

3 Transistor als Schalter Ubersicht iiber grundlegende Transistortypen Kennlinien und Kennwerte der Bipolartransistoren Schichtenaufbau, Anschliisse, Polung Messschaltung Kennlinien Kennlinien und Kennwerte der Feldeffekttransistoren Kanalstruktur, Anschliisse, Polung Messschaltung Kennlinien Grenzdaten Spannungsgrenzwerte Stromgrenzwerte Temperatur- und Leistungsgrenzwerte Sicherer Arbeitsbereich (SOA = Safe Operating Area) Grundbegriffe der Schaltverstarker Schaltzustande des Transistors Ubersteuerung Schaltzeiten Berechnungsgang fur den Schaltverstarker 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 82 (\ Q I TKiinooallfcmhpn Inhaltsverzeichnis VII III Grundschaltungen der Elektronik Spannungsstabilisierung mit Z-Diode Aufgabe einer Spannungsstabilisierung Z-Diode als Stabilisierungselement Analyse derz-dioden-konstantspannungsschaltung Leerlauffall Belastungsfall Ubungsaufgaben 47 Konstantstromschaltung mit JFET Aufgabe einer Konstantstromschaltung Feldeffekttransistor (JFET) als Konstantstromelement Analyse der JFET-Konstantstromschaltung Ubungsaufgaben 56

4 VIII Inhaltsverzeichnis 7 Transistor als Verstarker Grundbegriffe der Verstarkertechnik Vierpoldarstellung des Verstarkers Kennwerte des Verstarkers Arbeitspunkteinstellung Kollektorruhestrom Arbeitswiderstand Arbeitspunkt Verstarkungsvorgang im Kennlinienfeld Ermittlung der Verstarkerkennwerte Messen derleerlauf-spannungsverstarkung Messen des Eingangswiderstandes Messen des Ausgangswiderstandes Rechnerische Ermittlung der Verstarkerkennwerte Frequenzgang Untere Grenzfrequenz Obere Grenzfrequenz Verstarker-Grundschaltungen Ubungsaufgaben 99 8 Operationsverstarker und Grundschaltungen Ubersicht Eigenschaften eines Standard-Operationsverstarkers Der invertierende und nichtinvertierende Eingang Aussteuerungsgrenzen der Ausgangsspannung Aussteuerungsgrenzen des Ausgangsstromes Differenzverstarkung und Gleichtaktverstarkung Gleichtaktunterdruckung Ausgangsspannung Eingangswiderstand Ausgangswiderstand Frequenzgang Slew Rate Datenblatt des Standard-Operationsverstarkers Operationsverstarker als linearer Verstarker Gegenkopplungsprinzip Rechenregeln fur gegengekoppelte Operationsverstarker Invertierender Verstarker Nichtinvertierender Verstarker Operationsverstarker als Schalter Komparator Invertierender Schmitt-Trigger Nichtinvertierender Schmitt-Trigger Ubungsaufgaben 124

5 Inhaltsverzeichnis IX 9 Analoge Signalverarbeitung Addierer Grundschaltung des Umkehraddierers Prinzip der Digital-Analog-Umsetzung mit Umkehraddierer Subtrahierer Grundschaltung mit 1 Operationsverstarker Variante mit 2 Operationsverstarkern Instrumentenverstarker (Subtrahierer mit 3 OpV) Integrierer Grundschaltung Betriebsarten eines Integrators Integratoranwendungen Mittelwertbildener Multiplizierer Multiplizieren Dividieren Leistungsverstarker Komplementarendstufe im B-Betrieb Komplementarendstufe im AB-Betrieb Gegentaktendstufe als Nachsetzverstarker fur Operationsverstarker Leistungs-Operationsverstarker Trennverstarker Einsatzgebiete fur Trennverstarker Prinzipien der Trennverstarker Kennwerte der Trennverstarker Beschaltung von Trennverstarkern Ubungsaufgaben Schwingungserzeugung Rechteckgeneratoren Astabile Kippschaltung mit Operationsverstarker Rechteckgenerator mit Timer Funktionsgenerator Spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) Phase-Locked-Loop PLL Nachlaufsynchronisation Aufbau eines PLL-Regelkreises Integrierter PLL-Baustein Sinus-Oszillatoren Ubungsaufgaben 171 IV Leistungselektronik 11 Gleichrichtung Mischspannung Gleichrichterschaltungen im Leerlaufbetrieb 178

6 Inhaltsverzeichnis Mittelpunktschaltungen Briickenschaltungen Spannungsglattung Stromglattung Berechnung von Gleichrichterschaltungen mit Stromglattung Sekundarspannung U Sekundarstrom I Primarstrom/ Typenleistung des Transformators Sj r Zusammenstellung der Berechnungsgrundlagen Ubungsaufgaben Leistungssteuerung mit Thyristoren, Triacs, IGBTs und IGCTs Thyristorals steuerbarer Schalter Steuersatz Thermische Eigenschaften von Thyristoren Triac als bidirektionaler Thyristor Wechselstromsteller (Phasenanschnittsteuerung) Wechselstromschalter (Periodengruppensteuerung) Gesteuerte Drehstrombrucke mit Gleichstrommotor als Last Gleichrichter- und Wechselrichterbetrieb Ausgangsgleichspannung der Drehstrombrucke, ideelle Gleichspannung Drehzahlverstellung durch Ansteuerung der Drehstrombrucke Pulsierender Gleichstrom der Drehstrombrucke, ideeller Gleichstrom Betriebsarten des Stromrichterantriebs im w-m-betriebsdiagramm Frequenzumrichter mit Drehstrom-Asynchronmotor als Last Schaltungs- und Funktionsprinzip des Frequenzumrichters Drehstrom-Asynchronmotor als Motorlast fur den Frequenzumrichter Drehzahlsteuerung des Asynchronmotors mit dem Frequenzumrichter Eigenschaften und Schaltverhalten der Leistungshalbleiter Freilaufdioden Insulated Gate Bipolar Transistor: IGBT Integrated Gate Commutated Thyristor: IGCT Ubungsaufgaben Stabilisierte Stromversorgung KenngroBen einer Stabilisierungsschaltung Einfache Serienstabilisierung Lineare Spannungsregler Spannungsreglerprinzip Prinzip der Strombegrenzung Integrierte lineare Spannungsregler DC/DC-Wandler Abwartswandler (Tiefsetzsteller) Aufwartswandler (Hochsetzsteller) Invertierender Wandler 266

7 Inhaltsverzeichnis XI 13.5 Schaltnetzteile Schaltnetzteil, gesteuerter Betrieb Schaltnetzteil, geregelter Betrieb Ubungsaufgaben 271 V Digitaltechnik und Digitalisierung 14 Grundlagen der digitalen Schaltungstechnik Begriffe: digital, binar, positive Logik, Bit, Byte Abgrenzung zwischen Analog- und Digitalschaltungen Schaltnetze Logische Funktionen und Grundverkniipfungen Abgeleitete Grundfunktionen Disjunktive Normalform fur beliebige Schaltnetze Vereinfachung einer redundanten Schaltfunktion Schaltungsumwandlung, De Morgan'sche Regeln Schaltwerke Monostabile Kippstufe Bistabile Kippstufen (Flipflops) Zahler Schieberegister Abhangigkeitsnotation Ubungsaufgaben Grundlagen der Digitalisierung Grundsatzliches zu Datenerfassungssystemen (Messketten) Grundbegriffe der Abtast- und Quantisierungstheorie Verfahren der Analog-Digital-Umsetzung Flash-Umsetzer Sukzessive Approximations Umsetzer Dual-Slope-Umsetzer Beschaltung und Abgleich eines Analog-Digital-Umsetzers Grundsatzliches zu Datenausgabesystemen Verfahren der Digital-Analog-Umsetzung Digital-Analog-Umsetzer mit dual gestuften Widerstanden Digital-Analog-Umsetzer mit /?-2/?-Netzwerk Beschaltung und Abgleich eines DA-Umsetzers Ubungsaufgaben 322 Losungen der Obungen 325 Sachwortverzeichnis 363