Elemente der angewandten Elektronik

Transkript

1 Elemente der angewandten Elektronik Kompendium fur Ausbildung und Beruf 8., Oberarbeitete Auflage Mit 540 Bildern und einem umfangreichen Bauteile-Katalog Friedr. Vieweg & Sohn BraunschweiglWiesbaden

2 Die Deutsche Bibliothek - rip-einheitsaufnahme Bohmer, Erwin: Elemente der angewandten Elektronik: Kompendium fur Ausbildung und Beruf /. - 8., tiberarb. Aufl. - Braunschweig: Wiesbaden: Vieweg, 1992 (Viewegs Fachblkher der Technik) ISBN ISBN (ehook) DOl / I. Auflage , neubearbeitete und erweiterte Auflage , tiberarbeitete und erweiterte Auflage , tiberarbeitete und erweiterte Auflage , tiberarbeitete und erweiferte Auflage , tiberarbeitete Auflage , tiberarbeitete Auflage , iiberarbeitete Auflage 1992 Vieweg ist ein Unternehmen der VerJagsgruppe Bertelsrnann International. Aile Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn VerJagsgesellschaft mbh, Braunschweig/Wiesbaden, 1992 Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschiitzt. Jede Verwertung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fallen bedarf deshalb der vor herigen schriftlichen Einwilligung des VerJages. Umschlaggestaltung: Hanswerner Klein, Leverkusen Satz: Vieweg, Braunschweig Gedruckt auf saurefreiem Papier ISBN

3 Vorwort zur ersten Auflage Die Elektronik ist durch die Fortschritte in der Halbleitertechnologie zu einem untiberschau bar gro~en Gebiet technischer Entwicklungen und Anwendungen angewachsen. Jede Art von Ausbildung kann daher nur Kenntnisse tiber bestimmte Teilgebiete der Elektronik vermitteln, die im Zuge ihrer praktischen Anwendung erganzt werden mtissen. Die Notwendigkeit dazu erfahrt man schon als Student, wenn im Praktikum elektronische Schaltungen vorkommen. Das vorliegende Buch will eine Hilfe sein flii das erganzende Selbststudium, indem es die flii die Schaltungstechnik wichtigsten Bauelemente und Grundschaltungen zusammenfassend darstellt. Es versucht dabei, die schaltungstechnischen Grundlagen von den Bauelementen her auf breiter Basis zu entwickeln und gleichzeitig die erforderlichen Berechnungs- und Analyseverfahren anhand zahlreicher Beispiele zu vermitteln. Die sechzehn Kapitel des Buches sind untergliedert in einzelne etwa gleichgewichtige Abschnitte, die aufeinander aufbauen. Sie bestehen in strenger Ordnung aus je einer Textund einer Bildseite, urn so ein Gro~tma an Ubersichtlichkeit zu erreichen. Die zahlreichen Bilder enthalten viele konkrete Informationen und sollen auch Zusammenhange aufzeigen, die in dem knapp gehaltenen Text nicht unmittelbar angesprochen werden. Ein relativ breiter Raum wird den Bauelementen mit magnetischen Wirkungen zugestanden, die in der neueren Literatur etwas vemachlassigt werden. Dabei findet auch das elektromagnetische Relais Berticksichtigung, das mit seinen mechanisch bewegten Kontakten kein elektronisches Bauelement ist, aber als Koppelglied zwischen elektronischen und anderen Systemen nach wie vor grobe Bedeutung hat. Schaltungsberechnungen sind stets so angelegt, dab sie unter Vemachlassigung von Sekundareffekten mit wenigen Rechenztigen zu einem Niiherungsergebnis flihren, das den Anforderungen der Praxis oft schon gentigt. Komplizierte Zusammenhange werden durch Modelle und physikalische Ersatzbilder moglichst anschaulich dargestellt. Das Kleinsignalverhalten der Elektronenrohren, unipolaren und bipolaren Transistoren wird vereinfacht durch Zweipolersatzbilder beschrieben, in denen Rtickwirkungen nach dem Miller-Theorem erfabt werden. In entsprechender Weise wird auch der Operationsverstarker behandelt. Das Buch hat eine mehrjahrige Entwicklung tiber eine Reihe von Studienskripten durchlaufen. Wiihrend dieser Zeit ist mir mancherlei Hilfe zuteil geworden, fur die ich hiermit Dank sage. Vor allem bedanke ich mich bei den Mitarbeitem des Nachrichtentechnischen Labors an der Gesamthochschule Siegen, Herm K. Dickel, Herm log. grad. G. Lagemann und Herm Ing. grad. H. Otto. Herr Otto hat einen GroBteil der Schaltungen aufgebaut und tiberprtift. Meinen Kollegen Prof. Dr. rer. nat. H. Rilhl und Prof. Dip!. Ing. P. Schoene danke ich fur viele anregende Diskussionen. Die Kollegen Prof. Dr. rer. nat. E. Froschle, Prof. Dr.-Ing. M Reuter und Prof. Dr.-Ing. F. Wittgruber haben mich bei der Abfassung einzelner Kapitel beraten. Herr log. grad. A. Geilhausen gab mir wertvolle Hinweise zum Kapitel Leistungshalbleiter. Die Eigenart des Buches hat bei der Herstellung einige Schwierigkeiten bereitet. DaB es dennoch, wie mir scheint, eine ansprechende Form gefunden hat, verdanke ich dem Verstandnis und der Sorgfalt des Veriages, insbesondere den Herren W. Ebert und H.J. Niclas. Mein Dank gebtihrt auch einer Reihe von Firmen, die mir Bildmaterial zur VerfUgung gestellt haben, das am SchiuB des Buches in einem Quellenverzeicnis aufgeflihrt ist. Schlie~lich danke ich meinem Sohn Frank fur die Ausflihrung zahlreicher Bildkorrekturen. Siegen, im August 1978 III

4 Vorwort zur zweiten Auflage Die vorliegende Neuauflage umfabt 20 Kapitel gegeniiber bisher 16. Durch zahlreiche Erganzungen und Erweiterungen wurde versucht, das Buch dem aktuellen Stand der Elektronik anzupassen. Dabei ist auf die Behandlung weitgehend iiberholter Bauelemente wie z.b. Selengleichrichter, Thyratrons und Magnetkernspeicher verzichtet worden. Das Kapitel iiber Rohren wurde wesentlich gestrafft. 1m iibrigen hat sich die Zielsetzung des Buches, wie sie im Vorwort zur ersten Auflage beschrieben wird, nicht geandert. Ich danke allen, die mir bei der miihevollen Arbeit geholfen haben, insbesondere dem Kollegen Prof. Dr.-lng. F. Wittgruber fiir seine Ratschlage zum Kapitel Digitaltechnik und den Herren Dipl.-lng. H. Otto und Dipl.-lng. E. Locherbach fiir das Lesen der Korrektur. Herr Otto hat wieder wie zur ersten Auflage zahlreiche Schaltungsbeispiele im Laborexperiment erprobt. Frau Andrea Winkel hat die neuen Texte geschrieben, woflir ich ebenfalls danke. Dem Vieweg-Verlag bin ich dankbar fiir die jederzeit vorziigliche Zusammenarbeit. Siegen, im Oktober 1982 Vorwort zur dritten Auflage In der dritten Auflage erscheint das Buch mit einem zusatzlichen 21. Kapitel iiber ausgewahlte integrierte Bausteine. Die Auswahl beschriinkt sich auf einige in der Praxis bewahrte Bausteine, die als Massenfabrikate jedem Anwender preisgiinstig zur Verfligung stehen. Sie werden vorgestellt und beschrieben mit typischen Anwendungen. Beim Erarbeiten des Materials hat mich Herr Dipl.-lng. H. Otto unterstiitzt, und Herr Dipl.-lng. E. Locherbach half beim Korrekturlesen, wofiir ich mich bedanke. Frau Andrea Winkel danke ich wieder fiir das Schreiben der Texte und dem Verlag Vieweg flir die jederzeit problemlose Zusammenarbeit. Siegen, im April 1984 Vorwort zur vierten Auflage Die vierte Auflage des Buches erscheint mit einem auf den Anhang folgenden Katalogteil, in dem tabellarisch die wesentlichen Eigenschaften zahlreicher Bauelemente dargestellt werden. Die miihevolle Schreibarbeit dazu hat wieder Frau Andrea Winkel-Arndt iibernommen, die Zeichnungen fertigte Herr Aribert Biingers an. Siegen, im Mai 1986 Vorwort zur funften Auflage Zur fiinften Auflage wurde der die Digitaltechnik betreffende Teil des Buches iiberarbeitet und der Bauteile-Katalog entsprechend erganzt. Dabei hat mich Herr Dr.-lng. E. Locherbach unterstiitzt, de! seine reiche praktische Erfahrung auf diesem Gebiet mit in die Neufassung einbrachte. Daftir bedanke ich mich. Siegen, im Mai 1987 Vorwort zur achten Auflage Nach dem AbschluB des Bauteile-Kataloges mit der flinften Auflage wurde der Umfang des Buches beibehalten. Die sechste Auflage erschien mit einer Neufassung der Kapitel4 und 10 iiber Rohrenbauteile sowie des Kapitels 14 iiber Sinusoszillatoren. Fiir die siebente Auflage wurden aile Themen zum Operationsverstarker neu bearbeitet. Die nun vorliegende achte Auflage enthalt eine wesentlich iiberarbeitete und aktualisierte Darstellung zu Kondensatoren, Spulen und Schwingkreisen. Frau Petra Schoppner schrieb die neuen Texte und fertigte die Zeichnungen an, wofiir ich ihr besonders danke. Siegen, im August 1991 IV

5 Inhaltsverzeichnis Einfuhrung 1 Elektrische Leitung und Widerstande 1.1 Elektrische Leitungen, Grundbegriffe Elektrische Widerstiinde Obliche Bauformen der Widerstiinde Stellbare Widerstiinde los Widerstandsnetzwerke, passive und aktive Zweipo1e Homogene Halbleiterbauelemente 201 Grundbegriffe der Halbleiter Hei~leiter und me~technische Anwendung An1~hei~leiter Keramische Kaltleiter Varistoren Feldplatten Fotowiderstiinde Hallgeneratoren Halbleiterdioden 3.1 Grundlagen der Halbleiterdiode SiliziumoLeistungsdioden Dioden im Ladegleichrichter Z-Dioden (Zenerdioden) Fotodioden und Fotoelemente Vakuum- und Gasdioden (Rohrendioden) 401 Funktion und Arten der Rohrendioden Gasdioden als Larnpen Anzeige- und Lichtleitsysteme Sol Oszilloskop- und Bildrohren Gasentladungs- und Fluoreszenzanzeigen LED- und LCD-Anzeigen Lichtleiter und Bildleiter Kondensatoren 601 Kondensatoren, Grundbegriffe Laden und Entladen eines Kondensators Bauformen von Kondensatoren RC-Obertragungsglieder S Impulsiibertragung durch RC-Glieder Spannungsgliittung mit Kondensatoren _ Siebschaltung fur Gleichrichter Spulen und Schwingkreise 7.1 Spulen, Grundbegriffe Spulenkenngro~en und Schaltvorgiinge Drosselspulen mit Eisenkern oder Eisenpulver-Kern v

6 7.4 Ferritkernspulen Spulen bei hciheren Frequenzen Schwingkreise Schwingquarze Einfache Resonanzschaltungen Schwingkreise mit Anzapfungen Transformatoren und Obertrager 8.1 Verlustfreie Spulensysteme Transformatoren als Obertrager Aufbau und Berechnung von Obertragern Impulsiibertrager Netztransformatoren Relais 9.1 Elektromagnetische Relais, Arten und Wirkungsweise Betriebseigenschaften von Relais Kontaktmaterial, Kontaktbeanspruchung und Kontaktschutz..., Relais-Kondensator-Schaltungen..., Verstarker- und Fotorohren 10.1 Hochvakuumtrioden, Katodenbasisverstarker Tetroden und Pentoden..., Fotozellen und Fotovervielfacher Bildverstarker, Bildwandler und Bildaufnahmerbhren Feldeffekt-Transistoren ILl Aufbau und Wirkungsweise des Sperrschicht-Feldeffekt-Transistors Feldeffekttransistoren, GroB- und Kleinsignalbetrieb Feldeffekttransistoren in Konstantstromschaltungen Sourceschaltung, Grundlagen Analyse eines Kleinsignalverstarkers in Sourceschaltung Drainschaltung (Sourcefolger) Gateschaltung Feldeffekttransistoren mit isolierter Gate-Elektrode MOSFET-Tetroden (Doppelgate-MOSFETs) Integrierte MOS-Schaltungen Analogschalter und -multiplexer Grenzwerte und Kennwerte von F eldeffekttransistoren Bipolare Transistoren 12.1 Aufbau und Wirkungsweise Emitterschaltung als GroBsignalverstarker..., Emitterschaltung als Kleinsignalverstarker Hochfrequenzverhalten der Emitterschaltung h-parameter und y-parameter Temperaturabhangigkeit und Reststromverhalten..., Schaltbetrieb des Bipolar-Transistors..., Gleichstromverhalten im aktiven Betrieb Kleinsignalverstarker mit Parallelgegenkopplung Emitterschaltung mit Reihengegenkopplung... ISO VI

7 12.11 Kollektorschaltung (Emitterfolger) Basisschaltung Transistorverbundschaltungen Differenzverstarker Operationsverstarker 13.1 Grundbegriffe des Operationsverstarkers... " Linearer invertierender Verstarker Linearer nichtinvertierender Verstarker Eingangsverhalten des realen Verstarkers Ausgangsverhalten des realen Verstarkers Frequenzgang und StabiJitat Differenzierschaltungen Integrierschaltungen Aktive RC Filter zweiter und hoherer Ordnung Me gleichrichter Steuerbare Stromquellen..., Spannungsquellen Sinusoszillatoren 14.1 Wien-Briicken Oszillator LC-Oszillatoren mit der Basisschaltung LC-Oszillatoren mit der Emitterschaltung Kippschaltungen 15.1 Kippschaltungen mit Operationsverstarkern (I) Kippschaltungen mit Operationsverstarkern (II)..., Triggerschaltungen mit diskreten Transistoren Symmetrische bistabile Kippschaltungen s Monostabile und astabile Multivibratoren mit diskreten Transistoren Integrierte monostabile/astabile Kippschaltung (TIMER-IC 555) Schaltwandler Kippschaltungen mit Unijunction Transistoren Vierschichtelemente (Thyristoren) Digitale Verkniipfungs- und Speicherschaltungen 16.1 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 Zahlschaltungen Zahler Vergleicher (Komparatoren) Multiplexer und Demultiplexer Schreib-Lese-Speicher (RAMs) ROMs, PROMs und EPROMs VII

8 17 DA- und AD-Umsetzer 17.1 DA-Umsetzer (DAU) Drei Konzepte ftit die Analog-Digital-Umsetzung Indirekte Verfahren zur Analog-Digital-Umsetzung Optosensoren und Optokoppler 18.1 Fototransistoren Lichtschranken und Optokoppler Analoge Signaliibertragung mit Optokopplern Faseroptische Obertragungsmittel Leistungstransistoren und Leistungsschaltungen 19.1 Verlustleistung und Warmeableitung Sicheres Schalten mit Transistoren Dimensionierung eines Transistor-Leistungsschalters., Darlington-Leistungstransistoren als Schalter und Steller Leistungs-MOSFETs und IGBTs Spannungsquellen mit Leistungstransistoren Spannungsquellen mit integrierten Spannungsreglern Schaltspannungsregler Gegentakt-Leistungsverstarker, Grundlagen NF-Leistungsverstarker Thyristoren und Triacs 20.1 Leistungsthyristoren, Grundbegriffe und Funktionsweise Ansteuerschaltungen fiir Thyristoren Wechselstromsteller mit Thyristoren Dynamische Vorgange und Schutzbeschaltung Triac, Grundbegriffe und Anwendungsbeispiel Triacs als Stell- und Regelelemente Halbleiterrelais ftit Wechselstromlast Ausgewahlte Bausteine und Schaltungen 21.1 Standard-Operationsverstarker TAA 765 und LM Mehrfachverstarker und ihre Anwendung Prazisions-Operationsverstarker.... Fensterdiskriminator TCA 965 als vielseitiger Schwellwertschalter.... Pulsbreitenmodular 3524 als Schaltsteller und Schaltregler.... Timer/Counter 2240 als universeller Multivibrator.... Funktionsgenerator 8038 als Rechteck-Dreieck- und Sinusozillator... Begrenzer, Amplitudenfilter und Funktionsgeber.... Logarithrnierschaltungen.... Multiplizierbaustein AD :.... Filterbaustein HY 3105 als Universalfilter Formelzeichen Anhang (Tabellen, Diagramme, Formeln) Bauteile- Katalog 327 Literaturverzeichnis 382 Quellenverzeichnis 388 Sachwortverzeichnis VIII