Elemente der angewandten Elektronik

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1 Elemente der angewandten Elektronik Kompendium fur Ausbildung und Beruf 6., Uberarbeitete Auflage Mit 540 Bildern und einem umfangreichen Bauteile-Katalog Friedr. Vieweg & Sohn Braunschweig / Wiesbaden

2 CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Bohmer, Erwin: Elemente der angewandten Elektronik: Kompendiwn fiir Ausbildung u. Beruf/. - 6., tiberarb. Aufl. - Braunschweig; Wiesbaden: Vieweg, (Viewegs Fachbticher der Technik) ISBN-13: DOl: / e-isbn-13: Auflage , neubearbeitete und erweiterte Auflage , iiberarbeitete und erweiterte Auflage , iiberarbeitete und erweiterte Auflage , iiberarbeitete und erweiterte Auflage , iiberarbeitete Auflage 1989 Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der Verlagsgruppe Bertelsmann. AIle Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, Braunschweig 1989 Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschtitzt. Jede Verwertung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fallen bedarf deshalb der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages. Umschlaggestaltung: Hanswerner Klein, Leverkusen Satz: Vieweg, Braunschweig

3 Vorwort zur ersten Auflage Die Elektronik ist durch die Fortschritte in der Halbleitertechnologie zu einem untiberschaubar gro~en Gebiet technischer Entwicklungen und Anwendungen angewachsen. Jede Art von Ausbildung kann daher nur Kenntnisse tiber bestimmte Teilgebiete der Elektronik vermitteln, die im luge ihrer praktischen Anwendung ergiinzt werden miissen. Die Notwendigkeit dazu erflihrt man schon als Student, wenn im Praktikum elektronische Schaltungen vorkommen. Das vorliegende Buch will eine Hilfe sein fur das ergiinzende Selbststudium, indem es die fur 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 GroBtm~ an Dbersichtlichkeit zu erreichen. Die zahlreichen Bilder enthalten viele konkrete Informationen und sollen auch lusarnmenhiinge 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 vemachliissigt 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, d~ sie unter Vemachliissigung von Sekundiireffekten mit wenigen Rechenztigen zu einem Niiherungsergebnis ftihren, das den Anforderungen der Praxis oft schon gentigt. Komplizierte lusarnmenhiinge werden durch Modelle und physikalische Ersatzbilder moglichst anschaulich dargestellt. Das Kleinsignalverhalten der Elektronenrohren, unipolaren und bipolaren Transistoren wird vereinfacht durch lweipolersatzbilder beschrieben, in denen Rtickwirkungen nach dem Milier-Theorem erfabt werden. In entsprechender Weise wird auch der Operationsverstiirker behandelt. Das Buch hat eine mehrjiihrige Entwicklung tiber eine Reihe von Studienskripten durchlaufen. Wiihrend dieser leit 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 tiberpriift. Meinen Kollegen Prof. Dr. rer. nat. H. Riihl und Prof. Dipl. Ing. P. Schoene danke ich flir 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 Ins. grad. A. Geilhausen gab mir wertvolle Hinweise zum Kapitel Leistungshalbleiter. Die Eigenart des Buches hat bei der Herstellung einige Schwierigkeiten bereitet. D~ es dennoch, wie mir scheint, eine ansprechende Form gefunden hat, verdanke ich dem Verstandnis und der Sorgfalt des Verlages, insbesondere den Herren W. Ebert und H.J. NicIas. Mein Dank gebiihrt auch einer Reihe von Firmen, die mir Bildmaterial zur Verfligung gestellt haben, das am SchluB des Buches in einem Quellenverzeicnis aufgeftihrt ist. SchlieBlich danke ich meinem Sohn Frank fur die Ausftihrung zahlreicher Bildkorrekturen. Siegen, im August 1978 III

4 Vorwort zur zweiten Auflage Die vorliegende Neuauflage umfaet 20 Kapitel gegentiber bisher 16. Durch zahlreiche Ergiinzungen und Erweiterungen wurde versucht, das Buch dem aktuel1en 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 geiindert. Ich danke allen, die mir bei der miihevollen Arbeit geholfen haben, insbesondere dem Kollegen Prof. Dr.-Ing. F. Wittgruber flir seine Ratschlage zum Kapitel Digitaltechnik und den Herren Dipl.-Ing. H. Otto und Dipl.-Ing. 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 flir 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 preisgtinstig zur Verfugung stehen. Sie werden vorgestel1t und beschrieben mit typischen Anwendungen. Beim Erarbeiten des Materials hat mich Herr Dipl.-Ing. H. Otto unterstiitzt, und Herr Dipl.-Ing. E. LOcherbach half beim Korrekturlesen, woflir ich mich bedanke. Frau Andrea Winkel danke ich wieder fiir das Schreiben der Texte und dem Verlag Vieweg fiir 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 Btingers an. Siegen, im Mai 1986 Vorwort zur funften Auflage Zur ftinften Auflage wurde der die Digitaltechnik betreffende Teil des Buches iiberarbeitet und der Bauteile-Katalog entsprechend ergiinzt. Dabei hat mich Herr Dr.-Ing. E. Locherbach unterstiitzt, der seine reiche praktische Erfahrung auf diesem Gebiet mit in die Neufassung einbrachte. Dafur bedanke ich mich. Siegen, im Mai 1987 Vorwort zur sechsten Auflage Zur sechsten Auflage wurden wieder zahlreiche Verbesserungen und Erganzungen vorgenommen. Dabei entstand eine vol1stiindige Neufassung flir das Kapite114 tiber Sinusoszillatoren. Die Kapite14 und 10 iiber Rohrenbauteile wurden aktualisiert, wobei mich der Kollege Prof. Dr. W. Helmbold beraten hat. Siegen, im November 1988 IV

5 Inhaltsverzeichnis Einfiihrung 1 Elektrische Leitung und Widerstande Elektrische Leitungen, Grundbegriffe.... Elektrische Widerstande.... Ubliche Bauformen der Widerstande.... Stellbare Widerstande.... Widerstandsnetzwerke, passive und aktive Zweipole Homogene Halbleiterbauelemente 2.1 Grundbegriffe der Halbleiter He~leiter und me~technische Anwendung An1~he~leiter Keramische Kaltleiter Varistoren Feldplatten Fotowiderstande Hallgeneratoren Halbleiterdioden 3.1 Grundlagen der Halbleiterdiode Silizium-Leistungsdioden Dioden in Gleichrichterschaltungen Fotodioden und Fotoelemente Z-Dioden (Zenerdioden) Vakuum- und Gasdioden (R6hrendioden) 4.1 Funktion und Arten der Rohrendioden Gasdioden als Lampen Anzeige- und Lichtleitsysteme 5.1 Oszilloskop- und Bildrohren Gasentladungs- und Fluoreszenzanzeigen LED- und LCD-Anzeigen Lichtleiter und Bildleiter Kondensatoren 6.1 Kondensatoren, Grundbegriffe Laden und Entladen eines Kondensators Bauformen von Kondensatoren RC-Dbertragungsglieder Impulsiibertragung durch RC-Glieder Spannungsglattung mit Kondensatoren Siebschaltung fiir Gleichrichter Spulen und Schwingkreise 7.1 Spu1en, Grundbegriffe Spulenkenngro~en und Schaltvorgange Drosse1spulen mit Eisenkern v

6 7.4 Ferritkernspulen Spulen ftir hohere Frequenzen Schwingkreise Schwingquarze Einfache Resonanzschaltungen Schwingkreise mit Anzapfungen Transformatoren und Obertrager 8.1 Verlustfreie Spulensysteme Transformatoren als Ubertrager Aufbau und Berechnung von Ubertragern Impulslibertrager S Netztransformatoren Relais 9.1 Elektromagnetische Relais, Arten und Wirkungsweise Betriebseigenschaften von Relais Kontaktmaterial, Kontaktbeanspruchung und Kontaktschutz Relais-Kondensator-Schaltungen Verstarker- und Fotorohren Hochvakuumtrioden, Katodenbasisverstarker.... Tetroden und Pentoden.... Fotozellen und Fotovervielfacher.... Bildverstarker, Bildwandler und Bildaufnahmerohren Feldeffekt-Transistoren l.S 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 Feldeffekttransistoren Bipolare Transistoren 12.1 Aufbau und Wirkungsweise GroBsignalverhalten des Bipolar-Transistors Emitterschaltung als Kleinsignalverstarker Hochfrequenzverhalten der Emitterschaltung h-parameter und y-parameter Temperaturabhangigkeit und Reststromverhalten Schaltbetrieb des Bipolar-Transistors Gleichstromverhalten irn aktiven Betrieb Kleinsignalverstarker mit Parallelgegenkopplung Emitterschaltung mit Reihengegenkopplung... ISO VI

7 12.11 Kollektorschaltung (Emitterfolger) Basisschaltung Transistorverbundschaltungen Differenzverstarker Operationsverstiirker 13.1 Grundbegriffe des Operationsverstarkers Komparatoren mit Operationsverstarkern Operationsverstarker als invertierender Verstarker Operationsverstarker als nichtinvertierender Verstarker Addier- und Subtrahierschaltungen Stabilitat und Dynamik von Operationsverstarkern Differenzierschaltungen Integrierschaltungen Aktive RC-Filter Mefl,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 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 fiir die Analog-Digital-Umsetzung Indirekte Verfahren zur Analog-Digital-Umsetzung Optosensoren und Optokoppler 18.1 Fototransistoren Lichtschranken und Optokoppler Analoge Signaliibertragung mit Optokopplern Faseroptische Ubertragungsmittel Leistungstransistoren und Leistungsschaltungen Verlustleistung und Warmeableitung Sicheres Schalten mit Transistoren Dimensionierung eines Transistor-Leistungsschalters Darlington-Leistungstransistoren als Schalter und Steller Leistungs-MOSFETs Spannungsquellen mit Leistungstransistoren Spannungsquellen mit integrierten Spannungsreglern Schaltsteller und Schaltregler 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 Anwendungsbeispie Triacs als Stell- und Regelelemente Halbleiterrelais fiir Wechselstromlast Ausgewahlte integrierte Bausteine Operationsverstarker 861 (761) und 741 als Standard-Verstarker Bausteine 1458 und 348 als mehrfache 741er-Verstarker Baustein LM 324 als vierfacher "Single-Supply"-Verstarker Fensterdiskriminator TCA 965 als vielseitiger Schwellwertschalter Pulsbreitenmodular 3524 als Schaltsteller und Schaltregler Timer/Counter 2240 als universeller Multivibrator Funktionsgenerator 8038 als Rechteck-Dreieck- und Sinusoszillator Operationsverstarker LM 318 als schneller Puffer Taktstabilisierter Operationsverstarker ICL 7650 als Prazisionsverstarker Analogmultiplizierer ICL 8013 als vielseitiger Rechenbaustein Transistor-Array CA 3096 als Funktionsgeber Formelzeichen Anhang (Tabellen, Diagramme, Formeln) Bauteile- Katalog 327 Literaturverzeichnis 382 Quellenverzeichn is 388 Sachwortverzeichnis 389 VIII