Dieter Zastrow. Elektronik

Transkript

1 Dieter Zastrow Elektronik

2 Aus dem Programm. Elektrotechnik/Elektronik Aufgabensammlung Elektrotechnik, Band von M. Vömel und D. Zastrow Elektrotechnik von D. Zastrow Vieweg Handbuch Elektrotechnik herausgegeben von W. Böge Elemente der angewandten Elektronik von E. Böhmer Elektronik von Dieter Zastrow Elektrotechnik für Ingenieure Band 1-3 von W. Weißgerber Arbeitshilfen und Formeln für das technische Studium Band 4: Elektrotechnik/Elektronik/ Digitaltechnik/Steuerungstechnik von P. Franke, herausgegeben von W. Böge Digitaltechnik von K. Fricke vieweg ~

3 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 Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH

4 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Ein Titeldatensatz für diese Publikation ist bei der Deutschen Bibliothek erhältlich. 1. Auflage , durchgesehene Auflage , durchgesehene Auflage , verbesserte Auflage , vollständig überarbeitete Auflage , verbesserte Auflage August 2002 Alle Rechte vorbehalten Springer Fachmedien Wiesbaden, 2002 Ursprünglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, Braunschweig/Wiesbaden, 2002 Der Vieweg Verlag ist ein Unternehmen der Fachverlagsgruppe BertelsmannSpringer. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. ISBN ISBN (ebook) DOI /

5 v Vorwort zur sechsten Auflage In der sechsten Auflage wurde das Bildmaterial, soweit es Schaltzeichen für Spannungs- und Stromquellen enthält, überarbeitet und auf normgerechte Darstellung umgezeichnet. Im Abschnitt Schwingungserzeugung wurde das Kapitel Phase-Locked-Loop um den praktischen Einsatz eines digitalen PLL-ICs zur Frequenzvervielfachung erweitert. Ferner wurden an einigen Stellen Textänderungen vorgenommen, um die Verständlichkeit von Erklärungen und Übungsaufgaben zu verbessern. Ellerstadt, Juli 2002 Dieter Zastrow Vorwort zur fünften Auflage Elektronik ist ein Sammelbegriff für ein unübersehbar großes Fachgebiet, das sich in der gegenwärtigen Praxis in einer Umbruchsituation befindet. Analoge Funktionen werden durch digitale Lösungen ersetzt, innerhalb der Digitaltechnik verschiebt sich die hardwaremäßige Realisierung von der herkömmlichen IC-Logik zu den programmierbaren Logikbausteinen mit dem Ziel der "System-on-a-Chip" Lösung. Viele Anwendungen können mit einer Standard-Hardware bestehend aus Mikrocontroller und Speicherbausteinen und einerflexibel anpaßbaren Software günstig realisiert werden. Allerdings lassen sich noch nicht alle analogen elektronischen Funktionen eliminieren. Es sind hauptsächlich drei Bereiche, in denen sich die Analogtechnik noch hält: Ansteuerung von Verbrauchern bzw. elektrotechnischer Systemkomponenten z.b. der Netzteil- und Antriebstechnik, Erfassung kleiner Meßsignale aus der Prozeßperipherie, Datenwandlung bzw. Datenumsetzung. Dementsprechend findet auch im zugehörigen Ausbildungs- und Lehrbereich ein inhaltlicher Wandel in der Elektronik statt, der durch die Beschränkung auf beständige

6 VI Vorwort Grundlagen und stärkere Betonung der Schalteranwendungen von Transistoren und Operationsverstärkern gekennzeichnet ist, ergänzt mit der Simulation elektronischer Schaltungen auf dem pe, wodurch sich neue Möglichkeiten des interaktiven Lernens eröffnen. Die Erfahrung hat gezeigt, daß der Umgang mit der Simulations-Software ein solides elektrotechnisches und elektronisches Grundlagenwissen mit mathematischer Fundierung voraussetzt, um sich überhaupt im verwendeten Begriffssystem und den Analysemöglichkeiten zurecht finden zu können. Demgemäß hat ein kurzgefaßtes Lehr- und Arbeitsbuch über Grundlagen der Analogtechnik Digitaltechnik Leistungselektronik Signalumsetzung: ADU, DAU Stromversorgungsschaltungen weiterhin seine Berechtigung. Die 5. Auflage ist in Teilen vollständig überarbeitet worden, ohne den Umfang des Buches zu vergrößern. Ein Schwerpunkt der Überarbeitung war die Umstellung des Lehrstoffs Transistoren auf das Thema Schalteranwendungen bei gleichzeitiger Beschränkung im Bereich der Verstärkung auf unverzichtbare Grundlagen. Ein weiterer Schwerpunkt der Überarbeitung war die vollständige Neufassung des Lehrstoffs Operationsverstärker entsprechend seiner gewachsenen Bedeutung. Neu aufgenommen wurden Abschnitte über Leistungs- und Trennverstärker. An anderen Stellen ist der Lehrstoff punktuell modernisiert worden. Das Konzept des aufbauenden Lehrganges mit Zusammenfassungen und Übungsaufgaben an den Kapitelenden sowie ausführlichen Lösungen im Anhang ist erhalten geblieben. Die Darstellung des Lehrstoffes orientiert sich am Niveau von Technikerschulen und ist auf die Entwicklung eines gründlichen Schaltungsverständnisses und einer klaren Fachsprache ausgerichtet. Die unverzichtbare mathematische Durchdringung von Schaltungsproblemen ist so kurz und einfach wie möglich gehalten. Das Buch wendet sich mit diesem Anspruch an eine breite Leserschaft, die sich aus Studienerfordernissen oder beruflichen Gründen mit den klassischen elektronischen Grundlagen befassen muß. Gerne statte ich den Mitarbeitern des Verlags Vieweg für ihr verständnisvolles Eingehen auf meine Vorstellungen sowie für die sorgfältige Ausführung des Buches und die gute Zusammenarbeit meinen herzlichen Dank ab. Für Anregungen aus dem Leserkreis bin ich jederzeit dankb~r. Ellerstadt, Februar 1999 Dieter Zastrow

7 VII Arbeitshinweise ZU diesem Buch Wie hilft Ihnen dieses Lehr- und Arbeitsbuch beim Lernen? Vorkenntnisse Lehrstoff Beispiele Aufgabentyp Lösungen Memory Die Kapitel beginnen mit einer knappen Aufzählung der erforderlichen Vorkenntnisse, so daß Sie Kenntnislücken durch Nachschlagen gezielt schließen können. Der Lehrstoff ist methodisch aufbereitet und in Form eines Lehrgangs dargestellt. D. h. über die reine Faktenvermittlung hinaus wird Ihnen auch das in der analogen und digitalen Elektronik typische Denken vermittelt, damit sich ein Verständnis für elektronische Zusammenhänge bilden kann. Alle wichtigen Fachbegriffe sind da, wo sie definiert oder sonst erläutert werden, kursiv gedruckt. Da bekannt ist, daß elektronische Vorgänge, die man berechnen und messen kann, besser verstanden werden als jene, die nur in ihrer Wirkungsweise beschrieben werden, wird der Lehrstoff besonders durch Rechenbeispiele und Schaltungsbeispiele mit Oszillogrammen veranschau licht Ob Sie einen echten Lernfortschritt gemacht haben, können Sie bei der selbständigen Lösung der vorhandenen Obungsaufgaben feststellen. Dabei bedeuten die Zeichen:... übungen, deren Besonderheit eine Lösungsleitlinie ist.,6 übungen, die den typischen Prüfungsaufgaben entsprechen. übungen, die das Verständnis für Begriffe, Zusammenhänge und Modell vorstell u ngen fördern. Zum Zwecke der Lernkontrolle befindet sich zu allen Aufgaben ein vollständiger Lösungsweg im Anhang des Buches. Suchen Sie noch andere Lösungswege. Der Wert der übungen steigt mit der Anzahl der erreichten Lösungsmöglichkeiten. An den Kapitelenden ist ein Memory angeordnet. Es enthält das von Ihnen geforderte Grundwissen.

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

9 Inhaltsverzeichnis IX - Meßschaltung Kennlinien Grenzdaten Spannungsgrenzwerte Stromgrenzwerte Temperatur- und Leistungsgrenzwerte Sicherer Arbeitsbereich (SOA = Safe Operating Area) Grundbegriffe der Schaltverstärker Schaltzustände des Transistors Übersteuerung Schaltzeiten Berechnungsgang für den Schaltverstärker 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 über Optokoppler Vertiefung und Übung Transistor als Verstärker Grundbegriffe der Verstärkertechnik Vierpoldarstellung des Verstärkers Arbeitspunkteinstellung Kollektorruhestrom Arbeitswiderstand Arbeitspunkt Verstärkungsvorgang im Kennlinienfeld Ermittlung der Verstärkerkennwerte Messen der Leerlauf-Spannungsverstärkung Messen des Eingangswiderstandes Messen des Ausgangswiderstandes Rechnerische Ermittlung der Verstärkerkennwerte Frequenzgang Untere Grenzfrequenz Obere Grenzfrequenz Verstärker-Grundschaltungen Vertiefung und Übung Operationsverstärker und Grundschaltungen Übersicht Eigenschaften eines Standard-Operationsverstärkers... 88

10 x Inhaltsverzeichnis - Der invertierende und nichtinvertierende Eingang Aussteuerungsgrenzen der Ausgangsspannung Aussteuerungsgrenzen des Ausgangsstromes Differenzverstärkung und Gleichtaktverstärkung Gleichtaktunterdrückung Ausgangsspannung Eingangswiderstand Ausgangswiderstand Frequenzgang Siew Rate Datenblatt des Standard-Operationsverstärkers Operationsverstärker als linearer Verstärker Gegenkopplungsprinzip Rechenregeln für gegengekoppelte Operationsverstärker Invertierender Verstärker 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 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

11 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 Arbeitspunkt Oszillogramme Phasenbedingung Amplitudenbedingung Anschwingen und stationäre Schwingung RC-Oszillator Rechteckgeneratoren Funktionsgenerator Spannungsgesteuerte Oszillatoren VCO Phase-Locked-Loop PLL Spannungsgesteuerter Oszillator VCO Phasendetektor 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

12 XII Inhaltsverzeichnis 11 Leistungssteuerung mit Thyristoren Thyristor als steuerbarer Schalter Steuersatz Thermische Eigenschaften von Thyristoren Triac als bidirektionaler Thyristor Thyristorffriacals phasenanschnittsgesteuerter Wechselstromsteller Thyristorffriac als periodengruppengesteuerter Wechselstromschalter Thyristor als gesteuerter Gleichrichter Rein ohmsche Last Rein ohmsche Last mit Gegenspannung 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 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 RS-Flipflop D-Flipflop Flankengetriggertes JK-Flipflop JK-Master-Siave-Flipflop Zählen

13 I nhaltsverzeichn is 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 Lösungen der Übungen Sachwortverzeichnis

14 XIV Schreibweise von Formelzeichen Spannungen und Ströme Für die Formelzeichen werden große und kleine Buchstaben verwendet. Kleine Buchstaben für Augenblickswerte zeitlich veränderlicher Größen. Beispiele: u = Momentanwert einer Wechselspannung U = Scheitelwert einer Wechselspannung Große Buchstaben für zeitlich konstante Größen Beispiele: U = Gleichspannung, Effektivwert einer Wechselspannung Il = Komplexe Spannung Il = Ue±jcp Die Formelbuchstaben werden durch Indizes ergänzt, wenn nähere Unterscheidungen erforderlich sind. Für Indizes werden ebenfalls große und kleine Buchstaben oder Ziffern verwendet Kleine Buchstaben für Wechselgrößen. Beispiele: Ube Urms = Scheitelwert einer ßasis-.!;mitter-Wechselspannung = Effektivwert (Loot roean ~quare) eines Wechselspannungsanteils einer Mischspannung Große Buchstaben für Gleichgrößen oder Gesamtwerte und Mittelwerte von Mischgrößen (von der Nullinie an gezählt). Beispiele: U AB UBE = Gleichspannung gemessen von Punkt A gegen Punkt B, Potentialdifferenz U AB = 'PA - 'PB = Momentanwert einer ßasis-.!;mitter-Mischspannung, bestehend aus einem Gleichspannungsanteil UBE und einem Wechselspannungsanteil ube = Effektivwert ([9ot roean2quare) einer Mischspannung = Arithmetischer Mittelwert (average) einer Mischspannung Abweichend von den genannten Regeln werden einige Formelzeichen wie allgemein üblich verwendet - Ausnahmen: Uq = Quellenspannung einer Ersatzspannungsquelle (Gleich- oder Effektivwert) Udi = Ideelle Leerlaufgleichspannung einer Gleichrichterschaltung (arithmetischer Mittelwert) Ueff = Effektivwert, allgemein

15 Schreibweise von Formelzeichen xv Widerstände Die Kennzeichnung der verschiedenen Widerstandsarten geschieht - durch besondere Formelzeichen Beispiele: R = Ohmscher Widerstand mit der Eigenschaft R = ~ = konst. verursacht I keine Phasenverschiebung bei Wechselgrößen. Praktisch vorliegend als Bauelement mit Farbring-Kennzeichnung zur Wertangabe. Oder auch X Z Wirkwiderstand R = {-, /eff aus dem Wirkleistungsumsatz eines Verbrauchers errechneter Widerstandswert. Frequenzabhängiger Blindwiderstand des Kondensators Xc = -'-, der Spule XL = wl wc Komplexer Widerstand in Normalform ~ = R + j X nennt Wirk- und Blindwiderstandsanteile, in Exponentialform Z = Z. e+ jqj nennt Widerstandsbetrag und Phasenverschiebungswinkel, Umrechnungsbeziehungen: Z =.JR2 + X 2 - X rp = arc tan- +. R e- JqJ = cos rp ± j sin rp - durch Kleinschreibung der Formelbuchstaben bei differentiellen Widerständen Beispiel: rz = Differentieller Widerstand einer Z-Diode AU r -- z Z - ß/ z ' maßgebende Widerstandsgröße bei der Berechnung von Stromänderungen. Differentielle Widerstände treten regelmäßig auf bei Bauelementen mit nichtlinearer (geknickter) U-/-Kennlinie zur Beschreibung des Steilverlaufs der Kennlinie nach dem Kennlinienknick.