Elemente der angewandten Elektronik

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1 Erwin Böhmer Elemente der angewandten Elektronik Kompendium für Ausbildung und Beruf Mit 600 Abbildungen und einem umfangreichen BauteHe-Katalog 12., verbesserte und erweiterte Auflage II v1eweg

2 Die Deutsche Bibliothek- CIP-Einheitsaufnahme Ein Titeldatensatz fiir die se Publikation ist bei Der Deutschen Bibliothek erhiiltlich. 1. Auflage , neubearbeitete und erweiterte Auflage , iiberarbeitete und erweiterte Auflage , iiberarbeitete und erweiterte Auflage , iiberarbeitete und erweiterte Auflage , iiberarbeitete Auflage , iiberarbeitete Auflage , iiberarbeitete Auflage , iiberarbeitete und erweiterte Auflage , iiberarbeitete Auflage , verbesserte Auflage , verbesserte und erweiterte Auflage 2000 Additional material to this book can be downloaded from Alle Rechte vorbehalten Springer Fachmedien Wiesbaden 2000 Ursprünglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, Braunschweig/ Wiesbaden, 2000 Das Werk einschlieblich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschiitzt. Jede Verwertung auberhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzuliissig und strafbar. Das gilt insbesondere fiir Vervielfaltigungen, Obersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Technische Redaktion: Hartmut Kiihn van Burgsdorff Konzeption und Layout des Umschlags: Ulrike Weigel, Gedruckt auf saurefreiem Papier ISBN ISBN (ebook) DOI /

3 Vorwort zur neunten Auflage Es war das erklärte Ziel dieses Buches bei seinem ersten Erscheinen vor nunmehr 15 Jahren, das Basiswissen zur Elektronik umfassend, kompakt und übersichtlich darzustellen. In den zwischenzeitlich erschienenen acht Auflagen habe ich mich bemüht, durch Verbesserungen und Ergänzungenmanchmal auch durch Streichungen -, diesem Anspruch zunehmend gerecht zu werden. Die jetzt vorliegende neunte Auflage erscheint nach vollständiger Neubearbeitung auch mit einem vollständig neuen Satz und einer veränderten Gliederung. Dem wichtigen Gebiet der Spannungs- und Stromversorgung wurde darin ein eigenständiges Kapitel gewidmet. Dabei wurde die bisherige Unterteilung in abgeschlossene Sachthemen auf jeweils einer Text- und einer Bildseite weitergeführt, da diese ein Größtmaß an Übersichtlichkeit ergibt. Viele Zusammenhänge, die in dem knapp gehaltenen Text nicht zur Sprache kommen, erscheinen in den Bildern. Die vielen Zuschriften zu dem Buch zeigen, daß es als Begleittext zu sehr unterschiedlichen Lehrveranstaltungen verwendet wird. Offenbar eignet es sich besonders, um Lücken zu schließen, die ein noch so guter Lehrplan schon aus Zeitgründen da und dort läßt. Mit seinen zahlreichen Beispielen dient es als Mittler zwischen Theorie und Praxis. In diesem Sinne ebnet es den Studierenden auch den Weg durch das Elektronik-Praktikum und gibt ihnen eine Arbeitsgrundlage zur eigenen Schaltungsentwicklung. Im Hinblick auf diese Funktion wurde der im Anhang zusammengestellte Bauteile Katalog (blaue Seiten) nochmals erweitert und aktualisiert. In der Hand der Studierenden ersetzt dieser eine Datenbuchsammlung, über die jeder Ingenieur als notwendiges Werkzeug verfügt. Ein umfangreiches Sachwortverzeichnis ermöglicht es ferner, Fragen nachzugehen und das Buch als kleines Fachlexikon zu nutzen. Während der Entwicklung des Buches an der Universität-Gesamthochschule Siegen ist mir mancherlei Hilfe zuteil geworden, für die ich Dank schulde. Auf die namentliche Erwähnung aller Mitwirkenden an früheren Auflagen will ich hier verzichten. Besonders danke ich Herrn Dipi.-Ing. H. Otto, der viele Schaltungen als Übungsbeispiele für Studenten im Labor erprobt hat und auch die nötigen Rechenhilfsmittel zur Verfügung stellte. Die Kollegen Prof. Dr. M. Böhm und Prof. Dr. F. Wittgruber von der Fachgruppe Technische Elektronik und Bauelemente haben mir durch zahlreiche Diskussionen geholfen. In dieser Weise hat mich auch mein Freund, Herr Dr.-Ing. H. K. Köthe vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg, bei der Abfassung des neuen Kapitels über Spannungs- und Stromversorgung unterstützt. Frau Petra Schöppner schrieb die neuen Texte und fertigte die Zeichnungen an, wofür ich ihr danke. Für den vollständigen Neusatz und eine weitgehende Neugestaltung der Bildseiten war ein ungewöhnlicher Kraftakt seitens des Verlages Vieweg erforderlich. Der zuständige Lektor, Herr Dipl.-Ing. E. Klementz hat mit seinen Lesungen und konstruktiven, zum Teil auch kritischen Anmerkungen dazu wesentliche Beiträge geleistet. Herr W. Nieger hat als technischer Redakteur die Probleme meisterhaft gelöst, die sich aus der neuen Satztechnik ergaben und dem Buch so zu einer besseren Gestaltung insgesamt verholfen. Zum Schluß sei mir noch ein Wort in eigener Sache gestattet. Die Entwicklung des Buches über die Jahre hinweg war nicht ohne Freizeitopfer möglich. Ich danke meiner lieben Frau Gertrud für ihr Verständnis. Siegen, im Juni 1994 Vorwort zur zwölften Auflage In der zwölften Auflage wurde das Buch durch den Anhang C auf den Seiten 425 und 426 ergänzt. Dieser steht unter dem Thema "Fortschritte in der Elektronik" und berichtet über die Arbeit am Institut für Halbleiterelektronik an der Universität-Gesamthochschule Siegen. Siegen, im Februar 2000 III

4 Inhaltsverzeichnis 1 Elektrische Leitung und Widerstände Elektrische Leitung, Grundbegriffe.... Leitungen und Sicherungen.... Elektrische Widerstände.... Übliche Bauformen der Widerstände.... Stellwiderstände mit Schleifkontakt.... Widerstandsnetzwerke, passive und aktive Zweipole Homogene Halbleiterbauelemente Grundbegriffe der Halbleiter Meß- und Kompensationsheißleiter Anlaßheißleiter Kaltleiter Varistoren.... Feldplatten.... Fotowiderstände.... Hallgeneratoren Halbleiterdioden 3.1 Grundlagen der Halbleiterdiode Silizium-Leistungsdioden Dioden im Ladegleichrichter Z-Dioden (Zenerdioden) Fotodioden und Fotoelemente Lumineszenz-Dioden (Leuchtdioden) Kondensatoren 4.1 Kondensatoren, Grundbegriffe Laden und Entladen eines Kondensators Bauformen und Eigenschaften Elektrolytkondensatoren RC-Übertragungsglieder Impulsübertragung durch RC-Glieder Spannungsglättung mit Kondensatoren Spulen und Schwingkreise 5.1 Spulen, Grundbegriffe Spulenkenngrößen und Schaltvorgänge Drosselspulen mit Eisenkernen oder Eisenpulver-Kern Ferritkernspulen Spulen bei höheren Frequenzen Schwingkreise, Grundbegriffe Schwingkreise mit Tiefpaßfunktion Resonanzschaltungen Schwingkreise mit Anzapfungen Schwingquarze IV

5 6 Transformatoren und Übertrager 6.1 Verlustfreie Spulensysteme Transformatoren als Übertrager Aufbau und Berechnung von Übertragern Impulsübertrager (Impulstransformatoren) Netztransformatoren Relais 7.1 Elektromagnetische Relais, Arten und Wirkungsweise Betriebseigenschaften von Relais Kontaktmaterial, Kontaktbeanspruchung und Kontaktschutz Relais-Kondensator-Schaltungen Röhren und Displays 8.1 Gasentladungsröhren Vakuumdioden und -trioden Tetroden und Pentoden Fotozellen und Fotovervielfacher Bildverstärker, Bildwandler und Bildaufnahmeröhren Vakuum-Lumineszenzröhren (Fluoreszenzröhren) Flüssigkristall-Anzeigen (LC-Displays) Feldeffekt-Transistoren 9.1 Aufbau und Wirkungsweise des Sperrschicht-Feldeffekt-Transistors Feldeffekttransistoren, Groß- und Kleinsignalbetrieb Feldeffekttransistoren in Konstantstromschaltungen Sourceschaltung im Kleinsignalbetrieb Analyse eines Kleinsignalverstärkers in Sourceschaltung Drainschaltung (Sourcefolger) Gateschaltung Feldeffekttransistoren mit isolierter Gate-Elektrode Integrierte MüS-Sehaltungen Analogschalter und -muliplexer Kenngrößen und ihre Anwendung Bipolare Transistoren 10.1 Aufbau und Wirkungsweise Emitterschaltung als Großsignalverstärker Temperaturabhängigkeit und innere Stromverteilung Schaltbetrieb des Bipolar-Transistors Gleichstrombetrieb im aktiven Bereich Emitterschaltung als Kleinsignalverstärker Hochfrequenzverhalten der Emitterschaltung h-parameter und y-parameter Kleinsignalverstärker mit Parallelgegenkopplung Emitterschaltung mit Reihengegenkopplung Kollektorschaltung (Emitterfolger) Basisschaltung Differenzverstärker Transistorverbundschaltungen V

6 11 Operationsverstärker 11.1 Grundbegriffe des Operationsverstärkers Linearer invertierender Verstärker Linearer nichtinvertierender Verstärker Eingangsverhalten des realen Verstärkers Ausgangsverhalten des realen Verstärkers Frequenzgang und Stabilität o Differenzierschaltungen Integrierschaltungen Aktive RC-Filter zweiter und höherer Ordnung State-Variable-Filter (SVF) o o o o Meßgleichrichter Begrenzer, Amplitudenfilter und Funktionsgeber o o o o o o o o o o o o o o o o 0 0 o 0 o o o o o o o o Spannungsquellen Stromquellen Transformationsschaltungen o o o o o o o U Ausgewählte Analogbausteine 1201 Standard-Operationsverstärker TAA 765 und LM Mehrfachverstärker und ihre Anwendung o o o o o o o o o o 0 o o o o o o o o o o o o o o o o o o o Präzisions-Operationsverstärker Steilheits-Operationsverstärker CA 3080 und LM Logarithmierschaltungen Multiplizierbaustein AD 534 o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 0 o o o o o o o o o o o o o o o 0 o 0 o o o o o o o o o Filterbaustein HY 3105 als Universalfilter o o o o 00 o o Schalter-Kondensator-Filter (S.witched.Capacitor Filter, SC-Filter) Abtast-Haite-Glieder o o o o o o 00 o o 000 o o o o o o o o o o o o o o o 0 o o o o o o o o 0 o o o o o o o o o Sinusoszillatoren 1301 Einfache RC-Oszillatoren o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 00 o 0 o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o RC-Oszillatoren mit Amplitudenregelung 000 o o o o o o o o o o 0 o LC-Oszillatoren mit der Basisschaltung o o 0 o o o o o o o 000 o o o o o o o o LC-Oszillatoren mit der Emitterschaltung 00 o o o o o o 000 o o o o o o o o o o o o o Kippschaltungen 1401 Triggerschaltungen mit Transistoren o o o o o 0 0 o o o o o o 0 o o o o o o o o o 0 0 o o Symmetrische bistabile Kippschaltungen o o o Monostabile und astabile Multivibratoren o o Trigger mit Operationsverstärkern o. o Fensterkomparatoren o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 0 o o o o o o o o o Multivibratoren mit Operationsverstärkern Multivibratoren mit dem Timer-IC o Funktionsgenerator o o o o o o o o o o Spannungs-Frequenz-Umsetzer o o o o o o o o o o o o o o o o o o Kippschaltungen mit Unijunction-Transistoren Vierschichtelemente (Thyristoren). o o o o o o o o o o o o o o o o Digitale Verknüpfungs- und Speicherschaltungen VI 1501 Diodengatterschaltungen o o Emitterschaltung als Inverter o o o o o o o 0. o o o o o o o o NOR- und NAND-Gatter in DTL-Technik. o o o o o. o o 0 0 o o Grundschaltungen der TTL-Technik o o o. o o o o o o o 0 0 o

7 15.5 Schottky- und ECL-Schaltungen CMOS-Logikschaltungen Kippschaltungen mit NOR- und NANO-Gattern Einfache Flip-Flops mit Taktsteuerung Master-Slave-Flip-Flops (MS-Flip-Flops) Register Frequenzteiler (Untersetzer) und Zählschaltungen Zeitzähler (Timer-Counter) Impulszähler Vergleicher (Komparatoren) Multiplexer und Demultiplexer Schreib-Lese-Speicher (RAMs) ROMs, PROMs und PLDs DA- und AD-Umsetzer 16.1 DA-Umsetzer (DAU) Drei Konzepte für die Analog-Digital-Umsetzung Indirekte Verfahren zur Analog-Digital-Umsetzung Optoelektronik 17.1 Fototransistoren und Fotothyristoren Optokoppler Lichtschranken und Lichtleiter Optische Nachrichtentechnik Leistungstransistoren und Anwendungen 18.1 Verlustleistung und Wärmeableitung Transistor als Leistungsschalter Schnelles Schalten induktiver Lasten Darlington-Leistungstransistoren als Schalter und Steiler Leistungs-MOSFETs und IGBTs Schaltungsdesign zu MOSFETs und IGBTs Gleichspannungsquellen mit Leistungstransistoren Wechselspannungsquellen für hohe Strombelastung Niederfrequenz-Leistungsverstärker Thyristoren und Triacs 19.1 Leistungsthyristoren, Grundbegriffe und Funktionsweise Ansteuerschaltungen für Thyristoren Wechselstromsteller mit Thyristoren Dynamische Vorgänge und Schutzbeschaltung Triac, Grundbegriffe und Anwendungsbeispiel Wechselstromschalter mit Triacs und Thyristoren Ansteuerbausteine für Triacs Zeitsteuerungen mit Triacs Spannungs- und Stromversorgung 20.1 Netzgeräte mit Spannungsregler Erzeugung von mehreren Betriebsspannungen Primärzellen und Primärbatterien Sekundärzellen und Sekundärbatterien (Akkumulatoren) Ladeverfahren und Ladetechniken für Akkumulatoren VII

8 20.6 Solargeneratoren Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) Drossel-Aufwärtswandler mit PFM-Schaltregler Drossel-Inverswandler mit PFM-Schaltregler Drossel-Abwärtswandler mit PFM-Schaltregler Drossel-Abwärtswandler mit PWM-Schaltregler Sperrwandler mit Speichertransformator Netzgeräte ohne Netztransformator Formelzeichen Anhang A (Tabellen, Diagramme, Formeln) Anhang B- BauteHe-Katalog Anhang C- Fortschritte in der Elektronik Literaturverzeichnis Quellenverzeichnis Sachwortverzeichnis VIII