Elektrotechnik für Ingenieure

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1 Rainer Ose Elektrotechnik für Ingenieure Bauelemente und Grundschaltungen mit PSPICEPICE

2 Ose Elektrotechnik für Ingenieure v Bleiben Sie einfach auf dem Laufenden: Sofort anmelden und Monat für Monat die neuesten Infos und Updates erhalten

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4 Rainer Ose Elektrotechnik für Ingenieure Bauelemente und Grundschaltungen mit PSPICE mit 632 Bildern, 25 Tabellen und 118 Lehr-, Berechnungs- und Simulationsbeispielen Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag

5 Prof. Dr.-Ing. Rainer Ose Fachhochschule Braunschweig-Wolfenbüttel, FachbereichElektrotechnik Alle in diesem Buch enthaltenen Programme, Verfahren und elektronischen Schaltungen wurden nach bestem Wissen erstellt und mit Sorgfalt getestet. Dennoch sind Fehler nicht ganz auszuschließen. Aus diesem Grund ist das im vorliegenden Buch enthaltene Programm-Material mit keiner Verpflichtung oder Garantie irgendeiner Art verbunden. Autor und Verlag übernehmen infolgedessen keine Verantwortung und werden keine daraus folgende oder sonstige Haftung übernehmen, die auf irgendeine Art aus der Benutzung dieses Programm-Materials oder Teilen davon entsteht. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auchohne besondere Kennzeichnung nicht zu derannahme,dasssolche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutztwerdendürften. Bibliografische Information derdeutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothekverzeichnet diese Publikationinder Deutschen Nationalbibliografie; detailliertebibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. ISBN-10: ISBN-13: Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdruckes und der Vervielfältigung des Buches, oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung mit Ausnahme der in den 53, 54 URG genannten Sonderfälle, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag 2007 Carl Hanser Verlag München Internet: Lektorat: Dipl.-Ing. Erika Hotho Herstellung: Dipl.-Ing. Franziska Kaufmann Druck und Bindung: Druckhaus Thomas Müntzer GmbH, Bad Langensalza PrintedinGermany

6 Vorwort Im Vordergrund des vorliegenden Lehrbuchs steht die Beschreibung des elektrischen Verhaltens von Bauelementen der Elektrotechnik/Elektronik. Ausgehend von den klassischen Grundlagen der Elektrotechnik werden typische Eigenschaften elektronischer Bauelemente behandelt und am Beispiel des Einsatzes in einfachen Grundschaltungenerklärt. Zur Beschreibung des elektrischen Verhaltens passiver und aktiver Bauelemente dienen Kennlinien, Kenngrößen und Ersatzschaltbilder, die mit dem Simulationsprogramm PSPICE anschaulich dargestellt werden. Die dazu verwendeten Grundschaltungen sollen das Verständnis für die Funktion des jeweiligen Bauelementes fördern. Auf schaltungstechnisch elegante Speziallösungen wurde demzufolge bewusst verzichtet. Durch die Bereitstellung einer Vielzahl von Lehrbeispielen sowie von Berechnungs- und Simulationsbeispielen wird der interessierte Leser befähigt, praxisbezogene Bauelemente- Anwendungen und einfache Grundschaltungen zu konzipieren und ihre Funktionsfähigkeit nachzuweisen. Das Elektronik-Simulationsprogramm PSPICE ist dabei lediglich Mittel zum Zweck und steht nicht im Vordergrund dieses Lehrbuchs. Es kann und soll aber dem Studierenden das Nachvollziehen des in der Vorlesung vermittelten Lehrstoffs ermöglichen und zugleich den Studienprozess in angrenzenden Lehrgebieten ( Grundlagen der Elektrotechnik und Analoge Schaltungen einerseits sowie Grundlagen der Informatik und Datenverarbeitung-Anwendungen andererseits) fördern. Nach einem intensiven Studium der Inhalte des vorliegenden Lehrbuchs soll der Studierende in die Lage versetzt werden (Lernziele): das elektrische Verhalten elektronischer Bauelemente zu verstehen und zu erklären die elektrischen Eigenschaften von Bauelementen zu beschreiben und zu simulieren die mit PSPICE simulierten Ergebnisse zu bewerten und zu archivieren Verständnis für das elektrische Verhaltenvon Grundschaltungen zu entwickeln elektronische Bauelemente zielgerichtet in der schaltungstechnischen Praxis einzusetzen. Alle Lösungen der Lehr- und Simulationsbeispiele können mit der PSPICE Evaluationssoftware nachvollzogen werden. Die zur Simulation dieser Beispiele erforderlichen Projekte befinden sich im Internet unter: in Form von PSPICE-Netzlisten. Hinweise zur Arbeit mit der Evaluationssoftware und zu diesen Netzlisten findet man als Kurzfassung im Anhang dieses Lehrbuchs. Ich möchte mich an dieser Stelle bei meinen Kollegen, die freundlicherweise Korrektur gelesen haben, für alle Hinweise zur Verbesserung des Lehrbuchs und für die helfenden Hinweise zur Optimierung ausgewählter PSPICE-Simulationsbeispiele herzlich bedanken. Wolfenbüttel, im September 2006 Rainer Ose r.ose@fh-wolfenbuettel.de

7 Inhaltsverzeichnis I Elementare Anwendungen von PSPICE 1 Grundlagen der Elektrotechnik mit PSPICE Kurzeinführung in PSPICE Zeichnen einer Schaltung Setzen von Bauelemente-Attributen Simulation von Projekten Auswertung von Simulationen Simulation von Gleichstromkreisen DC-Main-Sweep-Funktionen Funktionen des PROBE-Fensters DC-Nested-Sweep-Funktionen Simulation von Wechselstromkreisen Darstellung von Zeitfunktionen Überlagerung von Zeitfunktionen Messung elektrischer Größen AC-Sweep-Funktionen AC-Parametric-Sweep Dreiphasensystem Transformator Simulation von Schaltvorgängen Auf- und Entladen von RC-Kombinationen Umschalten vorgeladener Kondensatoren Ladungsausgleichsvorgänge Schaltvorgänge in RL-Kombinationen Schaltvorgänge in RLC-Kombinationen Simulationsbeispiele II Bauelemente der Elektronik 2 Passive Bauelemente Klassifikationskriterien Grundbauelemente Widerstände Kondensatoren Spulen Homogene Halbleiter Halbleiter-Übersicht Thermistoren Varistor

8 Inhaltsverzeichnis Fotowiderstand Magnetfeldabhängige Halbleiter Halbleiter-Dioden pn-übergang Universaldiode Simulation von Halbleiter-Dioden Gleichrichterdioden Schaltdioden Z-Diode Varaktor-Dioden pin-diode Schottky-Diode Simulationsbeispiele Aktive Bauelemente Eigenschaften Unipolare Transistoren Sperrschicht-FET MOS-FETs Leistungs-MOS-FETs Kenngrößen von FETs PSPICE-Modelle von Feldeffekttransistoren Elementare Anwendungen von Feldeffekttransistoren Bipolare Transistoren Aufbau und Wirkungsweise Kennlinienfelder Statische Kenngrößen Dynamische Kenngrößen Arbeitspunkteinstellung Arbeitspunktstabilisierung PSPICE-Modelle von bipolaren Transistoren Frequenzabhängigkeiten Elementare Anwendungen Thyristoren Aufbau und Wirkungsweise Kennlinien und Kenngrößen PSPICE-Modelldaten Thyristor als Schalter Simulationsbeispiele Optoelektronische Halbleiterbauelemente Einteilung optoelektronischer Bauelemente Strahlungskenngrößen

9 8 Inhaltsverzeichnis Radiometrische Größen Fotometrische Größen Fotodetektoren Fotowiderstand Fotodiode Fotoelement und Solarzelle Fototransistor Fotothyristor Fotoaktoren Lumineszenzdiode Optokoppler Berechnungs- und Simulationsbeispiele Operationsverstärker Grundprinzip eines Operationsverstärkers Kenngrößen des Operationsverstärkers Ideales und reales Verhalten eines Operationsverstärkers Ruhestrom-Kompensation Offset-Kompensation Frequenzgang-Korrektur Grundschaltungen mit OV Invertierender Verstärker Nichtinvertierender Verstärker Analoge Rechenschaltungen Summenverstärker Differenzverstärker Differenzierer Integrierer Komparatoren Konstantstromquellen Spitzenwertgleichrichter Aktive Filter Tief- und Hochpässe Bandpassschaltungen Simulationsbeispiele Anhang Literaturverzeichnis Sachwortverzeichnis Formelzeichenverzeichnis