Dieter Zastrow. Elektronik

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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 von W. Böge Handbuch Elektrische Engergietechnik von 1. Constantinescu-Simon Elektronik von Dieter Zastrow Elemente der angewandten Elektronik von E. Böhmer Rechenübungen zur angewandten Elektronik von E. Böhmer Arbeitshilfen und Formeln für das technische Studium 4: Elektrotechnik/Elektronik/Digitaltechnik vona. Böge Elektrische Meßtechnik von K. Bergmann Vieweg Lexikon Technik von A. Böge vieweg '

3 Dieter Zastrow Elektronik Einführung in Analogtechnik, Digitaltechnik und Leistungselektronik Mit 417 Abbildungen, 93 Lehrbeispielen und 120 Übungen mit ausführlichen Lösungen 5., vollständig überarbeitete Auflage ~vieweg

4 1. Auflage , durchgesehene Auflage , durchgesehene Auflage , verbe sserte Auflage , vollständig überarbeitete Auflage 1999 Alle Rechte vorbehalten Springer Fachmedien Wiesbaden 1999 Ursprünglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, Braun schwe igiwie sbaden, Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspei cherung und Verarbeitung in elektronische n Systemen. Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, Niedern hausen Satz und Bilder: Vieweg, Wiesbaden; Graphik & Text Studio Dr. Wolfgang Zettlmeier, Laaber-Waldetzenberg Gedruc kt auf säurefreiem Papier ISBN ISBN (ebook) DOI /

5 v Vorwort Elektronik ist ein Sammelbegriff für ein unübersehbar großes Fachgebiet, das sich in der gegenwärtigen Praxis in einer Umbr uchsituation befind et. 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.syste m-on-a-chlp" Lösung. Viele Anw endungen können mit einer Standard-Hardware bestehend aus Mikrocontroller und Speicherbausteinen und einer flexibel anpaßbaren Softw are günstig realisiert werden. Allerdings lassen sich noch nicht alle analogen elektronischen Funktionen elim inieren. Es sind hauptsächli ch drei Bereiche, in denen sich die Analogtechnik noch hält: Ansteuerun g von Verbr auchern bzw. elektrotec hnischer Systemkomponenten z.b. der Netzteil- und Antriebstec hnik, Erfassung kleiner M eßsignale aus der Prozeßperiph erie, Datenwandlung bzw. Datenum setzun g. Dementsprechend find et auch im zugehörigen Ausbildungs- und Lehrbereich ein inhaltlic her W andel in der Elektronik statt, der durch die Beschränkung auf beständige Grundlagen und stärkere Betonung der Schalteranwendungen von Transistoren und O perationsverstärkern gekennzeichnet ist, ergänzt mit der Simulatio n elektronischer Schaltungen auf dem PC, wodurch sich neue Möglichkeiten des interaktiven Lernens eröffnen. Die Erfahrung hat gezeigt, daß der Umgang mit der Simulations Software ein solides elektrotechnisches und elektro nisches Grund lagenwissen 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 Analogtechn ik Digitaltechn ik Leistungselektronik Signalumsetzung: ADU, DAU Stro mversorgungsschalt ungen weiterhin seine Berechtigung. Die 5. Auflage ist in Teilen vollständig überarbeitet worden, ohne den Umfang des Buches zu vergrößern. Ein Schwerpunkt der Überarbeitun g war die Umstellung des Lehrstoffs Transistoren auf das Thema Schalteranwendungen bei gleichzeitiger Beschränkung im Bereich der Verstärkung auf unverzichtbare Grundl agen. Ein weiterer Schwerpunkt der Überarbeitun g war die vollständige Neufassung des Lehrstoffs Op erationsverstärker entsprechend seiner gewachsenen Bedeutung. Neu aufgenommen wurden Abschnitte über Leistungs-und Trennverstärker. An anderen Stellen ist der Lehrstoff punktuell modernisiert wo rden. Das Konzept des aufbauenden Lehrganges mit Zusammenfassungen und Übungsaufgaben an den Kapitelenden sowie ausführlichen Lösungen im Anhang ist erhalten geblieben.

6 VI Vorwort Die Darstellung des Lehrstoffes ori enti ert sich am Niv eau von Technikerschulen und ist auf die Entwicklung eines gründlichen Schaltungsverständni sses und einer klaren Fachsprache ausgerichtet. Die unverzichtbare mathematische Durchdringung von Schaltungsproblemen ist so kurz und ei nfach wi e möglich gehalten. Das Buch wendet sich mit di esem Anspruch an ein e breite Leserschaft, die sich aus Studienerfordern issen oder beruflichen Gründen mit den klassischen elektronischen Grundlagen befassen muß. Gerne statte ich den Mitarbeitern des Verlags Vieweg für ihr verständnisvolles Eingehen auf mein e Vorstellungen sowie für die sorgfältige Ausführung des Buches und die gute Zusammenarbeit mein en herzl ichen Dank ab. Für Anregungen aus dem Leserkreis bin ich jederzeit dankbar. Ellerstadt, Februar 1999 Oieter Zastrow

7 VII Arbeitshinweise ZU diesem Buch Wie hilft Ihnen dieses Lehr- und Arbeitsbuch beim Lernen? Vorkenntn isse 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 veranschaulicht. 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 Modellvorstellungen 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 Schreibweise von Formelzeichen VII XIV 1 Widerstandsverhalten von Halbleitern Stroml eitungsmechanismus Widerstandsverhalten der Heißleiter Widerstandsverhalten der Sperrschichten 7 - Spannungssteuerung einer Sperrschicht Lichtsteuerung einer Sperrschicht Wid erstandsverhalten von Halbleiter-Kanälen Vertiefung und Übun g 14 2 Halbleiterdiode als nichtlinearer Widerstand Halbleiterdiode Arbeiten mit Kennlinien Begrenzerschaltungen mit Dioden Vertiefung und Übung 22 3 Spannungsstabilisierung Prinzip der Spannungsstabilisierung Z-Di ode Analyse der Stabilisierungs-Grundschaltung Vertiefung und Übung 33 4 Stromstabilisierung Prinzip der Konstantstromqu elle Feldeffekttransistor J-FET Analyse der Stromquellenschaltung Vertiefung und Übun g 42 5 Transistor als Schalter Übersicht über grundlegende Transistortypen Kennlinien und Kennwerte der Bipolartransistoren 45 - Schichtenaufbau, Anschlüsse, Polu ng 45 - M eßschaltung 46 - Kennlinien Kennlini en und Kennwerte der Feldeffekttransistoren 49 - Kanalstruktur, Anschlüsse, Polung 49

9 Inhaltsverzeichnis IX - Meßschaltung 50 - Kennlinien Grenzdaten 51 - Spannungsgrenzwerte 51 - Stromgrenzwerte 52 - Temperatur- und Leistungsgrenzwerte 52 - Sicherer Arbeitsbereich (SOA = Safe Operating Areal Grundbegriffe der Schaltverstärker 56 - Schaltzustände des Transistors 56 - Übersteuerung 57 - Schaltzeiten 58 - Berechnungsgang für den Schaltverstärker Schalten mit Leistungstransistoren 61 - Eigenschaften von Leistungs-MOSFETs 61 - Ansteuern von Leistungs-MOSFETs 62 - High-Side und Low-Side-Schalter 63 - Periodisches Schalten von induktiven Lasten in Gleichstromkreisen CMOS-Inverter als Schalter 67 - Schaltungsprinzip eines CMOS-Inverters 67 - Betriebsspannung, Pegel, Belastbarkeit Schalten über Optokoppler Vertiefung und Übung 70 6 Transistor als Verstärker Grundbegriffe der Verstärkertechnik 73 - Vierpoldarstellung des Verstärkers Arbeitspunkteinstellung 75 - Kollektorruhestrom 75 - Arbeitswiderstand 76 - Arbeitspunkt Verstärkungsvorgang im Kennlinienfeld Ermittlung der Verstärkerkennwerte 80 - Messen der Leerlauf-Spannungsverstärkung 80 - Messen des Eingangswiderstandes 80 - Messen des Ausgangswiderstandes 81 - Rechnerische Ermittlung der Verstärkerkennwerte Frequenzgang 82 - Untere Grenzfrequenz 82 - Obere Grenzfrequenz Verstärker-Grundschaltungen Vertiefung und Übung 86 7 Operationsverstärker und Grundschaltungen Übersicht Eigenschaften eines Standard-Operationsverstärkers 88

10 x Inhaltsverzeichnis Der invertierende und nichtinvertierende Eingang 88 - Aussteuerungsgrenzen der Ausgangsspannung 88 - Aussteuerungsgrenzen des Ausgangsstromes 89 - Differenzverstärkung und Gleichtaktverstärkung 89 - Gleichtaktunterdrückung 89 - Ausgangsspannung 90 - Eingangswiderstand 90 - Ausgangswiderstand 90 - Frequenzgang 90 - Siew Rate 91 - Datenblatt des Standard-Operation sverstärkers 91 Op erationsverstärker als linearer Verstärker 92 - Gegenkopplungsprinzip 92 - Rechenregeln für gegengekoppelte Operationsverstärker Invertierender Verstärker 95 - Nichtinvertierender Verstärker 100 Operationsverstärker als Schalter Komparator Invertierender Schmitt-Trigger, Nichtinvertierender Schmitt-Trigger 109 Vertiefung und Übung Analoge Signalverarbeitung.., Addierer Grundschaltung des Umkehraddierers Prinzip der Digital-Analog-Umsetzung mit Umkehraddierer Subtrahierer Grundschaltung mit 1 Operation sverstärker Variante mit 2 Op erationsverstärkern 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 Operation sverstärker Leistungs-Operationsverstärker 135

11 Inhaltsverzeichni s XI 8.7 Trennverstärker Einsatzgebiete für Trennverstärker Prinzipi en der Trennverstärker Kennwerte der Trennverstärker Beschaltung von Trennverstärkern Übung und Vertiefung Schwingungserzeugung Mitkopplung Ungedämpfte Schwin gung Gedämpft e Schwin gung Entdämpft e Schwingung Anschw ingung und stationäre Schwin gung LC-Oszillator Arbeitspunkt Oszillogramme Phasenbedingung Amplitudenbedingung Anschwin gen und stationäre Schwin gung RC-Oszillator Rechteckgeneratoren Funktionsgenerator Spannungsgesteuerte Oszill atoren VCO Phase-Locked-Loop PLL Spannungsgesteuerter Oszillator VCO Phasendetektor Tiefpaß Vertiefung und Übun g Gleichrichtung Mi schspannung Gleichrichterschaltungen im Leerlaufbetri eb Mittelpunktschaltungen MI, M2, M Brückenschaltun gen B2, B Spannungsglättung Stromglättung Berechnungsgrundl agen für Leistungsgleichri chter mit Stromglättung Sekundärspannung Sekundärstrom Primärstrom Typenlei stung des Transformators Vertiefung und Übun g 195

12 XII Inhaltsverzeichnis 11 Leistungssteuerung mit Thyristoren Thyristor als steuerbarer Schalter Steuersatz Thermische Eigenschaften von Thyristoren Triac als bidirektionaler Thyristor Thyristor/Triac 'als phasenanschnittsgesteuerter Wechselstromsteller Thyristor/Triac als periodengruppengesteuerter Wechselstromschalter Thyristor als gesteuerter Gleichrichter Rein ohmsehe Last Rein ohmsehe 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 265

13 Inhaltsverzeichnis XIII - Kodierung des Zählerausgangs: Dual, BCD Asynchrone und synchrone Zählimpulsverarbeitung Kaskad ierung von Zählern: Asynchroner und synchroner Übertrag Zählrichtungsumkehr Programmieren eines Zählers Beispiele für Zähleranwendungen : Vorzeichenrichtiges Zählen von Mengendifferenzen Programmsteuerung mit Wortspei cher 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 305 lösungen der Übungen 308 Sachwortverzeichnis 333

14 XIV Schreibweise von Formelzeichen Spannungen und Ströme Für die Formelzeichen werden große und kleine Buchstaben verwendet. Kleine Buchstaben für Augenbl ickswerte zeitlich veränderlicher Größen. Beispiele: u = Momentanwert einer Wechselspannung U = Scheitelwert einer Wechselspannung Große Buchstaben für zeitlich konstante Größen Beispiele: U = Gleichspannung, Effektivwert einer Wechselspannung 'l = Komplexe Spannung 'l = Ue ±j op 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 = Scheitelwert einer ßasis-f;mitter-Wechselspannung U rms = Effektivwert (root mean ~quare) eines Wechselspannungsanteils einer Mischspannung Große Buchstaben für Gleichgrößen oder Gesamtwerte und Mittelwerte von Mischgrößen (von der Nullinie an gezählt). Beispiele: UAB UBE URMS UAV = Gleichspannung gemessen von Punkt A gegen Punkt B, Potentialdifferenz UAB = <PA - <PB = Momentanwert einer ßasis-f;mitter-M ischspannung, bestehend aus einem Gleichspannungsanteil UBE und einem Wechselspannungsanteil ube = Effektivwert (root meanj!quare) einer Mischspannung = Arithmetischer Mittelwert (average) einer Mischspannung Abweichend von den genannten Regeln werden einige Formelzeichen wie allgemein üblich verwendet - Ausnahmen: U q = Quellenspannung einer Ersatzspannungsquelle (Gleich- oder Effektivwert) Udi = Ideelle Leerlaufgleichspannung emer Gleichrichterschaltung (arithmetischer Mittelwert) Ueff = Effektivwert, allgemein

15 Schreibweise von Formelzeichen xv Widerstände Die Kennzeichnung der verschiedenen Widerstandsarten geschieht durch besondere Formelzeichen Beispiele: R X Ohmscher Widerstand mit der Eigenschaft R =~ = konst, verursacht I keine Phasenverschiebung bei Wechselgrößen. Praktisch vorliegend als Bauelement mit Farbring-Kennzeichnung zur Wertangabe. Oder auch Wirkwiderstand R = t, lett aus dem Wirkleistungsumsatz eines Verbrauchers errechneter Widerstandswert. Frequenzabhängiger Blindwiderstand des Kondensators Xc = ~c ' der Spule XL = wl = Komplexer Widerstand in Normalform l. = R ± jx nennt Wirk- und Blindwiderstandsanteile, in Exponentialform l. = Ze±i'l' nennt Widerstandsbetrag und Phasenverschiebungswinkel, Umrechnungsbeziehungen: Z = )R2 + X2 X 'P = arc tan ± R. e±i'l' = cos 'P ± j sin 'P durch Kleinschreibung der Formelbuchstaben bei differentiellen Widerständen Beispiel : ri = Differentieller Widerstand einer Z-Diode 11 Vz rz = 111z ' maßgebende Widerstandsgröße bei der Berechnung von Stromänderungen. Differentielle Widerstände treten regelmäßig auf bei Bauelementen mit nichtlinearer (geknickter) V-I-Kennlinie zur Beschreibung des Steilverlaufs der Kennlinie nach dem Kennlinienknick.