Elemente der angewandten Elektronik

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1 Erwin Bohmer Elemente der angewandten Elektronik Kompendium fur Ausbildung und Beruf 5., uberarbeitete und erweiterte Auflage Mit 540 Bildern und einem umfangreichen Bauteile-Katalog Friedr. Vieweg & Sohn Braunschweig IWiesbaden

2 CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Bohmer, Erwin: Elemente der angewandten Elektronik: Kompendium flir Ausbildung u. Beruf / Erwin Bohmer. - 5., iiberarb. u. erw. Aufl. - Braunschweig; Wiesbaden: Vieweg, (Viewegs Fachbiicher der Technik) ISBN-13: e-isbn-13: DOl: / Auflage , neubearbeitete und erweiterte Auflage , iiberarbeitete und erweiterte Auflage , iiberarbeitete und erweiterte Auflage , iiberarbeitete und erweiterte Auflage 1987 Vieweg ist ein Unternehmen der Verlagsgruppe Bertelsmann. Aile Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, Braunschweig 1987 Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschiitzt. 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 groben Gebiet technischer Entwicklungen und Anwendungen angewachsen. Iede Art von Ausbildung kann daher nur Kenntnisse tiber bestimmte Teilgebiete der Elektronik vermitteln, die im Zuge ihrer praktischen Anwendung ergiinzt werden mtissen. Die Notwendigkeit dazu erfahrt man schon als Student, wenn im Praktikum elektronische Schaltungen vorkommen. Das vorliegende Buch will eine Hilfe sein flir das ergiinzende Selbststudium, indem es die flit 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 GroBtmaB an Ubersichtlichkeit zu erreichen. Die zahlreichen Bilder enthalten viele konkrete Informationen und sollen auch Zusammenhiinge 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, dab sie unter Vemachliissigung von Sekundiireffekten mit wenigen Rechenztigen zu einem Niiherungsergebnis fooren, das den Anforderungen der Praxis oft schon gentigt. Komplizierte Zusammenhiinge werden durch Modelle und physikalische Ersatzbilder moglichst anschaulich dargestellt. Das Kleinsignalverhalten der Elektronenrohren, unipolaren und bipolaren Transistoren wird vereinfacht durch Zweipolersatzbilder beschrieben, in denen Rtickwirkungen nach dem Miller-Theorem erfabt werden. In entsprechender Weise wird auch der Operationsverstiirker behandelt. Das Buch hat eine mehrjiihrige Entwicklung iiber eine Reihe von Studienskripten durchlaufen. Wiihrend dieser Zeit ist mir mancherlei Hilfe zuteil geworden, flir die ich hiermit Dank sage. Vor ahem bedanke ich mich bei den Mitarbeitem des Nachrichtentechnischen Labors an der Gesamthochschule Siegen, Herm K. Dickel, Herm Ing. grad. G. Lagemann und Herm Ing. grad. H. Otto. Herr Otto hat einen GroBteil der Schaltungen aufgebaut und iiberpriift. 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 Ing. grad. A. Geilhausen gab mir wertvolle Hinweise zum Kapitel Leistungshalbleiter. Die Eigenart des Buches hat bei der Herstellung einige Schwierigkeiten bereitet. DaB es dennoch, wie mir scheint, eine ansprechende Form gefunden hat, verdanke ich dem Verstiindnis und der Sorgfalt des Verlages, insbesondere den Herren W. Ebert und H.I. Niclas. Mein Dank gebtihrt auch einer Reihe von Firmen, die mir Bildmaterial zur Verfligung gestellt haben, das am SchluB des Buches in einem Quellenverzeicnis aufgefoort ist. SchlieBlich danke ich meinem Sohn Frank flir die AusfOOrung zahlreicher Bildkorrekturen. Siegen, im August 1978 III

4 Vorwort zur zweiten Auflage Die vorliegende Neuauflage umf~t 20 Kapitel gegentiber bisher 16. Durch zahlreiche Erganzungen und Erweiterungen wurde versucht, das Buch dem aktuellen Stand der Elektronik anzupassen. Dabei ist auf die Behandlung weitgehend tiberholter Bauelemente wie z.b. Selengieichrichter, Thyratrons und Mangetkernspeicher verzichtet worden. Das Kapitel tiber Rahren wurde wesentlich gestrafft. 1m tibrigen hat sich die Zielsetzung des Buches, wie sie im Vorwort zur ersten Auflage beschrieben wird, nicht geandert. Ich danke allen, die mir bei der miihevollen Arbeit geholfen haben, insbesondere dem Kollegen Prof. Dr.-Ing. F Wittgruber flit seine Ratschiage zum Kapitel Digitaltechnik und den Herren Dipl.-Ing. H. Otto und Dipl.-Ing. E. Locherbach flir das Lesen der Korrektur. Herr Otto hat wieder wie zur erst en 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 vorztigliche Zusammenarbeit. Siegen, im Oktober 1982 Erwin Bohmer Vorwort zur dritten Auflage In der drit1en Auflage erscheint das Buch mit einem zusatzlichen 21. Kapitel tiber ausgewahite integrierte Bausteine. Die Auswahl beschrankt sich auf einige in der Praxis bewahrte Bausteine, die als Massenfabrikate jedem Anwender preisgtinstig zur Verfligung stehen. Sie werden vorgestellt und beschrieben mit typischen Anwendungen. Beim Erarbeiten des Materials hat mich Herr Dipl.-Ing. H. Otto unterstiitzt, und Herr Dipl.-Ing. E. Lacherbach half beim Korrekturlesen, woflir ich mich bedanke. Frau Andrea Winkel danke ich wieder flir das Schreiben der Texte und dem Verlag Vieweg flir die jederzeit problemlose Zusammenarbeit. Siegen, im April 1984 Erwin Bohmer 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 tibernommen, die Zeichnungen fertigte Herr Aribert Btingers an. Siegen, im Mai 1986 Erwin Bohmer Vorwort zur funften Auflage Zur flinften Auflage wurde der die Digitaltechnik betreffende Teil des Buches tiberarbeitet und der Bauteile-Katalog entsprechend erganzt. Dabei hat mich Herr Dr.- Ing. E. Lbcherbach untersttitzt, der seine reiche praktische Erfahrung auf diesem Gebiet mit in die Neufassung einbrachte. Dafiir bedanke ich mich. Siegen, im Mai 1987 Erwin Bohmer IV

5 Inhaltsverzeichnis Einflihrung 1 Elektrische Leitung und Widerstande 1.1 Elektrische Leitungen, Grundbegriffe Elektrische Widerstande Obliche Bauformen der Widerstande Stellbare Widerstande Widerstandsnetzwerke, passive und aktive Zweipole 10 2 Homogene Halbleiterbauelemente 2.1 Grundbegriffe der Halbleiter Heimeiter und mebtechnische Anwendung AnlaBheimeiter Keramische Kaltleiter.... Varistoren.... Feldplatten.... Fotowiderstande.... Hallgeneratoren 3 Halbleiterdioden 3.1 Grundlagen der Halbleiterdiode Silizium-Leistungsdioden Dioden in Gleichrichterschaltungen Fotodioden und Fotoelemente Z-Dioden (Zenerdioden) Hochvakuum- und Gasdioden 4.1 Hochvakuumdioden Gasdioden 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-Obertragungsglieder... " Impulslibertragung durch RC-Glieder " Spannungsglattung mit Kondensatoren Siebschaltungen flir Gleichrichter Spulen und Schwingkreise 7.1 Spulen, Grundbegriffe SpulenkenngroBen und Schaltvorgange Drosselspulen mit Eisenkern v

6 7.4 Ferritkemspulen Spulen fur hohere Frequenzen Schwingkreise Schwingquarze Einfache Resonanzschaltungen Schwingkreise mit Anzapfungen Transformatoren und Obertrager 8.1 Induktiv gekoppelte Spulen Transformatoren als Obertrager Aufbau und Berechnung von Obertragem Impulsiibertrager Netztransformatoren Relais 9.1 Elektromagnetische Relais, Arten und Wirkungsweise Betriebseigenschaften von Relais Kontaktmaterial, Kontaktbeanspruchung und Kontaktschutz Relais-Kondensator-Schaltungen Verstarker- und Fotorohren 10.1 Hochvakuumtrioden, Katodenbasisverstiirker Kleinsignaltheorie des Katodenbasisverstarkers Tetroden und Pentoden Fotozellen und Fotovervie1facher Feldeffekt-Transistoren Aufbau und Wirkungsweise des Sperrschicht-Fe1deffekt-Transistors Fe1deffekttransistoren, Gro/!'- und Kleinsignalbetrieb.... Fe1deffekttransistoren in Konstantstromschaltungen.... Sourceschaltung, Grund1agen.... Analyse eines Kleinsignalverstarkers in Sourceschaltung.... Drainschaltung (Sourcefo1ger).... Gateschaltung.... Fe1deffekttransistoren mit isolierter Gate-E1ektrode.... MOSFET-Tetroden (Doppelgate-MOSFETs).... Integrierte MOS-Schaltungen.... Analogschalter und -multiplexer.... Grenzwerte und Kennwerte von Fe1deffekttransistoren Bipolare Transistoren 12.1 Aufbau und Wirkungsweise GroBsignalverhalten des Bipolar-Transistors Emitterschaltung als Kleinsignalverstarker Hochfrequenzverhalten der Emitterschaltung... ' h-parameter und y-parameter Temperaturabhaugigkeit und Reststromverhalten...' Schaltverhalten des Bipolar-Transistors G1eichstromverhalten im aktiven Betrieb Kleinsignalverstarker mit Parallelgegenkopplung Emitterschaltung mit Reihengegenkopplung VI

7 12.11 Kollektorschaltung (Emitterfolger) Basisschaltung Transistorverbundschaltungen DifferenzversHirker Operationsverstarker 13.1 Grundbegriffe des Operationsverstarkers Komparatoren mit Operationsverstarkem Operationsverstarker als invertierender Verstarker Operationsverstarker als nichtinvertierender Verstarker Addier- und Subtrahierschaltungen Stabilitat und Dynamik von Operationsverstarkem Differenzierschaltungen Integrierschaltungen Aktive RC-Filter Me~gleichrichter Steuerbare Stromquellen Spannungsquellen Sinusoszillatoren Wien-Briicken Oszillator LC-Oszillator mit zweistufigem Verstarker LC-Oszillatoren mit einstufigem Verstarker 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 Verknupfungs- und Speicherschaltungen 16.1 Diodengatterschaltungen Emitterschaltung als Inverter NOR- und NAND-Gatter in DTL-Technik Grundschaltungen der TTL-Technik Schnelle logische 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 fur die Analog-Digital-Umsetzung Indirekte Verfahren zur Analog-Digital-Umsetzung Optosensoren und Optokoppler 18.1 Fototransistoren Lichtschranken und Optokoppler Analoge Signaliibertragung mit Optokopplem Faseroptische Obertragungsmittel Leistungstransistoren und Leistungsschaltungen 19.1 Verlustleistung und Wiirmeableitung Sicheres Schalten mit Transistoren Dimensionierung eines Transistor-Leistungsschalters Darlington-Leistungstransistoren als Schalter und Steller Leistungs-MOSFETs Spannungsquellen mit Leistungstransistoren Spannungsquellen mit integrierten Spannungsreglem Schaltsteller und Schaltregler Gegentakt-Leistungsverstiirker, Grundlagen NF-Leistungsverstiirker Thyristoren und Triacs 20.1 Leistungsthyristoren, Grundbegriffe und Funktionsweise Ansteuerschaltungen flii Thyristoren Wechselstromsteller mit Thyristoren Dynarnische Vorgiinge und Schutzbeschaltung Triac, Grundbegriffe und Anwendungsbeispiel Triacs als Stell- und Regelelemente Halbleiterrelais fur Wechselstrornlast Ausgewahlte integrierte Bausteine 21.1 Operationsverstiirker 861 (761) und 741 als Standard-Verstiitker Bausteine 1458 und 348 als mehrfache 741er-Verstiirker Baustein LM 324 als vierfacher "Single-Supply"-Verstiirker Fensterdiskriminator TCA 965 als vielseitiger Schwellwertschalter Pulsbreitenmodulator 3524 als Schaltsteller und Schaltregler Timer/Counter 2240 als universeller Multivibrator Funktionsgenerator 8038 als Rechteck-Dreieck- und Sinusoszillator Operationsverstiirker LM 318 als schneller Puffer Taktstabilisierter Operationsverstiirker ICL 7650 als Priizisionsverstiirker Analogmultiplizierer ICL 8013 als vielseitiger Rechenbaustein Transistor-Array CA 3096 als Funktionsgeber Formelzeichen Anhang (Tabellen, Diagramme, Formeln) Bauteile-Katalog Literaturverzeichnis Quellenverzeichn is Sachwortverzeichnis VIII