Klaus Beuth / Olaf Beuth. Bauelemente

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2 Klaus Beuth / Olaf Beuth Bauelemente

3 Klaus Beuth / Olaf Beuth Bauelemente 20., überarbeitete und erweiterte Auflage Vogel Buchverlag

4 Zur Fachbuchgruppe «Elektronik»gehören die Bände: Klaus Beuth/Olaf Beuth: Elementare Elektronik Heinz Meister: Elektrotechnische Grundlagen (Elektronik 1) Klaus Beuth/Olaf Beuth: Bauelemente (Elektronik 2) Klaus Beuth / Wolfgang Schmusch: Grundschaltungen (Elektronik 3) Klaus Beuth: Digitaltechnik (Elektronik 4) Helmut Müller/Lothar Walz: Mikroprozessortechnik (Elektronik 5) Wolfgang Schmusch: Meßtechnik (Elektronik 6) Klaus Beuth / Richard Hanebuth / Günter Kurz / Christian Lüders: Nachrichtentechnik (Elektronik 7) Wolf-Dieter Schmidt: Sensorschaltungstechnik (Elektronik 8) Olaf Beuth / Klaus Beuth: Leistungselektronik (Elektronik 9) Weitere Informationen: E-Book: ISBN Auflage Alle Rechte, auch der Übersetzung, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf in irgendeiner Form (Druck, Fotokopie, Mikrofilm oder einem anderen Verfahren) ohne schriftliche Genehmigung des Verlages reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Hiervon sind die in 53, 54 UrhG ausdrücklich genannten Ausnahmefälle nicht berührt. Printed in Germany Copyright 1975 by Vogel Business Media GmbH & Co KG, Würzburg Umschlaggestaltung: Michael M. Kappenstein, Frankfurt/M.

5 5 Vorwort Die Elektronik dringt in immer weitere Bereiche unseres beruflichen und privaten Lebens ein. Heute müssen sich Angehörige sehr verschiedenartiger Berufe mit der Elektronik, das heißt mit den elektronischen Bauelementen und den elektronischen Schaltungen, auseinandersetzen. Kraftfahrzeuge, Büromaschinen, Haushaltsgeräte und Uhren um nur einige Dinge unserer Umwelt zu nennen enthalten in zunehmendem Maße «Elektronik». Moderne Operationsräume und Praxisräume von Ärzten bekommen eine gewisse Ähnlichkeit mit Elektroniklabors. Die Entwicklung schreitet auf dem Gebiet der Elektronik außerordentlich rasch voran. Häufige Fortbildung, ein dauerndes Lernen, wird für alle, die in ihrem Beruf Könner sein und bleiben wollen, zur unumgänglichen Notwendigkeit. Das vorliegende Buch ist das Ergebnis langjähriger Erfahrung, die der Autor in Fachschulen und bei der Durchführung von Erwachsenenfortbildungskursen auf dem Gebiet der Elektronik und Datenverarbeitung gewinnen konnte. Die verhältnismäßig komplizierten Zusammenhänge werden anschaulich und leicht fasslich dargestellt. Viele Abbildungen und Skizzen erleichtern das Verständnis. Auf allzu viel Mathematik wird bewusst verzichtet, denn das Buch wendet sich an den Praktiker. Die für die Praxis wichtigen Stoffinhalte werden ausführlich, die lediglich theoretisch interessierenden Stoffinhalte werden nur kurz behandelt. Das Buch wurde gründlich überarbeitet. Neuentwickelte Bauelemente werden vorgestellt und die Fortentwicklung bewährter Bauelemente erläutert. Die moderne Elektronik ermöglicht heute Vieles, was man nicht erwartet und nicht für realisierbar gehalten hatte. Vor allem im Bereich der Leuchtdioden und Displays hat sich viel geändert. Zusätzlich wurden die organischen Leuchtdioden (OLED) aufgenommen. Einige Bauelemente haben an Bedeutung verloren. Sie werden nur knapp erwähnt oder weggelassen. Die einzelnen Abschnitte sind so aufgebaut, dass ein Selbststudium ohne Schwierigkeiten möglich ist, obwohl das Buch in erster Linie als unterrichtsbegleitendes Lernmittel gedacht ist. Ein Lernziel-Test mit Fragen und Aufgaben am Ende eines jeden Kapitels gibt Auskunft über den Lernerfolg und den erreichten Grad des Verstehens. Die Lösungen der Lernziel-Test-Aufgaben sind auf den letzten Buchseiten angegeben. Studierende verschiedener Fachrichtungen, Ingenieure, Techniker, Meister und Facharbeiter unterschiedlichster Berufe, die über elektrotechnische Grundkenntnisse verfügen, können das Buch mit gutem Erfolg nutzen. Aber auch Mediziner, Biologen, Pharmazeuten und Schüler höherer Schulen, finden hier einen ballastarmen Einstieg in die Elektronik. Die dargestellten Beispiele und die vorgeführten Berechnungen sind praktischen Anwendungsfällen entnommen. Waldkirch Berlin Klaus Beuth Olaf Beuth

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7 7 Inhaltsverzeichnis Vorwort Einführung in die Oszillographenmesstechnik Allgemeines Aufbau und Arbeitsweise eines Oszilloskops Bedienung eines Oszilloskops Lernziel-Test Lineare und nichtlineare Widerstände Allgemeine Eigenschaften Festwiderstände Eigenschaften von Festwiderständen Bauarten von Festwiderständen Schichtwiderstände Widerstände in der Mikromodultechnik Drahtwiderstände Einstellbare Widerstände Einstellbare Schichtwiderstände Einstellbare Drahtwiderstände Widerstandskaskaden Elektronische Potentiometer Temperaturabhängigkeit von Widerständen Heißleiterwiderstände und Kaltleiterwiderstände Heißleiterwiderstände Aufbau und Arbeitsweise Kennwerte und Grenzwerte Anwendungen Kaltleiterwiderstände Aufbau und Arbeitsweise Kennwerte und Grenzwerte Anwendungen Spannungsabhängige Widerstände Aufbau und Arbeitsweise Kennwerte und Grenzwerte Anwendungen Lernziel-Test Kondensatoren und Spulen Kapazität Kondensatoren Bauarten von Kondensatoren Papierkondensatoren, Kunststoffkondensatoren (Folienkondensatoren) Metall-Papier-Kondensatoren (MP-Kondensatoren)... 63

8 8 Inhaltsverzeichnis Metall-Kunststoff-Kondensatoren (MK-Kondensatoren) Keramikkondensatoren Elektrolytkondensatoren Einstellbare Kondensatoren Superkondensatoren (Supercaps, Powercaps) Kondensator im Gleichstromkreis Kondensatorladung Kondensatorenergie Kondensatorentladung Kondensator im Wechselstromkreis Durchlass von Wechselstromschwingungen Kapazitiver Blindwiderstand Phasenverschiebung und Zeigerdiagramm Verlustfaktor und Verlustwinkel Reihen- und Parallelschaltung von Kondensatoren Reihenschaltung Parallelschaltung Spulen Induktivität Bauarten von Spulen Luftspulen Eisenkernspulen Spule im Gleichstromkreis Magnetfeldaufbau (Einschaltvorgang) Spulenenergie Magnetfeldabbau (Ausschaltvorgang) Spule im Wechselstromkreis Auf- und Abbau des Magnetfeldes Phasenverschiebung und Zeigerdiagramm Induktiver Blindwiderstand Verlustfaktor und Güte Wickeln von Spulen Reihen- und Parallelschaltung von Spulen Reihenschaltung Parallelschaltung Lernziel-Test Frequenzabhängige Zwei- und Vierpole Allgemeines Zweipole Vierpole Reihenschaltung von R und C Reihenschaltung von R und L RC-Glied CR-Glied RL-Glied LR-Glied

9 Inhaltsverzeichnis Schwingkreise Reihenschaltung von R, L und C Reihenschwingkreise Parallelschaltung von R, L und C Parallelschwingkreise RC-Glied als Integrierglied Arbeitsweise Integrationsvorgang Einfluss des speisenden Generators CR-Glied als Differenzierglied Arbeitsweise Differentiationsvorgang Einfluss des speisenden Generators Lernziel-Test Halbleiterdioden Halbleiterwerkstoffe Aufbau eines Halbleiterkristalls Eigenleitfähigkeit n-silizium p-silizium pn-übergang pn-übergang mit äußerer Spannung Arbeitsweise von Halbleiterdioden Einkristall-Halbleiterdioden Vielkristall-Halbleiterdioden Schaltverhalten von Halbleiterdioden Temperaturverhalten von Halbleiterdioden Halbleiterdioden als Gleichrichter Einweg-Gleichrichterschaltung (Einpuls-Mittelpunktschaltung M 1) Mittelpunkts-Zweiweg-Gleichrichterschaltung (Zweipuls-Mittelpunktschaltung M 2) Brücken-Zweiweg-Gleichrichterschaltung (Zweipuls-Brückenschaltung B 2) Halbleiterdioden als Schalter Bauarten von Halbleiterdioden Flächendioden Spitzendioden Leistungsdioden (Gleichrichter) Prüfen von Halbleiterdioden Kennwerte und Grenzwerte Lernziel-Test Halbleiterdioden mit speziellen Eigenschaften Z-Dioden Allgemeines Zenereffekt

10 10 Inhaltsverzeichnis Lawineneffekt Durchbruchverhalten Regeneration der Sperrschicht Kennlinien, Kennwerte, Grenzwerte Anwendungen Temperaturkompensation Kapazitätsdioden Aufbau und Arbeitsweise Kennlinien, Kennwerte, Grenzwerte Anwendungen Tunneldioden (Esakidioden) Aufbau und Arbeitsweise Kennwerte und Grenzwerte Anwendungen Backwarddioden PIN-Dioden Aufbau und Arbeitsweise Kennwerte und Grenzwerte Anwendungen Schottky-Dioden (Hot-Carrier-Dioden) Aufbau und Arbeitsweise Kennwerte und Grenzwerte Anwendungen Lernziel-Test Bipolare Transistoren Allgemeines Arbeitsweise von pnp-transistoren Arbeitsweise von npn-transistoren Spannungen und Ströme beim Transistor Kennlinienfelder und Kennwerte (Emittergrundschaltung) Eingangskennlinienfeld Ausgangskennlinienfeld Stromsteuerungskennlinienfeld Rückwirkungskennlinienfeld Vierquadrantenkennlinienfeld Wahl des Transistorarbeitspunktes Steuerung des Transistors Restströme, Sperrspannungen und Durchbruchspannungen Restströme Sperrspannungen Durchbruchspannungen Übersteuerungszustand und Sättigungsspannungen Transistorverlustleistung Verlustleistung und Verlusthyperbel Kühlung von Transistoren Temperatureinfluss und Arbeitspunktstabilisierung Transistorrauschen

11 Inhaltsverzeichnis Ursachen des Rauschens Widerstandsrauschen Rauschzahl und Rauschmaß Transistordaten Kennwerte Signalkennwerte Gleichstromverhältnis Restströme und Durchbruchspannungen Sperrschichtkapazitäten Grenzfrequenzen Wärmewiderstände Rauschmaß Transistor-Schaltzeiten Grenzwerte Höchstzulässige Sperrspannungen Höchstzulässige Ströme Höchstzulässige Verlustleistungen Höchstzulässige Temperaturen Datenblätter Anwendungen Transistorschalterstufen Transistorverstärker Einstufige Verstärker Mehrstufige Verstärker Verstärker-Grundschaltungen Lernziel-Test Unipolare Transistoren Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFET) Aufbau und Arbeitsweise Kennlinien, Kennwerte, Grenzwerte Anwendungen MOS-Feldeffekttransistoren (IG-FET) Aufbau und Arbeitsweise Allgemeines Anreicherungstyp Verarmungstyp Sperrschichtaufbau und Kanalabschnürung Kennlinien, Kennwerte, Grenzwerte Temperaturabhängigkeit Verlustleistung Anwendungen Sourceschaltung Drainschaltung Gateschaltung Dual-Gate-MOS-FET Unijunktiontransistoren (UJT) Lernziel-Test

12 12 Inhaltsverzeichnis 9 Integrierte Schaltungen Allgemeines Integrationstechniken Monolithtechnik (Halbleiterblocktechnik) Hybridtechnik Dünnfilmtechnik Dickschichttechnik Analoge und digitale integrierte Schaltungen Digitale IC Analoge IC Integrationsgrad und Packungsdichte Vor- und Nachteile integrierter Schaltungen Nanotechnik Ergebnisse der Nanotechnik Festkörperspeicher in Nanotechnik Operationsverstärker Einführung Aufbau und Arbeitsweise Idealer Operationsverstärker Realer Operationsverstärker Anwendungen Lernziel-Test Thyristoren Vierschichtdioden (Thyristordioden) Aufbau und Arbeitsweise Kennwerte und Grenzwerte Anwendungen Thyristoren (rückwärtssperrende Thyristortrioden) Aufbau und Arbeitsweise Schaltverhalten Kennwerte und Grenzwerte Anwendungen Thyristor im Wechselstromkreis Thyristor im Gleichstromkreis Thyristortetroden Aufbau und Arbeitsweise Kennwerte und Grenzwerte Anwendungen GTO-Thyristoren Aufbau und Arbeitsweise Kennwerte und Grenzwerte Anwendungen Lernziel-Test Diac und Triac Diac Zweirichtungsdioden

13 Inhaltsverzeichnis Aufbau und Arbeitsweise Kennwerte und Grenzwerte Zweirichtungs-Thyristordioden Aufbau und Arbeitsweise Kennwerte und Grenzwerte Anwendung von Diac Triac Aufbau und Arbeitsweise Triggermodes Kennwerte und Grenzwerte Steuerungen mit Diac und Triac Lernziel-Test Fotohalbleiter Innerer fotoelektrischer Effekt Fotowiderstände Aufbau und Arbeitsweise Kennwerte und Grenzwerte Anwendungen Fotoelemente und Solarzellen Aufbau und Arbeitsweise Silizium-Fotoelemente Selen-Fotoelemente Kennwerte und Grenzwerte Anwendungen Fotodioden Aufbau und Arbeitsweise Kennwerte und Grenzwerte Anwendungen Fototransistoren Aufbau und Arbeitsweise Kennwerte und Grenzwerte Anwendungen Fotothyristoren, Fotothyristortetroden Aufbau und Arbeitsweise Kennwerte und Grenzwerte Anwendungen Leuchtdioden (LED) Grundlagen Aufbau und Arbeitsweise Technologie der LED Bauformen Versorgungsschaltungen LED-Farben Anwendungen Wirkungsgrad Lebensdauer, Temperatureinflüsse Vorteile / Nachteile zu konventionellen Leuchtmitteln

14 14 Inhaltsverzeichnis Kennwerte und Grenzwerte Organische Leuchtdioden (OLED) Halbleiterlaser Lichtwellenleiter Opto-Koppler Aufbau und Arbeitsweise Kennwerte und Grenzwerte Anwendungen Lernziel-Test Halbleiterbauelemente mit speziellen Eigenschaften Hallgeneratoren Halleffekt Hallspannung Aufbau Kennwerte und Grenzwerte Anwendungen Feldplatten Aufbau Widerstandsänderung Kennwerte und Grenzwerte Anwendungen Magnetdioden Aufbau Widerstandsänderung Kennwerte und Grenzwerte Anwendungen Druckabhängige Halbleiterbauelemente Piezoeffekt Piezohalbleiter Flüssigkristall-Bauteile Flüssige Kristalle, Liquid Crystal Device, LCD Aufbau von Anzeigebauteilen Anwendungen Thin-Film-Transistor(TFT)-LCD-Bildschirme Plasma-Displays (PDP, Plasma Display Panel) Lernziel-Test Elektronen- und Ionenröhren Thermoemission Röhrendiode (Zweipolröhre, Vakuumdiode) Triode (Dreipolröhre) Kennlinien Kennwerte Anodenrückwirkung Spannungsverstärkung Anodenverlustleistung Tetrode (Vierpolröhre)

15 Inhaltsverzeichnis Pentode (Fünfpolröhre) Kennlinien Kennwerte Spannungsverstärkung Vor- und Nachteile der Pentode gegenüber der Triode Elektronenstrahlröhren Strahlerzeugungssystem Strahlbündelungssystem Strahlablenksystem Leuchtschirm Stromkreis der Elektronenstrahlröhren Ionenröhren Stoßionisation Gasdiode Glimmröhren Aufbau und Arbeitsweise Anwendungen Fotozellen Fotoemission Aufbau und Arbeitsweise Vakuumfotozellen Gasfotozellen Lernziel-Test Lösungen der Lernziel-Tests Anhang Datenblätter Glossar Stichwortverzeichnis