Einführung in Analogtechnik Digitaltechnik Leistungselektronik Speicherprogrammierbare Steuerungen

Transkript

1 Dieter Zastrow Elektronik Lehr- und Arbeitsbuch Einführung in Analogtechnik Digitaltechnik Leistungselektronik Speicherprogrammierbare Steuerungen Mit 463 Abbildungen, 93 Lehrbeispielen und 162 übungen mit ausführlichen Lösungen 2., durchgesehene Auflage Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH

2 CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Zastrow, 0 ieter: Elektronik: Lehr- u. Arbeitsbuchj Einf. in Analogtechnik, Digitaltechnik, Leistungselektronik, speicherprogrammierbare Steuerungen I Dieter Zastrow. - 2., durchges. Auf!. - Braunschweigj Wiesbaden: Vieweg, (Viewegs Fachbücher der Technik) ISBN ISBN (ebook) DOI / Auflage , durchgesehene Auflage 1984 Alle Rechte vorbehalten Springer Fachmedien Wiesbaden 1984 Ursprünglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, Braunschweig 1984 Die Vervielfältigung und übertragung einzelner Textabschnitte, Zeichnungen oder Bilder, auch für Zwecke der Unterrichtsgestaltung, gestattet das Urheberrecht nur, wenn sie mit dem Verlag vorher vereinbart wurden. Im Einzelfall muß über die Zahlung einer Gebühr für die Nutzung fremden geistigen Eigentums entschieden werden. Das gilt für die Vervielfältigung durch alle Verfahren, einschließlich Speicherung und jede übertragung auf Papier, Transparente, Filme, Bänder, Platten und andere Medien. Dieser Vermerk umfaßt nicht die in den 53 und 54 URG ausdrücklich erwähnten Ausnahmen. Satz: Vieweg Braunschweig Umschlaggestaltung: Hanswerner Klein, Leverkusen ISBN

3 v Vorwort Das vorliegende Lehr- und Arbeitsbuch vermittelt in der nun erschienenen 2. durchgesehenen Auflage die Grundlagen der Elektronik, wie sie heute im Rahmen einer Elektrotechnikerausbildung in den Schwerpunkten Datenelektronik, Energieelektronik und Nachrichtenelektronik erforderlich sind. In einem aufbauenden Lehrgang wird der Lehrstoff - nach grundlegenden AufgabensteIlungen der Elektronik gegliedert- dargestellt. Die Darbietung des Lehrstoffs orientiert sich am Niveau von Technikerschulen. Elektronische Vorkenntnisse sind nicht erforderlich, jedoch sollten solide Kenntnisse der Grundlagen der Elektrotechnik vorhanden sein. Das unterrichtsbegleitende Lehr- und Arbeitsbuch Elektronik sichert ein kontrolliertes, zielgerichtetes Lernen durch einen bereits bewährten Buchaufbau: Jedes Kapitel beginnt mit einer Aufzählung der erforderlichen Vorkenntnisse, gefolgt von einer knappen StoffdarsteIlung. Besonderer Wert wird auf die Eigentätigkeit der Lernenden gelegt, denn ca. 40 % des Buchumfangs entfallen auf Beispiele und Übungen sowie deren ausführliche Lösungen im Anhang. An den Kapitelenden ist ein Memory angeordnet, es enthält das geforderte Grundwissen. Der Lehrstoff stellt eine unterrichtserprobte Einführung in die Industrieelektronik mit ihren Schwerpunkten Analogelektronik, Leistungselektronik und digitale Steuerungstechnik dar. Einige einleitende Bemerkungen zum Lehrstoff mögen dem Leser die Orientierung im weiten Feld der Elektronik erleichtern helfen: Kapitel 1-4 Die Einführung in die Elektronik beginnt mit einer meßtechnisch orientierten Darstellung der Stromleitungsvorgänge in Halbleitern sowie der Beschreibung der beiden wesentlichen Halbleiterstrukturen, die man als Sperrschicht und Kanal bezeichnet. Am Beispiel der Halbleiterdiode werden dann die Probleme der nichtlinearen I-U-Kennlinien behandelt und deren Auswirkungen in Begrenzerschaltungen aufgezeigt. Mit dem Entwurf einfacher Konstantspannungs- und Konstantstromquellen schließt die erste Kontaktaufnahme mit der Elektronik ab. Kapitel 5-9 Die Kapitel über Analogelektronik umfassen die wichtigsten Arten der analogen Informationsverarbeitung, wie sie in der analogen Meß- und Regelungstechnik zur Anwendung kommen. Im Mittelpunkt steht der Verstärker, der jedoch zusätzlich zu seiner signalverstärkenden Eigenschaft spezielle Funktionen der Signalverknüpfung, -umwandlung oder -erzeugung annehmen kann. Am Beispiel des Transistorverstärkers wird gezeigt, wie der Effekt der Signal verstärkung erreicht wird und wie ein Elementarverstärker arbeitet.

4 VI Vorwort Kapitel Im Schwerpunkt Leistungselektronik wird gezeigt, wie vom Netz angebotene elektrische Energie zuverlässig und wirtschaftlich in die jeweils vom Anwender benötigte Form umgewandelt wird. Die dazu erforderlichen Grundfunktionen der leistungselektronischen Betriebsmittel wie Stellen, Schalten, Gleichrichten und Gleichrichten mit Stellen werden ausführlich behandelt. Ein eigenes Kapitel ist für die Aufgaben und Wirkungsweise der Spannungsregler und Schaltregler aus der Netzteiltechnik vorgesehen. Kapitel Es gibt nur wenige Grundlagen, die den Aufbau elektronischer Analogschaltungen bestimmen und dazu zählt das Prinzip der Signalrückkopplung vom Verstärkerausgang auf den Verstärkereingang. In ausführlicher Weise wird die Anwendung dieses Prinzips in der Form der Gegenkopplung und Mitkopplung am Beispiel des Operationsverstärkers dargestellt Ein besonders wichtiges Teilgebiet der Industrieelektronik umfaßt die Verarbeitung entscheidungsorientierter Probleme. Für diesen Aufgabenbereich haben sich in letzter Zeit programmierbare digitale Systeme in Form von s p e i c h e r p r o g r Steuerungen durchgesetzt. In zwei Kapiteln werden die auf die moderne Steuerungstechnik ~ m m i e r b a r zielenden elektronischen Grundlagen wie Verknüpfungs-, Zeit-, Zähl- und AD/DA Umsetzer-Funktionen behandelt. Im Schlußkapitel wird das für alle programmierbare Systeme grundlegende Prinzip der sequentiellen Signalverknüpfung dargestellt und die programmtechnische Ausführung der digitalen Grundfunktionen an hand praxisgerechter Steuerungsbeispiele gezeigt. Verfasser und Verlag waren bemüht, ein Schulbuch für einen anwendungsorientierten Elektronikunterricht auf mittlerem Niveau vorzulegen und dabei die Verwendbarkeit des Lehrwerks für ein ergänzendes Selbststudium zu sichern. Gerne statte ich den Mitarbeitern des Verlags Vieweg für ihr verständnisvolles Eingehen auf meine Vorstellungen sowie für die sorgfältige Ausführung des Buches und die gute Zusammenarbeit meinen herzlichen Dank ab. Für Anregungen aus dem Leserkreis bin ich jederzeit dankbar. Dieter Zastrow Ellerstadt, Dezember 1983

5 VII Arbeitshinweise ZU diesem Buch Wie lernt man einen neuen Lehrstoff? Aktivität Lernen, um etwas verstehen und begreifen zu können, erfordert eine Aktivität der Person. Aktivität ist notwendig, um die Schwierigkeiten, die sogenannten Lernwiderstände, zu überwinden. lerntechnik Der Unterricht ist die erste Hilfestellung beim Lernen. Erfahrungsgemäß kann aber der Lehrstoff bei diesem Lernprozeß nicht so aufgenommen werden, daß sich eine Nacharbeit erübrigt Dabei hilft Ihnen das Lehrbuch. Einige Regeln haben sich für das Arbeiten mit dem Buch bewährt: Unterstreichen Sie wichtige Begriffe. - Erfinden Sie überschriften für kleinere Textabschnitte. - Lesen Sie den Lehrbuchtext eines Abschnitts nach dem Durcharbeiten des Beispiels noch einmal. Spüren Sie scheinbare Unstimmigkeiten zwischen Erklärungen von Unterricht und Lehrbuch auf und entwickeln Sie daraus Fragestellungen. Beginnen Sie mit der Ausarbeitung eines eigenen schriftlichen Konzepts, wobei die Unterrichtsergebnisse als Leitfaden dienen. Versuchen Sie das Wesentliche mit noch weniger Worten darzustellen. Skizzen und Stichworte genügen oftmals, wenn man einen Stoff verstanden hat Am unglücklichsten lernen Sie, wenn Sie den Lehrstoff gedankenlos auswendiglernen. Am vorteilhaftesten lernen Sie, wenn Sie sich auf den Unterricht vorbereiten. Vorlernen ist besser als Nachlernen.

6 VIII Arbeitshinweise ZU diesem Buch Wie hilft Ihnen dieses lehr- und Arbeitsbuch beim lernen? Vorkenntnisse 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 Lösungsleltlmie ist f::, 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.

7 IX Inhaltsverzeichnis Arbeitshinweise zu diesem Buch... " VII Schreibweise von Formelzeichen... XIV 1 Widerstandsverhalten von Halbleitern Stromleitungsmechanismus Widerstandsverhalten der Heißleiter Widerstandsverhalten der Sperrschichten Spannungssteuerung einer Sperrschicht Lichtsteuerung einer Sperrschicht Widerstandsverhalten von Halbleiter-Kanälen Vertiefung und übung Halbleiterdiode als nichtlinearer Widerstand Halbleiterdiode Arbeiten mit Kennlinien Begrenzerschaltungen mit Dioden Vertiefung und übung Spannungsstab ilisierung... " Prinzip der Spannungsstabil isierung Z-Diode Analyse der Stabil isierungs-grundschaltung Vertiefung und übung Stromstabilisierung..., Prinzip der Stromstabil isierung Feldeffekttransistor J-FET Analyse der Stabil isierungs-grundschaltung Vertiefung und übung Signalverstärkung mit Transistoren Elektrische Signale Verstärkungsprinzip Transistor als Verstärkerelement Schichtenaufbau, Bezeichnungen Transistoreffekt... : Zählpfeile Verstärkung Stromquellencharakter... 51

8 x Inhaltsverzeichnis 5.4 Stromsteuerung des Transistors Spannungssteuerung des Transistors überlagerung, Signalankopplung Arbeitswiderstand und Spannungsverstärkung Signalauskopplung, belastete Verstärkerstufe Arbeitspunktstabilisierung Vertiefung und übung Beeinflussung der Verstärkereigenschaften durch Gegenkopplung bei Operationsverstärkern Operationsverstärker Stromversorgung und Arbeitspunkteinstellung Signal-Ersatzschaltung Prinzip der Gegenkopplung Nichtinvertierender Verstärker Invertierender Verstärker Spannungsausgang, Stromausgang Spannungseingang, Stromeingang Frequenzgang Nichtlineare Verzerrungen Vertiefung und übung Verstärkerbeschaltung für Analog-Funktionen Addieren Subtrahieren Integrieren... " Mittelwertbilden Multiplizieren Anschlußbelegung eines Multiplizierers Einstellen der Verstärkung Abgleich des Nullpunktes Vertiefung und übung Schalten analoger und binärer Signale Widerstandsverhalten und Aufgaben der Schalter Binärinverter TTL CMOS Interface-Schaltungen Analogschalter Schwellwertschalter Komparator Schmitt-Trigger Leistungsschalter Vertiefung und übung...,

9 Inhaltsverzeichnis XI 9 Schwingungserzeugung Mitkopplung Ungedämpfte Schwingung Gedämpfte Schwingung Entdämpfte Schwingung., " Anschwingung und stationäre Schwingung... " LC-Oszillator Arbeitspunkt Oszillogramme Phasenbedingung Amplitudenbedingung Anschwingen und stationäre Schwingung RC-Oszillator Rechteckgeneratoren Funktionsgenerator Spannungsgesteuerte Oszillatoren VCO Phase-Locked-Loop PLL Spannungsgesteuerter Oszillator VCO Phasendetektor Tiefpaß Vertiefung und Übung Gleichrichtung Mischspannung Gleichrichterschaltungen im Leerlaufbetrieb Mittelpunktschaltungen M1, M2, M Brückenschaltungen B2, B Spannungsglättung Stromglättung Berechnungsgrundlagen für Leistungsgleichrichter mit Stromglättung Sekundärspannung Sekundärstrom Primärstrom Typenleistung des Transformators Vertiefung und Übung Leistungssteuerung mit Thyristoren Thyristor als steuerbarer Schalter Steuersatz Strombelastbarkeit von Thyristoren Triac als bidirektionaler Thyristor ThyristorjTriac als phasenanschnittsgesteuerter Wechselstromsteller Thyristor jtriac als periodengruppengesteuerter Wechselstromschalter Thyristor als gesteuerter Gleichrichter Rein ohmsche Last

10 XII Inhaltsverzeichnis - Rein ohmsche 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 Funktionselemente der binären Befehlsverarbeitung Entscheidungsorientierte Signalverknüpfung UND- Verknüpfung ODE R- Verknüpfung NAND-Verknüpfung NOR-Verknüpfung Entwurf einer Verknüpfungsstruktur Vereinfachen einer Verknüpfungsstruktur 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 J K-FI ipflop J K-Master-Slave-FI ipflop Zählen Kodierung des Zählerausgangs: Dual, BCD Asynchrone und synchrone Zählimpulsverarbeitung Kaskadierung von Zählern: Asynchroner und synchroner übertrag Zählrichtungsumkehr Programmieren eines Zählers Beispiele für Zähleranwendungen : Vorzeichenrichtiges Z ä ~ von l e Mengendifferenzen n Programmsteuerung mit Wortspeicher Vertiefung und übung

11 Inhaltsverzeichnis XIII 14 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 Grundlagen der Automatisierungstechnik Struktur und Arbeitsweise speicherprogrammierbarer Steuerungen Programmieren von Grundfunktionen Steuerungssprache und Programmdarstellung Programmierschritt 1 : Schalten eines Ausgangs Programmierschritt 2: UND-Verknüpfung Programm ierschritt 3: ODE R-Verknüpfung Programmierschritt4: Programmieren von Öffnern und Schließern. 317 Programmierschritt 5: ODER-vor-UND-Verknüpfung Programmierschritt 6: UND-vor-ODER-Verknüpfung Programmierschritt 7: RS-Speicherfunktion Programmierschritt 8: Zeitbildung: Blocken einer Zeit, Starten einer Zeit mit Rücksetzen, Einschaltverzögerung, Ausschaltverzögerung Programmierschritt 9: Zähler Verknüpfungs- und Ablaufsteuerungen Verknüpfungssteuerung Ablaufsteuerung Lösungen der übungen Lösungen der übungen Ausgewählte und kommentierte weiterführende Literatur Sachwortverzeichnis

12 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!:! = Komplexe Spannung!:! = Ue±iop 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-!;mitter-Wechselspannung Urms = Effektivwert (Loot mean ~ q u a eines r e ) Wechselspannungsanteils einer Mischspannung - Große Buchstaben für Gleichgrößen oder Gesamtwerte und Mittelwerte von Mischgrößen (von der Nullinie an gezählt). Beispiele: U AB = Gleichspannung gemessen von Punkt A gegen Punkt B, Potentialdifferenz U AB = 'PA - 'PB UBE = Momentanwert einer ßasis-!;mitter-Wechselspannung, bestehend aus einem Gleichspannungsanteil UBE und einem Wechselspannungsanteil ube URMS = Effektivwert ([9ot mean2quare) einer Mischspannung U AV = Arithmetischer Mittelwert (;lverage) 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 einer Gleichrichterschaltung (arithmetischer Mittelwert) Ueff = Effektivwert, allgemein

13 Schreibweise von Formelzeichen xv Widerstände Die Kennzeichnung der verschiedenen Widerstandsarten geschieht durch besondere Formelzeichen Beispiele: R Ohmscher Widerstand mit der Eigenschaft R = ~ = konst, verursacht I keine Phasenverschiebung bei Wechselgrößen. Praktisch vorliegend als Bauelement mit Farbring-Kennzeichnung zur Wertangabe. Oder auch X Wirkwiderstand R = 2 P, I eff aus dem Wirkleistungsumsatz eines Verbrauchers errechneter Widerstandswert. Frequenzabhängiger Blindwiderstand des Kondensators Xc = ~ ' C der Spule XL = wl? = Komplexer Widerstand in Normalform? = R ± jx nennt Wirk- und Blindwiderstandsanteile, in Exponentialform? = Ze±iop nennt Widerstandsbetrag und Phasenverschiebungswinkel, Umrechnungsbeziehungen: Z = v'r2 + X2 X f.{) = arctan ± R e±iop = COSf.{) ± jsin f.{) durch Kleinschreibung der Formelbuchstaben bei differentiellen Widerständen Beispiel: rz = Differentieller Widerstand einer Z-Diode.6. Uz rz =.6.Iz ' maßgebende Widerstandsgröße bei der Berechnung von Stromänderungen. Differentielle Widerstände treten regelmäßig auf bei Bauelementen mit nichtlinearer (geknickter) U-I-Kennlinie zur Beschreibung des Steilverlaufs der Kennlinie nach dem Kennlinienknick.