Elemente der angewandten Elektronik

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1 Erwin Böhmer Elemente der angewandten Elektronik Kompendium für Ausbildung und Beruf 7., überarbeitete Auflage Mit 540 Bildern und einem umfangreichen Bauteile-Katalog Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH

2 I. Auflage , neubearbeitete und erweiterte Auflage , überarbeitete und erweiterte Auflage , überarbeitete und erweiterte Auflage 1986 S., überarbeitete und erweiterte Auflage , überarbeitete Auflage , überarbeitete Auflage 1990 Vieweg ist ein Unternehmen der Verlagsgruppe Bertelsmann International. Alle Rechte vorbehalten Springer Fachmedien Wiesbaden 1990 Ursprünglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, Braunschweig 1990 Das Werk und seine Teile sind wheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fällen bedarf deshalb der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages. Umschlaggestaltung: Hanswemer Klein, Leverkusen Satz: Vieweg, Braunschweig ISBN DOI / ISBN (ebook)

3 Vorwort zur ersten Auflage Die Elektronik ist durch die Fortschritte in der Halbleitertechnologie zu einem untiberschaubar grosen Gebiet technischer Entwicklungen und Anwendungen angewachsen. Jede 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 fur das ergiinzende Selbststudium, indem es die flir 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 Gro~tma~ an Dbersichtlichkeit zu erreichen. Die zahlreichen Bilder enthalten viele konkrete Informationen und sollen auch Zusammenhange 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 gro~e Bedeutung hat. Schaltungsberechnungen sind stets so angelegt, da~ sie unter Vemachlassigung von Sekundiireffekten mit wenigen Rechenztigen zu einem Nliherungsergebnis 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 erfa~t werden. In entsprechender Weise wird auch der Operationsverstiirker behandelt. Das Buch hat eine mehrjiihrige Entwicklung tiber eine Reihe von Studienskripten durchlaufen. Wahrend dieser Zeit ist mir mancherlei Hilfe zuteil geworden, flir die ich hiermit Dank sage. Vor allem 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 Gro~teil 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. Da~ es dennoch, wie mir scheint, eine ansprechende Form gefunden hat, verdanke ich dem Verstandnis und der Sorgfalt des Verlages, insbesondere den Herren W. Ebert und H.J. Niclas. Mein Dank gebiihrt auch einer Reihe von Firmen, die mir Bildmaterial zur Verfligung gestellt haben, das am Schlu~ 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 umfa t 20 Kapitel gegenuber bisher 16. Dureh zahlreiche Ergiinzungen und Erweiterungen wurde versueht, das Bueh dem aktuellen Stand der Elektronik anzupassen. Dabei ist auf die Behandlung weitgehend iiberholter Bauelemente wie z.b. Selengleiehriehter, Thyratrons und Magnetkernspeieher verziehtet worden. Das Kapitel uber Rohren wurde wesentlieh gestrafft. 1m iibrigen hat sieh die Zielsetzung des Buehes, wie sie im Vorwort zur ersten Auflage besehrieben wird, nicht geandert. Ieh danke allen, die mir bei der miihevollen Arbeit geholfen haben, insbesondere dem Kollegen Prof. Dr.-Ing. F. Wittgruber fur seine Ratschliige zum Kapitel Digitalteehnik und den Herren Dipl.-Ing. H. Otto und Dipl.-Ing. E. Locherbach fur das Lesen der Korrektur. Herr Otto hat wieder wie zur ersten Auflage zahlreiehe Sehaltungsbeispiele im Laborexperiment erprobt. Frau Andrea Winkel hat die neuen Texte gesehrieben, wofur ieh ebenfalls danke. Dem Vieweg-Verlag bin ich dankbar fur die jederzeit vorzugliehe Zusammenarbeit. Siegen, im Oktober 1982 Vorwort zur dritten Auflage In der dritten Auflage erseheint das Bueh mit einem zusiitzliehen 21. Kapitel iiber ausgewiihlte integrierte Bausteine. Die Auswahl besehrankt sieh auf einige in der Praxis bewiihrte Bausteine, die als Massenfabrikate jedem Anwender preisgiinstig zur VerfUgung stehen. Sie werden vorgestellt und beschrieben mit typischen Anwendungen. Beim Erarbeiten des Materials hat mieh Herr Dipl.-Ing. H. Otto unterstiitzt, und Herr Dipl.-Ing. E. Locherbach half beim Korrekturlesen, wofiir ieh mich bedanke. Frau Andrea Winkel danke ieh wieder fur das Schreiben der Texte und dem Verlag Vieweg fur die jederzeit problemlose lusammenarbeit. Siegen, im April 1984 Vorwort zur vierten Auflage Die vierte Auflage des Buehes erscheint mit einem auf den Anhang folgenden Katalogteil, in dem tabellariseh die wesen tlichen Eigensehaften zahlreicher Bauelemente dargestell t werden. Die miihevolle Schreibarbeit dazu hat wieder Frau Andrea Winkel-Arndt iibernommen, die leichnungen fertigte Herr Aribert Biingers an. Siegen, im Mai 1986 Vorwort zur funften Auflage Erwin Biihmer Zur fiinften Auflage wurde der die Digitaltechnik betreffende Teil des Buches liberarbeitet und der Bauteile-Katalog entspreehend ergiinzt. Dabei hat mieh Herr Dr.-Ing. E. Locherbach unterstiitzt. der seine reiche praktische Erfahrung auf diesem Gebiet mit in die Neufassung einbraehte. Dafur bedanke ich mich. Siegen, im Mai 1987 Vorwort zur sechsten Auflage lur seehsten Auflage wurden wieder zahlreiehe Verbesserungen und Ergiinzungen vorgenommen. Dabei entstand eine vollstiindige Neufassung fiii das Kapitel 14 uber Sinusoszillatoren. Die Kapi tel 4 und 10 uber Rohrenbauteile wurden aktualisiert, wobei mieh der Kollege Prof. Dr. W. Helmbold beraten hat. Siegen, im November 1988 Vorwort zur siebenten Auflage lur siebenten Auflage wurden das Kapitel iiber Operationsverstiirker und die Ergiinzungen im Kapitel 21 neu bearbeitet, wozu mir der Kollege Prof. Dr.-Ing. Dietmar Ehrhardt wertvolle Hinweise gab. Frau Petra Schoppner schrieb die neuen Texte und fertigte aueh die leiehnungen an, wofiir ich ihr besonders danke. Siegen, im April 1990 IV

5 Inhaltsverzeichnis Einfiihrung 1 Elektrische Leitung und Widerstande 1.1 Elektrische Leitungen, Grundbegriffe Elektrische Widerstande Obliche Baufonnen der Widerstiinde Stellbare Widerstiinde Widerstandsnetzwerke, passive und aktive Zweipole 2 Homogene Halbleiterbauelemente 2.1 Grundbegriffe der Halbleiter Heilileiter und mellltechnische Anwendung Anla1llheilileiter Keramische Kaltleiter Varistoren Feldplatten Fotowiderstiinde Hallgeneratoren Halbleiterdioden 3.1 Grundlagen der Halbleiterdiode Silizium Leistungsdioden Dioden in Gleichrichterschaltungen Fotodioden und Fotoelemente Z-Dioden (Zenerdioden) Vakuum- und Gasdioden (Rohrendioden) 4.1 Funktion und Arten der Rohrendioden Gasdioden als Lampen 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 ImpulsUbertragung durch RC Glieder Spannungsgliittung mit Kondensatoren Siebschaltung fur Gleichrichter Spulen und Schwingkreise 7.1 Spulen, Grundbegriffe Spulenkenngrolllen und Schaltvorgange Drosselspulen mit Eisenkern v

6 7.4 Ferritkernspulen... " Spulen fur hohere Frequenzen... " Schwingkreise Schwingquarze... " Einfache Resonanzschaltungen Schwingkreise mit Anzapfungen Transformatoren und Obertrager 8.1 Verlustfreie Spulensysteme Transformatoren als Obertrager Aufbau und Berechnung von Obertragern " ImpulsUbertrager 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, Katodenbasisverstarker Tetroden und Pentoden Fotozellen und Fotovervielfacher Bildverstarker, Bildwandler und Bildaufnahmerohren Feldeffekt-Transistoren Aufbau und Wirkungsweise des Sperrschicht-Feldeffekt-Transistors Feldeffekttransistoren, GroB- und Kleinsignalbetrieb.... Feldeffekttransistoren in Konstantstromschaltungen.... Sourceschaltung, Grundlagen.... Analyse eines Kleinsignalverstarkers in Sourceschaltung.... Drainschaltung (Sourcefolger).... Gateschaltung.... Feldeffekttransistoren mit isolierter Gate-Elektrode.... MOSFET-Tetroden (Doppelgate-MOSFETs).... Integrierte MOS-Schaltungen.... Analogschalter und -multiplexer.... Grenzwerte und Kennwerte von Feldeffekttransistoren Bipolare Transistoren Aufbau und Wirkungsweise.... GroBsignalverhalten des Bipolar-Transistors.... Emitterschaltung als Kleinsignalverstarker.... Hochfrequenzverhalten der Emitterschaltung h-parameter und y-parameter.... Temperaturabhangigkeit und Reststromverhalten.... Schaltbetrieb des Bipolar-Transistors.... Gleichstromverhalten irn aktiven Betrieb.... Kleinsignalverstarker mit Parallelgegenkopplung Emitterschaltung mit Reihengegenkopplung VI

7 12.11 Kollektorschaltung (Emitterfolger) Basisschaltung Transistorverbundschaltungen Differenzverstarker Operationsverstarker 13.1 Grundbegriffe des Operationsverstarkers... " Unearer invertierender Verstarker Linearer nichtinvertierender Verstarker Eingangsverhalten des realen Verstarkers Ausgangsverhalten des realen Verstarkers Frequenzgang und Stabilitat Differenzierschaltungen Integrierschaltungen Aktive RC-Filter zweiter und hi:iherer Ordnung MeBgleichrichter Steuerbare Stromquellen Spannungsquellen Sinusoszillatoren 14.1 Wien-Briicken Oszillator LC-Oszillatoren mit der Basisschaltung LC-Oszillatoren mit der Emitterschaltung... " Kippschaltungen 15.1 Kippschaltungen mit Operationsverstiirkern (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.... Schottky- und ECL-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 Ziihlschaltungen.... 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 fiir die Analog-Digital-Umsetzung Indirekte Verfahren zur Analog-Digital-Umsetzung Optosensoren und Optokoppler 18.1 Fototransistoren Lichtschranken und Optokoppler Analoge Signaliibertragung mit Optokopplern Faseroptische Ubertragungsmittel Leistungstransistoren und Leistungsschaltungen 19.1 Verlustleistung und Warmeableitung..., Sicheres Schalten mit Transistoren Dimensionierung eines Transistor Leistungsschalters Darlington-Leistungstransistoren als Schalter und Steller Leistungs-MOSFETs und IGBTs Spannungsquellen mit Leistungstransistoren Spannungsquellen mit integrierten Spannungsreglern Schaltsteller und Schaltregler Gegentakt-Leistungsverstarker, Grundlagen..., NF Leistungsverstarker Thyristoren und Triacs 20.1 Leistungsthyristoren, Grundbegriffe und Funktionsweise Ansteuerschaltungen fiir Thyristoren Wechselstromsteller mit Thyristoren Dynamische Vorgange und Schutzbeschaltung Triac, Grundbegriffe und Anwendungsbeispiel Triacs als Stell- und Regelelemente Halbleiterrelais fiir Wechselstromlast Ausgewahlte Bausteine und Schaltungen Standard-Operationsverstarker TAA 765 und LM Mehrfachverstarker und ihre Anwendung Prazisions-Operationsverstarker Fensterdiskriminator TCA 965 als vielseitiger Schwellwertschalter Pulsbreitenmodular 3524 als Schaltsteller und Schaltregler Timer/Counter 2240 als universeller Multivibrator Funktionsgenerator 8038 als Rechteck-Dreieck und Sinusozillator Begrenzer, Amplitudenfilter und Funktionsgeber..., 302 Logarithmierschaltungen Multiplizierbaustein AD Filterbaustein HY 3105 als Universalfilter Formelzeichen Anhang (Tabellen, Diagramme, Formeln)..., 311 Bauteile-Katalog 327 Literaturverzeichnis 382 Quellenverzeichnis 388 Sachwortverzeichnis..., 389 VIII