Dipl.-Ing. Peter Zastrow Rechenbuch der Elektronik \ \ für gewerbliche Berufs- und Fachschulen, für die Fort- und Weiterbildung und für das Selbststudium 9., überarbeitete Auflage 2006 Mit 1300 Aufgaben, 320 Bildern und 60 Tabellen EPV Elektronik-Praktiker-Verlagsgesellschaft mbh Duderstadt
Inhaltsverzeichnis 1. Mathematische Grundlagen 11 1.1 Rechenoperationen 11 1.2 Rechnen mit Größen 12 1.3 Rechnen mit Taschenrechnern 14 1.3.1 Eingabemethoden 15 1.3.2 Rechenbeispiele 15 1.3.2.1 Umfangreiche Rechnungen 15 1.3.2.2 Rechnen mit Zehnerpotenzen 16 1.3.2.3 Kubikwurzelrechnung 16 1.4 Gleichungen und Formelumstellung 17 1.4.1 Rechenregeln 18 1.4.2 Klammerregeln 19 1.4.3 Rechenbeispiele 20 1.5 Pythagoras 22 1.6 Winkelfunktionen 23 1.6.1 Einführung 23 1.6.2 Definitionen der Winkelfunktionen 23 1.6.3 Winkelfunktionswerte 24 1.6.4 Rechnen mit Winkelfunktionen 25 1.6.5 Sinus-und Kosinusfunktion 25 1.6.6 Tangens- und Kotangensfunktionen 26 1.6.7 Bogenmaß 27 1.7 Grafische Darstellungen 30 1.7.1 Rechtwinkliges Koordinatensystem 30 1.7.2 Funktionen 31 1.7.2.1 Lineare Funktion 31 1.7.2.2 Quadratische Funktion 32 1.7.2.3 Hyperbelfunktion 33 1.7.2.4 Weitere Grundfunktionen 33 1.7.2.5 Empirische Funktionen 35 1.7.2.6 Parameterdarstellung 35 1.7.3 Achsenteilung im rechtwinkligen Koordinatensystem 36 1.7.4 Polarkoordinatensystem 38 2. Physikalische Grundlagen 41 2.1 Bewegung 41 2.1.1 Geschwindigkeit 41 2.1.2 Beschleunigung 42 2.1.3 Freier Fall 43 2.1.4 Drehbewegung 43 2.2 Längen-, Flächen-, Körper- und Massenberechnungen 45 2.2.1 Längenberechnung 45 2.2.2 Flächenberechnung 45 2.2.3 Körperberechnung 47 2.2.4 Massenberechnung 47 2.3 Kräfte 49 2.3.1 Kraft und Gewichtskraft 49 2.3.2 Addition und Zerlegung von Kräften 50
2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 3. 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.13.1 3.13.2 3.13.3 4. 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.6.1 4.6.2 5. 5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.1.5 5.2 6. 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.5.1 6.5.2 Drehmoment Arbeit Energie Leistung Wirkungsgrad Elektrotechnische Grundlagen Spannung und Strom Widerstand und Leitwert Stromdichte Ohmsches Gesetz Leistung Arbeit und Wirkungsgrad Parallelschaltung von Widerständen Reihenschaltung von Widerständen Belasteter Spannungsteiler Gemischte Schaltungen Brückenschaltung Klemmen- und Leerlaufspannung Zusammenschaltung von Spannungsquellen Reihenschaltung von Spannungsquellen Parallelschaltung von Spannungsquellen Gruppenschaltung von gleichen Spannungsquellen Kondensator Elektrische Feldstärke Elektrische Ladung Kapazitätsberechnung Kondensator an Gleichspannung Kondensator an Wechselspannung Zusammenschaltung von Kondensatoren Parallelschaltung Reihenschaltung Elektromagnetismus Magnetischer Kreis Durchflutung Feldstärke Flußdichte Magnetischer Fluß Magnetischer Kreis mit Luftspalt Magnetische Kraftwirkung Spule Induktivität Induktionsgesetz Spule an Gleichspannung Spule an Wechselspannung Zusammenschaltung von Spulen Reihenschaltung Parallelschaltung 52 54 55 57 58 59 59 64 67 68 70 71 72 74 76 78 80 81 85 85 86 87 88 90 91 91 91 94 95 95 98 99 99 100 102 104 105 105 105 6
7. 7.1 7.1.1 7.1.2 7.1.3 7.1.4 7.1.5 7.2 7.3 7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.3.4 7.3.5 7.4 7.4.1 7.4.2 7.5 7.5.1 7.5.2 7.5.3 8. 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.6.1 8.6.2 8.6.3 8.7 8.8 8.9 9. 9.1 9.2 10. 10.1 10.2 10.3 Zusammenschaltung von Wirk- und Blindwiderständen RC- und RL-Schaltungen Reihenschaltung Spulenverluste Parallelschaltung Kondensatorverluste Umwandlung einer Reihen- in eine Parallelschaltung und umgekehrt RLC-Schaltungen Schwingkreis Resonanzfrequenz Resonanzwiderstand Schwingkreisgüte Bandbreite Zusammenstellung der wichtigsten Schwingkreisformeln Leistung im Wechselstromkreis Wechselstrom Drehstrom Transformator Transformator ohne Verluste Transformator mit Verlusten Netztransformatorberechnung Elektrische Messtechnik Messbereichserweiterung Kennwiderstand, Eigenverbrauch Anzeigefehler Digitale Messtechnik Messfehler-Berechnung Messung von Widerständen, Kondensatoren und Spulen Widerstände Kondensatoren Spulen Oszilloskopen-Messtechnik Messung elektrischer Arbeit und Leistung Messungen in elektrischen Anlagen Passive Vierpole Frequenzglieder Impulsformerglieder Wärme Wärmemenge Wärmewiderstand Kühlflächenberechnung 106 106 106 108 109 111 112 114 116 116 116 117 118 119 123 123 124 126 126 126 128 132 132 134 135 136 137 139 139 140 141 142 144 145 146 146 148 150 150 151 154 11. 11.1 11.1.1 11.1.2 11.1.2.1 11.1.2.2 Halbleiterdioden Gleichrichter- und Schaltdioden Gleichrichtung Gleichrichterschaltungen Brummspannungsberechnung 155 155 155 157 157 159 7
11.1.2.3 11.1.3 11.2 11.3 Siebung Diodenschalter Z-Dioden Kapazitätsdioden 160 162 164 167 12. 12.1 12.2 12.3 13. 13.1 13.1.1 13.1.2 13.2 13.3 13.4 14. 14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 14.6 15. 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 16. 16.1 16.2 16.3 16.4 16.5 17. 17.1 17.2 17.3 17.4 18. 18.1 18.1.1 18.1.2 18.2 Bipolare Transistoren Arbeitspunkteinstellung Transistor-Grundschaltungen Feldeffekttransistoren Statische Dynamische Grenzwerte Arbeitspunkteinstellung FET-Grundschaltungen Fotohalbleiter Lichttechnische Grundgrößen Fotowiderstand Fotoelement und Solarzelle Fotodiode und Fototransistor Lumineszenzdiode (LED) Optokoppler Nichtlineare Widerstände NTC-Widerstand PTC-Widerstand Spannungsabhängiger Widerstand Feldplatte Hallgenerator Leistungselektronik Spannungs- und Stromkomponenten Thyristor und Triac Gesteuerte Gleichrichter Phasenanschnittsteuerung Schwingungspaketsteuerung Netzgeräte stabilisierter Netzgeräte Spannungsstabilisierte Netzgeräte Stromstabilisierte Netzgeräte Schaltnetzgerät Verstärker Wechselspannungsverstärker Einstufiger Verstärker Mehrstufiger Verstärker Leistungsverstärker 169 169 174 177 180 180 180 182 1 184 187 190 190 191 1 194 196 197 198 198 199 201 202 203 204 204 206 207 208 210 211 211 213 218 220 221 221 221 226 230 8
18.2.1 18.2.2 18.2.3 18.3 18.4 18.5 18.5.1 18.5.2 19. 19.1 19.2 19.3 19.4 19.5 19.6 19.7 20. 20.1 20.2 20.3 21. 21.1 21.2 21.2.1 21.2.2 21.3 21.3.1 21.3.2 21.3.3 21.4 21.5 21.5.1 21.5.2 Eintakt-A-Endstufe Gegentakt-Endstufe Integrierter Leistungsverstärker Gegenkopplung Gleichspannungsverstärker Hf-Verstärker Selektiver Verstärker Anzapfung an Schwingkreisen Operationsverstärker Invertierender Verstärker Nicht invertierender Verstärker Differenzverstärker Summierverstärker Integrierer Differenzierer Elektronische Schalter Elektronischer Schalter mit Transistoren Elektronischer Schalter mit TTL-und CMOS-Bausteinen Interface-Schaltungen Kippschaltungen Schaltzeiten Astabile Kippstufe Astabile Kippstufe mit Transistoren Astabile Kippstufe mit Operationsverstärker Monostabile Kippstufe Monostabile Kippstufe mit Transistoren Monostabile Kippstufe mit Operationsverstärker Monostabile Kippstufe mit TTL-Baustein Bistabile Kippstufe Schmitt-Trigger Schmitt-Trigger mit Transistoren Schmitt-Trigger mit Operationsverstärker 230 232 236 238 241 243 243 245 248 248 250 253 254 255 257 259 261 261 264 266 268 268 269 269 271 273 273 274 274 276 278 278 280 22. 22.1 22.1.1 22.1.2 22.1.3 22.2 22.2.1 22.2.2 22.2.3 22.3 22.3.1 22.3.2 22.3.2.1 22.3.2.2 22.4 Signalgeneratoren Rechteckgeneratoren Rechteckgenerator mit Transistoren Rechteckgenerator mit Operationsverstärker Rechteckgenerator mit monostabilen Kippstufen Sägezahngeneratoren Sägezahngenerator mit Einrichtungs-Thyristordiode Sägezahngenerator mit Unijunction-Transistor Sägezahngenerator mit Operationsverstärker Sinusgeneratoren LC-Generator RC-Generator Phasenschiebergeneratoren Wien-Brückengenerator Funktionsgeneratoren 284 284 284 285 287 287 288 288 289 291 9
23. Logische Schaltungen 2 23.1 Allgemeines 2 23.2 Analyse logischer Schaltnetze 296 22.3 Synthese logischer Schaltnetze 300 23.4 Vereinfachung logischer Schaltnetze 304 23.4.1 Vereinfachung mit Hilfe der Schaltalgebra 304 23.4.2 Vereinfachung mit Hilfe von KV-Tafeln 307 24. Zahlensysteme 312 24.1 Aufbau der Zahlensysteme 312 24.1.1 Dezimalsystem 312 24.1.2 Dualsystem 312 24.1.3 Hexadezimalsystem 312 24.1.4 Gegenüberstellung 313 24.2 Umwandlung von Zahlen 314 24.2.1 Umwandlung: Dezimal- in Dualzahl 314 24.2.2 Umwandlung: Dual- in Dezimalzahl 314 24.2.3 Umwandlung: Dezimal-in Hexadezimalzahl 315 24.2.4 Umwandlung: Hexadezimal-in Dezimalzahl 316 24.2.5 Umwandlung: Dualzahl in Hexadezimalzahl 316 24.3 Rechnen mit Dualzahlen 317 25. Datenübertragung 319 25.1 Elementvorrat und Redundanz 319 25.2 Geschwindigkeiten 320 25.3 Zeitmultiplexübertragung 321 25.4 Fehlerhäufigkeit 322 25.5 Modemübertragung 323 25.6 Übertragung über Lichtwellenleiter 324 26. Anhang 327 26.1 Rechnen mit dem Übertragungsmaß 327 26.1.1 Relativer Pegel 327 26.1.2 Absoluter Pegel 330 26.2 Zuverlässigkeiten von Bauelementen und Schaltungen 331 Mathematische Zeichen 332 Griechisches Alphabet 333 Einige wichtige Konstanten 333 Gesetzliche Einheiten 333 Abgeleitete MKSA-Einheiten aus der Elektrotechnik 334 Werkstoffwerte 335 Internationaler Farbcode 336 Internationale und DIN-Normreihe 336 Bezeichnung von Halbleiterbauelemente 337 Magnetisierungskurven 338 Daten und Diagramme von Halbleiterbauelementen 339 Stichwortregister 356 10