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
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, 1987. (Viewegs Fachbiicher der Technik) ISBN-13: 978-3-528-44090-9 e-isbn-13: 978-3-322-85557-2 DOl: 10.1007/978-3-322-85557-2 1. Auflage 1979 2., neubearbeitete und erweiterte Auflage 1983 3., iiberarbeitete und erweiterte Auflage 1984 4., iiberarbeitete und erweiterte Auflage 1986 5., 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
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
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
Inhaltsverzeichnis Einflihrung 1 Elektrische Leitung und Widerstande 1.1 Elektrische Leitungen, Grundbegriffe... 2 1.2 Elektrische Widerstande... 4 1.3 Obliche Bauformen der Widerstande... 6 1.4 Stellbare Widerstande... 8 1.5 Widerstandsnetzwerke, passive und aktive Zweipole 10 2 Homogene Halbleiterbauelemente 2.1 Grundbegriffe der Halbleiter.... 2.2 Heimeiter und mebtechnische Anwendung.... 2.3 AnlaBheimeiter.... 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 Keramische Kaltleiter.... Varistoren.... Feldplatten.... Fotowiderstande.... Hallgeneratoren 3 Halbleiterdioden 3.1 Grundlagen der Halbleiterdiode.... 3.2 Silizium-Leistungsdioden.... 3.3 Dioden in Gleichrichterschaltungen.... 3.4 Fotodioden und Fotoelemente.... 3.5 Z-Dioden (Zenerdioden).... 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 4 Hochvakuum- und Gasdioden 4.1 Hochvakuumdioden.................................. 38 4.2 Gasdioden........................................ 40 5 Anzeige- und Lichtleitsysteme 5.1 Oszilloskop- und Bildrohren... " 42 5.2 Gasentladungs- und Fluoreszenzanzeigen... 44 5.3 LED- und LCD-Anzeigen............................... 46 5.4 Lichtleiter und Bildleiter............................... 48 6 Kondensatoren 6.1 Kondensatoren, Grundbegriffe... 50 6.2 Laden und Entladen eines Kondensators... 52 6.3 Bauformen von Kondensatoren... 54 6.4 RC-Obertragungsglieder... " 56 6.5 Impulslibertragung durch RC-Glieder "..................... 58 6.6 Spannungsglattung mit Kondensatoren... 60 6.7 Siebschaltungen flir Gleichrichter... 62 7 Spulen und Schwingkreise 7.1 Spulen, Grundbegriffe... 64 7.2 SpulenkenngroBen und Schaltvorgange... 66 7.3 Drosselspulen mit Eisenkern... 68 v
7.4 Ferritkemspulen.................................... 70 7.5 Spulen fur hohere Frequenzen... 72 7.6 Schwingkreise...................................... 74 7.7 Schwingquarze..................................... 76 7.8 Einfache Resonanzschaltungen........................... 78 7.9 Schwingkreise mit Anzapfungen... 80 8 Transformatoren und Obertrager 8.1 Induktiv gekoppelte Spulen... 82 8.2 Transformatoren als Obertrager... 84 8.3 Aufbau und Berechnung von Obertragem.................... 86 8.4 Impulsiibertrager.................................... 88 8.5 Netztransformatoren................................. 90 9 Relais 9.1 Elektromagnetische Relais, Arten und Wirkungsweise... 92 9.2 Betriebseigenschaften von Relais.......................... 94 9.3 Kontaktmaterial, Kontaktbeanspruchung und Kontaktschutz....... 96 9.4 Relais-Kondensator-Schaltungen.......................... 98 10 Verstarker- und Fotorohren 10.1 Hochvakuumtrioden, Katodenbasisverstiirker... 100 10.2 Kleinsignaltheorie des Katodenbasisverstarkers... 102 10.3 Tetroden und Pentoden... 104 10.4 Fotozellen und Fotovervie1facher 106 11 Feldeffekt-Transistoren 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8 11.9 11.10 11.11 11.12 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.... 108 110 112 114 116 118 120 122 124 126 128 130 12 Bipolare Transistoren 12.1 Aufbau und Wirkungsweise... 132 12.2 GroBsignalverhalten des Bipolar-Transistors... 134 12.3 Emitterschaltung als Kleinsignalverstarker... 136 12.4 Hochfrequenzverhalten der Emitterschaltung... '......... 138 12.5 h-parameter und y-parameter... 140 12.6 Temperaturabhaugigkeit und Reststromverhalten...'. 142 12.7 Schaltverhalten des Bipolar-Transistors... 144 12.8 G1eichstromverhalten im aktiven Betrieb... 146 12.9 Kleinsignalverstarker mit Parallelgegenkopplung... 148 12.10 Emitterschaltung mit Reihengegenkopplung... 150 VI
12.11 Kollektorschaltung (Emitterfolger)... 152 12.12 Basisschaltung...................................... 154 12.13 Transistorverbundschaltungen... 156 12.14 DifferenzversHirker... 158 13 Operationsverstarker 13.1 Grundbegriffe des Operationsverstarkers... 160 13.2 Komparatoren mit Operationsverstarkem... 162 13.3 Operationsverstarker als invertierender Verstarker... 164 13.4 Operationsverstarker als nichtinvertierender Verstarker........... 166 13.5 Addier- und Subtrahierschaltungen... 168 13.6 Stabilitat und Dynamik von Operationsverstarkem.............. 170 13.7 Differenzierschaltungen... 172 13.8 Integrierschaltungen... 174 13.9 Aktive RC-Filter... 176 13.1 0 Me~gleichrichter... 178 13.11 Steuerbare Stromquellen............................... 180 13.12 Spannungsquellen... 182 14 Sinusoszillatoren 14.1 14.2 14.3 Wien-Briicken Oszillator LC-Oszillator mit zweistufigem Verstarker LC-Oszillatoren mit einstufigem Verstarker 184 186 188 15 Kippschaltungen 15.1 Kippschaltungen mit Operationsverstarkern (I)................. 190 15.2 Kippschaltungen mit Operationsverstarkern (II)................ 192 15.3 Triggerschaltungen mit diskreten Transistoren................. 194 15.4 Symmetrische bistabile Kippschaltungen..................... 196 15.5 Monostabile und astabile Multivibratoren mit diskreten Transistoren... 198 15.6 Integrierte monostabile/astabile Kippschaltung (TIMER-IC 555)..... 200 15.7 Schaltwandler... 202 15.8 Kippschaltungen mit Unijunction-Transistoren................. 204 15.9 Vierschichtelemente (Thyristoren)... 206 16 Digitale Verknupfungs- und Speicherschaltungen 16.1 Diodengatterschaltungen... 208 16.2 Emitterschaltung als Inverter... 210 16.3 NOR- und NAND-Gatter in DTL-Technik.................... 212 16.4 Grundschaltungen der TTL-Technik.... 214 16.5 Schnelle logische Schaltungen.... 216 16.6 16.7 16.8 16.9 16.10 16.11 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.... 218 220 222 224 226 228 16.12 Zahler.... 230 16.13 Vergleicher (Komparatoren).... 232 16.14 Multiplexer und Demultiplexer........................ _.. 234 16.15 16.16 Schreib-Lese-Speicher (RAMs).... ROMs, PROMs und EPROMs.... 236 238 VII
17 DA- und AD-Umsetzer 17.1 DA-Umsetzer (DAU)... 240 17.2 Drei Konzepte fur die Analog-Digital-Umsetzung... 242 17.3 Indirekte Verfahren zur Analog-Digital-Umsetzung.............. 244 18 Optosensoren und Optokoppler 18.1 Fototransistoren... 246 18.2 Lichtschranken und Optokoppler... 248 18.3 Analoge Signaliibertragung mit Optokopplem... 250 18.4 Faseroptische Obertragungsmittel... 252 19 Leistungstransistoren und Leistungsschaltungen 19.1 Verlustleistung und Wiirmeableitung... 254 19.2 Sicheres Schalten mit Transistoren... 256 19.3 Dimensionierung eines Transistor-Leistungsschalters............. 258 19.4 Darlington-Leistungstransistoren als Schalter und Steller... 260 19.5 Leistungs-MOSFETs... 262 19.6 Spannungsquellen mit Leistungstransistoren... 264 19.7 Spannungsquellen mit integrierten Spannungsreglem... 266 19.8 Schaltsteller und Schaltregler... 268 19.9 Gegentakt-Leistungsverstiirker, Grundlagen................... 270 19.10 NF-Leistungsverstiirker... 272 20 Thyristoren und Triacs 20.1 Leistungsthyristoren, Grundbegriffe und Funktionsweise... 274 20.2 Ansteuerschaltungen flii Thyristoren... 276 20.3 Wechselstromsteller mit Thyristoren... 278 20.4 Dynarnische Vorgiinge und Schutzbeschaltung................. 280 20.5 Triac, Grundbegriffe und Anwendungsbeispiel................. 282 20.6 Triacs als Stell- und Regelelemente... 284 20.7 Halbleiterrelais fur Wechselstrornlast... 286 21 Ausgewahlte integrierte Bausteine 21.1 Operationsverstiirker 861 (761) und 741 als Standard-Verstiitker 288 21.2 Bausteine 1458 und 348 als mehrfache 741er-Verstiirker.......... 290 21.3 Baustein LM 324 als vierfacher "Single-Supply"-Verstiirker... 292 21.4 Fensterdiskriminator TCA 965 als vielseitiger Schwellwertschalter... 294 21.5 Pulsbreitenmodulator 3524 als Schaltsteller und Schaltregler... 296 21.6 Timer/Counter 2240 als universeller Multivibrator... 298 21.7 Funktionsgenerator 8038 als Rechteck-Dreieck- und Sinusoszillator.. 300 21.8 Operationsverstiirker LM 318 als schneller Puffer... 302 21.9 Taktstabilisierter Operationsverstiirker ICL 7650 als Priizisionsverstiirker... 304 21.10 Analogmultiplizierer ICL 8013 als vielseitiger Rechenbaustein... 306 21.11 Transistor-Array CA 3096 als Funktionsgeber... 308 Formelzeichen... 310 Anhang (Tabellen, Diagramme, Formeln)... 311 Bauteile-Katalog Literaturverzeichnis Quellenverzeichn is Sachwortverzeichnis VIII 327 382 388 389