Elemente der angewandten Elektronik

Elemente der angewandten Elektronik Kompendium fur Ausbildung und Beruf 8., Oberarbeitete Auflage Mit 540 Bildern und einem umfangreichen Bauteile-Katalog Friedr. Vieweg & Sohn BraunschweiglWiesbaden

Die Deutsche Bibliothek - rip-einheitsaufnahme Bohmer, Erwin: Elemente der angewandten Elektronik: Kompendium fur Ausbildung und Beruf /. - 8., tiberarb. Aufl. - Braunschweig: Wiesbaden: Vieweg, 1992 (Viewegs Fachblkher der Technik) ISBN 978-3-528-74090-0 ISBN 978-3-322-90133-0 (ehook) DOl 10.1007/978-3-322-90133-0 I. Auflage 1979 2., neubearbeitete und erweiterte Auflage 1983 3., tiberarbeitete und erweiterte Auflage 1984 4., tiberarbeitete und erweiterte Auflage 1986 5., tiberarbeitete und erweiferte Auflage 1987 6., tiberarbeitete Auflage 1989 7., tiberarbeitete Auflage 1990 8., iiberarbeitete Auflage 1992 Vieweg ist ein Unternehmen der VerJagsgruppe Bertelsrnann International. Aile Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn VerJagsgesellschaft mbh, Braunschweig/Wiesbaden, 1992 Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschiitzt. Jede Verwertung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fallen bedarf deshalb der vor herigen schriftlichen Einwilligung des VerJages. Umschlaggestaltung: Hanswerner Klein, Leverkusen Satz: Vieweg, Braunschweig Gedruckt auf saurefreiem Papier ISBN 978-3-528-74090-0

Vorwort zur ersten Auflage Die Elektronik ist durch die Fortschritte in der Halbleitertechnologie zu einem untiberschau bar gro~en 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 erganzt werden mtissen. Die Notwendigkeit dazu erfahrt man schon als Student, wenn im Praktikum elektronische Schaltungen vorkommen. Das vorliegende Buch will eine Hilfe sein flii das erganzende Selbststudium, indem es die flii 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 Ubersichtlichkeit 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 vemachlassigt 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 Vemachlassigung von Sekundareffekten mit wenigen Rechenztigen zu einem Niiherungsergebnis flihren, das den Anforderungen der Praxis oft schon gentigt. Komplizierte Zusammenhange 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 Operationsverstarker behandelt. Das Buch hat eine mehrjahrige Entwicklung tiber eine Reihe von Studienskripten durchlaufen. Wiihrend dieser Zeit ist mir mancherlei Hilfe zuteil geworden, fur die ich hiermit Dank sage. Vor allem bedanke ich mich bei den Mitarbeitem des Nachrichtentechnischen Labors an der Gesamthochschule Siegen, Herm K. Dickel, Herm log. grad. G. Lagemann und Herm Ing. grad. H. Otto. Herr Otto hat einen GroBteil der Schaltungen aufgebaut und tiberprtift. Meinen Kollegen Prof. Dr. rer. nat. H. Rilhl und Prof. Dip!. Ing. P. Schoene danke ich fur 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 log. 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 Verstandnis und der Sorgfalt des Veriages, insbesondere den Herren W. Ebert und H.J. Niclas. Mein Dank gebtihrt auch einer Reihe von Firmen, die mir Bildmaterial zur VerfUgung gestellt haben, das am SchiuB des Buches in einem Quellenverzeicnis aufgeflihrt ist. Schlie~lich danke ich meinem Sohn Frank fur die Ausflihrung zahlreicher Bildkorrekturen. Siegen, im August 1978 III

Vorwort zur zweiten Auflage Die vorliegende Neuauflage umfabt 20 Kapitel gegeniiber bisher 16. Durch zahlreiche Erganzungen und Erweiterungen wurde versucht, das Buch dem aktuellen Stand der Elektronik anzupassen. Dabei ist auf die Behandlung weitgehend iiberholter Bauelemente wie z.b. Selengleichrichter, Thyratrons und Magnetkernspeicher verzichtet worden. Das Kapitel iiber Rohren wurde wesentlich gestrafft. 1m iibrigen 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.-lng. F. Wittgruber fiir seine Ratschlage zum Kapitel Digitaltechnik und den Herren Dipl.-lng. H. Otto und Dipl.-lng. E. Locherbach fiir das Lesen der Korrektur. Herr Otto hat wieder wie zur ersten Auflage zahlreiche Schaltungsbeispiele im Laborexperiment erprobt. Frau Andrea Winkel hat die neuen Texte geschrieben, woflir ich ebenfalls danke. Dem Vieweg-Verlag bin ich dankbar fiir die jederzeit vorziigliche Zusammenarbeit. Siegen, im Oktober 1982 Vorwort zur dritten Auflage In der dritten Auflage erscheint das Buch mit einem zusatzlichen 21. Kapitel iiber ausgewahlte integrierte Bausteine. Die Auswahl beschriinkt sich auf einige in der Praxis bewahrte Bausteine, die als Massenfabrikate jedem Anwender preisgiinstig zur Verfligung stehen. Sie werden vorgestellt und beschrieben mit typischen Anwendungen. Beim Erarbeiten des Materials hat mich Herr Dipl.-lng. H. Otto unterstiitzt, und Herr Dipl.-lng. E. Locherbach half beim Korrekturlesen, wofiir ich mich bedanke. Frau Andrea Winkel danke ich wieder fiir das Schreiben der Texte und dem Verlag Vieweg flir die jederzeit problemlose Zusammenarbeit. Siegen, im April 1984 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 iibernommen, die Zeichnungen fertigte Herr Aribert Biingers an. Siegen, im Mai 1986 Vorwort zur funften Auflage Zur fiinften Auflage wurde der die Digitaltechnik betreffende Teil des Buches iiberarbeitet und der Bauteile-Katalog entsprechend erganzt. Dabei hat mich Herr Dr.-lng. E. Locherbach unterstiitzt, de! seine reiche praktische Erfahrung auf diesem Gebiet mit in die Neufassung einbrachte. Daftir bedanke ich mich. Siegen, im Mai 1987 Vorwort zur achten Auflage Nach dem AbschluB des Bauteile-Kataloges mit der flinften Auflage wurde der Umfang des Buches beibehalten. Die sechste Auflage erschien mit einer Neufassung der Kapitel4 und 10 iiber Rohrenbauteile sowie des Kapitels 14 iiber Sinusoszillatoren. Fiir die siebente Auflage wurden aile Themen zum Operationsverstarker neu bearbeitet. Die nun vorliegende achte Auflage enthalt eine wesentlich iiberarbeitete und aktualisierte Darstellung zu Kondensatoren, Spulen und Schwingkreisen. Frau Petra Schoppner schrieb die neuen Texte und fertigte die Zeichnungen an, wofiir ich ihr besonders danke. Siegen, im August 1991 IV

Inhaltsverzeichnis Einfuhrung 1 Elektrische Leitung und Widerstande 1.1 Elektrische Leitungen, Grundbegriffe 000 0000 00 00 00 0 000 00 00 00 1.2 Elektrische Widerstiinde 00 00 00 00 000 000 00 0 0000 0 000 000 00 00 1.3 Obliche Bauformen der Widerstiinde 000 000 00 000 000 000 000 00 00 1.4 Stellbare Widerstiinde 0 0 000 000 0 00 000 000 0000 00 00 00 00 000 0 los Widerstandsnetzwerke, passive und aktive Zweipo1e 0 0 00 000 000 0 00 2 Homogene Halbleiterbauelemente 201 Grundbegriffe der Halbleiter 000 00 00 0000 0000 00 00 00 00 000 000 2.2 Hei~leiter und me~technische Anwendung 0 0000 00 00 00 000 0 00 00 2.3 An1~hei~leiter 00 000 00 00 0000 00 00 0000 00 0000 00 00 00 00 00 2.4 Keramische Kaltleiter 0 00 000 000 0 0000 0 00 0000 0 00 00 000 0 000 205 Varistoren 0 00 0000 0000 0 0 00 0 000 000 0000 000 00 00 00 00 00 00 206 Feldplatten 0000 00 000 000 00 00 000 000 00 0 000 00 00 00 00 0 00 0 207 Fotowiderstiinde 000 000 00 00 0000 00 00 0000 00 0 0 00 00 00 0000 208 Hallgeneratoren 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 3 Halbleiterdioden 3.1 Grundlagen der Halbleiterdiode 0 00 0 000 00 0000 00 00 0 000 00 00 00 28 302 SiliziumoLeistungsdioden 00 000 00 000 00 0000 000 0 00 00 0 0000 0 0 30 3.3 Dioden im Ladegleichrichter 0 00 000 00 000 000 000 00 0 000 0 000 00 32 304 Z-Dioden (Zenerdioden) 000 0 000 00 000 00 0000 000 0 0 00 00 000 0 34 3.5 Fotodioden und Fotoelemente 000 000 00 000 0000 0 000 0 000 0 000 36 4 Vakuum- und Gasdioden (Rohrendioden) 401 Funktion und Arten der Rohrendioden 00 00 0000 00 00 00 00 00 00 00 38 402 Gasdioden als Larnpen 00 000 00 0000 0 000 00 00 00 00 00 00 00 00 00 40 5 Anzeige- und Lichtleitsysteme Sol Oszilloskop- und Bildrohren 0 000 0000 000 00 00 00 00 00 00 00 00 00 42 502 Gasentladungs- und Fluoreszenzanzeigen 0 00 0000 00 00 00 00 00 00 00 44 5.3 LED- und LCD-Anzeigen 000 00 000 0 0000 00 00 00 00 00 00 000 0 00 46 5.4 Lichtleiter und Bildleiter 0 00 0 000 00 00 00 0000 00 00 00 00 00 00 00 48 6 Kondensatoren 601 Kondensatoren, Grundbegriffe 000 000 0 000000 00 00 00 00 00 00 00 50 602 Laden und Entladen eines Kondensators 0 0000 00 00 00 00 00 00 00 00 52 6.3 Bauformen von Kondensatoren 00000 0 00000 00 000 0 00 0054 00 00 6.4 RC-Obertragungsglieder 00 00 00 00 00 00 0000 0000 0 0 00 00 00 00 00 56 60S Impulsiibertragung durch RC-Glieder 000 000 000 00 0 00 0 00 00 0 000 58 606 Spannungsgliittung mit Kondensatoren 00 0000 00 00 0 00 _ 00 00 00 00 60 607 Siebschaltung fur Gleichrichter 00 000 000 00 000 00 00 0 0 00 00 00 00 62 7 Spulen und Schwingkreise 7.1 Spulen, Grundbegriffe 0 00 000 00 000 00 0000 0000 00 000 0 00 000 0 64 7 02 Spulenkenngro~en und Schaltvorgiinge 00 0 00 00 000 0 00 00 00 00 00 0 66 7.3 Drosselspulen mit Eisenkern oder Eisenpulver-Kern 0 0 00 0 000 0 000 00 68 v

7.4 Ferritkernspulen..................................... 70 7.5 Spulen bei hciheren 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 Verlustfreie Spulensysteme.............................. 82 8.2 Transformatoren als Obertrager........................... 84 8.3 Aufbau und Berechnung von Obertragern............. 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, Katodenbasisverstarker.................. 100 10.2 Tetroden und Pentoden..., 102 10.3 Fotozellen und Fotovervielfacher... 104 10.4 Bildverstarker, Bildwandler und Bildaufnahmerbhren... 106 11 Feldeffekt-Transistoren ILl Aufbau und Wirkungsweise des Sperrschicht-Feldeffekt-Transistors 108 11.2 Feldeffekttransistoren, GroB- und Kleinsignalbetrieb............. 110 11.3 Feldeffekttransistoren in Konstantstromschaltungen............. 112 11.4 Sourceschaltung, Grundlagen... 114 11.5 Analyse eines Kleinsignalverstarkers in Sourceschaltung........... 116 11.6 Drainschaltung (Sourcefolger)............................ 118 11.7 Gateschaltung... 120 11.8 Feldeffekttransistoren mit isolierter Gate-Elektrode... 122 11.9 MOSFET-Tetroden (Doppelgate-MOSFETs)... 124 11.10 Integrierte MOS-Schaltungen... 126 11.11 Analogschalter und -multiplexer... 128 11.12 Grenzwerte und Kennwerte von F eldeffekttransistoren........... 130 12 Bipolare Transistoren 12.1 Aufbau und Wirkungsweise.............................. 132 12.2 Emitterschaltung als GroBsignalverstarker..., 134 12.3 Emitterschaltung als Kleinsignalverstarker.................... 136 12.4 Hochfrequenzverhalten der Emitterschaltung.................. 138 12.5 h-parameter und y-parameter... 140 12.6 Temperaturabhangigkeit und Reststromverhalten..., 142 12.7 Schaltbetrieb des Bipolar-Transistors..., 144 12.8 Gleichstromverhalten im aktiven Betrieb..................... 146 12.9 Kleinsignalverstarker mit Parallelgegenkopplung................ 148 12.1 0 Emitterschaltung mit Reihengegenkopplung... ISO VI

12.11 Kollektorschaltung (Emitterfolger)... 152 12.12 Basisschaltung... 154 12.13 Transistorverbundschaltungen... 156 12.14 Differenzverstarker................................... 158 13 Operationsverstarker 13.1 Grundbegriffe des Operationsverstarkers... " 160 13.2 Linearer invertierender Verstarker......................... 162 13.3 Linearer nichtinvertierender Verstarker...................... 164 13.4 Eingangsverhalten des realen Verstarkers..................... 166 13.5 Ausgangsverhalten des realen Verstarkers... 168 13.6 Frequenzgang und StabiJitat............................. 170 13.7 Differenzierschaltungen... 172 13.8 Integrierschaltungen... 174 13.9 Aktive RC Filter zweiter und hoherer Ordnung... 176 13.1 0 Me gleichrichter..................................... 178 13.11 Steuerbare Stromquellen..., 180 13.12 Spannungsquellen... 182 14 Sinusoszillatoren 14.1 Wien-Briicken Oszillator................................ 184 14.2 LC-Oszillatoren mit der Basisschaltung...................... 186 14.3 LC-Oszillatoren mit der Emitterschaltung.................... 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.s 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 Verkniipfungs- 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 Schottky- und ECL-Schaltungen.......................... 216 16.6 CMOS-Logikschaltungen... 218 16.7 Kippschaltungen mit NOR- und NAND-Gattern................ 220 16.8 Einfache Flip-Flops mit Taktsteuerung...................... 222 16.9 Master-Slave-Flip-Flops (MS-Flip-Flops)..................... 224 16.10 Register... 226 16.11 Frequenzteiler (Untersetzer) und Zahlschaltungen... 228 16.12 Zahler... 230 16.13 Vergleicher (Komparatoren)............................. 232 16.14 Multiplexer und Demultiplexer........................... 234 16.15 Schreib-Lese-Speicher (RAMs)... 236 16.16 ROMs, PROMs und EPROMs........... 238 VII

17 DA- und AD-Umsetzer 17.1 DA-Umsetzer (DAU)... 240 17.2 Drei Konzepte ftit 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 Optokopplern... 250 18.4 Faseroptische Obertragungsmittel... 252 19 Leistungstransistoren und Leistungsschaltungen 19.1 Verlustleistung und Warmeableitung........................ 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 und IGBTs... 262 19.6 Spannungsquellen mit Leistungstransistoren... 264 19.7 Spannungsquellen mit integrierten Spannungsreglern............. 266 19.8 Schaltspannungsregler................................... 268 19.9 Gegentakt-Leistungsverstarker, Grundlagen... 270 19.10 NF-Leistungsverstarker... 272 20 Thyristoren und Triacs 20.1 Leistungsthyristoren, Grundbegriffe und Funktionsweise.......... 274 20.2 Ansteuerschaltungen fiir Thyristoren... 276 20.3 Wechselstromsteller mit Thyristoren........................ 278 20.4 Dynamische Vorgange und Schutzbeschaltung................. 280 20.5 Triac, Grundbegriffe und Anwendungsbeispiel................. 282 20.6 Triacs als Stell- und Regelelemente......................... 284 20.7 Halbleiterrelais ftit Wechselstromlast........................ 286 21 Ausgewahlte Bausteine und Schaltungen 21.1 Standard-Operationsverstarker TAA 765 und LM 741.......... 288 21.2 Mehrfachverstarker und ihre Anwendung... 290 21.3 21.4 21.5 21.6 21.7 21.8 21.9 21.10 21.11 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.... Logarithrnierschaltungen.... Multiplizierbaustein AD 534... :.... Filterbaustein HY 3105 als Universalfilter.... 292 294 296 298 300 302 304 306 308 Formelzeichen... 310 Anhang (Tabellen, Diagramme, Formeln)... 311 Bauteile- Katalog 327 Literaturverzeichnis 382 Quellenverzeichnis 388 Sachwortverzeichnis........................................ 389 VIII