Elemente der angewandten Elektronik

Elemente der angewandten Elektronik Kompendium fur Ausbildung und Beruf 6., Uberarbeitete Auflage Mit 540 Bildern und einem umfangreichen Bauteile-Katalog Friedr. Vieweg & Sohn Braunschweig / Wiesbaden

CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Bohmer, Erwin: Elemente der angewandten Elektronik: Kompendiwn fiir Ausbildung u. Beruf/. - 6., tiberarb. Aufl. - Braunschweig; Wiesbaden: Vieweg, 1989. (Viewegs Fachbticher der Technik) ISBN-13: 978-3-528-54090-6 DOl: 10.1007/978-3-322-85558-9 e-isbn-13: 978-3-322-85558-9 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 6., iiberarbeitete Auflage 1989 Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der Verlagsgruppe Bertelsmann. AIle Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, Braunschweig 1989 Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschtitzt. 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 gro~en Gebiet technischer Entwicklungen und Anwendungen angewachsen. Jede Art von Ausbildung kann daher nur Kenntnisse tiber bestimmte Teilgebiete der Elektronik vermitteln, die im luge ihrer praktischen Anwendung ergiinzt werden miissen. Die Notwendigkeit dazu erflihrt man schon als Student, wenn im Praktikum elektronische Schaltungen vorkommen. Das vorliegende Buch will eine Hilfe sein fur das ergiinzende Selbststudium, indem es die fur 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 GroBtm~ an Dbersichtlichkeit zu erreichen. Die zahlreichen Bilder enthalten viele konkrete Informationen und sollen auch lusarnmenhiinge 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, d~ sie unter Vemachliissigung von Sekundiireffekten mit wenigen Rechenztigen zu einem Niiherungsergebnis ftihren, das den Anforderungen der Praxis oft schon gentigt. Komplizierte lusarnmenhiinge werden durch Modelle und physikalische Ersatzbilder moglichst anschaulich dargestellt. Das Kleinsignalverhalten der Elektronenrohren, unipolaren und bipolaren Transistoren wird vereinfacht durch lweipolersatzbilder beschrieben, in denen Rtickwirkungen nach dem Milier-Theorem erfabt werden. In entsprechender Weise wird auch der Operationsverstiirker behandelt. Das Buch hat eine mehrjiihrige Entwicklung tiber eine Reihe von Studienskripten durchlaufen. Wiihrend dieser leit 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 tiberpriift. 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 Ins. grad. A. Geilhausen gab mir wertvolle Hinweise zum Kapitel Leistungshalbleiter. Die Eigenart des Buches hat bei der Herstellung einige Schwierigkeiten bereitet. D~ 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. NicIas. Mein Dank gebiihrt auch einer Reihe von Firmen, die mir Bildmaterial zur Verfligung gestellt haben, das am SchluB des Buches in einem Quellenverzeicnis aufgeftihrt ist. SchlieBlich danke ich meinem Sohn Frank fur die Ausftihrung zahlreicher Bildkorrekturen. Siegen, im August 1978 III

Vorwort zur zweiten Auflage Die vorliegende Neuauflage umfaet 20 Kapitel gegentiber bisher 16. Durch zahlreiche Ergiinzungen und Erweiterungen wurde versucht, das Buch dem aktuel1en 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 geiindert. Ich danke allen, die mir bei der miihevollen Arbeit geholfen haben, insbesondere dem Kollegen Prof. Dr.-Ing. F. Wittgruber flir seine Ratschlage zum Kapitel Digitaltechnik und den Herren Dipl.-Ing. H. Otto und Dipl.-Ing. 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 flir 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 preisgtinstig zur Verfugung stehen. Sie werden vorgestel1t und beschrieben mit typischen Anwendungen. Beim Erarbeiten des Materials hat mich Herr Dipl.-Ing. H. Otto unterstiitzt, und Herr Dipl.-Ing. E. LOcherbach half beim Korrekturlesen, woflir ich mich bedanke. Frau Andrea Winkel danke ich wieder fiir das Schreiben der Texte und dem Verlag Vieweg fiir 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 Btingers an. Siegen, im Mai 1986 Vorwort zur funften Auflage Zur ftinften Auflage wurde der die Digitaltechnik betreffende Teil des Buches iiberarbeitet und der Bauteile-Katalog entsprechend ergiinzt. Dabei hat mich Herr Dr.-Ing. E. Locherbach unterstiitzt, der seine reiche praktische Erfahrung auf diesem Gebiet mit in die Neufassung einbrachte. Dafur bedanke ich mich. Siegen, im Mai 1987 Vorwort zur sechsten Auflage Zur sechsten Auflage wurden wieder zahlreiche Verbesserungen und Erganzungen vorgenommen. Dabei entstand eine vol1stiindige Neufassung flir das Kapite114 tiber Sinusoszillatoren. Die Kapite14 und 10 iiber Rohrenbauteile wurden aktualisiert, wobei mich der Kollege Prof. Dr. W. Helmbold beraten hat. Siegen, im November 1988 IV

Inhaltsverzeichnis Einfiihrung 1 Elektrische Leitung und Widerstande 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Elektrische Leitungen, Grundbegriffe.... Elektrische Widerstande.... Ubliche Bauformen der Widerstande.... Stellbare Widerstande.... Widerstandsnetzwerke, passive und aktive Zweipole 2 4 6 8 10 2 Homogene Halbleiterbauelemente 2.1 Grundbegriffe der Halbleiter............................. 12 2.2 He~leiter und me~technische Anwendung... 14 2.3 An1~he~leiter..................................... 16 2.4 Keramische Kaltleiter... 18 2.5 Varistoren......................................... 20 2.6 Feldplatten........................................ 22 2.7 Fotowiderstande.................................... 24 2.8 Hallgeneratoren..................................... 26 3 Halbleiterdioden 3.1 Grundlagen der Halbleiterdiode........................... 28 3.2 Silizium-Leistungsdioden............................... 30 3.3 Dioden in Gleichrichterschaltungen........................ 32 3.4 Fotodioden und Fotoelemente......... 34 3.5 Z-Dioden (Zenerdioden)... 36 4 Vakuum- und Gasdioden (R6hrendioden) 4.1 Funktion und Arten der Rohrendioden...................... 38 4.2 Gasdioden als Lampen................................. 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-Dbertragungsglieder................................ 56 6.5 Impulsiibertragung durch RC-Glieder....................... 58 6.6 Spannungsglattung mit Kondensatoren...................... 60 6.7 Siebschaltung fiir Gleichrichter... 62 7 Spulen und Schwingkreise 7.1 Spu1en, Grundbegriffe................................. 64 7.2 Spulenkenngro~en und Schaltvorgange...................... 66 7.3 Drosse1spulen mit Eisenkern............................. 68 v

7.4 Ferritkernspulen..................................... 70 7.5 Spulen ftir 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 Verlustfreie Spulensysteme.............................. 82 8.2 Transformatoren als Ubertrager........................... 84 8.3 Aufbau und Berechnung von Ubertragern.................... 86 8.4 Impulslibertrager... 88 8.S 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 10.2 10.3 10.4 Hochvakuumtrioden, Katodenbasisverstarker.... Tetroden und Pentoden.... Fotozellen und Fotovervielfacher.... Bildverstarker, Bildwandler und Bildaufnahmerohren 100 102 104 106 11 Feldeffekt-Transistoren 11.1 11.2 11.3 11.4 1l.S 11.6 11.7 11.8 11.9 11.10 11.11 11.12 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.... 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 Temperaturabhangigkeit und Reststromverhalten............... 142 12.7 Schaltbetrieb des Bipolar-Transistors... 144 12.8 Gleichstromverhalten irn aktiven Betrieb..................... 146 12.9 Kleinsignalverstarker mit Parallelgegenkopplung................ 148 12.10 Emitterschaltung mit Reihengegenkopplung... ISO VI

12.11 Kollektorschaltung (Emitterfolger)... 152 12.12 Basisschaltung...................................... 154 12.13 Transistorverbundschaltungen... 156 12.14 Differenzverstarker................................... 158 13 Operationsverstiirker 13.1 Grundbegriffe des Operationsverstarkers..................... 160 13.2 Komparatoren mit Operationsverstarkern.................... 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 Operationsverstarkern.............. 170 13.7 Differenzierschaltungen... 172 13.8 Integrierschaltungen... 174 13.9 Aktive RC-Filter..................................... 176 13.10 Mefl,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 15.5 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 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 fiir 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 Ubertragungsmittel... 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... 262 19.6 Spannungsquellen mit Leistungstransistoren... 264 19.7 Spannungsquellen mit integrierten Spannungsreglern............. 266 19.8 Schaltsteller und Schaltregler... 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 Anwendungsbeispie1................. 282 20.6 Triacs als Stell- und Regelelemente......................... 284 20.7 Halbleiterrelais fiir Wechselstromlast........................ 286 21 Ausgewahlte integrierte Bausteine 21.1 21.2 21.3 21.4 21.5 21.6 21.7 21.8 21.9 21.10 21.11 Operationsverstarker 861 (761) und 741 als Standard-Verstarker..... 288 Bausteine 1458 und 348 als mehrfache 741er-Verstarker.......... 290 Baustein LM 324 als vierfacher "Single-Supply"-Verstarker... 292 Fensterdiskriminator TCA 965 als vielseitiger Schwellwertschalter.... 294 Pulsbreitenmodular 3524 als Schaltsteller und Schaltregler......... 296 Timer/Counter 2240 als universeller Multivibrator... 298 Funktionsgenerator 8038 als Rechteck-Dreieck- und Sinusoszillator... 300 Operationsverstarker LM 318 als schneller Puffer............... 302 Taktstabilisierter Operationsverstarker ICL 7650 als Prazisionsverstarker................................... 304 Analogmultiplizierer ICL 8013 als vielseitiger Rechenbaustein....... 306 Transistor-Array CA 3096 als Funktionsgeber... 308 Formelzeichen... 310 Anhang (Tabellen, Diagramme, Formeln)...................... 311 Bauteile- Katalog 327 Literaturverzeichnis 382 Quellenverzeichn is 388 Sachwortverzeichnis 389 VIII