Elektronik: Lehr- und Arbeitsbuch. Einführung in Analogtechnik, Digitaltechnik, Leistungselektronik, Speicherprogrammierbare Steuerungen

388 Pages·1984·12.37 MB·German

by  Dieter Zastrow (auth.)

Dieter Zastrow
Elektronik
Lehr- und Arbeitsbuch
Einführung in
Analogtechnik
Digitaltechnik
Leistungselektronik
Speicherprogrammierbare Steuerungen
Mit 463 Abbildungen, 93 Lehrbeispielen
und 162 übungen mit ausführlichen Lösungen
2., durchgesehene Auflage
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Zastrow, 0 ieter:
Elektronik: Lehr-u. Arbeitsbuchj Einf. in
Analogtechnik, Digitaltechnik, Leistungselektronik,
speicherprogrammierbare Steuerungen I Dieter
Zastrow. - 2., durchges. Auf!. - Braunschweigj
Wiesbaden: Vieweg, 1984.
(Viewegs Fachbücher der Technik)
ISBN 978-3-528-14210-0 ISBN 978-3-322-91768-3 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-91768-3
1. Auflage 1983
2., durchgesehene Auflage 1984
Alle Rechte vorbehalten
© Springer Fachmedien Wiesbaden 1984
Ursprünglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig 1984
Die Vervielfältigung und übertragung einzelner Textabschnitte, Zeichnungen oder Bilder, auch für
Zwecke der Unterrichtsgestaltung, gestattet das Urheberrecht nur, wenn sie mit dem Verlag vorher
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Eigentums entschieden werden. Das gilt für die Vervielfältigung durch alle Verfahren, einschließlich
Speicherung und jede übertragung auf Papier, Transparente, Filme, Bänder, Platten und andere
Medien. Dieser Vermerk umfaßt nicht die in den §§ 53 und 54 URG ausdrücklich erwähnten
Ausnahmen.
Satz: Vieweg Braunschweig
Umschlaggestaltung: Hanswerner Klein, Leverkusen
ISBN 978-3-528-14210-0
v
Vorwort
Das vorliegende Lehr- und Arbeitsbuch vermittelt in der nun erschienenen 2. durchgesehe
nen Auflage die Grundlagen der Elektronik, wie sie heute im Rahmen einer Elektrotech
nikerausbildung in den Schwerpunkten Datenelektronik, Energieelektronik und Nach
richtenelektronik erforderlich sind.
In einem aufbauenden Lehrgang wird der Lehrstoff - nach grundlegenden Aufgaben
steIlungen der Elektronik gegliedert-dargestellt. Die Darbietung des Lehrstoffs orientiert
sich am Niveau von Technikerschulen. Elektronische Vorkenntnisse sind nicht erforder
lich, jedoch sollten solide Kenntnisse der Grundlagen der Elektrotechnik vorhanden sein.
Das unterrichtsbegleitende Lehr- und Arbeitsbuch Elektronik sichert ein kontrolliertes,
zielgerichtetes Lernen durch einen bereits bewährten Buchaufbau: Jedes Kapitel beginnt
mit einer Aufzählung der erforderlichen Vorkenntnisse, gefolgt von einer knappen Stoff
darsteIlung. Besonderer Wert wird auf die Eigentätigkeit der Lernenden gelegt, denn ca.
40 % des Buchumfangs entfallen auf Beispiele und Übungen sowie deren ausführliche
Lösungen im Anhang. An den Kapitelenden ist ein Memory angeordnet, es enthält das
geforderte Grundwissen.
Der Lehrstoff stellt eine unterrichtserprobte Einführung in die Industrieelektronik mit
ihren Schwerpunkten Analogelektronik, Leistungselektronik und digitale Steuerungs
technik dar. Einige einleitende Bemerkungen zum Lehrstoff mögen dem Leser die Orien
tierung im weiten Feld der Elektronik erleichtern helfen:
Kapitel 1-4
Die Einführung in die Elektronik beginnt mit einer meßtechnisch orientierten Darstellung
der Stromleitungsvorgänge in Halbleitern sowie der Beschreibung der beiden wesentlichen
Halbleiterstrukturen, die man als Sperrschicht und Kanal bezeichnet. Am Beispiel der
Halbleiterdiode werden dann die Probleme der nichtlinearen I-U-Kennlinien behandelt
und deren Auswirkungen in Begrenzerschaltungen aufgezeigt. Mit dem Entwurf einfacher
Konstantspannungs- und Konstantstromquellen schließt die erste Kontaktaufnahme mit
der Elektronik ab.
Kapitel 5-9
Die Kapitel über Analogelektronik umfassen die wichtigsten Arten der analogen Informa
tionsverarbeitung, wie sie in der analogen Meß- und Regelungstechnik zur Anwendung
kommen. Im Mittelpunkt steht der Verstärker, der jedoch zusätzlich zu seiner signal
verstärkenden Eigenschaft spezielle Funktionen der Signalverknüpfung, -umwandlung
oder -erzeugung annehmen kann. Am Beispiel des Transistorverstärkers wird gezeigt,
wie der Effekt der Signal verstärkung erreicht wird und wie ein Elementarverstärker
arbeitet.
VI Vorwort
Es gibt nur wenige Grundlagen, die den Aufbau elektronischer Analogschaltungen bestim
men und dazu zählt das Prinzip der Signalrückkopplung vom Verstärkerausgang auf den
Verstärkereingang. In ausführlicher Weise wird die Anwendung dieses Prinzips in der
Form der Gegenkopplung und Mitkopplung am Beispiel des Operationsverstärkers darge
stellt
Kapitel 10-12
Im Schwerpunkt Leistungselektronik wird gezeigt, wie vom Netz angebotene elektrische
Energie zuverlässig und wirtschaftlich in die jeweils vom Anwender benötigte Form
umgewandelt wird. Die dazu erforderlichen Grundfunktionen der leistungselektronischen
Betriebsmittel wie Stellen, Schalten, Gleichrichten und Gleichrichten mit Stellen werden
ausführlich behandelt. Ein eigenes Kapitel ist für die Aufgaben und Wirkungsweise der
Spannungsregler und Schaltregler aus der Netzteiltechnik vorgesehen.
Kapitel 13-15
Ein besonders wichtiges Teilgebiet der Industrieelektronik umfaßt die Verarbeitung
entscheidungsorientierter Probleme. Für diesen Aufgabenbereich haben sich in letzter
Zeit programmierbare digitale Systeme in Form von speicherprogr~mmierbaren Steue
rungen durchgesetzt. In zwei Kapiteln werden die auf die moderne Steuerungstechnik
zielenden elektronischen Grundlagen wie Verknüpfungs-, Zeit-, Zähl- und AD/DA
Umsetzer-Funktionen behandelt. Im Schlußkapitel wird das für alle programmierbare
Systeme grundlegende Prinzip der sequentiellen Signalverknüpfung dargestellt und die
programmtechnische Ausführung der digitalen Grundfunktionen an hand praxisgerechter
Steuerungsbeispiele gezeigt.
Verfasser und Verlag waren bemüht, ein Schulbuch für einen anwendungsorientierten
Elektronikunterricht auf mittlerem Niveau vorzulegen und dabei die Verwendbarkeit
des Lehrwerks für ein ergänzendes Selbststudium zu sichern.
Gerne statte ich den Mitarbeitern des Verlags Vieweg für ihr verständnisvolles Eingehen
auf meine Vorstellungen sowie für die sorgfältige Ausführung des Buches und die gute
Zusammenarbeit meinen herzlichen Dank ab. Für Anregungen aus dem Leserkreis bin
ich jederzeit dankbar.
Dieter Zastrow
Ellerstadt, Dezember 1983
VII
Arbeitshinweise diesem Buch
ZU
Wie lernt man einen neuen Lehrstoff?
Aktivität Lernen, um etwas verstehen und begreifen zu können, erfordert eine
Aktivität der Person.
Aktivität ist notwendig, um die Schwierigkeiten, die sogenannten
Lernwiderstände, zu überwinden.
lerntechnik Der Unterricht ist die erste Hilfestellung beim Lernen.
Erfahrungsgemäß kann aber der Lehrstoff bei diesem Lernprozeß
nicht so aufgenommen werden, daß sich eine Nacharbeit erübrigt
Dabei hilft Ihnen das Lehrbuch.
Einige Regeln haben sich für das Arbeiten mit dem Buch bewährt:
Unterstreichen Sie wichtige Begriffe.
- Erfinden Sie überschriften für kleinere Textabschnitte.
- Lesen Sie den Lehrbuchtext eines Abschnitts nach dem Durch-
arbeiten des Beispiels noch einmal.
Spüren Sie scheinbare Unstimmigkeiten zwischen Erklärungen
von Unterricht und Lehrbuch auf und entwickeln Sie daraus
Fragestellungen.
Beginnen Sie mit der Ausarbeitung eines eigenen schriftlichen
Konzepts, wobei die Unterrichtsergebnisse als Leitfaden dienen.
Versuchen Sie das Wesentliche mit noch weniger Worten darzu
stellen. Skizzen und Stichworte genügen oftmals, wenn man einen
Stoff verstanden hat
Am unglücklichsten lernen Sie, wenn Sie den Lehrstoff gedankenlos
auswendiglernen.
Am vorteilhaftesten lernen Sie, wenn Sie sich auf den Unterricht
vorbereiten. Vorlernen ist besser als Nachlernen.
VIII
Arbeitshinweise ZU diesem Buch
Wie hilft Ihnen dieses lehr- und Arbeitsbuch beim lernen?
Vorkenntnisse Die Kapitel beginnen mit einer knappen Aufzählung der erforder
lichen Vorkenntnisse, so daß Sie Kenntnislücken durch Nachschlagen
gezielt schließen können.
Lehrstoff Der Lehrstoff ist methodisch aufbereitet und in Form eines Lehr
gangs dargestellt D. h. über die reine Faktenvermittlung hinaus wird
Ihnen auch das in der analogen und digitalen Elektronik typische
Denken vermittelt, damit sich ein Verständnis für elektronische
Zusammenhänge bilden kann. Alle wichtigen Fachbegriffe sind da,
wo sie definiert oder sonst erläutert werden, kursiv gedruckt.
Beispiele Da bekannt ist, daß elektronische Vorgänge, die man berechnen und
messen kann, besser verstanden werden als jene, die nur in ihrer
Wirkungsweise beschrieben werden, wird der Lehrstoff besonders
durch Rechenbeispiele und Schaltungsbeispiele mit Oszillogrammen
veranschaulicht.
Aufgabentyp Ob Sie einen echten Lernfortschritt gemacht haben, können Sie bei
der selbständigen Lösung der vorhandenen Obungsaufgaben fest
stellen. Dabei bedeuten die Zeichen:
.. übungen, deren Besonderheit eine Lösungsleltlmie ist
f::, übungen, die den typischen Prüfungsaufgaben entsprechen.
• übungen, die das Verständnis für Begriffe, Zusammenhänge und
Modellvorstellungen fördern.
Lösungen Zum Zwecke der Lernkontrolle befindet sich zu allen Aufgaben ein
vollständiger Lösungsweg im Anhang des Buches. Suchen Sie noch
andere Lösungswege. Der Wert der übungen steigt mit der Anzahl
der erreichten Lösungsmöglichkeiten.
Memory An den Kapitelenden ist ein Memory angeordnet. Es enthält das von
Ihnen geforderte Grundwissen.
IX
Inhaltsverzeichnis
Arbeitshinweise zu diesem Buch ............................. " VII
Schreibweise von Formelzeichen .............................. XIV
1 Widerstandsverhalten von Halbleitern ....................... .
1.1 Stromleitungsmechanismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Widerstandsverhalten der Heißleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Widerstandsverhalten der Sperrschichten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
- Spannungssteuerung einer Sperrschicht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
- Lichtsteuerung einer Sperrschicht ................... . . .. 10
1.4 Widerstandsverhalten von Halbleiter-Kanälen. . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.5 Vertiefung und übung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 14
2 Halbleiterdiode als nichtlinearer Widerstand. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 16
2.1 Halbleiterdiode ..................................... 16
2.2 Arbeiten mit Kennlinien ............................... 18
2.3 Begrenzerschaltungen mit Dioden ......................... 20
2.4 Vertiefung und übung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 22
3 Spannungsstab ilisierung ................................ " 24
3.1 Prinzip der Spannungsstabil isierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 24
3.2 Z-Diode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3 Analyse der Stabil isierungs-Grundschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 28
3.4 Vertiefung und übung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 33
4 Stromstabilisierung ..................................... , 35
4.1 Prinzip der Stromstabil isierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 35
4.2 Feldeffekttransistor J-FET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 37
4.3 Analyse der Stabil isierungs-Grundschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 39
4.4 Vertiefung und übung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 42
5 Signalverstärkung mit Transistoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 44
5.1 Elektrische Signale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 44
5.2 Verstärkungsprinzip .................................. 46
5.3 Transistor als Verstärkerelement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 49
- Schichtenaufbau, Bezeichnungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 49
- Transistoreffekt ..... : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 49
- Zählpfeile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 50
- Verstärkung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 50
- Stromquellencharakter .............................. 51
x
Inhaltsverzeichnis
5.4 Stromsteuerung des Transistors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.5 Spannungssteuerung des Transistors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.6 überlagerung, Signalankopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.7 Arbeitswiderstand und Spannungsverstärkung ....... . . . . . . . . .. 58
5.8 Signalauskopplung, belastete Verstärkerstufe . . . . . . . . . . . . . . . . .. 64
5.9 Arbeitspunktstabilisierung .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.10 Vertiefung und übung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 69
6 Beeinflussung der Verstärkereigenschaften durch Gegenkopplung
bei Operationsverstärkern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.1 Operationsverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 71
- Stromversorgung und Arbeitspunkteinstellung . . . . . . . . . . . . . . . 71
- Signal-Ersatzschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 72
6.2 Prinzip der Gegenkopplung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 75
6.3 Nichtinvertierender Verstärker ........................... 77
6.4 Invertierender Verstärker. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 80
6.5 Spannungsausgang, Stromausgang ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.6 Spannungseingang, Stromeingang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 86
6.7 Frequenzgang ...................................... 89
6.8 Nichtlineare Verzerrungen .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 93
6.9 Vertiefung und übung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 95
7 Verstärkerbeschaltung für Analog-Funktionen ................ 98
7.1 Addieren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 98
7.2 Subtrahieren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 100
7.3 Integrieren ...................................... " 105
7.4 Mittelwertbilden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 109
7.5 Multiplizieren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 113
- Anschlußbelegung eines Multiplizierers . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 114
- Einstellen der Verstärkung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 114
- Abgleich des Nullpunktes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 115
7.6 Vertiefung und übung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 117
8 Schalten analoger und binärer Signale ...................... 120
8.1 Widerstandsverhalten und Aufgaben der Schalter ............... 1 20
8.2 Binärinverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 122
- TTL ........................................... 124
- CMOS ......................................... 126
- Interface-Schaltungen ..................... . . . . . . . . .. 127
8.3 Analogschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 131
8.4 Schwellwertschalter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 134
- Komparator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . .. 134
- Schmitt-Trigger ................................... 135
8.5 Leistungsschalter .................................... 137
8.6 Vertiefung und übung ........... , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 140
Inhaltsverzeichnis XI
9 Schwingungserzeugung .................................. 143
9.1 Mitkopplung ....................................... 143
Ungedämpfte Schwingung ......... . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 143
Gedämpfte Schwingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 144
Entdämpfte Schwingung ., " . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 146
Anschwingung und stationäre Schwingung ................ " 148
9.2 LC-Oszillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 149
- Arbeitspunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 149
- Oszillogramme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 150
Phasenbedingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 150
- Amplitudenbedingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 151
- Anschwingen und stationäre Schwingung .................. 151
9.3 RC-Oszillator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 152
9.4 Rechteckgeneratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 156
9.5 Funktionsgenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 159
9.6 Spannungsgesteuerte Oszillatoren VCO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 162
9.7 Phase-Locked-Loop PLL ............................... 167
Spannungsgesteuerter Oszillator VCO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 168
- Phasendetektor ................................... 168
- Tiefpaß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1 70
9.8 Vertiefung und Übung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 172
10 Gleichrichtung ........................................ 174
10.1 Mischspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 174
10.2 Gleichrichterschaltungen im Leerlaufbetrieb .................. 1 78
- Mittelpunktschaltungen M1, M2, M3 ..................... 178
- Brückenschaltungen B2, B6 ........................... 179
10.3 Spannungsglättung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 183
1004 Stromglättung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 187
10.5 Berechnungsgrundlagen für Leistungsgleichrichter mit Stromglättung .. 189
Sekundärspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 189
Sekundärstrom. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 190
Primärstrom ..................................... 192
Typenleistung des Transformators. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 194
10.6 Vertiefung und Übung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 195
11 Leistungssteuerung mit Thyristoren ........................ 197
11.1 Thyristor als steuerbarer Schalter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 197
11.2 Steuersatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 201
11.3 Strombelastbarkeit von Thyristoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 203
11.4 Triac als bidirektionaler Thyristor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 207
11.5 ThyristorjTriac als phasenanschnittsgesteuerter Wechselstromsteller . .. 210
11.6 Thyristor jTriac als periodengruppengesteuerter Wechselstromschalter .. 214
11.7 Thyristor als gesteuerter Gleichrichter ...................... 216
- Rein ohmsche Last. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 216