Elektronik: Ein Grundlagenlehrbuch für Analogtechnik, Digitaltechnik und Leistungselektronik

355 Pages·2002·10.78 MB·German

by  Dieter Zastrow (auth.)

Dieter Zastrow
Elektronik
Aus dem Programm ______________ _____.
Elektrotechnik/Elektronik
Aufgabensammlung Elektrotechnik, Band 1 + 2
von M. Vömel und D. Zastrow
Elektrotechnik
von D. Zastrow
Vieweg Handbuch Elektrotechnik
herausgegeben von W. Böge
Elemente der angewandten Elektronik
von E. Böhmer
Elektronik
von Dieter Zastrow
Elektrotechnik für Ingenieure Band 1 - 3
von W. Weißgerber
Arbeitshilfen und Formeln für
das technische Studium
Band 4: Elektrotechnik/Elektronik/
Digitaltechnik/Steuerungstechnik
von P. Franke, herausgegeben von W. Böge
Digitaltechnik
von K. Fricke
vieweg _______________________________
~
Dieter Zastrow
Elektronik
Ein Grundlagenlehrbuch für Analogtechnik,
Digitaltechnik und Leistungselektronik
6., verbesserte Auflage
Mit 417 Abbildungen, 93 Lehrbeispielen
und 120 Übungen mit ausführlichen Lösungen
Vieweg Fachbücher der Technik
Springer Fachmedien
Wiesbaden GmbH
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Ein Titeldatensatz für diese Publikation ist bei
der Deutschen Bibliothek erhältlich.
1. Auflage 1983
2., durchgesehene Auflage 1984
3., durchgesehene Auflage 1988
4., verbesserte Auflage 1997
5., vOllständig überarbeitete Auflage 1999
6., verbesserte Auflage August 2002
Alle Rechte vorbehalten
© Springer Fachmedien Wiesbaden, 2002
Ursprünglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden, 2002
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Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, www.CorporateDesignGroup.de
Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.
ISBN 978-3-528-54210-8 ISBN 978-3-663-01107-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-01107-1
v
Vorwort zur sechsten Auflage
In der sechsten Auflage wurde das Bildmaterial, soweit es Schaltzeichen für Span
nungs-und Stromquellen enthält, überarbeitet und auf normgerechte Darstellung um
gezeichnet.
Im Abschnitt Schwingungserzeugung wurde das Kapitel Phase-Locked-Loop um den
praktischen Einsatz eines digitalen PLL-ICs zur Frequenzvervielfachung erweitert.
Ferner wurden an einigen Stellen Textänderungen vorgenommen, um die Verständ
lichkeit von Erklärungen und Übungsaufgaben zu verbessern.
Ellerstadt, Juli 2002 Dieter Zastrow
Vorwort zur fünften Auflage
Elektronik ist ein Sammelbegriff für ein unübersehbar großes Fachgebiet, das sich in
der gegenwärtigen Praxis in einer Umbruchsituation befindet. Analoge Funktionen
werden durch digitale Lösungen ersetzt, innerhalb der Digitaltechnik verschiebt sich
die hardwaremäßige Realisierung von der herkömmlichen IC-Logik zu den program
mierbaren Logikbausteinen mit dem Ziel der "System-on-a-Chip" Lösung. Viele An
wendungen können mit einer Standard-Hardware bestehend aus Mikrocontroller und
Speicherbausteinen und einerflexibel anpaßbaren Software günstig realisiert werden.
Allerdings lassen sich noch nicht alle analogen elektronischen Funktionen eliminie
ren. Es sind hauptsächlich drei Bereiche, in denen sich die Analogtechnik noch hält:
• Ansteuerung von Verbrauchern bzw. elektrotechnischer Systemkomponenten
z.B. der Netzteil-und Antriebstechnik,
• Erfassung kleiner Meßsignale aus der Prozeßperipherie,
• Datenwandlung bzw. Datenumsetzung.
Dementsprechend findet auch im zugehörigen Ausbildungs-und Lehrbereich ein in
haltlicher Wandel in der Elektronik statt, der durch die Beschränkung auf beständige
VI Vorwort
Grundlagen und stärkere Betonung der Schalteranwendungen von Transistoren und
Operationsverstärkern gekennzeichnet ist, ergänzt mit der Simulation elektronischer
Schaltungen auf dem pe, wodurch sich neue Möglichkeiten des interaktiven Lernens
eröffnen. Die Erfahrung hat gezeigt, daß der Umgang mit der Simulations-Software
ein solides elektrotechnisches und elektronisches Grundlagenwissen mit mathemati
scher Fundierung voraussetzt, um sich überhaupt im verwendeten Begriffssystem und
den Analysemöglichkeiten zurecht finden zu können.
Demgemäß hat ein kurzgefaßtes Lehr- und Arbeitsbuch über Grundlagen der
• Analogtechnik
• Digitaltechnik
• Leistungselektronik
• Signalumsetzung: ADU, DAU
• Stromversorgungsschaltungen
weiterhin seine Berechtigung.
Die 5. Auflage ist in Teilen vollständig überarbeitet worden, ohne den Umfang des
Buches zu vergrößern. Ein Schwerpunkt der Überarbeitung war die Umstellung des
Lehrstoffs Transistoren auf das Thema Schalteranwendungen bei gleichzeitiger Be
schränkung im Bereich der Verstärkung auf unverzichtbare Grundlagen. Ein weiterer
Schwerpunkt der Überarbeitung war die vollständige Neufassung des Lehrstoffs Ope
rationsverstärker entsprechend seiner gewachsenen Bedeutung. Neu aufgenommen
wurden Abschnitte über Leistungs- und Trennverstärker. An anderen Stellen ist der
Lehrstoff punktuell modernisiert worden. Das Konzept des aufbauenden Lehrganges
mit Zusammenfassungen und Übungsaufgaben an den Kapitelenden sowie ausführli
chen Lösungen im Anhang ist erhalten geblieben.
Die Darstellung des Lehrstoffes orientiert sich am Niveau von Technikerschulen und
ist auf die Entwicklung eines gründlichen Schaltungsverständnisses und einer klaren
Fachsprache ausgerichtet. Die unverzichtbare mathematische Durchdringung von
Schaltungsproblemen ist so kurz und einfach wie möglich gehalten. Das Buch wen
det sich mit diesem Anspruch an eine breite Leserschaft, die sich aus Studienerforder
nissen oder beruflichen Gründen mit den klassischen elektronischen Grundlagen
befassen muß.
Gerne statte ich den Mitarbeitern des Verlags Vieweg für ihr verständnisvolles Einge
hen auf meine Vorstellungen sowie für die sorgfältige Ausführung des Buches und die
gute Zusammenarbeit meinen herzlichen Dank ab. Für Anregungen aus dem Leser
kreis bin ich jederzeit dankb~r.
Ellerstadt, Februar 1999 Dieter Zastrow
VII
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
veranschau licht
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 Lösungsleitlinie ist.
übungen, die den typischen Prüfungsaufgaben entsprechen.
,6
• übungen, die das Verständnis für Begriffe, Zusammenhänge und
Modell vorstell u ngen 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.
VIII
Inhaltsverzeichnis
Arbeitshinweise zu diesem Buch .................................................................... VII
Schreibweise von Formelzeichen .................................................................. XIV
1 Widerstandsverhalten von Halbleitern ..................................................... 1
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 Spannungsstabilisierung ........................................................................... 24
3.1 Prinzip der Spannungsstabilisierung ..................................................... 24
3.2 Z-Diode .............................................................................................. 26
3.3 Analyse der Stabilisierungs-Grundschaltung .......................................... 28
3.4 Vertiefung und Übung ......................................................................... 33
4 Stromstabilisierung .................................................................................... 35
4.1 Prinzip der Konstantstromquelle .......................................................... 35
4.2 Feldeffekttransistor J-FET ...................................................................... 37
4.3 Analyse der Stromquellenschaltung ...................................................... 39
4.4 Vertiefung und Übung ......................................................................... 42
5 Transistor als Schalter ................................................................................ 44
5.1 Übersicht über grundlegende Transistortypen ...................................... 44
5.2 Kennlinien und Kennwerte der Bipolartransistoren ............................... 45
- Schichtenaufbau, Anschlüsse, Polung ................................................ 45
- Meßschaltung ................................................................................... 46
- Kennlinien ........................................................................................ 46
5.3 Kennlinien und Kennwerte der Feldeffekttransistoren ........................... 49
- Kanalstruktur, Anschlüsse, Polung ..................................................... 49
Inhaltsverzeichnis IX
- Meßschaltung ................................................................................... 50
- Kennlinien ........................................................................................ 50
5.4 Grenzdaten ......................................................................................... 51
- Spannungsgrenzwerte ....................................................................... 51
- Stromgrenzwerte .............................................................................. 52
- Temperatur- und Leistungsgrenzwerte ............................................... 52
- Sicherer Arbeitsbereich (SOA = Safe Operating Area) ....................... 54
5.5 Grundbegriffe der Schaltverstärker ....................................................... 56
- Schaltzustände des Transistors ........................................................... 56
- Übersteuerung .................................................................................. 57
- Schaltzeiten ...................................................................................... 58
- Berechnungsgang für den Schaltverstärker ......................................... 59
5.6 Schalten mit Leistungstransistoren ........................................................ 61
- Eigenschaften von Leistungs-MOSFETs .............................................. 61
- Ansteuern von Leistungs-MOSFETs ................................................... 62
- High-Side und Low-Side-Schalter ...................................................... 63
- Periodisches Schalten von induktiven Lasten in Gleichstromkreisen ... 65
5.7 CMOS-Inverter als Schalter .................................................................. 67
- Schaltungsprinzip eines CMOS-Inverters ........................................... 67
- Betriebsspannung, Pegel, Belastbarkeit.. ............................................ 68
5.8 Schalten über Optokoppler .................................................................. 69
5.9 Vertiefung und Übung ......................................................................... 70
6 Transistor als Verstärker ............................................................................ 73
6.1 Grundbegriffe der Verstärkertechnik ................................................... 73
- Vierpoldarstellung des Verstärkers ..................................................... 73
6.2 Arbeitspunkteinstellung ........................................................................ 75
- Kollektorruhestrom ........................................................................... 75
- Arbeitswiderstand ............................................................................. 76
- Arbeitspunkt ..................................................................................... 77
6.3 Verstärkungsvorgang im Kennlinienfeld ................................................ 78
6.4 Ermittlung der Verstärkerkennwerte ..................................................... 80
- Messen der Leerlauf-Spannungsverstärkung ....................................... 80
- Messen des Eingangswiderstandes ..................................................... 80
- Messen des Ausgangswiderstandes .................................................... 81
- Rechnerische Ermittlung der Verstärkerkennwerte ............................ 81
6.5 Frequenzgang ...................................................................................... 82
- Untere Grenzfrequenz ...................................................................... 82
- Obere Grenzfrequenz ....................................................................... 83
6.6 Verstärker-Grundschaltungen ............................................................... 85
6.7 Vertiefung und Übung ......................................................................... 86
7 Operationsverstärker und Grundschaltungen ........................................ 87
7.1 Übersicht. ............................................................................................ 87
7.2 Eigenschaften eines Standard-Operationsverstärkers ............................. 88
x Inhaltsverzeichnis
- Der invertierende und nichtinvertierende Eingang ............................. 88
- Aussteuerungsgrenzen der Ausgangsspannung ................................... 88
- Aussteuerungsgrenzen des Ausgangsstromes ...................................... 89
- Differenzverstärkung und Gleichtaktverstärkung ................................ 89
- Gleichtaktunterdrückung .................................................................. 89
- Ausgangsspannung ............................................................................ 90
- Eingangswiderstand ........................................................................... 90
- Ausgangswiderstand .......................................................................... 90
- Frequenzgang ................................................................................... 90
- Siew Rate ......................................................................................... 91
- Datenblatt des Standard-Operationsverstärkers ................................. 91
7.3 Operationsverstärker als linearer Verstärker. ......................................... 92
- Gegenkopplungsprinzip .................................................................... 92
- Rechenregeln für gegengekoppelte Operationsverstärker ................... 94
- Invertierender Verstärker .................................................................. 95
- Nichtinvertierender Verstärker ........................................................ 100
7.4 Operationsverstärker als Schalter ....................................................... 105
- Komparator .................................................................................... 105
-Invertierender Schmitt-Trigger ......................................................... 106
- Nichtinvertierender Schmitt-Trigger ................................................ 109
7.5 Vertiefung und Übung ....................................................................... 111
8 Analoge Signalverarbeitung .................................................................... 113
8.1 Addierer ............................................................................................ 113
- Grundschaltung des Umkehraddierers ............................................ 113
- Prinzip der Digital-Analog-Umsetzung mit Umkehraddierer ............ 115
8.2 Subtrahierer ....................................................................................... 116
- Grundschaltung mit 1 Operationsverstärker .................................... 116
- Variante mit 2 Operationsverstärkern .............................................. 120
- Instrumentenverstärker (Subtrahierer mit 3 OpV) ............................ 121
8.3 Integrierer .......................................................................................... 122
- Grundschaltung .............................................................................. 122
- Betriebsarten eines Integrators ........................................................ 123
- Integratoranwendungen .................................................................. 124
8.4 Mittelwertbildener ............................................................................. 127
8.5 Multiplizierer ..................................................................................... 129
- Multiplizieren ................................................................................. 129
- Dividieren ...................................................................................... 130
8.6 Leistungsverstärker ............................................................................. 131
- Komplementärendstufe im B-Betrieb .............................................. 131
- Komplementärendstufe im AB-Betrieb ............................................ 132
- Strombegrenzung ...................................................... : ..................... 133
- Gegentaktendstufe als Nachsetzverstärker für
Operationsverstärker ....................................................................... 134
- Leistungs-Operationsverstärker ........................................................ 135