Elektronik: Einführung in die Analogtechnik, Digitaltechnik und Leistungselektronik

356 Pages·1999·9.97 MB·German

by  Dieter Zastrow (auth.)

DieterZastrow
Elektronik
Aus dem Programm ____.
Elektrotechnik/Elektronik
AufgabensammlungElektrotechnik, Band 1 + 2
vonM.Vömel undD.Zastrow
Elektrotechnik
vonD.Zastrow
ViewegHandbuch Elektrotechnik
vonW.Böge
Handbuch Elektrische Engergietechnik
von1.Constantinescu-Simon
Elektronik
vonDieterZastrow
Elemente derangewandten Elektronik
vonE.Böhmer
Rechenübungenzurangewandten Elektronik
vonE.Böhmer
Arbeitshilfen und Formeln fürdas
technische Studium4:
Elektrotechnik/Elektronik/Digitaltechnik
vonA.Böge
Elektrische Meßtechnik
vonK. Bergmann
Vieweg LexikonTechnik
vonA. Böge
vieweg __'
Dieter Zastrow
Elektronik
Einführung in Analogtechnik,
Digitaltechnik und Leistungselektronik
Mit 417 Abbildungen, 93 Lehrbeispielen
und 120 Übungen mit ausführlichen Lösungen
5.,vollständig überarbeitete Auflage
~
vieweg
1. Auflage 1983
2.,durchgeseheneAuflage 1984
3.,durchgeseheneAuflage 1988
4.,verbesserteAuflage 1997
5.,vollständigüberarbeiteteAuflage 1999
AlleRechte vorbehalten
© SpringerFachmedienWiesbaden 1999
Ursprünglicherschienenbei Friedr. Vieweg&SohnVerlagsgesellschaftmbH,
BraunschweigiWiesbaden,1999.
Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt.
JedeVerwertungaußerhalbder engen Grenzendes Urheberrechtsgesetzes
ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbe
sondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und
die Einspeicherungund VerarbeitunginelektronischenSystemen.
http://www.vieweg.de
Umschlaggestaltung:Ulrike Weigel,Niedernhausen
Satz und Bilder: Vieweg,Wiesbaden;
Graphik&TextStudio Dr.WolfgangZettlmeier,Laaber-Waldetzenberg
Gedrucktaufsäurefreiem Papier
ISBN 978-3-528-44210-1 ISBN 978-3-663-09914-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-09914-7
v
Vorwort
Elektronik ist ein Sammelbegriff für ein unübersehbargroßesFachgebiet, dassich 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 pro
grammierbaren Logikbausteinen mit dem Ziel der .System-on-a-Chlp" Lösung.Viele
Anwendungen können mit einer Standard-Hardware bestehend ausMikrocontroller
und Speicherbausteinen und einer flexibel anpaßbaren Software günstig realisiert
werden.
Allerdings lassen sich noch nicht alle analogen elektronischen Funktionen eliminie
ren. Essind hauptsächlich drei Bereiche,indenen sichdieAnalogtechniknoch hält:
• Ansteuerung von Verbrauchern bzw. elektrotechnischer Systemkomponenten
z.B.der Netzteil- und Antriebstechnik,
• Erfassungkleiner Meßsignaleausder Prozeßperipherie,
• Datenwandlungbzw. Datenumsetzung.
Dementsprechend findet auch im zugehörigen Ausbildungs- und Lehrbereich ein
inhaltlicherWandel inder Elektronik statt, derdurch die Beschränkungauf beständi
ge Grundlagen und stärkere Betonung der Schalteranwendungen von Transistoren
und Operationsverstärkern gekennzeichnet ist, ergänzt mit der Simulation elektroni
scher Schaltungen auf dem PC, wodurch sich neue Möglichkeiten des interaktiven
Lernenseröffnen. Die Erfahrung hat gezeigt, daß der Umgang mit der Simulations
Software ein solides elektrotechnisches und elektronisches Grundlagenwissen mit
mathematischer Fundierung voraussetzt, um sich überhaupt im verwendeten Be
griffssystem und denAnalysemöglichkeitenzurecht findenzukönnen.
DemgemäßhateinkurzgefaßtesLehr- undArbeitsbuch überGrundlagender
• Analogtechnik
• Digitaltechnik
• Leistungselektronik
• Signalumsetzung: ADU, DAU
• Stromversorgungsschaltungen
weiterhin seineBerechtigung.
Die 5. Auflage ist in Teilen vollständig überarbeitet worden, ohne den Umfang des
Bucheszu vergrößern. EinSchwerpunkt der Überarbeitungwar die Umstellungdes
Lehrstoffs Transistoren auf dasThema Schalteranwendungen bei gleichzeitiger Be
schränkungim Bereich der Verstärkungauf unverzichtbare Grundlagen. Ein weiterer
Schwerpunkt der Überarbeitung war die vollständige Neufassung des Lehrstoffs
Operationsverstärker entsprechend seiner gewachsenen Bedeutung. Neu aufge
nommenwurdenAbschnitte über Leistungs-undTrennverstärker.An anderen Stellen
ist der Lehrstoff punktuell modernisiert worden. Das Konzept des aufbauenden
Lehrganges mit Zusammenfassungen und Übungsaufgaben an den Kapitelenden
sowie ausführlichen LösungenimAnhangist erhaltengeblieben.
VI Vorwort
Die Darstellung des Lehrstoffes orientiert sich am Niveau von Technikerschulen und
ist auf die Entwicklung einesgründlichen Schaltungsverständnisses und einer klaren
Fachsprache ausgerichtet. Die unverzichtbare mathematische Durchdringung von
Schaltungsproblemen ist so kurz und einfach wie möglich gehalten. DasBuch wen
det sich mit diesem Anspruch an eine breite Leserschaft, die sich ausStudienerfor
dernissen oder beruflichen Gründen mit den klassischen elektronischen Grundlagen
befassen muß.
Gerne statte ich den Mitarbeitern desVerlagsVieweg für ihr verständnisvollesEinge
hen auf meine Vorstellungen sowie für die sorgfältige Ausführung des Buches und
die gute Zusammenarbeit meinen herzlichen Dank ab. Für Anregungen aus dem
Leserkreisbin ich jederzeitdankbar.
Ellerstadt, Februar 1999 Oieter Zastrow
VII
Arbeitshinweise ZU diesem Buch
Wie hilft Ihnendieses Lehr- und Arbeitsbuch beim Lernen?
Vorkenntnisse Die Kapitel beginnen mit einer knappen Aufzählung der erforder
lichen Vorkenntnisse, sodaßSieKenntnislückendurch Nachschlagen
gezieltschließen können.
Lehrstoff Der Lehrstoff ist methodisch aufbereitet und in Form eines Lehr
gangs dargestellt. D.h. überdie reine Faktenvermittlunghinauswird
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,
wosiedefiniert odersonst erläutertwerden,kursivgedruckt.
Beispiele Dabekannt ist, daß elektronische Vorgänge,dieman 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 Sieeinen echten Lernfortschritt gemacht haben, können Siebei
der selbständigen Lösung der vorhandenen Obungsaufgaben fest
stellen. Dabeibedeuten dieZeichen:
... Übungen, deren Besonderheiteine Lösungsleitlinieist
6 Übungen,dieden typischen Prüfungsaufgaben entsprechen.
• Übungen, die das Verständnis für Begriffe, Zusammenhänge und
Modellvorstellungen fördern.
Lösungen Zum Zweckeder Lernkontrolle befindet sich zu allen Aufgabenein
vollständiger Lösungsweg im Anhang des Buches.Suchen Sie noch
andere Lösungswege. Der Wert der Übungen steigt mit der Anzahl
dererreichten Lösungsmöglichkeiten.
Memory An den Kapitelenden isteinMemoryangeordnet. Esenthältdasvon
Ihnengeforderte 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 WiderstandsverhaltenderSperrschichten 7
- SpannungssteuerungeinerSperrschicht.. 9
- LichtsteuerungeinerSperrschicht.. 10
1.4 Widerstandsverhaltenvon Halbleiter-Kanälen 12
1.5 Vertiefungund Übung 14
2 Halbleiterdiode alsnichtlinearer Widerstand 16
2.1 Halbleiterdiode 16
2.2 Arbeiten mit Kennlinien 18
2.3 Begrenzerschaltungen mit Dioden 20
2.4 Vertiefungund Übung 22
3 Spannungsstabilisierung 24
3.1 Prinzip derSpannungsstabilisierung 24
3.2 Z-Diode 26
3.3 AnalysederStabilisierungs-Grundschaltung 28
3.4 Vertiefungund Übung 33
4 Stromstabilisierung 35
4.1 Prinzip der Konstantstromquelle 35
4.2 FeldeffekttransistorJ-FET 37
4.3 AnalysederStromquellenschaltung 39
4.4 Vertiefungund Übung 42
5 Transistor alsSchalter 44
5.1 Übersicht übergrundlegendeTransistortypen 44
5.2 Kennlinien und Kennwerteder Bipolartransistoren 45
- Schichtenaufbau,Anschlüsse, Polung 45
- Meßschaltung 46
- Kennlinien 46
5.3 Kennlinien und Kennwerteder Feldeffekttransistoren 49
- Kanalstruktur,Anschlüsse, Polung 49
Inhaltsverzeichnis IX
- Meßschaltung 50
- Kennlinien 50
5.4 Grenzdaten 51
- Spannungsgrenzwerte 51
- Stromgrenzwerte 52
- Temperatur- und Leistungsgrenzwerte 52
- SichererArbeitsbereich (SOA = SafeOperatingAreal 54
5.5 Grundbegriffe der Schaltverstärker 56
- SchaltzuständedesTransistors 56
- Übersteuerung 57
- Schaltzeiten 58
- Berechnungsgangfür den Schaltverstärker 59
5.6 Schalten mitLeistungstransistoren 61
- Eigenschaftenvon Leistungs-MOSFETs 61
- Ansteuern von Leistungs-MOSFETs 62
- High-Side und Low-Side-Schalter 63
- PeriodischesSchaltenvon induktiven Lasten in Gleichstromkreisen 65
5.7 CMOS-InverteralsSchalter 67
- Schaltungsprinzip einesCMOS-Inverters 67
- Betriebsspannung,Pegel,Belastbarkeit.. 68
5.8 Schaltenüber Optokoppler 69
5.9 Vertiefung und Übung 70
6 Transistor alsVerstärker 73
6.1 Grundbegriffe der Verstärkertechnik 73
- VierpoldarstellungdesVerstärkers 73
6.2 Arbeitspunkteinstellung 75
- Kollektorruhestrom 75
- Arbeitswiderstand 76
- Arbeitspunkt 77
6.3 Verstärkungsvorgangim Kennlinienfeld 78
6.4 Ermittlung der Verstärkerkennwerte 80
- Messender Leerlauf-Spannungsverstärkung 80
- MessendesEingangswiderstandes 80
- MessendesAusgangswiderstandes 81
- RechnerischeErmittlung 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 einesStandard-Operationsverstärkers 88