Elemente der angewandten Elektronik: Kompendium für Ausbildung und Beruf

414 Pages·1987·39.349 MB·German

by  Erwin Böhmer (auth.)

Erwin Bohmer
Elemente der
angewandten Elektronik
Kompendium fur Ausbildung und Beruf
5., uberarbeitete und erweiterte Auflage
Mit 540 Bildern
und einem umfangreichen Bauteile-Katalog
Friedr. Vieweg & Sohn Braunschweig IWiesbaden
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Bohmer, Erwin:
Elemente der angewandten Elektronik:
Kompendium flir Ausbildung u. Beruf /
Erwin Bohmer. - 5., iiberarb. u. erw. Aufl. -
Braunschweig; Wiesbaden: Vieweg, 1987.
(Viewegs Fachbiicher der Technik)
ISBN-13: 978-3-528-44090-9 e-ISBN-13: 978-3-322-85557-2
DOl: 10.1007/978-3-322-85557-2
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
Vieweg ist ein Unternehmen der Verlagsgruppe Bertelsmann.
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© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig 1987
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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 untiber
schaubar groBen Gebiet technischer Entwicklungen und Anwendungen angewachsen.
Iede Art von Ausbildung kann daher nur Kenntnisse tiber bestimmte Teilgebiete der
Elektronik vermitteln, die im Zuge ihrer praktischen Anwendung ergiinzt werden mtissen.
Die Notwendigkeit dazu erfahrt man schon als Student, wenn im Praktikum elektronische
Schaltungen vorkommen. Das vorliegende Buch will eine Hilfe sein flir das ergiinzende
Selbststudium, indem es die fliT die Schaltungstechnik wichtigsten Bauelemente und
Grundschaltungen zusammenfassend darstellt. Es versucht dabei, die schaltungstechni
schen Grundlagen von den Bauelementen her auf breiter Basis zu entwickeln und gleich
zeitig die erforderlichen Berechnungs- und Analyseverfahren anhand zahlreicher Beispiele
zu vermitteln.
Die sechzehn Kapitel des Buches sind untergliedert in einzelne etwa gleichgewichtige Ab
schnitte, die aufeinander aufbauen. Sie bestehen in strenger Ordnung aus je einer Text
und einer Bildseite, urn so ein GroBtmaB an Ubersichtlichkeit zu erreichen. Die zahlrei
chen Bilder enthalten viele konkrete Informationen und sollen auch Zusammenhiinge auf
zeigen, die in dem knapp gehaltenen Text nicht unmittelbar angesprochen werden.
Ein relativ breiter Raum wird den Bauelementen mit magnetischen Wirkungen zugestan
den, die in der neueren Literatur etwas vemachliissigt werden. Dabei findet auch das elek
tromagnetische 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 Vemachliissigung von
Sekundiireffekten mit wenigen Rechenztigen zu einem Niiherungsergebnis fOOren, das den
Anforderungen der Praxis oft schon gentigt. Komplizierte Zusammenhiinge werden durch
Modelle und physikalische Ersatzbilder moglichst anschaulich dargestellt. Das Kleinsignal
verhalten der Elektronenrohren, unipolaren und bipolaren Transistoren wird vereinfacht
durch Zweipolersatzbilder beschrieben, in denen Rtickwirkungen nach dem Miller-Theo
rem erfaBt werden. In entsprechender Weise wird auch der Operationsverstiirker behan
delt.
Das Buch hat eine mehrjiihrige Entwicklung iiber eine Reihe von Studienskripten durch
laufen. Wiihrend dieser Zeit ist mir mancherlei Hilfe zuteil geworden, flir die ich hiermit
Dank sage. Vor aHem bedanke ich mich bei den Mitarbeitem des Nachrichtentechnischen
Labors an der Gesamthochschule Siegen, Herm K. Dickel, Herm Ing. grad. G. Lagemann
und Herm Ing. grad. H. Otto. Herr Otto hat einen GroBteil der Schaltungen aufgebaut
und iiberpriift. 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 Ing. 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 Ver
stiindnis und der Sorgfalt des Verlages, insbesondere den Herren W. Ebert und H.I. Niclas.
Mein Dank gebtihrt auch einer Reihe von Firmen, die mir Bildmaterial zur Verfligung
gestellt haben, das am SchluB des Buches in einem Quellenverzeicnis aufgefOOrt ist.
SchlieBlich danke ich meinem Sohn Frank flir die AusfOOrung zahlreicher Bildkorrekturen.
Siegen, im August 1978
III
Vorwort zur zweiten Auflage
Die vorliegende Neuauflage umf~t 20 Kapitel gegentiber bisher 16. Durch zahlreiche Er
ganzungen und Erweiterungen wurde versucht, das Buch dem aktuellen Stand der Elek
tronik anzupassen. Dabei ist auf die Behandlung weitgehend tiberholter Bauelemente wie
z.B. Selengieichrichter, Thyratrons und Mangetkernspeicher verzichtet worden. Das Kapi
tel tiber Rahren wurde wesentlich gestrafft. 1m tibrigen 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.-Ing. F Wittgruber fliT seine Ratschiage zum Kapitel Digitaltechnik und
den Herren Dipl.-Ing. H. Otto und Dipl.-Ing. E. Locherbach flir das Lesen der Korrektur.
Herr Otto hat wieder wie zur erst en Auflage zahlreiche Schaltungsbeispiele im Labor
experiment erprobt. Frau Andrea Winkel hat die neuen Texte geschrieben, woflir ich
ebenfalls danke. Dem Vieweg-Verlag bin ich dankbar flir die jederzeit vorztigliche Zusam
menarbeit.
Siegen, im Oktober 1982 Erwin Bohmer
Vorwort zur dritten Auflage
In der drit1en Auflage erscheint das Buch mit einem zusatzlichen 21. Kapitel tiber ausge
wahite integrierte Bausteine. Die Auswahl beschrankt sich auf einige in der Praxis be
wahrte Bausteine, die als Massenfabrikate jedem Anwender preisgtinstig zur Verfligung
stehen. Sie werden vorgestellt und beschrieben mit typischen Anwendungen.
Beim Erarbeiten des Materials hat mich Herr Dipl.-Ing. H. Otto unterstiitzt, und Herr
Dipl.-Ing. E. Lacherbach half beim Korrekturlesen, woflir ich mich bedanke. Frau Andrea
Winkel danke ich wieder flir das Schreiben der Texte und dem Verlag Vieweg flir die
jederzeit problemlose Zusammenarbeit.
Siegen, im April 1984 Erwin Bohmer
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 tiber
nommen, die Zeichnungen fertigte Herr Aribert Btingers an.
Siegen, im Mai 1986 Erwin Bohmer
Vorwort zur funften Auflage
Zur flinften Auflage wurde der die Digitaltechnik betreffende Teil des Buches tiberarbeitet
und der Bauteile-Katalog entsprechend erganzt. Dabei hat mich Herr Dr.-Ing. E. Lbcherbach
untersttitzt, der seine reiche praktische Erfahrung auf diesem Gebiet mit in die Neufassung
einbrachte. Dafiir bedanke ich mich.
Siegen, im Mai 1987 Erwin Bohmer
IV
Inhaltsverzeichnis
Einflihrung
1 Elektrische Leitung und Widerstande
1.1 Elektrische Leitungen, Grundbegriffe ...................... 2
1.2 Elektrische Widerstande ............................... 4
1.3 Obliche Bauformen der Widerstande ....................... 6
1.4 Stellbare Widerstande ................................. 8
1.5 Widerstandsnetzwerke, passive und aktive Zweipole 10
2 Homogene Halbleiterbauelemente
2.1 Grundbegriffe der Halbleiter ........................... . 12
2.2 Heimeiter und meBtechnische Anwendung .................. . 14
2.3 AnlaBheimeiter .................................... . 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 Hochvakuum- und Gasdioden
4.1 Hochvakuumdioden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 38
4.2 Gasdioden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 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-Obertragungsglieder ............................. " 56
6.5 Impulslibertragung durch RC-Glieder " . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 58
6.6 Spannungsglattung mit Kondensatoren ..................... 60
6.7 Siebschaltungen flir Gleichrichter ......................... 62
7 Spulen und Schwingkreise
7.1 Spulen, Grundbegriffe ................................ 64
7.2 SpulenkenngroBen und Schaltvorgange ..................... 66
7.3 Drosselspulen mit Eisenkern ............................ 68
v
7.4 Ferritkemspulen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 70
7.5 Spulen fUr 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 Induktiv gekoppelte Spulen ............................. 82
8.2 Transformatoren als Obertrager .......................... 84
8.3 Aufbau und Berechnung von Obertragem . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 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, Katodenbasisverstiirker ................. 100
10.2 Kleinsignaltheorie des Katodenbasisverstarkers ................ 102
10.3 Tetroden und Pentoden ............................... 104
10.4 Fotozellen und Fotovervie1facher 106
11 Feldeffekt-Transistoren
11.1 Aufbau und Wirkungsweise des Sperrschicht-Fe1deffekt-Transistors 108
11.2 Fe1deffekttransistoren, Gro/!'-und Kleinsignalbetrieb ........... . 110
11.3 Fe1deffekttransistoren in Konstantstromschaltungen ........... . 112
11.4 Sourceschaltung, Grund1agen ........................... . 114
11.5 Analyse eines Kleinsignalverstarkers in Sourceschaltung ......... . 116
11.6 Drainschaltung (Sourcefo1ger) .......................... . 118
11.7 Gateschaltung ..................................... . 120
11.8 Fe1deffekttransistoren mit isolierter Gate-E1ektrode ............ . 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 Fe1deffekttransistoren .......... . 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 Temperaturabhaugigkeit und Reststromverhalten ..............' . 142
12.7 Schaltverhalten des Bipolar-Transistors ..................... 144
12.8 G1eichstromverhalten im aktiven Betrieb .................... 146
12.9 Kleinsignalverstarker mit Parallelgegenkopplung ............... 148
12.10 Emitterschaltung mit Reihengegenkopplung .................. 150
VI
12.11 Kollektorschaltung (Emitterfolger) ........................ 152
12.12 Basisschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 154
12.13 Transistorverbundschaltungen ........................... 156
12.14 DifferenzversHirker .................................. 158
13 Operationsverstarker
13.1 Grundbegriffe des Operationsverstarkers .................... 160
13.2 Komparatoren mit Operationsverstarkem .................... 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 Operationsverstarkem . . . . . . . . . . . . .. 170
13.7 Differenzierschaltungen ............................... 172
13.8 Integrierschaltungen.................................. 174
13.9 Aktive RC-Filter .................................... 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-Oszillator mit zweistufigem Verstarker 186
14.3 LC-Oszillatoren mit einstufigem Verstarker 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 Verknupfungs- 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 Schnelle logische 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 fUr 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 Optokopplem ................. 250
18.4 Faseroptische Obertragungsmittel ......................... 252
19 Leistungstransistoren und Leistungsschaltungen
19.1 Verlustleistung und Wiirmeableitung ....................... 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 Spannungsreglem ............ 266
19.8 Schaltsteller und Schaltregler ............................ 268
19.9 Gegentakt-Leistungsverstiirker, Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 270
19.10 NF-Leistungsverstiirker ................................ 272
20 Thyristoren und Triacs
20.1 Leistungsthyristoren, Grundbegriffe und Funktionsweise ......... 274
20.2 Ansteuerschaltungen fliI Thyristoren ....................... 276
20.3 Wechselstromsteller mit Thyristoren ....................... 278
20.4 Dynarnische Vorgiinge und Schutzbeschaltung . . . . . . . . . . . . . . . .. 280
20.5 Triac, Grundbegriffe und Anwendungsbeispiel . . . . . . . . . . . . . . . .. 282
20.6 Triacs als Stell-und Regelelemente ........................ 284
20.7 Halbleiterrelais fUr Wechselstrornlast ....................... 286
21 Ausgewahlte integrierte Bausteine
21.1 Operationsverstiirker 861 (761) und 741 als Standard-Verstiitker 288
21.2 Bausteine 1458 und 348 als mehrfache 741er-Verstiirker .. . . . . . . .. 290
21.3 Baustein LM 324 als vierfacher "Single-Supply"-Verstiirker ........ 292
21.4 Fensterdiskriminator TCA 965 als vielseitiger Schwellwertschalter ... 294
21.5 Pulsbreitenmodulator 3524 als Schaltsteller und Schaltregler ....... 296
21.6 Timer/Counter 2240 als universeller Multivibrator .............. 298
21.7 Funktionsgenerator 8038 als Rechteck-Dreieck-und Sinusoszillator .. 300
21.8 Operationsverstiirker LM 318 als schneller Puffer ............... 302
21.9 Taktstabilisierter Operationsverstiirker ICL 7650 als
Priizisionsverstiirker .................................. 304
21.10 Analogmultiplizierer ICL 8013 als vielseitiger Rechenbaustein ...... 306
21.11 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
Einfiihrung
Das vorliegende Buch beschreibt den Aufbau und die Funktionsweise zahlreicher Bauelemente soweit,
wie es fur eine praktisch sinnvolle Anwendung erforderlich ist. In entsprechender Weise werden auch in
der Praxis die Betriebseigenschaften durch Kenndaten und Kennlinien beschrieben, die der Hersteller im
sogenannten Datenblatt zusammenstellt. Dieses Datenblatt enthiilt auch bestimmte Grenzwerte und
Grenzlinien, deren Oberschreitung entweder zu einer Beschiidigung oder zu einem unsicheren Betrieb des
jeweiligen Bauelementes flihren kann. Bei der Dimensionierung von Schaltungen sind die Grenzwerte
daher besonders zu beachten.
Die Schaltungsbeispiele in diesem Buch beziehen sich auf hiiufig vorkommende Anwendungen. Die Be
rechnungen dazu sind von grundsiitzlicher Art und ktinnen bei Variation der Parameter leicht auf analoge
Fiille iibertragen werden. Zahlreiche weitere Beispiele mit Ltisungen fmdet der Leser in dem Band
Recheniibungen zur angewandten Elektronik
von E. Btihmer,
der ebenfalls im Vieweg-Verlag erschienen ist. In diesem Zusammenhang sei auch auf den Anhang des
vorliegenden Buches verwiesen, der angelegt ist als kleines Nachschlagekapitel. Man findet dort Werk
stoffkenndaten, Bezeichnungen und Kennzeichnungen. Es folgt eine Einflihrung in die Grundbegriffe der
Halbleitertechnologie und in die Herstellung von Leiterplatten. Das anschlie~ende Blindwiderstands
Frequenz-Diagramm - im Laborjargon HF-Tapete - erlaubt schnelle iiberschliigige Berechnungen bei
allen Schaltungen mit Kapazitiiten und Induktivitiiten. Der Frequenzgang von Re- und RL-Zweipolen
sowie die speziellen Eigenschaften von Schwingkreisen werden gesondert dargestellt.
Die im Anhang ebenfalls aufgeflihrten Kenngrti&n zu Wechsel- und Mischstrtimen mu~ jeder Elektroni
ker beherrschen, ebenso die Verhiiltnisdarstellung nach dem Dezibelsystem. Die Begriffe Rauschma~ und
Rauschzahl interessieren ihn nur beim Aufbau von Verstiirkem flir sehr schwache Signale. Die Hinweise
zum sttirungsfreien Aufbau eines Geriites dagegen sind von grundsiitzlicher Bedeutung und umso beach
tenswerter, je komplexer ein Schaltungssystem ist.
Urn dem Leser eine Obersicht iiber die im Textteil beschriebenen Bauelemente zu geben, ist dem Anhang
ein Bauteile-Katalog nachgeschaltet. In tabellarischer Form werden dort zahlreiche Bauteile exemplarisch
mit ihren wesentlichen Kenndaten dargestellt.
Da dieses Buch eine Reihe von Themen nicht erschtipfend behandeln kann, werden am Ende der Text
seiten Hinweise auf weiterflihrende Literatur und einschliigige DIN-Normen gegeben. Das Literaturver
zeichnis ist gegliedert nach allgemeiner grundlegender Literatur und spezieller Literatur zu den einzelnen
Kapiteln bzw. einzelnen Themen. Die DIN-Normen findet man in den Normbliittern des DIN (Deutsches
Institut flir Normung e. V.). Sie enthalten Erliiuterungen zu vielen Begriffen, femer Kurzzeichen, Schalt
zeichen und auch Beschreibungen zur Ausflihrung von Bauelementen. In diesem Buch werden die DIN
Normen weitgehend beachtet. Auf Abweichungen wird an einzelnen Stellen besonders hingewiesen.
Entgegen DIN 41852 wird z.B. die friiher durchweg iibliche Kieinschreibung fiir die Halbleiterbezeich
nungen "n" und "p" beibehalten.
1 Elektrische Leitung und Widerstande
1.1 Elektrische Leitungen, Grundbegriffe
Eine elektrische Leitung wird im allgemeinen durch zwei metallische Leiter (meistens Driihte) gebildet,
wovon der eine als Hinleiter, der andere als Rtickleiter fliI den elektrischen Strom zwischen der Quelle
und einem Verbraucher dient. Die einfachste Leitung wird dargestellt durch zwei parallele Driihte in
Luft, deren charakteristische Eigenschaften hier betrachtet werden. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse
lassen sich analog auf andere Leitungsformen tibertragen. Auch die beiden Anschlu~driihte an einem
Widerstand oder Kondensator bilden in diesem Sinne eine Leitung.
Zwischen den Drahten einer am Ende offenen (leerlaufenden) Leitung bildet sich beim Anlegen einer
Gleichspannung U ein elektrisches Feld aus mit der Feldstarke E, deren Wirkungsrichtung durch "Feld
linien" skizziert ist (Bild 1). Die Leitung nimmt eine elektrische Ladung Q auf. Sie stellt einen Konden
sat or dar mit der Kapazitat C, die sich mit zunehmendem Leiterabstand a ve"ingert. Nach abgeschlosse
ner Aufladung wird der Strom I zu Null, sofern nicht eine ,,Ableitung" zwischen den Driihten aufgrund
einer unvollkommenen Isolation auftritt. Trockene Luft stellt einen sehr guten Isolator dar. Durch Er
hitzung oder Bestrahlung (Rontgenstrahlen, UV-Licht) werden jedoch Luftmolekiile ionisiert. Es bilden
sich positive frei bewegliche lonen und negative Elektronen, die entlang der Feldlinien Ladungen trans
portier en und damit einen Strom bilden. Eine von der Spannungsquelle abgetrennte Leitung kann sich
so entladen. Die Luft erhalt also durch die lonisierung eine gewisse LeiWihigkeit K, deren Gro~enord­
nung hier nur als Richtwert angegeben werden kann. So fern der StromfluB nur unter Einwirkung eines
auBeren lonisators bestehen kann, spricht man von einer "unselbstandigen Gasentladung". Entsprechend
dem Querstrom durch die Luft muB in einem Ersatzschaltbild der offenen Leitung ein Leitwert G paral
lel zur Kapazitat C eingeftihrt werden (Bild 1). Der Strom ist, wie das Rechenbeispiel zu Bild 1 zeigt, im
allgemeinen sehr gering und ein mit ilun verbundenes magnetisches Feld vernachlassigbar.
Gro~ere Querstrome konnen zwischen benachbarten Leitungen auf einer geatzten Leiterplatte auftreten, wenn die
Plattenoberflache verunreinigt is!. Man bezeichnet derartige Strome auf einer eigentlich isolierenden Flache als "Kriech
strome". Sie sind zu vermeiden durch einen isolierenden Schutzlack. Besonders bei hoheren Spannungen (> 100 V)
zwischen den Leitungen konnen die Kriechstrome ohne Schutzlackierung leicht kritische Werte erreichen.
Eine am Ende kurzgeschlossene gleichstromdurchflossene Leitung ist darzustellen durch das in Bild 2 an
gegebene Ersatzbild. Bereits bei sehr kleiner Spannung U kommt es zu einem relativ groBen Strom I in
Verbindung mit einem magnetischen Feld mit der Feldstarke H, wiihrend das elektrische Feld vernachlas
sigbar ist. Die Leitung umfaBt den magnetischen Flu~ ¢. Die Kapazitat C und der Querleitwert G nach
BUd 1 treten praktisch nicht in Erscheinung. Eine am Ende kurzgeschlossene Leitung ist eine Spule ein
fachster Art (Windungszahl N = 1) mit der Induktivitat L, die sich mit zunehmendem Leiterabstand a
erhOht. Der stets vorhandene Leitungswiderstand R erfordert flir den Strom I die Spannung U = I· R.
1m allgemeinen ist eine Leitung im Betrieb weder kurzgeschlossen noch leerlaufend. Spannung und
Strom, elektrisches und magnetisches Feld sind gleichzeitig vorhanden. Zur vollstandigen Charakterisie
rung dient dann ein Ersatzbild, das alle vier Ersatzgro~en enthiilt: C, G, L, R. Beim Gleichstrombetrieb·
ist normalerweise nur der Widerstand R von Bedeutung, beim Wechselstrombetrieb interessieren auch die
GroBen Lund C, wiihrend G meistens vernachlassigbar ist.
Trennt man eine stromdurchflossene Leitung mit ihrem Magnetfeld an irgendeiner Stelle auf, so kommt
es zur Induktion einer Spannung, die an der Trennstelle wirksam wird und dort zur Funkenbildung ftih
ren kann. Der Funke kommt zustande durch lonisierung und "Ziindung" des Luftgemisches tiber der
Trennstelle infolge einer hohen elektrischen Feldstarke. Es bildet sich ein StromfluB tiber das Gas in
Form einer kurzzeitigen "selbstandigen Gasentladung" in Verbindung mit einer Leuchterscheinung.
Unter ungiinstigen Umstanden kann es auch beim Abschalten groBer Strome zur Ausbildung eines ste
hen den Lichtbogens kommen I).
I) Ein stehender Lichtbogen kann durch einen Premuftstrom geloscht werden. Ausgenutzt wird dieser Effekt beim
Premuftschalter. Andererseits sind stehende Lichtbogen durchaus erwtinscht bei der Bogenlampe und beim elektri
schen SchweiJ1en.
Literatur: [1]
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