Elemente der angewandten Elektronik: Kompendium für Ausbildung und Beruf

390 Pages·1986·15.57 MB·German

by  Erwin Böhmer (auth.)

Erwin Bohmer
Elemente der
angewandten Elektronik
Kompendium fur Ausbildung und Beruf
4., Uberarbeitete und erweiterte Auflage
Mit 530 Bildern
und einem umfangreichen Bauteile-Katalog
Friedr. Vieweg & Sohn Braunschweig IWiesbaden
1. Auflage 1979
2., neubearbeitete und erweiterte Auflage 1983
3., iiberarbeitete und erweiterte Auflage 1984
4., iiberarbeitete und erweiterte Auflage 1986
AIle Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig 1986
Das Werk einschliell>lich aller seiner Teile ist urheberrechtlich
geschiitzt. Jede Verwertung aull>erha1b der engen Grenzen des
Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags
unzuHissig und strafbar. Das gilt insbesondere fUr Verviel
faltigungen, Dbersetzungen, Mikroverfilmungen und die
Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen
Systemen.
Umschlaggestaltung: Hanswerner Klein, Leverkusen
Satz: Friedr. Vieweg & Sohn, Braunschweig
ISBN-13: 978-3-528-34090-2 e-ISBN-13: 978-3-322-86474-1
DOl: lO.lO07/978-3-322-86474-1
Vorwort zur ersten Auflage
Die Elektronik ist durch die Fortschritte in der Halbleitertechnologie zu einem unliber
schaubar groBen Gebiet technischer Entwicklungen und Anwendungen angewachsen.
Jede Art von Ausbildung kann daher nur Kenntnisse liber bestimmte Teilgebiete der
Elektronik vermitteln, die im Zuge ihrer praktischen Anwendung erganzt werden mlissen.
Die Notwendigkeit dazu erfahrt man schon als Student, wenn im Praktikum elektronische
Schaltungen vorkommen. Das vorliegende Buch will eine Hilfe sein fill das erganzende
Selbststudium, indem es die flir 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-
3eitig 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 Dbersichtlichkeit zu erreichen. Die zahlrei
chen Bilder enthalten viele konkrete Informationen und sollen auch Zusammenhange 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 vernachlassigt werden. Dabei findet auch das elek
tromagnetische Relais Berlicksichtigung, 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 Vemachlassigung von
Sekundareffekten mit wenigen Rechenzligen zu einem Nliherungsergebnis fOOren, das den
Anforderungen der Praxis oft schon genligt. Komplizierte Zusammenhange 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 Rlickwirkungen nach dem Miller-Theo
rem erfaBt werden. In entsprechender Weise wird auch der Operationsverstarker behan
delt.
Das Buch hat eine mehrjahrige Entwicklung liber eine Reihe von Studienskripten durch
laufen. Wahrend dieser Zeit ist mir mancherlei Hilfe zuteil geworden, flir die ich hierrnit
Dank sage. Vor allem bedanke ich mich bei den Mitarbeitem des Nachrichtentechnischen
Labors an der Gesamthochschule Siegen, Herm K. Dickel, Herm lug. grad. G. Lagemann
und Herm Ing. grad. H. Otto. Herr Otto hat einen GroBteil der Schaltungen aufgebaut
und liberprlift. 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.-lng. M. Reuter und Prof. Dr.-Ing. F. Wittgruber haben mich bei der Abfassung
einzelner Kapitel beraten. Herr lug. 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
standnis und der Sorgfalt des Verlages, insbesondere den Herren W. Ebert und H.J. Niclas.
Mein Dank geblihrt 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 vorliegehde Neuauflage umfaflJt 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. Selengleichrichter, Thyratrons und Mangetkernspeicher verzichtet worden. Das Kapi
tel tiber Rohren 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 ftir seine Ratschlage zum Kapitel Digitaltechnik und
den Herren Dipl.-Ing. H. Otto und Dipl.-lng. E. Locherbach ftir das Lesen der Korrektur.
Herr Otto hat wieder wie zur ersten 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 dritten Auflage erscheint das Buch mit einem zusiitzlichen 21. Kapitel iiber ausge
wahlte integrierte Bausteine. Die Auswahl beschrankt sich auf einige in der Praxis be
wahrte Bausteine, die als Massenfabrikate jedem Anwender preisgUnstig zur Verfligung
stehen. Sie werden vorgestellt und beschrieben mit typischen Anwendungen.
Beim Erarbeiten des Materials hat mich Herr Dipl.-lng. H. Otto unterstiitzt, und Herr
Dipl.-Ing. E. Locherbach half beim Korrekturlesen, woflir ich mich bedanke. Frau Andrea
Winkel danke ich wieder fUr 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 Biingers an.
Siegen, im Mai 1986 Erwin Bohmer
IV
Inhaltsverzeichnis
Einflihrung
1 Elektrische Leitung und Widerstande
1.1 Elektrische Leitungen, Grundbegriffe ...................... 2
1.2 Elektrische Widerstande ............................... 4
1.3 Ubliche 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 Heilileiter und meBtechnische Anwendung ................... 14
2.3 AnlaBheiBleiter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 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-Dbertragungsglieder. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 56
6.5 Impulsiibertragung durch RC-Glieder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 58
6.6 Spannungsglattung mit Kondensatoren ..................... 60
6.7 Siebschaltungen fUr 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, Katodenbasisverstarker ................. 100
10.2 Kleinsignaltheorie des Katodenbasisverstarkers ................ 102
10.3 Tetroden und Pentoden ............................... 104
10.4 Fotozellen und Fotovervielfacher ......................... 106
11 Feldeffekt-Transistoren
11.1 Aufbau und Wirkungsweise des Sperrschicht-Feldeffekt-Transistors 108
11.2 Feldeffekttransistoren, GroB-und Kleinsignalbetrieb ........... . 110
11.3 Feldeffekttransistoren in Konstantstromschaltungen ........... . 112
11.4 Sourceschaltung, Grundlagen ........................... . 114
11.5 Analyse eines Kleinsignalverstarkers in Sourceschaltung ......... . 116
11.6 Drainschaltung (Sourcefolger) .......................... . 118
11.7 Gateschaltung ..................................... . 120
11.8 Feldeffekttransistoren mit isolierter Gate-Elektrode ............ . 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 Feldeffekttransistoren .......... . 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 Schaltverhalten des Bipolar-Transistors ..................... 144
12.8 Gleichstromverhalten 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 Differenzverstarker .................................. 158
13 Operationsverstarker
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 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
IS.2 Kippschaltungen mit Operationsverstarkern (II) . . . . . . . . . . . . . . .. 192
IS.3 Schmitt-Trigger-Schaltung.............................. 194
lS.4 Strom trigger ....................................... 196
lS.S Symrnetrische bistabile Kippschaltungen .................... 198
lS.6 Monostabile und astabile Multivibratoren mit diskreten Transistoren .. 200
IS.7 Integrierte monostabile/astabile Kippschaltung (TIMER-IC S5S) . . . .. 202
15.8 Kippscha1tungen mit Unijunction-Transistoren ................ 204
IS.9 Vierschichtelemente (Thyristoren) ........................ 206
16 Digitale Verkni.ipfungs- 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 Flip-Flops mit NOR-und NAND-Gattem .................... 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 flil" 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 tlbertragungsmittel ......................... 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 Spannungsreglem ............ 266
19.8 Schaltsteller und Schaltregler ............................ 268
19.9 Gegentakt-Leistungsverstarker, Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 270
19.10 NF-Leistungsverstiirker ................................ 272
20 Thyristoren und Triacs
20.1 Leistungsthyristoren, Grundbegriffe und Funktionsweise ......... 274
20.2 Ansteuerschaltungen fur Thyristoren ....................... 276
20.3 Wechselstromsteller mit Thyristoren ....................... 278
20.4 Dynamische Vorgange und Schutzbeschaltung . . . . . . . . . . . . . . . .. 280
20.5 Triac, Grundbegriffe und Anwendungsbeispiel . . . . . . . . . . . . . . . .. 282
20.6 Triacs als Stell-und Regelelemente ........................ 284
20.7 Halbleiterrelais flil" Wechselstromlast ....................... 286
21 Ausgewahlte integrierte Bausteine
21.1 Operationsverstarker 861 (761) und 741 als Standard-Verstarker 288
21.2 Bausteine 1458 und 348 als mehrfache 741er-Verstarker . . . . . . . . .. 290
21.3 Baustein LM 324 als vierfacher "Single-Supply"-Verstarker ........ 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 Operationsverstarker LM 318 als schneller Puffer ............... 302
21.9 Taktstabilisierter Operationsverstarker ICL 7650 als
Priizisionsverstarker .................................. 304
21.10 Analogrnultiplizierer ICL 8013 als vieJseitiger Rechenbaustein ...... 306
21.11 Transistor-Array CA 3096 als Funktionsgeber ................. 308
Formelzeichen ........................................... 310
Anhang (Tabellen, Diagramme, Formeln) ....................... 311
Bauteile-Katalog 327
Literaturverzeichnis 360
Quellenverzeichnis 366
Sachwortverzeichnis 367
VIII
Einfiihrung
Das vorliegende Buch beschreibt den Autbau 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 enthalt auch bestimmte Grenzwerte und
Grenzlinien, deren tlberschreitung entweder zu einer Beschadigung oder zu einem unsicheren Betrieb des
jeweiligen Bauelementes fOOren kann. Bei der Dimensionierung von Schaltungen sind die Grenzwerte
daher besonders zu beachten.
Die Schaltungsbeispiele in diesem Buch beziehen sich auf haufig vorkommende Anwendungen. Die Be
rechnungen dazu sind von grundsatzlicher Art und konnen bei Variation der Parameter leicht auf analoge
Faile tibertragen werden. Zahlreiche weitere Beispiele mit Uisungen findet der Leser in dem Band
Rechentibungen zur angewandten Elektronik
von E. Bohmer,
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 EinfOOrung in die Grundbegriffe der
Halbleitertechnologie und in die Herstellung von Leiterplatten. Das anschlieBende Blindwiderstands
Frequenz-Diagramm - im Labo~argon HF-Tapete - erlaubt schnelle tiberschlagige Berechnungen bei
allen Schaltungen mit Kapazitaten und Induktivitaten. Der Frequenzgang von Re- und RL-Zweipolen
sowie die speziellen Eigenschaften von Schwingkreisen werden gesondert dargestellt.
Die im Anhang ebenfalls aufgefiihrten KenngroBen zu Wechsel- und Mischstromen muB jeder Elektroni
ker beherrschen, ebenso die VerhaItnisdarstellung nach dem Dezibelsystem. Die Begriffe RauschmaB und
Rauschzahl interessieren ihn nur beim Aufbau von Verstarkem fUr sehr schwache Signale. Die Hinweise
zum storungsfreien Aufbau eines Gerates dagegen sind von grundsatzlicher Bedeutung und umso beach
tenswerter, je komplexer ein Schaltungssystem ist.
Urn dem Leser eine tlbersicht tiber 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 erschopfend behandeln kann, werden am Ende der Text
seiten Hinweise auf weiterfUhrende Literatur und einschlagige 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 Normblattem des DIN (Deutsches
Institut fUr Normung e. V.). Sie enthalten Erlauterungen zu vielen Begriffen, femer Kurzzeichen, Schalt
zeichen und auch Beschreibungen zur Ausfiihrung 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 tibliche Kleinschreibung fiir die Halbleiterbezeich
nungen "n" und "p" beibehalten.
1 Elektrische Leitung und Widerstande
1.1 Elektrische Leitungen, Grundbegriffe
Eine elektrische Leitung wird irn allgemeinen durch zwei metallische Leiter (meistens Drlihte) gebildet,
wovon der eine als Hinleiter, der andere als Rtickleiter fUr den elektrischen Strom zwischen der Quelle
und einem Verbraucher dient. Die einfachste Leitung wird dargestellt durch zwei parallele Drlihte in
Luft, deren charakteristische Eigenschaften hier betrachtet werden. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse
lassen sich analog auf andere Leitungsformen tibertragen. Auch die beiden AnschluEdrlihte an einem
Widerstand oder Kondensator bilden in diesem Sinne eine Leitung.
Zwischen den Drahten einer am Ende offenen (leerlaufenden) Leitung bildet sich beirn Anlegen einer
Gleichspannung U ein elektrisches Feld aus mit der Feldstarke E, deren Wirkungsrichtung durch "Feld
linien" skizziert ist (Bild 1). Die Leitung nirnmt eine elektrische Ladung Q auf. Sie stellt einen Konden
sator dar mit der Kapazitat C, die sich mit zunehmendem Leiterabstand a verringert. Nach abgeschlosse
ner Aufladung wird der Strom I zu Null, sofern nicht eine ,,Ableitung" zwischen den Drlihten 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 bewegiiche lonen und negative Elektronen, die entlang der Feldlinien Ladungen trans
portieren 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 GroEenord
nung hier nur als Richtwert angegeben werden kann. Sofern der StromfluE nur unter Einwirkung eines
auEeren lonisators bestehen kann, spricht man von einer "unselbstandigen Gasentladung". Entsprechend
dem Querstrom durch die Luft muE in einem Ersatzschaltbild der offenen Leitung ein Leitwert G paral
lel zur Kapazitat C eingefOOrt werden (Bild 1). Der Strom ist, wie das Rechenbeispiel zu Bild 1 zeigt, im
allgemeinen sehr gering und ein mit ihm verbundenes magnetisches Feld vernachlassigbar.
Gro~ere Querstrome konnen zwischen benachbarten Leitungen auf einer geatzten Leiterplatte auftreten, wenn die
Plattenoberflache verunreinigt ist. 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 gieichstromdurchflossene Leitung ist darzustellen durch das in Bild 2 an
gegebene Ersatzbild. Bereits bei sehr kleiner Spannung U kommt es zu einem relativ groEen Strom I in
Verbindung mit einem magnetischen Feld mit der Feldstarke H, wlihrend das elektrische Feld vernachlas
sigbar ist. Die Leitung umfaEt den magnetischen FluE ¢. Die Kapazitat C und der Querleitwert G nach
Bild 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 irn Betrieb weder kurzgeschlossen noch leerlaufend. Spannung und
Strom, elektrisches und magnetisches Feld sind gieichzeitig vorhanden. Zur vollstandigen Charakterisie
rung dient dann ein Ersatzbild, das alle vier ErsatzgroEen enthaIt: C, G, L, R. Beirn Gleichstrombetrieb
ist normalerweise nur der Widerstand R von Bedeutung, beirn Wechselstrombetrieb interessieren auch die
GroEen Lund C, wlihrend 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 fOO
ren kann. Der Funke kommt zustande durch lonisierung und "Ziindung" des Luftgemisches tiber der
Trennstelle infolge einer hohen elektrischen Feldstarke. Es bildet sich ein StromfluE 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
henden Lichtbogens kommen1).
1) Ein stehender Lichtbogen kann durch einen Premuftstrom geloscht werden. Ausgenutzt wird dieser Effekt beim
Prei'>luftschalter. Andererseits sind stehende Lichtbogen durchaus erwiinscht bei der Bogenlampe und beim elektri
schen Schweii'>en.
Literatur: [1]
2