Elektronik für Ingenieure und Naturwissenschaftler

873 Pages·2017·34.636 MB·German

by  Ekbert Hering, Klaus Bressler, Jürgen Gutekunst (eds.)

Ekbert Hering
Klaus Bressler
Jürgen Gutekunst Hrsg.
Elektronik für
Ingenieure und
Naturwissenschaftler
7. Auflage
Elektronik für Ingenieure und
Naturwissenschaftler
(cid:2) (cid:2)
Ekbert Hering Klaus Bressler
Jürgen Gutekunst
(Hrsg.)
Elektronik für
Ingenieure und
Naturwissenschaftler
7., aktualisierte und verbesserte Auflage
Unter Mitarbeit von: Manfred Crygon,
Julian Endres, Rainer Höhnle,
Joachim Kempkes, Rolf Martin,
Harald Rudolph, Jürgen Schüle
Herausgeber
EkbertHering JürgenGutekunst
Hochschulefürangewandte Nürtingen,Deutschland
WissenschaftenAalen
Aalen,Deutschland
KlausBressler
Ditzingen,Deutschland
ISBN978-3-662-54213-2 ISBN978-3-662-54214-9(eBook)
DOI10.1007/978-3-662-54214-9
DieDeutscheNationalbibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschenNationalbiblio-
grafie;detailliertebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar.
SpringerVieweg
©Springer-VerlagGmbHDeutschland1998,2001,2005,2014,2017
DasWerkeinschließlichallerseinerTeileisturheberrechtlichgeschützt.JedeVerwertung,die
nichtausdrücklichvomUrheberrechtsgesetzzugelassenist,bedarfdervorherigenZustimmung
desVerlags.DasgiltinsbesonderefürVervielfältigungen,Bearbeitungen,Übersetzungen,Mi-
kroverfilmungenunddieEinspeicherungundVerarbeitunginelektronischenSystemen.
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem
WerkberechtigtauchohnebesondereKennzeichnungnichtzuderAnnahme,dasssolcheNamen
imSinnederWarenzeichen-undMarkenschutz-Gesetzgebungalsfreizubetrachtenwärenund
dahervonjedermannbenutztwerdendürften.
DerVerlag,dieAutorenunddieHerausgebergehendavonaus,dassdieAngabenundInforma-
tionenindiesemWerkzumZeitpunktderVeröffentlichungvollständigundkorrektsind.Weder
derVerlagnochdieAutorenoderdieHerausgeberübernehmen,ausdrücklichoderimplizit,Ge-
währfürdenInhaltdesWerkes,etwaigeFehleroderÄußerungen.DerVerlagbleibtimHinblick
aufgeografischeZuordnungenundGebietsbezeichnungeninveröffentlichtenKartenundInsti-
tutionsadressenneutral.
GedrucktaufsäurefreiemundchlorfreigebleichtemPapier.
SpringerViewegistTeilvonSpringerNature
DieeingetrageneGesellschaftistSpringer-VerlagGmbHDeutschland
DieAnschriftderGesellschaftist:HeidelbergerPlatz3,14197Berlin,Germany
Vorwort zur siebten, aktualisierten
und verbesserten Auflage
Innunmehrüber20JahrenhatsichdiesesWerkeinenSpitzenplatzalsLehr-
buch an Universitäten und Hochschulen der angewandten Wissenschaften
undals Nachschlagewerk fürden Praktiker erobert.Sein überzeugendesdi-
daktisches Konzept, die klaren Strukturen, die lehrreichenÜbungsaufgaben
unddieaktuellen,praxisnahenBeispielesinddieUrsache.BereitsdreiJahre
nach der letzten, sechsten Auflage hatten wir die Chance, das erfolgreiche,
völlig überarbeiteteWerk an wenigen Stellen zu aktualisieren undzu korri-
gieren.
DieAktualisierungenbetreffenfolgendeKapitel:
Prof. Dr. Jürgen Schüle von der Hochschule Aalen ergänzte Kap. 1
(GrundlagenderElektrotechnik)umdieSimulationelektronischerSchaltun-
genmitSPICE(Abschn.1.5.5).
Neu eingeführt wurden in Kap. 15 (Schnittstellen, Bussysteme und
Netze) die Abschnitte über die USB-Schnittstelle (Abschn. 15.3.4), die
Bluetooth-Schnittstelle(Abschn.15.3.5),denIO-Link(Abschn.15.3.6)und
dieEchtzeit-Internet-Protokolle(Abschn.15.6.4).
Das Kap. 16 (SpeicherprogrammierbareSteuerungen) wurde um die für
denPraxiseinsatzwichtigenKleinsteuerungen(Abschn.16.5)ergänzt.
DieerfolgreichenMerkmaledesBuches:SeineStrukturiertheit,seinevie-
len Beispiele und Übungsaufgaben sowie seine Praxisnähe, kombiniert mit
dem erforderlichen theoretischen Wissen, wurden beibehalten und halfen,
diesesProfilzuschärfen.
Die zahlreichen Hinweise der Studierenden, der Praktiker und der Kol-
legen haben dieses Buch wesentlich verbessert. Dieser fachkundigen Le-
serschaft haben wir, die Autoren und der Springer-Verlag, sehr zu danken.
StellvertretendhierfürgebührtunserbesondererDankfürdieintensiveMit-
arbeitHerrnProf.Dr.H.Graf vonderFachhochschuleMünchenundHerrn
Dr.-Ing.R.SüßevonderTechnischenUniversitätIlmenau.BesondererDank
giltdemSpringer-Verlag,insbesondereFrauBirgitKollmar-ThoniundFrau
Eva Hestermann-Beyerle. Sie haben es mustergültig verstanden, zusammen
mitdenHerausgebern,denAutorenunddenHerstellerndieseskomplexeund
in TextundBild anspruchsvolleWerkso professionellzubegleiten,dass es
unsimmermotivierthat,inallergebotenerKürzenochklarer,strukturierter
undpraxisorientierterfürunsereLeserzuschreiben.
Wir hoffen, dass für unsere Leser die neue, aktualisierte und verbesser-
te Auflage eine noch größere Hilfe bei der Erlernung und der Anwendung
desWissensinElektrotechnikundElektronikseinwird.InderZukunftwird
V
VI Vorwortzursiebten,aktualisierten undverbessertenAuflage
diesesWissenimZugederDigitalisierungderIngenieurbereichevonunent-
behrlichemNutzensein.Eswürdeunssehrfreuen,wenndieLeserunsauch
weiterhin mit Verbesserungsvorschlägen und konstruktiver Kritik unterstüt-
zenwürden.
Heubach,Ditzingen,Nürtingen EkbertHering
Frühjahr2017 KlausBressler
JürgenGutekunst
Inhaltsverzeichnis
1 GrundlagenderElektrotechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
EkbertHeringundRolfMartin
1.1 PhysikalischeGrößenundEinheiten . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2.1 Ladung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2.2 ElektrischerStrom. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.3 ElektrischeSpannung. . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.4 WiderstandundLeitwert . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.5 ElektrischeArbeitundelektrischeLeistung . . . 6
1.2.6 Ohm’schesGesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.7 Richtungssinn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.8 Bildzeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 ElektrischeNetze–Kirchhoff’scheRegeln . . . . . . . . . 9
1.3.1 Knotenregel(1.Kirchhoff’schesGesetz) . . . . . 9
1.3.2 Maschenregel(2.Kirchhoff’schesGesetz) . . . . 11
1.3.3 AnwendungderKirchhoff’schenGesetze . . . . 12
1.4 GrafischeVerfahrenzurErmittlungvonStrömen
undSpannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.4.1 ReihenschaltungmitlinearemWiderstand
undeinemKaltleiter(PTC) . . . . . . . . . . . . . 18
1.4.2 ReihenschaltungmitlinearemWiderstand
undzweinichtlinearenBauelementen(Z-Dioden) 19
1.4.3 Schaltungskombination aus linearem Wider-
stand,KaltleiterundHeißleiter . . . . . . . . . . . 20
1.5 Maschen-undKnotenanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.5.1 Ersatzspannungs-undErsatzstromquelle . . . . . 22
1.5.2 LineareÜberlagerung(Superpositionsprinzip
nachHELMHOLTZ) . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.5.3 BerechnungelektrischerNetzwerke . . . . . . . . 25
1.5.4 Brückenschaltungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.5.5 SimulationelektronischerSchaltungen . . . . . . 34
1.6 GrundlagenderWechselstromlehre . . . . . . . . . . . . . 39
1.6.1 GrundlagenkomplexerRechnung . . . . . . . . . 39
1.6.2 Kenngrößen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
1.6.3 KomplexeRechnungimWechselstromkreis . . . 46
1.6.4 NichtsinusförmigeWechselgrößen . . . . . . . . 56
1.6.5 DämpfungundVerstärkung . . . . . . . . . . . . . 59
VII
VIII Inhaltsverzeichnis
1.6.6 Shannon’schesAbtasttheorem . . . . . . . . . . . 61
1.6.7 Übung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
1.7 BezeichnungundMessungelektrischerGrößen . . . . . . 63
1.7.1 BezeichnungelektrischerGrößen . . . . . . . . . 63
1.7.2 MessungelektrischerGrößen . . . . . . . . . . . . 64
1.8 GrundlagenderHalbleiterphysik . . . . . . . . . . . . . . . 65
1.8.1 Materialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
1.8.2 Energiebänder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
1.8.3 Ladungsträgerkonzentration. . . . . . . . . . . . . 69
1.8.4 Beweglichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
1.8.5 Leitfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
1.8.6 Ausgleichsvorgänge. . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
1.8.7 pn-Übergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
1.8.8 ZurÜbung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
1.9 HerstellungkompletterSchaltungen . . . . . . . . . . . . . 87
1.9.1 Leiterplatten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
1.9.2 Streifenleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
1.9.3 SMT(SurfaceMountedTechnology) . . . . . . . 91
1.9.4 Dickschicht-Technologie. . . . . . . . . . . . . . . 93
1.9.5 Dünnschicht-Technologie . . . . . . . . . . . . . . 93
1.9.6 TrägermaterialmiteingebettetenBauteilen . . . 94
1.10 WeiterführendeLiteratur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
2 PassiveBauelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
EkbertHeringundKlausBressler
2.1 ElektronischeBauelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
2.1.1 Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
2.1.2 AnforderungenundAnwendungsklassen . . . . . 95
2.1.3 Zuverlässigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
2.1.4 Normreihen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
2.1.5 KlassifikationvondiskretenHalbleiter-Bauele-
menten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
2.1.6 Datenblätter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
2.2 Widerstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
2.2.1 ÜbersichtüberdieWiderstände. . . . . . . . . . . 103
2.2.2 LineareFestwiderstände . . . . . . . . . . . . . . . 104
2.2.3 NichtlineareWiderstände . . . . . . . . . . . . . . 110
2.2.4 EinstellbareWiderstände
(PotenziometerundTrimmer). . . . . . . . . . . . 117
2.2.5 ZurÜbung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
2.3 Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
2.3.1 ÜbersichtüberdieKondensatoren . . . . . . . . . 122
2.3.2 KondensatorenmitdünnenFolien
alsDielektrikum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
2.3.3 Elektrolyt-Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . 128
2.3.4 Keramik-Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . 131
2.3.5 EinstellbareKondensatoren . . . . . . . . . . . . . 135
2.4 Induktivitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
Inhaltsverzeichnis IX
2.4.1 Kerneigenschaften. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
2.4.2 Wicklungseigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . 143
2.5 Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
2.5.1 Schaltdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
2.5.2 Schottky-Dioden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
2.5.3 Gleichrichterdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
2.5.4 Schottky-Leistungsdioden . . . . . . . . . . . . . . 157
2.5.5 Z-Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
2.5.6 DiacTriggerdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
2.5.7 Fotodioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
2.5.8 Kapazitätsdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
2.5.9 Pin-Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
2.5.10 Step-Recovery-Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . 165
2.5.11 Tunneldioden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
2.5.12 Backwarddioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
3 Transistoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
KlausBresslerundHaraldRudolph
3.1 Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
3.1.1 ArtenvonTransistorenundderenAufbau . . . . 167
3.1.2 BeschaltungundFunktiondesTransistors . . . . 169
3.1.3 WichtigeKennwertevonTransistoren. . . . . . . 170
3.1.4 WeitereKennwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
3.1.5 Transistor-Grenzwerte . . . . . . . . . . . . . . . . 177
3.1.6 TypenschlüsselfürHalbleiter . . . . . . . . . . . . 181
3.1.7 Transistordatenblatt . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
3.2 AnalogeGrundschaltungenmitbipolarenTransistoren. . 183
3.2.1 Emitterschaltung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
3.2.2 Kollektorschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
3.2.3 Basisschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
3.2.4 Stromquelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
3.2.5 Stromspiegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
3.2.6 Differenzverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
3.2.7 Darlingtonschaltung. . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
3.2.8 VerstärkerfürhöhereFrequenzen . . . . . . . . . 205
3.2.9 Kaskodeschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
3.3 Feldeffekttransistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
3.3.1 Sperrschicht-Feldeffekttransistoren(JFET) . . . 209
3.3.2 MOS-Feldeffekttransistoren . . . . . . . . . . . . . 211
3.3.3 WeitereKennwertederFeldeffekttransistoren . . 214
3.3.4 GrenzwertederFeldeffekttransistoren. . . . . . . 216
3.4 SchaltungstechnikmitFeldeffekttransistoren. . . . . . . . 217
3.4.1 ÜbergangvombipolarenTransistor
zumFeldeffekttransistor . . . . . . . . . . . . . . . 217
3.4.2 GrundschaltungenderFeldeffekttransistoren . . 218
3.4.3 StabilisierungdesArbeitspunktes
undderVerstärkungdurchGegenkopplung . . . 219
3.4.4 WirkungderGegenkopplung . . . . . . . . . . . . 220
X Inhaltsverzeichnis
3.4.5 DifferenzverstärkermitFeldeffekttransistoren. . 221
3.4.6 SteuerbareSpannungsteiler
mitFeldeffekttransistoren . . . . . . . . . . . . . . 222
3.4.7 FeldeffekttransistorenalsSchalter
füranalogeSignale . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
3.4.8 Dual-Gate-MOSFET(Doppelgate-MOSFET) . . 223
3.4.9 MOSFET-LeistungstransistorenfürSchalter. . . 223
3.4.10 MOSFET-Leistungstransistoren
füranalogeVerstärker . . . . . . . . . . . . . . . . 229
3.5 LineareundnichtlineareVerstärker. . . . . . . . . . . . . . 231
3.5.1 WichtigeEigenschaftenlinearerVerstärker . . . 231
3.5.2 HerleitungderOberschwingungen
undderMischprodukte. . . . . . . . . . . . . . . . 231
3.5.3 MessverfahrenzurBeurteilungvonVerstärkern. 232
3.5.4 NichtlineareVerstärker . . . . . . . . . . . . . . . . 233
3.5.5 AufbaulinearerVerstärkerinderPraxis . . . . . 233
3.5.6 SchaltungstechnischeBesonderheiten
gegengekoppelterVerstärker . . . . . . . . . . . . 235
3.5.7 VorsichtsmaßnahmenbeimUmgang
mitHalbleitern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
3.5.8 RechnergestützteSchaltungsberechnung . . . . . 237
3.6 ZurÜbung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
3.7 Quarzoszillatoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
3.7.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
3.7.2 FrequenzstabilitätundFrequenzgenauigkeit . . . 240
3.7.3 Kurzzeitstabilität,PhasenrauschenundJitter. . . 241
3.7.4 Phasenrauschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
3.7.5 Phasenjitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
3.7.6 Langzeitstabilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
3.7.7 Last-undBetriebsspannungsabhängigkeit
derFrequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
3.7.8 Frequenzgenauigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
3.7.9 XOs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
3.7.10 TemperaturabhängigkeitderFrequenz . . . . . . 246
3.7.11 VCXO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
3.7.12 HochfrequenteVCXOs. . . . . . . . . . . . . . . . 248
3.7.13 (VC)TCXOs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
3.7.14 (VC)OCXOs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
3.7.15 Auswahlkriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
3.7.16 KostenparametervonQuarzoszillatoren . . . . . 254
3.7.17 Vor-undNachteilevonAusgangssignalformen . 254
3.7.18 AnpassungderSchnittstellezumVerbraucher. . 255
3.7.19 AusführungsformenvonQuarzoszillatoren . . . 256
3.8 WeiterführendeLiteraturzuAbschn.3.1bisAbschn.3.5 257
3.8.1 Normen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
3.8.2 WeiterführendeLiteraturzuAbschn.3.7 . . . . . 258
3.8.3 Web-Seiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258