Elektronik: Lehr- und Arbeitsbuch. Einführung in Analogtechnik Digitaltechnik Leistungselektronik

355 Pages·1997·15.55 MB·German

by  Dieter Zastrow (auth.)

Dieter Zastrow
Elektronik
Dieter Zastrow
Elektronik
Lehr- und Arbeitsbuch
Einführung in
Analogtechnik
Digitaltechnik
Leistungselektronik
Mit 426 Abbildungen, 89 Lehrbeispielen
und 147 übungen mit ausführlichen Lösungen
4., verbesserte Auflage
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Zastrow, Dieter:
Elektronik: Lehr-und Arbeitsbuch; Einführung in Analogtechnik, Digital
technik, Leistungselektronik; mit 89 Lehrbeispielen und 147 übungen
mit ausführlichen Lösungen / Dieter Zastrow. - 4., verb. Aufl. - Braun
schweig; Wiesbaden: Vieweg, 1997
Mewegs Fachbücher der Technik)
ISBN 978-3-528-34210-4 ISBN 978-3-663-01254-2 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-01254-2
1. Auflage 1983
2., durchgesehene Auflage 1984
3., durchgesehene Auflage 1988
4., verbesserte Auflage 1997
Alle Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, BraunschweigiWiesbaden, 1997
Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der Bertelsmann Fachinformation GmbH.
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Umschlaggestaltung: Klaus Birk, Wiesbaden
Gesamtherstellung: Wilhelm + Adam, Heusenstamm
Gedruckt auf säurefreiem Papier
ISBN 978-3-528-34210-4
v
Vorwort
Das vorliegende Lehr-und Arbeitsbuch vermittelt in der nun erschienenen 4. verbesser
ten Auflage die Grundlagen der Elektronik.
In einem aufbauenden Lehrgang wird der Lehrstoff - nach grundlegenden Aufgaben
steIlungen der Elektronik gegliedert - dargestellt. Die Darstellung des Lehrstoffs orien
tiert sich am Niveau von Technikerschulen. Elektronische Vorkenntnisse sind nicht erfor
derlich, jedoch sollten solide Kenntnisse der Grundlagen der Elektrotechnik vorhanden
sein.
Das unterrichtsbegleitende Lehr- und Arbeitsbuch Elektronik sichert ein kontrolliertes,
zielgerichtetes Lernen durch einen bereits bewährten Buchaufbau: Jedes Kapitel be
ginnt mit einer Aufzählung der erforderlichen Vorkenntnisse, gefolgt von einer knappen
Stoffdarstellung. Besonderer Wert wird auf die Eigentätigkeit der Lernenden gelegt, denn
ca. 40% des Buchumfangs entfallen auf Beispiele und übungen sowie deren ausführli
che Lösungen im Anhang. An den Kapitelenden ist ein Memory angeordnet, es enthält
das geforderte Grundwissen.
Der Lehrstoff stellt eine unterrichtserprobte Einführung in die Analogelektronik, Leistungs
elektronik und Digitaltechnik dar. Einige einleitende Bemerkungen zum Lehrstoff mö
gen den Leser die Orientierung im weiten Feld der Elektronik erleichtern helfen:
Kapitel 1-4
Die Einführung in die Elektronik beginnt mit einer meßtechnisch orientierten Darstel
lung der Stromleitervorgänge in Halbleitern sowie der Beschreibung der beiden we
sentlichen Halbleiterstrukturen, die man als Sperrschicht und Kanal bezeichnet. Am Bei
spiel der Halbleiterdiode werden dann die Probleme der nichtlinearen I-U-Kennlinien
behandelt und deren Auswirkungen in Begrenzerschaltungen aufgezeigt. Mit dem Ent
wurf einfacher Konstantspannungs- und Konstantstromquellen schließt die erste Kon
taktaufnahme mit der Elektronik ab.
Kapitel 5-9
Die Kapitel über Analogelektronik umfassen die wichtigsten Arten der analogen Infor
mationsverarbeitung, wie sie in der analogen Meß- und Regeltechnik zur Anwendung
kommen. Im Mittelpunkt.stehen Transistoren und Operationsverstärker als lineare Ver
stärker und als Schalter. Das wichtige Prinzip der Signalrückkopplung vom Verstärker
ausgang auf den Verstärkereingang wird in ausführlicher Weise in Form der Gegen
kopplung und Mitkopplung am Beispiel der Operationsverstärker dargestellt.
VI Vorwort
Kapitel 10-12
Im Schwerpunkt Leistungselektronik wird gezeigt, wie im Netz angebotene elektrische
Energie zuverlässig und wirtschaftlich in die jeweils vom Anwender benötigte Form um
gewandelt wird. Die dazu erforderlichen Grundfunktionen der leistungselektronischen
Betriebsmittel wie Stellen, Schalten, Gleichrichten und Gleichrichten mit Stellen werden
ausführlich behandelt. Ein eigenes Kapitel ist für die Aufgaben und Wirkungsweise der
Spannungsregler und Schaltregler aus der Netzteiltechnik vorgesehen.
Kapitel 13-14
Ein besonders wichtiges Teilgebiet der Industrieelektronik umfaßt die Verarbeitung
entscheidungsorientierter Probleme. In zwei Kapiteln werden die auf die moderne Steuer
technik zielenden elektronischen Grundlagen wie Verknüpfungs-, Zeit- und Zähl
funktionen sowie die Analog-Digital-Umsetzung behandelt. Das einführende Kapitel über
Speicherprogrammierbare Steuerrung konnte entfallen, da im gleichen Verlag ein be
währtes Einführungsbuch in die SPS erhältlich ist.
Verfasser und Verlag waren bemüht, ein Lehr- und Arbeitsbuch für einen anwendungs
orientierten Elektronikunterricht auf mittlerem Niveau vorzulegen und dabei die Ver
wendbarkeit des Lehrwerks für ein ergänzendes Selbststudium zu sichern.
Gerne statte ich den Mitarbeitern des Verlags Vieweg für ihr verständnisvolles Eingehen
auf meine Vorstellungen sowie für die sorgfältige Ausführung des Buches und die gute
Zusammenarbeit meinen herzlichen Dank ab. Für Anregungen aus dem Leserkreis bin
ich jederzeit dankbar.
Dieter Zastrow
Ellerstadt, Juli 1997
VII
Arbeitshinweise diesem Buch
ZU
Wie lernt man einen neuen Lehrstoff?
Aktivität Lernen, um etwas verstehen und begreifen zu können, erfordert eine
Aktivität der Person.
Aktivität ist notwendig, um die Schwierigkeiten, die sogenannten
Lern widerstände, zu überwinden.
Lerntechnik Der Unterricht ist die erste Hilfestellung beim Lernen.
Erfahrungsgemäß kann aber der Lehrstoff bei diesem Lernprozeß
nicht so aufgenommen werden, daß sich eine Nacharbeit erübrigt.
Dabei hilft Ihnen das Lehrbuch.
Einige Regeln haben sich für das Arbeiten mit dem Buch bewährt:
Unterstreichen Sie wichtige Begriffe.
Erfinden Sie Überschriften für kleinere Textabschnitte.
Lesen Sie den Lehrbuchtext eines Abschnitts nach dem Durch
arbeiten des Beispiels noch einmal.
Spüren Sie scheinbare Unstimmigkeiten zwischen Erklärungen
von Unterricht und Lehrbuch auf und entwickeln Sie daraus
Fragestellungen.
Beginnen Sie mit der Ausarbeitung eines eigenen schriftlichen
Konzepts, wobei die Unterrichtsergebnisse als Leitfaden dienen.
Versuchen Sie das Wesentliche mit noch weniger Worten darzu
stellen. Skizzen und Stichworte genügen oftmals, wenn man einen
Stoff verstanden hat.
Am unglücklichsten lernen Sie, wenn Sie den Lehrstoff gedankenlos
auswendiglernen.
Am vorteilhaftesten lernen Sie, wenn Sie sich auf den Unterricht
vorbereiten. Vorlernen ist besser als Nachlernen.
VIII
Arbeitshinweise diesem Buch
ZU
Wie hilft Ihnen dieses Lehr- und Arbeitsbuch beim Lernen?
Vorkenntn isse 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
veranschaulicht.
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
f::, übungen, die den typischen Prüfungsaufgaben entsprechen.
• übungen, die das Verständnis ftir 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.
IX
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 Spannungsstabil isierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 F eldeffekttransistor J· FET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 37
4.3 Analyse der Stromquellenschaltung ........................ 39
4.4 Vertiefung und übung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 42
5 Signalverstärkung mit Transistoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.1 Elektrische Signale .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 44
5.2 Verstärkungsprinzip .................................. 46
5.3 Transistor als Verstärkerelement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 49
- Schichtenaufbau,. Bezeichnungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
- Transistoreffekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 49
- Zählpfeile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 50
- Verstärkung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 50
- Ausgangskennlinienfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 51
x
Inhaltsverzeichnis
5.4 Stromsteuerung des Transistors ......................... " 52
5.5 Spannungssteuerung des Transistors ...................... " 54
5.6 überlagerung, Signalankopplung ........................ " 56
5.7 Arbeitswiderstand und Spannungsverstärkung ................. 58
5.8 Signalauskopplung, belastete Verstärkerstufe . . . . . . . . . . . . . . . . .. 64
5.9 Arbeitspunktstabil isierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.10 Vertiefung und übung ............................... " 69
6 Operationsverstärker und Beeinflussung der Verstärkereigenschaften
durch Gegenkopplung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 71
6.1 Operationsverstärker als integrierter Verstärker ................ 71
- Stromversorgung und Arbeitspunkteinstellung . . . . . . . . . . . . . .. 71
- Signal-Ersatzschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 72
6.2 Prinzip der Gegenkopplung ............................ " 75
6.3 Nichtinvertierender Verstärker ........................... 77
6.4 Invertierender Verstärker. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 80
6.5 Spannungsausgang, Stromausgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 82
6.6 Spannungseingang, Stromeingang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 86
6.7 Frequenzgang ...................................... 89
6.8 Nichtlineare Verzerrungen ............................ " 93
6.9 Vertiefung und übung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 95
7 Analoge Signalverarbeitung mit Operationsverstärker .......... " 98
7.1 Addieren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 98
7.2 Subtrahieren ..................................... " 100
7.3 Integrieren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 105
7.4 Mittelwertbilden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 109
7.5 Multiplizieren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 113
Anschlußbelegung eines Multiplizierers . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 114
- Einstellen der Verstärkung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
- Abgleich des Nullpunktes ........................... " 115
7.6 Vertiefung und übung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 117
8 Transistoren und Operationsverstärker als Schalter ............. 120
8.1 Widerstandsverhalten und Aufgaben der Schalter ............... 120
8.2 Binärinverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 122
- TTL . .................................... " . '" 124
- CMOS ....... ;................................. 1 26
- Interface-Schaltungen .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 127
8.3 Analogschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 131
8.4 Schwellwertschalter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 134
- Komparator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 134
- Schmitt-Trigger ................................... 135
8.5 Leistungsschalter ................ . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 137
8.6 Vertiefung und übung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 140
Inhaltsverzeichnis XI
9 Schwingungserzeugung .................................. 143
9.1 Mitkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 143
- Ungedämpfte Schwingung .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 143
- Gedämpfte Schwingung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 144
- Entdämpfte Schwingung ................. . . . . . . . . . . .. 146
- Anschwingung und stationäre Schwingung. . . . . . . . . . . . . . . . .. 148
9.2 LC-Oszillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 149
- Arbeitspunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 149
- Oszillogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1 50
- Phasenbedingung ...... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 150
- Amplitudenbedingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 151
- Anschwingen und stationäre Schwingung .................. 151
9.3 RC-Oszillator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 152
9.4 Rechteckgeneratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 156
9.5 Funktionsgenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 159
9.6 Spannungsgesteuerte Oszillatoren VCO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 162
9.7 Phase-Locked-Loop PLL ....................... . . . . . . .. 167
- Spannungsgesteuerter Oszillator VCO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 168
- Phasendetektor ................................... 168
- Tiefpaß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1 70
9.8 Vertiefung und übung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 172
10 Gleichrichtung ........................................ 174
10.1 Mischspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 174
10.2 Gleichrichterschaltungen im Leerlaufbetrieb .................. 178
- Mittelpunktschaltungen M1, M2, M3 ..................... 178
- Brückenschaltungen B2, B6 ........................... 179
10.3 Spannungsglättung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 183
10.4 Stromglättung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 187
10.5 Berechnungsgrundlagen für Leistungsgleichrichter mit Stromglättung .. 189
- Sekundärspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 189
- Sekundärstrom. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 190
- Primärstrom ..................................... 192
- Typenleistung des Transformators. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 194
10.6 Vertiefung und übung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 195
11 Leistungssteuerung mit Thyristoren ........................ 197
11.1 Thyristor als steuerbarer Schalter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 197
11.2 Steuersatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 201
11.3 Thermische Eigenschaften von Thyristoren ................... 203
11.4 Triac als bidirektionaler Thyristor ......................... 207
11.5 Thyristor/Triac als phasenanschnittsgesteuerter Wechselstromsteller . .. 210
11.6 Thyristor jTriac als periodengruppengesteuerter Wechselstromschalter .. 214
11.7 Thyristor als gesteuerter Gleichrichter ...................... 216
- Rein ohmsche Last. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 216