Elektronik: Lehr- und Arbeitsbuch Einführung in Analogtechnik Digitaltechnik Leistungselektronik Speicherprogrammierbare Steuerungen

386 Pages·1983·9.77 MB·German

by  Dieter Zastrow (auth.)

Dieter Zastrow
Elektronik
Lehr- und Arbeitsbuch
Einfiihrung in
Analogtechnik
Digitaltechnik
Leistungselektroni k
Speich erprogram m ie rbare St eu e ru ngen
Dieter Zastrow
Elektronik
Lehr- und Arbeitsbuch
Einfuhrung in
Analogtechnik
Digitaltechnik
Leistungselektronik
Speicherprogrammierbare Steuerungen
Mit 463 Abbildungen, 93 Lehrbeispielen
und 162 Obungen mit ausfuhrlichen Losungen
Friedr. Vieweg &,Sohn Braunschweig I Wiesbaden
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Zastrow, Dieter:
Elektronik: Lehr- u. Arbeitsbuch; Einf. in
Analogtechnik, Digitaltechnik, Leistungselektroni k,
speicherprogrammierbare Steuerungen / Dieter
Zastrow. - Braunschweig; Wiesbaden: Vieweg, 1983.
(Viewegs Fachbiicher der Technik)
ISBN-13: 978-3-528-04210-3 e-ISBN-13: 978-3-322-85551-0
001: 10.1007/978-3-322-85551-0
Aile Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig 1983
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Eigentums entschieden werden. Das gilt fUr die Vervielfaltigung durch aile Verfahren, einschlie&lich
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Medien. Dieser Vermerk umfa&t nicht die in den §§ 53 und 54 URG ausdrUcklich erwahnten
Ausnahmen.
Satz: Vieweg Braunschweig
Umschlagsgestaltung: Hanswerner Klein, Leverkusen
ISBN-13: 978-3-528-04210-3
v
Vorwort
Das vorliegende Lehr- und Arbeitsbuch vermittelt die Grundlagen der Elektronik, wie sie
heute im Rahmen einer Elektrotechnikerausbildung in den Schwerpunkten Datenelektro
nik, Energieelektronik und Nachrichtenelektronik erforderlich sind.
In einem aufbauenden Lehrgang wird der Lehrstoff - nach grundlegenden Aufgaben
stellungen der Elektronik gegliedert-dargestellt. Die Darbietung des Lehrstoffs orientiert
sich am Niveau von Technikerschulen. Elektronische Vorkenntnisse sind nicht erforder
lich, jedoch soli ten solide Kenntnisse der Grundlagen der Elektrotechni k vorhanden sein.
Das unterrichtsbegleitende Lehr- und Arbeitsbuch Elektronik sichert ein kontrolliertes,
zielgerichtetes Lernen durch einen bereits bewahrten Buchaufbau: Jedes Kapitel beginnt
mit einer Aufzahlung der erforderlichen Vorkenntnisse, gefolgt von einer knappen Stoff
darstellung. Besonderer Wert wird auf die Eigentatigkeit der Lernenden gelegt, denn ca.
40 % des Buchumfangs entfallen auf Beispiele und Obungen sowie deren ausfiihrliche
Losungen im Anhang. An den Kapitelenden ist ein Memory angeordnet, es enthalt das
geforderte Grundwissen.
Der Lehrstoff stellt eine unterrichtserprobte Einfiihrung in die Industrieelektronik mit
ihren Schwerpunkten Analogelektronik, Leistungselektronik und digitale Steuerungs
technik dar. Einige einleitende Bemerkungen zum Lehrstoff mogen dem Leser die Orien
tierung im weiten Feld der Elektronik erleichtern helfen:
Kapitel1-4
Die Einfiihrung in die Elektronik beginnt mit einer meBtechnisch orientierten Darstellung
der Stromleitungsvorgange in Halbleitern sowie der Beschreibung der beiden wesentl ichen
Halbleiterstrukturen, die man als Sperrschicht und Kanal bezeichnet. Am Beispiel der
Halbleiterdiode werden dann die Probleme der nichtlinearen I-U-Kennlinien behandelt
und deren Auswirkungen in Begrenzerschaltungen aufgezeigt. Mit dem Entwurf einfacher
Konstantspannungs- und Konstantstromquellen schlieBt die erste Kontaktaufnahme mit
der Elektronik abo
Kapitel5-9
Die Kapitel iiber Analogelektronik umfassen die wichtigsten Arten der analogen Informa
tionsverarbeitung, wie sie in der analogen MeB- und Regelungstechnik zur Anwendung
kommen. 1m Mittelpunkt steht der Verstarker, der jedoch zusatzlich zu seiner signal
verstarkenden Eigenschaft spezielle Funktionen der Signalverkniipfung, -umwandlung
oder -erzeugung annehmen kann. Am Beispiel des T ransistorverstarkers wird gezeigt,
wie der Effekt der Signalverstarkung erreicht wird und wie ein Elementarverstarker
arbeitet.
VI Vorwort
Es gibt nur wenige Grundlagen, die den Aufbau elektronischer Analogschaltungen bestim
men und dazu zahlt das Prinzip der SignalrUckkopplung yom Verstarkerausgang auf den
Verstarkereingang. In ausfUhrlicher Weise wird die Anwendung dieses Prinzips in der
Form der Gegenkopplung und Mitkopplung am Beispiel des Operationsverstarkers darge
stellt
Kapitel10-12
1m Schwerpunkt Leistungselektronik wird gezeigt, wie yom Netz angebotene elektrische
Energie zuverlassig und wirtschaftlich in die jeweils yom Anwender benotigte Form
umgewandelt wird. Die dazu erforderlichen Grundfunktionen der leistungselektronischen
Betriebsmittel wie Stellen, Schalten, Gleichrichten und Gleichrichten mit Stellen werden
ausfUhrlich behandelt. Ein eigenes Kapitel ist fUr die Aufgaben und Wirkungsweise der
Spannungsregler und Schaltregler aus der Netzteiltechnik vorgesehen.
Kapitel 13-15
Die Einbeziehung der digitalen Steuerungstechnik und hier besonders der speicher
programmierbaren Steuerungen in den Lehrstoff stellt einerseits eine Abgrenzung gegen
Uber der digitalen Datenverarbeitung (Nachrichtenverarbeitung) mit ihren deutlich anderen
Schwerpunkten wie Programmiersprachen, Mikroprozessor, EDV-Anlagen dar und be
deutet andererseits ein Nachziehen auf den in der Industrieelektronik vollzogenen Wandel.
Eine gemeinsame Abhandlung von analogen und digitalen Schaltungskonzepten ist nicht
zuletzt durch die vielfaltigen In terfaceprobleme der Elektroni k erforderl ich geworden,
die erst durch den Einsatz von Schmitt-Triggern, Optokopplern, DA- und AD-Umsetzern
usw. gelost werden konnen.
Verfasser und Verlag waren bemUht, ein Schulbuch fUr einen anwendungsorientierten
Elektronikunterricht auf mittlerem Niveau vorzulegen und dabei die Verwendbarkeit
des Lehrwerks fUr ein erganzendes Selbststudium zu sichern.
Gerne statte ich den Mitarbeitern des Verlags Vieweg fUr ihr verstandnisvolles Eingehen
auf meine Vorstellungen sowie fUr die sorgfaltige AusfUhrung des Buches und die gute
Zusammenarbeit meinen herzlichen Dank abo
Dieter Zastrow
Ellerstadt, Oktober 1982
VII
Arbeitshinweise zu diesem Buch
Wie lernt man einen neuen Lehrstoff?
Aktivitat Lernen, urn etwas verstehen und begreifen zu konnen, erfordert eine
Aktivitiit der Person.
Aktivitat ist notwendig, urn die Schwierigkeiten, die sogenannten
Lernwiderstiinde, zu uberwinden.
Lerntechnik Der Unterricht ist die erste Hilfestellung beim Lernen.
ErfahrungsgemaB kann aber der Lehrstoff bei diesem LernprozeB
nicht so aufgenommen werden, daB sich eine Nacharbeit erubrigt.
Dabei hilft Ihnen das Lehrbuch.
Einige Regeln haben sich fur das Arbeiten mit dem Buch bewahrt:
Unterstreichen Sie wichtige Begriffe.
Erfinden Sie Oberschriften fur kleinere Textabschnitte.
Lesen Sie den Lehrbuchtext eines Abschnitts nach dem Durch
arbeiten des Beispiels noch einmal.
Spuren Sie schein bare Unstimmigkeiten zwischen Erklarungen
von Unterricht und Lehrbuch auf und entwickeln Sie daraus
Fragestellungen.
Beginnen Sie mit der Ausarbeitung eines eigenen schriftl ichen
Konzepts, wobei die Unterrichtsergebnisse als Leitfaden dienen.
Versuchen Sie das Wesentliche mit noch weniger Worten darzu
stellen. Skizzen und Stichworte genugen oftmals, wenn man einen
Stoff verstanden hat.
Am unglucklichsten 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 zu diesem Buch
Wie hilft Ihnen dieses Lehr- und Arbeitsbuch beim Lernen?
Vorkenntnisse Die Kapitel beginnen mit einer knappen Aufzahlung der erforder
lichen Vorkenntnisse, so dag Sie Kenntnislucken durch Nachschlagen
gezielt schliegen konnen.
Lehrstoff Oer Lehrstoff ist methodisch aufbereitet und in Form eines Lehr
gangs dargestellt. O. h. uber die reine Faktenvermittlung hinaus wird
Ihnen auch das in der analogen und digitalen Elektronik typische
Oenken vermittelt, damit sich ein Verstandnis fur e!ektronische
Zusammenhange bilden kann. Aile wichtigen Fachbegriffe sind da,
wo sie definiert oder sonst erlautert werden, kursiv gedruckt.
Beispiele Oa bekannt ist, dag elektronische Vorgange, die man berechnen und
messen kann, besser verstanden werden als jene, die nur in ihrer
Wirkungsweise beschrieben werden, wird der Lehrstoff besonders
durch Rechenbeispie!e und Schaltungsbeispiele mit Oszillogrammen
veranschaulicht.
Aufgabentyp Ob Sie einen echten Lernfortschritt gemacht haben, konnen Sie bei
der selbstandigen Losung der vorhandenen Obungsaufgaben fest
stellen. Oabei bedeuten die Zeichen:
.... Obungen, deren Besonderheit eine U:isungsleitlinie ist.
Obungen, die den typischen Prufungsaufgaben entsprechen.
,6
• Obungen, die das Verstandnis fur Begriffe, Zusammenhange und
Modell vorstell ungen fOrdern.
Losungen Zum Zwecke der Lernkontrolle befindet sich zu allen Aufgaben ein
vo!!standiger Losungsweg im Anhang des Buches. Suchen Sie noch
andere Losungswege. Oer Wert der Obungen steigt mit der Anzahl
der erreichten Losungsmoglichkeiten.
Memory An den Kapitelenden ist ein Memory angeordnet. Es enthalt das von
Ihnen geforderte Grundwissen.
IX
Inhaltsverzeichnis
Arbeitshinweise zu diesem Buch ............................. " VII
Schreibweise von Formelzeichen .............................. XIV
1 Widerstandsverhalten von Halbleitern ....................... .
1.1 Stromleitungsmechanismus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Widerstandsverhalten der HeilSleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Widerstandsverhalten der Sperrschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
- Spannungssteuerung einer Sperrschicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
- Lichtsteuerung einer Sperrschicht ....... . . . . . . . . . . . . . . .. 10
1.4 Widerstandsverhalten von Halbleiter-Kanalen . . . . . . . . . . . . . . . . .. 12
1.5 Vertiefung und Obung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 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 Obung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 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 Obung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 33
4 Stromstabilisierung...................................... 35
4.1 Prinzip der Stromstabil isierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 35
4.2 Feldeffekttransistor J-FET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 37
4.3 Analyse der Stabilisierungs-Grundschaltung .............. : . . .. 39
4.4 Vertiefung und Obung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 42
5 Signalverstarkung mit Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 44
5.1 Elektrische Signale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 44
5.2 Verstarkungsprinzip. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 46
5.3 Transistor als Verstarkerelement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 49
- Schichtenaufbau, Bezeichnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 49
- Transistoreffekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 49
Zahlpfeile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 50
Verstarkung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 50
Stromquellencharakter .............................. 51
X In haltsverzeichnis
5.4 Stromsteuerung des Transistors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 52
5.5 Spannungssteuerung des Transistors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 54
5.6 Oberlagerung, Signalankopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 56
5.7 Arbeitswiderstand und Spannungsverstarkung ... . . . . . . . . . . . . .. 58
5.8 Signalauskopplu ng, belastete Verstarkerstufe . . . . . . . . . . . . . . . . .. 64
5.9 Arbeitspunktstabil isierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.10 Vertiefung und Obung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 69
6 Beeinflussung der Verstarkereigenschaften durch Gegenkopplung
bei Operationsverstarkern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 71
6.1 Operationsverstarker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 71
- Stromversorgung und Arbeitspunkteinstellung . . . . . . . . . . . . . .. 71
- Signal-Ersatzschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 72
6.2 Prinzip der Gegenkopplung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 75
6.3 Nichtinvertierender Verstarker ................... . . . . . . .. 77
6.4 Invertierender Verstarker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 80
6.5 Spannungsausgang, Stromausgang ............... . . . . . . . . .. 82
6.6 Spannungseingang, Stromeingang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 86
6.7 Frequenzgang. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 89
6.8 Nichtlineare Verzerrungen .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 93
6.9 Vertiefung und Obung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 95
7 Verstarkerbeschaltung fi.ir Analog-Funktionen ................ 98
7.1 Addieren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 98
7.2 Subtrahieren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 100
7.3 Integrieren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 105
7.4 Mittelwertbilden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 109
7.5 Multipl izieren ...................................... 113
AnschlulSbelegung eines Multiplizierers . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 114
- Einstellen der Verstarkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 114
- Abgleich des Nullpunktes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 115
7.6 Vertiefung und Obung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 117
8 Schalten analoger und binarer Signale ...................... 120
8.1 Widerstandsverhalten und Aufgaben der Schalter ..... . . . . . . . . .. 120
8.2 Binarinverter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 122
TTL . .......................................... 124
- CMOS ......................................... 126
- Interface-Schaltungen ......... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 127
8.3 Analogschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 131
8.4 Schwellwertschalter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 134
- Komparator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 134
- Schmitt-Trigger ......... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 135
8.5 Leistungsschalter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 137
8.6 Vertiefung und Obung ........... , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 140
Inhaltsverzeichnis XI
9 Schwingungserzeugung .................................. 143
9.1 Mitkopplung ....................................... 143
Ungedampfte Schwingung ............................ 143
Gedampfte Schwingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 144
Entdampfte Schwingung ................... . . . . . . . . .. 146
Anschwingung und stationare Schwingung. . . . . . . . . . . . . . . . .. 148
9.2 LC-Oszillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 149
- Arbeitspunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 149
- Oszillogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 150
Phasenbedingung .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 150
- Amplitudenbedingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 151
- Anschwingen und stationare Schwingung .................. 151
9.3 RC-Oszillator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 152
9.4 Rechteckgeneratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 156
9.5 Funktionsgenerator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 159
9.6 Spannungsgesteuerte Oszil,latoren VCO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 162
9.7 Phase-Locked-LoopPLL ............................... 167
Spannungsgesteuerter Oszillator VCO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 168
- Phasendetektor ................................... 168
- TiefpafS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1 70
9.8 Vertiefung und Obung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 172
10 Gleichrichtung ........................................ 174
10.1 Mischspannung...................................... 174
10.2 Gleichrichterschaltungen im Leerlaufbetrieb ........ . . . . . . . . .. 178
- Mittelpunktschaltungen M1, M2, M3 ..................... 178
- Bruckenschaltungen B2, B6 ........................... 179
10.3 Spannungsglattung................................... 183
10.4 Stromglattung...................................... 1 87
10.5 Berechnungsgrundlagen fur Leistungsgleichrichter mit Stromglattung .. 189
Sekundarspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 189
- Sekundarstrom. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 190
- Primarstrom ..................................... 192
- Typenleistung des Transformators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 194
10.6 Vertiefung und Obung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 195
11 Leistungssteuerung mit Thyristoren ........................ 197
11.1 Thyristor als steuerbarer Schalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 197
11.2 Steuersatz......................................... 201
11.3 Strombelastbarkeit von Thyristoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 203
11.4 Triac als bidirektionaler Thyristor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 207
11.5 Thyristor/Triac als phasenanschnittsgesteuerter Wechselstromsteller . .. 210
11.6 Thyristor/Triac als periodengruppengesteuerter Wechselstromschalter .. 214
11.7 Thyristor als gesteuerter Gleichrichter ...................... 216
- Rein ohmsche Last. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 216