Erwin Böhmer

Elemente der angewandten Elektronik

Kompendium für Ausbildung und Beruf

7., überarbeitete Auflage

Mit 540 Bildern und einem umfangreichen Bauteile-Katalog

Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH

I. Auflage 1979 2., neubearbeitete und erweiterte Auflage 1983 3., überarbeitete und erweiterte Auflage 1984 4., überarbeitete und erweiterte Auflage 1986 S., überarbeitete und erweiterte Auflage 1987 6., überarbeitete Auflage 1989 7., überarbeitete Auflage 1990

Vieweg ist ein Unternehmen der Verlagsgruppe Bertelsmann International.

Alle Rechte vorbehalten © Springer Fachmedien Wiesbaden 1990 Ursprünglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig 1990

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Umschlaggestaltung: Hanswemer Klein, Leverkusen Satz: Vieweg, Braunschweig

ISBN 978-3-528-64090-3 ISBN 978-3-322-88820-4 (eBook) DOI 10.1007/978-3-322-88820-4

Vorwort zur ersten Auflage

Die Elektronik ist dUrch die Fortschritte in der Halbleitertechnologie zu einem untiber­schaubar groSen Gebiet technischer Entwicklungen und Anwendungen angewachsen. Jede 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 fUr das ergiinzende Selbststudium, indem es die flir die Schaltungstechnik wichtigsten Bauelemente und Grundschaltungen zusammenfassend darstellt. Es versucht dabei, die schaltungstechni­schen Grundlagen von den Bauelementen her auf breiter Basis zu entwickeln und gleich­zeitig die erforderlichen Berechnungs- und Analyseverfahren anhand zahlreicher Beispiele zu vermitteln.

Die sechzehn Kapitel des Buches sind untergliedert in einzelne etwa gleichgewichtige Ab­schnitte, die aufeinander aufbauen. Sie bestehen in strenger Ordnung aus je einer Text­und einer Bildseite, urn so ein Gro~tma~ an Dbersichtlichkeit zu erreichen. Die zahlrei­chen Bilder enthalten viele konkrete Informationen und sollen auch Zusammenhange auf­zeigen, die in dem knapp gehaltenen Text nicht unmittelbar angesprochen werden.

Ein relativ breiter Raum wird den Bauelementen mit magnetischen Wirkungen zugestan­den, die in der neueren Literatur etwas vemachliissigt werden. Dabei findet auch das elek­tromagnetische Relais Berticksichtigung, das mit seinen mechanisch bewegten Kontakten kein elektronisches Bauelement ist, aber als Koppelglied zwischen elektronischen und anderen Systemen nach wie vor gro~e Bedeutung hat. Schaltungsberechnungen sind stets so angelegt, da~ sie unter Vemachlassigung von Sekundiireffekten mit wenigen Rechenztigen zu einem Nliherungsergebnis fOOren, das den Anforderungen der Praxis oft schon gentigt. Komplizierte Zusammenhiinge werden durch Modelle und physikalische Ersatzbilder moglichst anschaulich dargestellt. Das Kleinsignal­verhalten der Elektronenrohren, unipolaren und bipolaren Transistoren wird vereinfacht durch Zweipolersatzbilder beschrieben, in denen Rtickwirkungen nach dem Miller-Theo­rem erfa~t werden. In entsprechender Weise wird auch der Operationsverstiirker behan­delt.

Das Buch hat eine mehrjiihrige Entwicklung tiber eine Reihe von Studienskripten durch­laufen. Wahrend dieser Zeit ist mir mancherlei Hilfe zuteil geworden, flir die ich hiermit Dank sage. Vor allem 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 Gro~teil 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. Da~ es dennoch, wie mir scheint, eine ansprechende Form gefunden hat, verdanke ich dem Ver­standnis und der Sorgfalt des Verlages, insbesondere den Herren W. Ebert und H.J. Niclas. Mein Dank gebiihrt auch einer Reihe von Firmen, die mir Bildmaterial zur Verfligung gestellt haben, das am Schlu~ 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 umfa£t 20 Kapitel gegenuber bisher 16. Dureh zahlreiche Ergiinzungen und Erweiterungen wurde versueht, das Bueh dem aktuellen Stand der Elektronik anzupassen. Dabei ist auf die Behandlung weitgehend iiberholter Bauelemente wie z.B. Selengleiehriehter, Thyratrons und Ma­gnetkernspeieher verziehtet worden. Das Kapitel uber Rohren wurde wesentlieh gestrafft. 1m iibrigen hat sieh die Zielsetzung des Buehes, wie sie im Vorwort zur ersten Auflage besehrieben wird, nicht geandert.

Ieh danke allen, die mir bei der miihevollen Arbeit geholfen haben, insbesondere dem Kollegen Prof. Dr.-Ing. F. Wittgruber fUr seine Ratschliige zum Kapitel Digitalteehnik und den Herren Dipl.-Ing. H. Otto und Dipl.-Ing. E. Locherbach fUr das Lesen der Korrektur. Herr Otto hat wieder wie zur ersten Auflage zahlreiehe Sehaltungsbeispiele im Laborexperiment erprobt. Frau Andrea Winkel hat die neuen Texte gesehrieben, wofUr ieh ebenfalls danke. Dem Vieweg-Verlag bin ich dankbar fUr die jederzeit vorzugliehe Zusammenarbeit .

Siegen, im Oktober 1982 Erwin Bohmer

Vorwort zur dritten Auflage In der dritten Auflage erseheint das Bueh mit einem zusiitzliehen 21. Kapitel iiber ausgewiihlte integrierte Bausteine. Die Auswahl besehrankt sieh auf einige in der Praxis bewiihrte Bausteine, die als Massen­fabrikate jedem Anwender preisgiinstig zur VerfUgung stehen. Sie werden vorgestellt und beschrieben mit typischen Anwendungen.

Beim Erarbeiten des Materials hat mieh Herr Dipl.-Ing. H. Otto unterstiitzt, und Herr Dipl.-Ing. E. Locher­bach half beim Korrekturlesen, wofiir ieh mich bedanke. Frau Andrea Winkel danke ieh wieder fUr das Schreiben der Texte und dem Verlag Vieweg fUr die jederzeit problemlose lusammenarbeit.

Siegen, im April 1984 Erwin Bohmer

Vorwort zur vierten Auflage Die vierte Auflage des Buehes erscheint mit einem auf den Anhang folgenden Katalogteil, in dem tabel­lariseh die wesen tlichen Eigensehaften zahlreicher Bauelemente dargestell t werden. Die miihevolle Schreibarbeit dazu hat wieder Frau Andrea Winkel-Arndt iibernommen, die leichnungen fertigte Herr Aribert Biingers an.

Siegen, im Mai 1986 Erwin Biihmer

Vorwort zur funften Auflage Zur fiinften Auflage wurde der die Digitaltechnik betreffende Teil des Buches liberarbeitet und der Bauteile-Katalog entspreehend ergiinzt. Dabei hat mieh Herr Dr .-Ing. E. Locherbach unterstiitzt. der seine reiche praktische Erfahrung auf diesem Gebiet mit in die Neufassung einbraehte. Dafur bedanke ich mich.

Siegen, im Mai 1987 Erwin Bohmer

Vorwort zur sechsten Auflage lur seehsten Auflage wurden wieder zahlreiehe Verbesserungen und Ergiinzungen vorgenommen. Dabei entstand eine vollstiindige Neufassung fiiI das Kapitel 14 uber Sinusoszillatoren. Die Kapi tel 4 und 10 uber Rohrenbauteile wurden aktualisiert, wobei mieh der Kollege Prof. Dr. W. Helmbold beraten hat.

Siegen, im November 1988 Erwin Bohmer

Vorwort zur siebenten Auflage lur siebenten Auflage wurden das Kapitel iiber Operationsverstiirker und die Ergiinzungen im Kapitel 21 neu bearbeitet, wozu mir der Kollege Prof. Dr.-Ing. Dietmar Ehrhardt wertvolle Hinweise gab. Frau Petra Schoppner schrieb die neuen Texte und fertigte aueh die leiehnungen an, wofiir ich ihr besonders danke.

Siegen, im April 1990 Erwin Bohmer

IV

Inhaltsverzeichnis

Einfiihrung

1 Elektrische Leitung und Widerstande

1.1 Elektrische Leitungen, Grundbegriffe ...................... . 1.2 Elektrische Widerstande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 1.4 1.5

Obliche Baufonnen der Widerstiinde ....................... . Stellbare Widerstiinde ................................ . Widerstandsnetzwerke, passive und aktive Zweipole

2 Homogene Halbleiterbauelemente

2.1 Grundbegriffe der Halbleiter ............................ . 2.2 Heilileiter und mellltechnische Anwendung .................. . 2.3 Anla1llheilileiter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Keramische Kaltleiter ................................ . 2.5 Varistoren ........................................ . 2.6 Feldplatten ....................................... . 2.7 Fotowiderstiinde ................................... . 2.8 Hallgeneratoren .................................... .

3 Halbleiterdioden

2 4 6 8

10

12 14 16 18 20 22 24 26

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 Vakuum- und Gasdioden (Rohrendioden)

4.1 Funktion und Arten der Rohrendioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 38 4.2 Gasdioden als Lampen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 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 ImpulsUbertragung durch RC·Glieder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 58 6.6 Spannungsgliittung mit Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 60 6.7 Siebschaltung fUr Gleichrichter ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 62

7 Spulen und Schwingkreise

7.1 Spulen, Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 64 7.2 Spulenkenngrolllen und Schaltvorgange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 66 7.3 Drosselspulen mit Eisenkern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 68

v

7.4 Ferritkernspulen ................................... " 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 Verlustfreie Spulensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 82 8.2 Transformatoren als Obertrager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 84 8.3 Aufbau und Berechnung von Obertragern " . . . . . . . . . . . . . . . . .. 86 8.4 ImpulsUbertrager .................................... 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 Tetroden und Pentoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 102 10.3 Fotozellen und Fotovervielfacher ......................... 104 10.4 Bildverstarker, Bildwandler und Bildaufnahmerohren ............ 106

11 Feldeffekt-Transistoren

11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8 11.9 11.10 11.11 11.12

Aufbau und Wirkungsweise des Sperrschicht-Feldeffekt-Transistors Feldeffekttransistoren, GroB- und Kleinsignalbetrieb ............ . Feldeffekttransistoren in Konstantstromschaltungen ............ . Sourceschaltung, Grundlagen ........................... . Analyse eines Kleinsignalverstarkers in Sourceschaltung .......... . Drainschaltung (Sourcefolger) ........................... . Gateschaltung ..................................... . Feldeffekttransistoren mit isolierter Gate-Elektrode ............ . MOSFET-Tetroden (Doppelgate-MOSFETs) ................. . Integrierte MOS-Schaltungen ........................... . Analogschalter und -multiplexer ......................... . Grenzwerte und Kennwerte von Feldeffekttransistoren .......... .

12 Bipolare Transistoren

VI

12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 12.7 12.8 12.9 12.10

Aufbau und Wirkungsweise ............................. . GroBsignalverhalten des Bipolar-Transistors .................. . Emitterschaltung als Kleinsignalverstarker ................... . Hochfrequenzverhalten der Emitterschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . h-Parameter und y-Parameter ........................... . Temperaturabhangigkeit und Reststromverhalten .............. . Schaltbetrieb des Bipolar-Transistors ...................... . Gleichstromverhalten irn aktiven Betrieb .................... . Kleinsignalverstarker mit Parallelgegenkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . Emitterschaltung mit Reihengegenkopplung ................. .

108 110 112 114 116 118 120 122 124 126 128 130

132 134 136 138 140 142 144 146 148 150

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 Unearer invertierender Verstarker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 162 13.3 Linearer nichtinvertierender Verstarker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 164 13.4 Eingangsverhalten des realen Verstarkers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 166 13.5 Ausgangsverhalten des realen Verstarkers .................... 168 13.6 Frequenzgang und Stabilitat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 170 13 .7 Differenzierschaltungen................................ 172 13.8 Integrierschaltungen.................................. 174 13.9 Aktive RC-Filter zweiter und hi:iherer Ordnung ................ 176 13.10 MeBgleichrichter........ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 178 13.11 Steuerbare Stromquellen ...... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 180 13.12 Spannungsquellen.................................... 182

14 Sinusoszillatoren

14.1 Wien-Briicken Oszillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 184 14.2 LC-Oszillatoren mit der Basisschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 186 14.3 LC-Oszillatoren mit der Emitterschaltung .................. " 188

15 Kippschaltungen

15.1 Kippschaltungen mit Operationsverstiirkern (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 16.5 16.6 16.7 16.8 16.9 16.10 16.11 16.12 16.13 16.14 16.15 16.16

Grundschaltungen der TTL-Technik ....................... . Schottky- und ECL-Schaltungen ......................... . CMOS-Logikschaltungen .............................. . Kippschaltungen mit NOR- und NAND-Gattern ............... . Einfache Flip-Flops mit Taktsteuerung ..................... . Master-Slave-Flip-Flops (MS-Flip-Flops) .................... . Register ......................................... . Frequenzteiler (Untersetzer) und Ziihlschaltungen ............. . Zahler .......................................... . Vergleicher (Komparatoren) ............................ . Multiplexer und Demultiplexer .......................... . Schreib-Lese-Speicher (RAMs) .......................... . ROMs, PROMs und EPROMs ........................... .

214 216 218 220 222 224 226 228 230 232 234 236 238

VII

17 DA- und AD-Umsetzer

17.1 DA-Umsetzer(DAU) .................................. 240 17.2 Drei Konzepte fiir 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 Optokopplern ................. 250 18.4 Faseroptische Ubertragungsmittel ......................... 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 und IGBTs ..................... 262 19.6 Spannungsquellen mit Leistungstransistoren .................. 264 19.7 Spannungsquellen mit integrierten Spannungsreglern ............. 266 19.8 Schaltsteller und Schaltregler ............................ 268 19.9 Gegentakt-Leistungsverstarker, Grundlagen .................. , 270 19.10 NF·Leistungsverstarker ................................ 272

20 Thyristoren und Triacs

20.1 Leistungsthyristoren, Grundbegriffe und Funktionsweise . . . . . . . . .. 274 20.2 Ansteuerschaltungen fiir 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 fiir Wechselstromlast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 286

21 Ausgewahlte Bausteine und Schaltungen

21.1 21.2 21.3 21.4 21.5 21.6 21.7 21.8 21.9 21.10 21.11

Standard-Operationsverstarker TAA 765 und LM 741 288 Mehrfachverstarker und ihre Anwendung .................... 290 Prazisions-Operationsverstarker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 292 Fensterdiskriminator TCA 965 als vielseitiger Schwellwertschalter . . .. 294 Pulsbreitenmodular 3524 als Schaltsteller und Schaltregler . . . . . . . .. 296 Timer/Counter 2240 als universeller Multivibrator ........... 298 Funktionsgenerator 8038 als Rechteck-Dreieck· und Sinusozillator ... 300 Begrenzer, Amplitudenfilter und Funktionsgeber .............. , 302 Logarithmierschaltungen .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 304 Multiplizierbaustein AD 534 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 306 Filterbaustein HY 3105 als Universalfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 308

Formelzeichen ............................................ 310

Anhang (Tabellen, Diagramme, Formeln) ..................... , 311

Bauteile-Katalog

Literaturverzeichnis

Quellenverzeichnis

327

382

388

Sachwortverzeichnis ....................................... , 389

VIII