Herbert Bernstein Handbuch der praktischen Elektronik · 4.4.3 Reihenschaltung von Widerstand und Spule ... 4.6.4 Berechnung eines Transformators ... 5.3.5 T- und š-Filter

Herbert Bernstein

Das Universalwerkzeug zum praxisnahen Einstieg in die Elektronik per Simulation am PC

Handbuchder praktischen

ElektronikBAND 1

© 2003 Franzis’ Verlag GmbH, 85586 Poing

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Satz: Photosatz Pfeifer, 82166 GräfelfingDruck: Bercker, 47623 KevelaerPrinted in Germany

ISBN 3-7723-4294-9

Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek

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Vorwort zum Band 1

Die analoge, digitale und gemischte Schaltungssimulation gehört zu den wichtigstenund jüngsten Gebieten, mit denen sich der Elektroniker erst seit 1990 beschäftigenkann. Während dieser sehr kurzen Zeit wurden die mathematischen Grundlagen inVerbindung mit den Anforderungen aus den Grundlagen der Elektrotechnik bzw.Elektronik immer präziser erfaßt und stellt heute kein kompliziertes Gebilde mehr dar.

Die beiden Bände sind eine Auswahl meiner langjährigen Lehrerfahrung am Elektro-nik-Zentrum München, Haus Metallischer Handwerke, Technikerschule in München,bei der Telekom und Eisenbahnerfachschule.

Die Simulationssoftware »Electronics Workbench« wurde 1989 speziell nach dentechnischen und ergonomischen Anforderungen des Kultusministeriums in Ontario/Canada entwickelt.

Die Zeichnungen fertigte meine Frau Brigitte an, die auch das Manuskript vor demLektorat in lesbare Form brachte. Der Autor wünscht viel Spaß und guten Erfolgallen, die sich in die Thematik der analogen Simulation einarbeiten wollen und müs-sen. Für Anregungen und Verbesserungsvorschläge bin ich immer dankbar.

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Inhalt

Inhalt - Teil I

1 Einführung in die Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.1 PC-unterstützte Elektronikentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.1.1 Simulation und Modellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.1.2 Mathematische Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.1.3 Berechnungsverfahren zur Schaltkreissimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.1.4 Modifizierte Knotenformulierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.1.5 Tableau-Formulierung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221.1.6 Gaußscher Algorithmus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241.1.7 Sparse-Matrix-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251.1.8 Makro-Konzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.1.9 Partieller Vertauschungsalgorithmus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291.1.10 Iterationsschritte während einer Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301.2 Simulation elektronischer Bauelemente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311.2.1 Passive Bauelemente für die Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321.2.2 Simulation von Kondensatoren und Spulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351.2.3 Integrationsverfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371.2.4 Nichtlinearitäten in der Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391.2.5 Analyse-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411.2.6 Grenzwert-Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431.2.7 Parameterextraktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451.3 Arbeiten mit Electronics Workbench . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471.3.1 Konstruktion einer einfachen Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481.3.2 Verbindungslinien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511.3.3 Verbindungspunkt (Knotenpunkt) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

2 Spannung, Strom und Widerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532.1 Spannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532.1.1 Simulierte Quellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552.1.2 Gesteuerte Spannungs- und Stromquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562.1.3 Funktionsgenerator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582.1.4 Oszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 632.1.5 Simuliertes Oszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 662.1.6 Meßanordnung und einfache Meßübungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 692.2 Widerstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 702.2.1 Leiterwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 722.2.2 Eigenschaften von Widerständen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 742.2.3 Bauarten von Widerständen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 762.2.4 Aufbau einer simulierten Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 802.2.5 Reihenschaltung von Widerständen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 832.2.6 Parallelschaltung von Widerständen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 852.2.7 Gemischte Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 862.2.8 Potentiometer und Einsteller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 882.2.9 Spannungsteiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

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Inhalt VII

2.2.10 Brückenschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 942.3 Ohmsches Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 962.3.1 Vorwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 972.3.2 Kenngrößen von Spannungsquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 982.3.3 Spannungs-, Strom- und Leistungsanpassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1012.3.4 1 1. Kirchhoffscher Satz (Knotenpunktregel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1022.3.5 2 2. Kirchhoffscher Satz (Maschenregel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1032.3.6 Reihen- und Parallelschaltung von Spannungsquellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1042.4 Meßschaltungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1072.4.1 Meßbereichserweiterung bei Spannungsmessern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1082.4.2 Meßbereichserweiterung bei Strommessern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1092.4.3 Widerstandsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1102.4.4 Messungen an Spannungsteilern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1142.4.5 Dezibel-Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1162.4.6 Messungen von Spannungsfällen an Leitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1172.4.7 Messung von Gleich- und Wechselspannung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1192.4.8 Oszillografische Spannungs- und Frequenzmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1202.4.9 Frequenzmessung mit Lissajous-Figuren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1212.4.10 Strom-Spannung-Kennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

3 Kondensator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1253.1 Physikalische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1263.1.1 Elektrisches Feld. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1283.1.2 Kondensatoren an Gleichspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1293.1.3 Aufbau von Festkondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1323.1.4 Aufbau von Kunststoffkondensatoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1353.1.5 Elektrolytkondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1363.1.6 Veränderbare Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1383.2 Kondensator an Rechteckspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1403.2.1 Vorgänge am RC-Glied. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1403.2.2 RC-Glied an symmetrischer Rechteckspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1413.2.3 Integrierglied an unsymmetrischer Rechteckspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1443.2.4 Differenzierglied . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1453.2.5 Nadelimpulsgenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1473.2.6 KO-Tastkopf mit frequenzkompensiertem Spannungsteiler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1483.3 Kondensator an Wechselspannung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1513.3.1 Kapazitätsmessung durch Strom und Spannung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1523.3.2 Kapazitätsmessung durch Spannungsvergleich. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1533.3.3 Parallelschaltung von Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1543.3.4 Reihenschaltung von Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1553.3.5 Kapazitive Blindleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1573.3.6 Wirkleistung und Phasenverschiebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1593.3.7 Phasenmessung mittels Lissajous-Figur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1613.3.8 Reihenschaltung von Kondensator und Widerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1623.3.9 Parallelschaltung von Kondensator und Widerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1643.4 Filterschaltungen mit Widerständen und Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1653.4.1 RC-Tiefpaß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1653.4.2 Arbeiten mit dem Bode-Plotter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1683.4.3 RC-Hochpaß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

4 Spulen, Transformatoren, Relais und Lautsprecher. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1714.1 Physikalische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1714.1.1 Magnetischer Fluß und magnetische Feldstärke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1724.1.2 Magnetische Feldstärke und magnetische Flußdichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1734.1.3 Hysterese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1754.1.4 Permeabilität. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1784.1.5 Magnetische Kernformgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1814.1.6 Definitionsgrößen im Kleinsignalbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1824.1.7 Bestimmungsgrößen im Leistungsbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1844.1.8 Einfluß der Temperatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1864.1.9 Desakkomodation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1874.1.10 Magnetischer Widerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1884.1.11 Kräfte und Energie im Magnetfeld. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1894.2 Aufbau und Wirkungsweise von Spulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1914.2.1 Luftspulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1914.2.2 Spulen mit magnetisierbarem Kern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1924.2.3 Blechkerne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1944.2.4 Ferritkerne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1964.2.5 Ferritkerne mit und ohne Luftspalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1974.2.6 Kerne für Filteranwendungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1994.2.7 Realisierung einer Spule für eine Leiterplatte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2014.2.8 Verarbeitungshinweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2034.2.9 PM-Kerne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2054.2.10 P-Kerne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2064.2.11 E-Kerne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2084.3 Spule an Gleichstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2134.3.1 Messung einer idealen Spule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2134.3.2 Spule an Rechteckspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2164.3.3 Reihenschaltung von Spulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2184.3.4 Parallelschaltung von Spulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2184.4 Spule im Wechselstromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2194.4.1 Messung einer idealen Spule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2194.4.2 Messung einer realen Spule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2204.4.3 Reihenschaltung von Widerstand und Spule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2214.4.4 Phasenverschiebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2234.4.5 Parallelschaltung von Widerstand und Spule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2244.5 Filterschaltungen mit Widerstand und Spule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2254.5.1 RL-Tiefpaß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2254.5.2 RL-Hochpaß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2264.6 Transformatoren und Übertrager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2274.6.1 Funktionsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2284.6.2 Kleintransformatoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2304.6.3 Simulation eines idealen Transformators. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2324.6.4 Berechnung eines Transformators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2344.6.5 Innenwiderstand eines Transformators. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2374.6.6 Kopplung mit Übertragern und Transformatoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2384.7 Relais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2404.7.1 Aufbau eines Relais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2404.7.2 Simuliertes Relais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2424.8 Lautsprecher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244

InhaltVIII

Inhalt IX

4.8.1 Aufbau eines Lautsprechers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2444.8.2 Simulation eines Lautsprechers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245

5 Zusammengesetzte Wechselstromkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2475.1 Reihen- und Parallelschaltung von Widerstand, Kondensator und Spule . . . . . . . . 2475.1.1 Reihenschaltung von R, C und L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2475.1.2 Simulation einer RCL-Reihenschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2495.1.3 Parallelschaltung von R, C und L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2515.1.4 Simulation einer RCL-Parallelschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2525.1.5 Leistung im Wechselstromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2535.1.6 Kompensationsschaltung für den Einphasenbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2555.2 Schwingkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2585.2.1 Simulation eines idealen Reihenschwingkreises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2605.2.2 Simulation eines idealen Parallelschwingkreises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2615.2.3 Realer Schwingkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2625.2.4 Güte und Bandbreite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2655.2.5 Simulation realer Widerstände. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2675.2.6 Simulation eines realen Kondensators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2695.2.7 Simulation einer realen Spule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2725.3 Filterschaltungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2745.3.1 CL-Bandpaß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2745.3.2 CL-Bandsperre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2765.3.3 Kritische Bandfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2775.3.4 Einfache LC- und CL-Glieder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2795.3.5 T- und š-Filter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2815.3.6 m-Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2835.4 Phasenschieber. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2865.4.1 RC-Tiefpaß-Phasenkette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2865.4.2 RC-Hochpaß-Phasenkette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2885.4.3 RC-Bandpaß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2895.4.4 RC-Bandsperre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2905.4.5 Phasenschieberbrücke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2915.5 Bandfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2925.5.1 Induktive Kopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2935.5.2 Kapazitive Kopfpunktkopplung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2945.5.3 Kapazitive Fußpunktkopplung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

6 Arbeiten mit Elektronik Workbench . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2976.1 Bauteilbibliotheken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2986.1.1 Spannungs- und Stromquellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2996.1.2 Meßinstrumente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3016.1.3 Eigenschaften der Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3046.1.4 Oszilloskop und Durchführen einer Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3086.1.5 Konvergenzprobleme und Analysefehler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3136.2 Simulation und Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3186.2.1 Analysemethoden mittels Oszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3186.2.2 AC-Frequenzanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3226.2.3 Transientenanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3256.2.4 Fourier-Analyse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3286.2.5 Monte-Carlo-Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330

Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335

X

Inhalt - Teil II

1 Halbleiterphysik und Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.1 Grundlagen der Halbleitertechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.1.1 Eigenschaften von Halbleitermaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.1.2 Leitungsvorgänge in Halbleitern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.1.3 Leitungssysteme innerhalb eines Halbleiters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211.1.4 Störstellenleitung innerhalb eines Halbleiters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251.1.5 Stromfluß in einem Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291.1.6 pn-Zone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311.1.7 Parameter der wichtigsten Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351.2 Aufbau von Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351.2.1 Raumladung und Raumladeschicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361.2.2 pn-Übergang unter verschiedenen äußeren Bedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391.2.3 pn-Übergang in Sperrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401.2.4 pn-Übergang in Durchlaßrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421.2.5 Kennlinien von Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441.2.6 Farbkennzeichnung von Kleinsignaldioden nach JEDEC und Pro-Electron . . . 471.2.7 Montage- und Lötvorschriften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501.2.8 Wärmeableitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511.3 Untersuchung von Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521.3.1 Statische Aufnahme der Kennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521.3.2 Statischer und dynamischer Innenwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551.3.3 Dynamische Aufnahme der Kennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571.3.4 Aufbau von Datenblättern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591.3.5 Begriffserklärungen zu Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 611.4 Simulation von Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 641.4.1 Simulation einer idealen Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 641.4.2 Parameter einer idealen Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 651.4.3 Simulation einer realen Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 671.4.4 Parameter einer realen Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 711.5 Z-Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 731.5.1 Statische Kennlinienaufnahme einer Z-Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 741.5.2 Dynamische Kennlinienaufnahme von Z-Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 771.6 Leuchtdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 791.6.1 Wirkungsweise von Leuchtdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 801.6.2 Aufbau von Leuchtdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 821.6.3 Simulation von Leuchtdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 841.7 Kapazitätsdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 871.7.1 Wirkungsweise von Kapazitätsdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 871.7.2 Frequenzabstimmung mit Kapazitätsdiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

2 Praktische Anwendungen von Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 922.1 Diode als Gleichrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 942.1.1 Einweggleichrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

2.1.2 Leistungshalbierung durch Einweggleichrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 962.1.3 Zweiweggleichrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 972.1.4 Brückengleichrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 992.1.5 Drehstrom-Einweggleichrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1022.1.6 Drehstrom-Brückengleichrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1042.2 Gleichrichterschaltungen mit Ladekondensator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1052.2.1 Einweggleichrichter mit Ladekondensator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1062.2.2 Einweggleichrichter mit Ladekondensator für negative Ausgangsspannung . . . 1102.2.3 Zweiweggleichrichtung mit Ladekondensator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1112.2.4 Brückengleichrichtung mit Ladekondensator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1122.2.5 Brückengleichrichtung mit Ladekondensator und 100-Hz-Zeitbasis . . . . . . . . . 1142.3 Siebschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1152.3.1 RC-Siebschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1162.3.2 LC-Siebschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1182.4 Spannungsvervielfacherschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1202.4.1 Delon- oder Greinacherschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1202.4.2 Villardschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1222.4.3 Kaskadenschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1232.5 Begrenzerschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1242.5.1 Positive Klipperschaltung mit Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1242.5.2 Negative Klipperschaltung mit Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1242.5.3 Bidirektionale Klipperschaltung mit Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1262.5.4 Positive Klipperschaltung mit Z-Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1272.5.5 Negative Klipperschaltung mit Z-Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1282.5.6 Bidirektionale Klipperschaltung mit Z-Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1282.5.7 Differenzierglied mit Amplitudenbegrenzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1292.6 Elektronische Schalterfunktionen mit Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1312.6.1 Diode als Schalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1312.6.2 Diode als Wechselstromschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1312.6.3 Diodenschalter Typ I und II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1332.6.4 Dioden als Entkopplungselemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1372.6.5 Diodendecodierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1372.6.6 ODER-Gatter in RDL-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1392.6.7 UND-Gatter in RDL-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1412.6.8 Freilaufdiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1422.7 Spannungsstabilisierung mit Z-Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1442.7.1 Simulierte Z-Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1442.7.2 Einfache Spannungsstabilisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1472.7.3 Stabilisierung bei Eingangsschwankungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1492.7.4 Verbesserung der Stabilisierungseigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1502.7.5 Z-Diode zur Unterdrückung von Brummspannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

3 Grundlagen und Grundschaltungen des Transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1543.1 Aufbau, Herstellung und Bezeichnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1553.1.1 Wirkungsweise des npn-Transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1573.1.2 Statische Kennlinienaufnahme eines npn-Transistors in Emitterschaltung . . . . 1603.1.3 Dynamische Kennlinienaufnahme eines npn-Transistors in Emitterschaltung . . 1653.1.4 Untersuchung der Verstärkerwirkung eines npn-Transistors . . . . . . . . . . . . . . . 1693.1.5 Untersuchung der Verstärkerwirkung eines pnp-Transistors . . . . . . . . . . . . . . . 1733.1.6 Emittergrundschaltung eines npn-Transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

XIInhalt

XII

3.1.7 Kollektorgrundschaltung eines npn-Transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1763.1.8 Basisgrundschaltung eines npn-Transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1783.2 Verstärkerschaltungen mit Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1803.2.1 Ruhestromeinstellung für den A-Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1813.2.2 Ruhestromeinstellung für den A-Betrieb mittels Spannungsteiler . . . . . . . . . . . 1833.2.3 Ruhestromeinstellung und Temperaturstabilisierung

mittels Stromgegenkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1843.2.4 Ruhestromeinstellung für den A-Betrieb mittels Spannungsgegenkopplung . . . 1873.3 Kleinsignalverstärkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1893.3.1 Kapazitive Signalkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1893.3.2 Kapazitive Signalkopplung mit wechselstromgegen-

gekoppelter Transistorstufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1923.3.3 Kapazitive Signalkopplung mit spannungsgegengekoppelter Transistorstufe . . 1953.3.4 Transistorstufe mit Bootstrapschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1983.3.5 Zweistufiger Verstärker mit Gleichstromkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2003.3.6 Zweistufiger Verstärker mit komplementären Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . 2013.3.7 Zweistufiger Verstärker mit kapazitiver Kopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2023.3.8 Zweistufiger Verstärker mit gemeinsamer Arbeitspunktstabilisierung . . . . . . . . 2043.3.9 Zweistufiger komplementärer Verstärker mit gemeinsamer

Arbeitspunktstabilisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2043.3.10 Zweistufiger Verstärker mit induktiver Kopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2063.3.11 Zweistufiger Verstärker mit Emitterfolger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2073.3.12 Verstärker in Basisschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2083.4 Transistor als Schalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2103.4.1 Statische Schaltstufe mit einem ohmschen Verbraucher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2123.4.2 Dynamische Schaltstufe mit einem ohmschen Verbraucher . . . . . . . . . . . . . . . . 2153.4.3 Schalten einer ohmschen Last mit Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2163.4.4 Schalten einer induktiven Last mit Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2183.4.5 Schalten einer kapazitiven Last mit Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219

4 Praktische Schaltungstechnik mit Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2214.1 NF-Verstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2214.1.1 Zweistufiger Vorverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2234.1.2 Vorverstärker mit Klangregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2294.1.3 Rauscharmer NF-Vorverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2304.1.4 Vorverstärker mit Präsenzfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2334.1.5 Vorverstärker mit Rumpel- und Rauschfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2364.1.6 Leistungsverstärker im A-Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2394.1.7 Leistungsverstärker mit Trafo im Eintakt-A-Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2434.1.8 Leistungsverstärker mit verbessertem Eintakt-A-Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2464.1.9 Gegentaktverstärker mit Trafo im B-Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2484.1.10 Komplementärer Leistungsverstärker im B-Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2504.1.11 Komplementärer Leistungsverstärker im AB-Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2524.1.12 Leistungsverstärker mit Darlingtonstufe im A-Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2544.1.13 Leistungsverstärker mit Darlingtonstufe im AB-Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2584.2 Differenzverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2624.2.1 Statisches und dynamisches Verhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2624.2.2 Differenzverstärker mit Konstantstromquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2654.2.3 Differenzverstärker als Regeleinheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2664.3 Stabilisierungsschaltungen für Spannungen und Ströme . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269

Inhalt

Inhalt XIII

4.3.1 Einfache Serienstabilisierungsschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2704.3.2 Einstellbares Netzgerät . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2724.3.3 Geregeltes Netzgerät . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2734.3.4 Verbesserte Konstantspannungsquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2774.3.5 Elektronische Netzgeräte mit Darlingtonstufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2794.3.6 Elektronische Sicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2794.3.7 Kurzschlußfeste Stabilisierungsschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2854.3.8 Einstellbares Netzgerät für positive bis negative Spannung . . . . . . . . . . . . . . . . 2874.3.9 Parallelstabilisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2884.3.10 Konstantstromquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2914.4 Digitale Transistorschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2944.4.1 NICHT-Gatter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2944.4.2 NAND-Gatter in DTL- und RTL-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2954.4.3 NOR-Gatter in DTL- und RTL-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2984.4.4 Äquivalenz-Gatter in RTL-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3004.4.5 RS-Kippglieder (Flipflops) in RTL-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3014.4.6 Astabiles Kippglied (Rechteckgenerator) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3034.4.7 Monostabiles Kippglied . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3054.4.8 Schmitt-Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3074.5 Signalgeneratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3094.5.1 Rechteckgenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3104.5.2 Blinkschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3104.5.3 Sperrschwinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3144.5.4 Impulsgenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3164.5.5 LC-Oszillatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3174.5.6 RC-Phasenschiebergenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3214.5.7 Wien-Brückengenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3224.6 Zeitgeberschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3244.6.1 Relais mit Anzugsverzögerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3244.6.2 Relais mit Abfallverzögerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3274.6.3 Relais mit Anzugs- und Abfallverzögerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3284.6.4 Periodischer Zeitgeber mit Relais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329

5 Schaltungen mit Feldeffekttransistoren und MOSFETs . . . . . . . . . . . . . . . . 3305.1 Sperrschicht-FET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3325.1.1 Statische Untersuchung eines n-Kanal-FETs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3335.1.2 Dynamische Untersuchung eines n-Kanal-FETs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3365.1.3 FET-Verstärker in Sourceschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3385.1.4 FET-Verstärker in Drainschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3415.1.5 FET-Verstärker in Gateschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3435.2 Praktische Schaltungstechnik mit Feldeffekttransistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . 3455.2.1 Konstantstromquelle mit FET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3455.2.2 FET-Vorverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3475.2.3 FET-Vorverstärker mit Stromgegenkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3495.2.4 FET-Vorverstärker mit Konstantstromquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3525.2.5 Zweistufiger FET-Vorverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3525.2.6 FET-Vorverstärker mit Klangregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3545.2.7 Meßvorverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3555.2.8 Feldeffekttransistor als Analogschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3575.2.9 Differenzverstärker mit Konstantstromquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358

5.2.10 Differenzverstärker mit Darlington-FET-Eingängen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3605.2.11 Differenzverstärker in FET-Technologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3615.3 MOSFET-Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3625.3.1 Aufbau und Wirkungsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3645.3.2 Sourceschaltung mit n-Kanal-Anreicherungstyp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3675.3.3 Zweistufiger Vorverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3705.3.4 Drainschaltung mit n-Kanal-MOSFET-Anreicherungstyp . . . . . . . . . . . . . . . . . 3715.3.5 Sourceschaltung mit n-Kanal-Verarmungstyp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3725.3.6 MOSFET als Analogschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3735.3.7 CMOS-Analogschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3755.3.8 NICHT-Gatter in CMOS-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3775.3.9 NAND-Gatter in CMOS-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3785.3.10 NOR-Gatter in CMOS-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379

Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381

InhaltXIV

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Inhalt - Teil III

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Inhalt - Teil IV

1 Grundlagen der Digitaltechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.1 Zahlensysteme, die Basis der Computertechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.1.1 Duales Zahlensystem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.1.2 Oktales Zahlensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.1.3 Sedezimales (hexadezimales) Zahlensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.1.4 Aufbau von Zahlensystemen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221.1.5 Datenorganisation mit Bits und Bytes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241.1.6 BCD-Code. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281.1.7 Eigenschaften von Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301.1.8 Prüfbit-Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321.1.9 Leitungscodes für die serielle Datenübertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341.1.10 Barcodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371.2 Testgeräte der digitalen Schaltungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421.2.1 Bitmustergenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431.2.2 Digitales Speicheroszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461.2.3 Vertikale und horizontale Auflösung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491.2.4 Echtzeit- und Äquivalenzzeit-Abtastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531.2.5 Triggermöglichkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571.2.6 Triggermöglichkeiten für digitale Schaltungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 621.2.7 Logikanalysator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 651.3 Schaltalgebra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 741.3.1 Dynamische Untersuchung von Verknüpfungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 741.3.2 Gesetze der Schaltalgebra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 801.3.3 Anwendungen für die Gesetze der Schaltalgebra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 821.3.4 De Morgansche Gesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 841.3.5 Umwandlung von Logikschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

2 Praktischer Entwurf von digitalen Schaltnetzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 892.1 Analyse von Schaltnetzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 902.1.1 Analyse eines Prüfbitgenerators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 912.1.2 Schaltung einer Pseudotetradenerkennung für den BCD-Code . . . . . . . . . . . . . . 942.2 Karnaugh-Diagramm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 962.2.1 Karnaugh-Diagramm für zwei Variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 972.2.2 Karnaugh-Diagramm für drei Variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 982.2.3 Karnaugh-Diagramm für vier Variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1002.2.4 Disjunktive Normalform oder Minterme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1022.2.5 Konjunktive Normalform oder Maxterme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1042.3 Synthese von Schaltnetzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1062.3.1 Synthese für eine Steuerungsanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1082.3.2 Pseudotetradenerkennung für den Aiken-Code. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1102.3.3 Pseudotetradenerkennung für den Exzeß-3- oder Stibitz-Code . . . . . . . . . . . . . . 1122.4 Codierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

Inhalt XXI

2.4.1 Dezimal-zu-BCD-Codierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1142.4.2 Dezimal-zu-Aiken-Codierer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1162.4.3 Dezimal-zu-Gray-Codierer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1172.5 Decodierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1172.5.1 1-aus-10-Decodierer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1182.5.2 7-Segment-Decodierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1212.6 Umcodierer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1262.6.1 BCD-zu-Exzeß-3-Umcodierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1262.6.2 BCD-zu-Glixon-Umcodierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1282.6.3 Aiken-zu-Exzeß-3-Umcodierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1302.6.4 Gray-zu-Dual-Umcodierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1332.7 Elektronische Schalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1352.7.1 Digitales Relais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1362.7.2 Digitaler Richtungsschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1392.7.3 Digitaler Polumschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1412.7.4 Elektronischer Schalter mit Entprellschaltung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1422.7.5 Elektronischer Schalter mit Speicherverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1442.7.6 Digitaler Drehschalter (Multiplexer) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1462.7.7 Digitaler Drehschalter (Demultiplexer) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1482.7.8 Multiplexsystem für Datenübertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1492.8 Digitale Rechenschaltungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1512.8.1 Größer-Gleich-Kleiner-Vergleicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1512.8.2 Halbaddierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1522.8.3 Volladdierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1542.8.4 Halbsubtrahierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1562.8.5 Vollsubtrahierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1572.8.6 Addier-Subtrahier-Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1592.8.7 4-Bit-Volladdierer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1602.8.8 Korrekturschaltung für Volladdierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1612.8.9 Aufbau und Wirkungsweise einer arithmetisch-logischen Einheit (ALU) . . . . . . 1632.8.10 Statischer Multiplizierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

3 Speicher- und Kippschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1703.1 Bistabile Kippschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1713.1.1 NAND- und NOR-Flipflop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1723.1.2 NAND- und NOR-Speicherflipflop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1743.1.3 D-Flipflop. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1773.1.4 JK-Flipflop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1783.1.5 T-Flipflop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1813.1.6 Dynamische Flipflops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1823.1.7 Master-Slave-Flipflop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1843.2 Monostabile Kippschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1863.2.1 Monostabile Kippschaltungen mit NAND- und NOR-Gattern . . . . . . . . . . . . . . . 1873.2.2 Einfache Monoflops mit NAND- und NOR-Gattern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1903.2.3 Monoflops für extrem kurze Verzögerungszeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1923.2.4 Integriertes Monoflop 74121 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1943.2.5 Integriertes Monoflop 74122 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1963.2.6 Integriertes Monoflop 74123 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1983.2.7 Simulation eines Monoflops. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

InhaltXXII

3.2.8 Verzögerungen von Impulsflanken durch ein Monoflop. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2003.2.9 Impulsverzögerungen durch zwei Monoflops. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2033.2.10 Frequenzvervielfachung durch Monoflops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2043.2.11 Sequentielle Laufzeitschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2063.3 Rechteckgeneratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2083.3.1 Grundschaltungen eines Rechteckgenerators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2093.3.2 Rechteckgenerator mit Start-Stopp-Eingang. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2113.3.3 Rechteckgenerator mit Monoflop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2123.3.4 Rechteckgenerator mit Schmitt-Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2153.3.5 Rechteckgenerator mit simuliertem CMOS-NICHT-Gatter . . . . . . . . . . . . . . . . 2173.3.6 Quarzstabilisierter Rechteckgenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219

4 Frequenzteiler, Zähler und Schieberegister . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2264.1 Frequenzteiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2274.1.1 Frequenzteiler 1:2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2284.1.2 Frequenzteiler 1:4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2294.1.3 Frequenzteiler 1:8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2314.1.4 Frequenzteiler 1:16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2324.1.5 Frequenzteiler 1:3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2344.1.6 Frequenzteiler 1:5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2364.1.7 Frequenzteiler 1:6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2374.1.8 Frequenzteiler 1:7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2394.1.9 Frequenzteiler 1:9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2404.1.10 Frequenzteiler 1:10 mit dem 74290 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2414.1.11 Frequenzteiler 1:12 mit dem 7492 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2444.1.12 Frequenzteiler 1:16 mit dem 7493 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2464.1.13 Programmierbarer Frequenzteiler mit dem 7493 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2484.1.14 Frequenzteiler 1:50 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2494.1.15 Frequenzteiler 1:1000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2514.2 Asynchrone Zähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2524.2.1 2-Bit-Vorwärtszähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2534.2.2 2-Bit-Rückwärtszähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2554.2.3 2-Bit-Vorwärts-Rückwärtszähler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2564.2.4 Asynchroner BCD-Zähler für den Vorwärtsbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2574.2.5 Asynchroner BCD-Zähler für den Rückwärtsbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2584.2.6 Asynchroner Vorwärtszähler für den Aiken-Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2594.2.7 Asynchroner Vorwärtszähler für den Exzeß-3-Code. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2604.2.8 Zähler von 0 bis 999 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2614.2.9 Zähleinheit bis 11 mit zwei 7-Segment-Anzeigen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2624.2.10 Zähleinheit bis 23 mit zwei 7-Segment-Anzeigen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2634.2.11 Zähleinheit bis 59 mit zwei 7-Segment-Anzeigen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2644.2.12 Uhrenschaltung für Stunden und Minuten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2654.3 Synchrone Zähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2664.3.1 Synchroner Vorwärtszähler von 0 bis 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2664.3.2 Synchroner Vorwärtszähler von 0 bis 7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2684.3.3 Synchroner Vorwärtszähler für den vierstelligen Dualcode . . . . . . . . . . . . . . . . . 2694.3.4 Synchroner Vorwärtszähler für den BCD-Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2724.3.5 Synchroner Vorwärtszähler für den Aiken-Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2744.3.6 Synchroner Vorwärtszähler für den Exzeß-3-Code. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275

Inhalt XXIII

4.3.7 Diverse Vorwärtszähler für die synchrone Betriebsart. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2764.3.8 Synchroner Rückwärtszähler für den Dualcode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2794.3.9 Synchroner Rückwärtszähler für den BCD-Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2804.4 Programmierbare Zähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2814.4.1 Dezimalzähler 74160 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2834.4.2 Vorwärts-Rückwärts-Dezimalzähler 74190 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2854.4.3 Synchrone und teilsynchrone Zählerdekaden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2884.4.4 Variabler Vorwahlzähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2914.4.5 Zähler als digitales Frequenzmeßgerät. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2944.4.6 Zähler als digitales Periodendauermeßgerät . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2964.4.7 Zähler als digitales Zeitmeßgerät . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2984.4.8 Digitaler Drehzahlmesser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3004.5 Schieberegister . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3024.5.1 Schieberegister mit seriellem Ein- und Ausgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3024.5.2 Schieberegister mit seriellem Eingang und parallelem Ausgang. . . . . . . . . . . . . . 3034.5.3 Schieberegister mit parallelem Eingang und seriellem Ausgang. . . . . . . . . . . . . . 3054.5.4 Schieberegister mit parallelem Ein- und Ausgang. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3064.5.5 Schieberegister als Ringzähler nach dem Libaw-Craig-Code . . . . . . . . . . . . . . . . 3074.5.6 Rechts/Links-4-Bit-Schieberegister . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3084.5.7 7-Bit-Parallel-Seriell-Umsetzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3094.5.8 7-Bit-Seriell-Parallel-Umsetzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3104.5.9 Vierphasen-Taktgenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3114.5.10 Zufalls- und Testgeneratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312

5 Funktionsschaltungen in TTL- und CMOS-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3195.1 Arbeitsweise von TTL-Bausteinen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3205.1.1 Aufbau von TTL-Bausteinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3225.1.2 Messungen der Ein- und Ausgänge bei TTL-Bausteinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3255.1.3 »fan-in« und »fan-out« von TTL-Bausteinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3305.1.4 Ausgang mit offenem Kollektor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3335.1.5 Wired-AND- und Wired-OR-Schaltungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3395.1.6 Tri-State-Ausgänge für Bussysteme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3455.1.7 4-Bit-Schnittstelle für einen unidirektionalen Bustreiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3475.1.8 4-Bit-Schnittstelle für einen bidirektionalen Bustreiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3485.1.9 UND-ODER-NICHT-Gatter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3525.1.10 Gatter mit Strobe-Eingang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3555.2 Integrierte Decoder und Multiplexer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3565.2.1 BCD-zu-Dezimal-Decoder 7442 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3565.2.2 3-zu-8-Binärdecoder 74138 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3575.2.3 Dezimal-zu-BCD-Prioritäts-Codierer 74147 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3595.2.4 4-Bit-Binärdecoder 74154 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3615.2.5 8-Bit-Datenübertragung im Multiplexbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3625.2.6 Adressierung einer unidirektionalen Busschnittstelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3645.2.7 Adressierung einer bidirektionalen Busschnittstelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3685.3 Ansteuerung von Anzeigeeinheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3695.3.1 Statischer Anzeigebetrieb. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3705.3.2 Mehrstellige Anzeigeeinheiten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3735.3.3 Zähler mit Zwischenspeicher und Anzeige . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3765.3.4 Digitale Spielschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378

InhaltXXIV

5.3.5 Multiplexbetrieb für mehrstellige Anzeigeeinheiten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3795.3.6 6-stellige Digitaluhr mit LED-Anzeige. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3815.3.7 31/2-stelliges Digitalvoltmeter für LED-und LCD-Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . 3835.3.8 4-stelliger Vorwahlzähler mit LED-Anzeige. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3915.3.9 Vollintegrierter 8-stelliger Universalzähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3955.4 Praktische Schaltungstechnik in CMOS-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4005.4.1 Statische Untersuchung eines CMOS-Schaltkreises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4015.4.2 Dynamische Untersuchung eines CMOS-Schaltkreises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4055.4.3 Untersuchung des universellen CMOS-Bausteines 4007 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4095.4.4 Untersuchung des CMOS-Hochstromtyps 4049 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4135.4.5 Untersuchung des CMOS-Analogschalters 4066 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4155.4.6 Operationsverstärker mit digitaler Ansteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4185.4.7 Digital ansteuerbarer Tief- und Hochpaß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4205.4.8 Digital ansteuerbares Universalfilter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4235.4.9 Spannungsdetektor mit Analogschalter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4245.4.10 Treppenspannungsgenerator als Digital-Analog-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4265.4.11 Rechteckgeneratoren mit CMOS-Bausteinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4285.4.12 Multiplexsystem für analoge Signale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431

6 Programme und Hinweise zur CD-ROM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434

Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435

Wichtiger Hinweis

Die in diesem Buch wiedergegebenen Schaltungen und Verfahren werden ohne Rücksicht aufdie Patentlage mitgeteilt. Sie sind ausschliesslich für Amateur- und Lehrzwecke bestimmt unddürfen nicht gewerblich genutzt werden. Bei gewerblicher Nutzung ist vorher die Genehmigungdes möglichen Lizenzinhabers einzuholen. Alle Schaltungen und technischen Angaben in die-sem Buch wurden vom Autor mit größter Sorgfalt erarbeitet bzw. zusammengestellt und unterEinschaltung wirksamer Kontrollmaßnahmen reproduziert. Trotzdem sind Fehler nicht ganz aus-zuschließen. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass beim Arbeiten mit Hochspannungäußerste Vorsicht geboten und ein sicherheitsbewusstes Verhalten einzuhalten ist. Der Verlagund der Autor sehen sich deshalb gezwungen, darauf hinzuweisen, dass sie weder eine Garantienoch die juristische Verantwortung oder irgendeine Haftung für Folgen, die auf fehlerhafte An-gaben oder unsachgemäße Verhaltensweise zurückgehen, übernehmen können. Für die Mittei-lung eventueller Fehler sind Autor und Verlag jederzeit dankbar.

Herbert Berstein

Das Universalwerkzeug zum praxisnahen Einstieg in die Elektronik per Simulation am PC

Handbuchder praktischen

ElektronikBAND 2




Satz: Photosatz Pfeifer, 82166 GräfelfingDruck: Bercker, 47623 KevelaerPrinted in Germany

ISBN 3-7723-4294-9

Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek

Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie: detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http//dnb.ddb.de abrufbar

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Teil I Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik

1 Messverfahren in der Elektrotechnik/Elektronik ............................................................ 131.1 Untersuchung von Stromarten .............................................................................................. 161.1.1 Gleichstrom ........................................................................................................................... 161.1.2 Spannungssignale .................................................................................................................. 191.1.3 Messungen mit dem Voltmeter .............................................................................................. 251.1.4 Messungen mit dem Amperemeter ....................................................................................... 291.1.5 Messungen mit dem Ohmmeter ............................................................................................ 311.2 Der einfache Stromkreis ....................................................................................................... 331.2.1 Das ohmsche Gesetz ............................................................................................................. 331.2.2 Ohmsche Widerstände .......................................................................................................... 351.2.3 Leitungswiderstände ............................................................................................................. 411.2.4 Temperaturabhängigkeit von Widerständen ......................................................................... 451.2.5 Stromdichte ........................................................................................................................... 481.2.6 Reihenschaltung von Widerständen ...................................................................................... 511.2.7 Parallelschaltung von Widerständen...................................................................................... 541.2.8 Gemischte Widerstandsschaltungen ..................................................................................... 571.2.9 Spannungsteiler...................................................................................................................... 591.2.10 Einstellbarer Spannungsteiler ............................................................................................... 611.2.11 Vorwiderstand ....................................................................................................................... 671.3 Der erweiterte Stromkreis ...................................................................................................... 681.3.1 Kenngrößen von Spannungsquellen ..................................................................................... 681.3.2 Reihen- und Parallelschaltung von Spannungsquellen ......................................................... 721.3.3 Messbereichserweiterung bei Spannungsmessern ................................................................ 761.3.4 Messbereichswerterweiterung bei Strommessern ................................................................. 781.3.5 Indirekte Messung von Widerständen ................................................................................... 801.3.6 Messungen an Spannungsteilern ........................................................................................... 841.3.7 Dezibel-Messung .................................................................................................................. 851.3.8 Brückenschaltung .................................................................................................................. 86

2 Praktische Messtechnik mit dem Oszilloskop ................................................................... 892.1 Messen mit dem Oszilloskop ................................................................................................ 902.1.1 Aufbau eines analogen Oszilloskops .................................................................................... 922.1.2 Horizontale Zeitablenkung und X-Verstärker ..................................................................... 1002.1.3 Triggerung ........................................................................................................................... 1032.1.4 Y-Eingangskanal mit Verstärker ......................................................................................... 1072.1.5 Zweikanaloszilloskop ......................................................................................................... 1102.2 Messungen an Wechselspannungen .................................................................................... 1142.2.1 Einstellungen für das Zweikanaloszilloskop ...................................................................... 1152.2.2 Frequenz und Periodendauer .............................................................................................. 1182.2.3 Messen von Spannungen .................................................................................................... 1222.2.4 Addition von Wechselspannungen ...................................................................................... 124

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2.2.5 Scheitelfaktor und Formfaktor ............................................................................................ 1302.2.6 Messung einer Schwebung ................................................................................................. 1342.2.7 Messung einer Amplitudenmodulation ............................................................................... 1382.2.8 Messung einer Frequenzmodulation .................................................................................... 1392.3 Frequenz- und Phasenmessungen ....................................................................................... 1412.3.1 Lissajous-Figuren zur Frequenzmessung ............................................................................ 1412.3.2 Lissajous-Figuren zur Phasenmessung ............................................................................... 1432.3.3 Aufnahme von Kennlinien .................................................................................................. 1452.4 Analyseverfahren ................................................................................................................ 1482.4.1 Konvergenzprobleme und Analysefehler ........................................................................... 1522.4.2 Simulation und Analyse ...................................................................................................... 1572.4.3 AC-Frequenzanalyse............................................................................................................ 1622.4.4 Transientenanalyse .............................................................................................................. 1652.4.5 Fourier-Analyse .................................................................................................................. 1692.4.6 Monte-Carlo-Analyse ......................................................................................................... 172

3 Kondensator ...................................................................................................................... 1763.1 Physikalische Grundlagen.................................................................................................... 1763.1.1 Elektrische Feldstärke ......................................................................................................... 1773.1.2 Elektrisches Feld ................................................................................................................. 1803.1.3 Kondensatoren an Gleichspannung .................................................................................... 1823.1.4 Aufbau von Festkondensatoren .......................................................................................... 1863.1.5 Aufbau von Kunststoffkondensatoren ................................................................................ 1903.1.6 Elektrolytkondensatoren ..................................................................................................... 1923.1.7 Veränderbare Kondensatoren .............................................................................................. 1963.1.8 Kapazitäten von Kondensatoren und Leitungen ................................................................. 1993.2 Kondensator an Rechteckspannung .................................................................................... 2003.2.1 Vorgänge am RC-Glied ....................................................................................................... 2013.2.2 RC-Glied an symmetrischer Rechteckspannung ................................................................ 2023.2.3 Integrierglied an unsymmetrischer Rechteckspannung ...................................................... 2053.2.4 Differenzierglied ................................................................................................................. 2063.2.5 Nadelimpulsgenerator ......................................................................................................... 2093.2.6 KO-Tastkopf mit frequenzkompensiertem Spannungsteiler . . . ......................................... 2093.3 Kondensator an Wechselspannung ..................................................................................... 2123.3.1 Kapazitätsmessung durch Strom und Spannung ................................................................. 2143.3.2 Kapazitätsmessung durch Spannungsvergleich .................................................................. 2163.3.3 Parallelschaltung von Kondensatoren ................................................................................. 2173.3.4 Reihenschaltung von Kondensatoren .................................................................................. 2183.3.5 Kapazitive Blindleistung ..................................................................................................... 2193.3.6 Wirkleistung und Phasenverschiebung ............................................................................... 2223.3.7 Phasenmessung mittels Lissajous-Figur ............................................................................. 2263.3.8 Reihenschaltung von Kondensator und Widerstand ............................................................ 2273.3.9 Parallelschaltung von Kondensator und Widerstand .......................................................... 2293.4 Filterschaltungen mit Widerständen und Kondensatoren .................................................... 2313.4.1 RC-Tiefpassfilter ................................................................................................................. 2343.4.2 Untersuchung eines Tiefpassfilters mit Bode-Plotter ......................................................... 2363.4.3 RC-Hochpassfilter .............................................................................................................. 2423.5 Schaltungen mit Kondensatoren ......................................................................................... 2463.5.1 Kondensator als Strombegrenzer ........................................................................................ 2483.5.2 Einfache Kapazitätsmessbrücke ......................................................................................... 2493.5.3 Wien-Brücke für Kondensatormessungen .......................................................................... 2513.5.4 Maxwell-Brücke für Kondensator- und Spulenmessungen ................................................ 252

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3.5.5 Schering-Brücke für Kondensatormessungen .................................................................... 2553.5.6 Frequenzunabhängige Maxwell-Brücke ............................................................................. 257

4 Spulen ................................................................................................................................. 2594.1 Physikalische Grundlagen.................................................................................................... 2594.1.1 Magnetischer Fluss und magnetische Feldstärke ................................................................ 2614.1.2 Magnetische Feldstärke und magnetische Flussdichte ....................................................... 2624.1.3 Hysterese ............................................................................................................................. 2644.1.4 Permeabilität ....................................................................................................................... 2684.1.5 Magnetische Kernformgrößen ............................................................................................ 2704.1.6 Magnetischer Widerstand ................................................................................................... 2714.1.7 Kräfte und Energie im Magnetfeld ..................................................................................... 2724.2 Aufbau und Wirkungsweise von Spulen ............................................................................. 2744.2.1 Luftspulen ........................................................................................................................... 2754.2.2 Spulen mit magnetisierbarem Kern .................................................................................... 2764.2.3 Blechkerne .......................................................................................................................... 2794.2.4 Ferritkerne............................................................................................................................ 2814.2.5 Ferritkerne mit und ohne Luftspalt ..................................................................................... 2824.2.6 Kerne für Filteranwendungen ............................................................................................. 2854.3 Spule an Gleichstrom .......................................................................................................... 2874.3.1 Messung einer idealen Spule .............................................................................................. 2874.3.2 Spule an Rechteckspannung ............................................................................................... 2904.4 Spule im Wechselstromkreis ............................................................................................... 2934.4.1 Messung einer idealen Spule .............................................................................................. 2934.4.2 Messung einer realen Spule ................................................................................................ 2944.4.3 Parallelschaltung von Spulen .............................................................................................. 2964.4.4 Reihenschaltung von Spulen ............................................................................................... 2974.4.5 Induktive Blindleistung ....................................................................................................... 2994.4.6 Wirkleistung und Phasenverschiebung ............................................................................... 3014.4.7 Reihenschaltung von Widerstand und Spule ...................................................................... 3014.4.8 Parallelschaltung von Widerstand und Spule ...................................................................... 3034.5 Filterschaltungen mit Widerstand und Spule ...................................................................... 3054.5.1 RL-Tiefpassfilter ................................................................................................................. 3054.5.2 RL-Hochpassfilter ............................................................................................................... 3094.6 Transformatoren und Übertrager ........................................................................................ 3124.6.1 Funktionsweise ................................................................................................................... 3134.6.2 Kleintransformatoren .......................................................................................................... 3164.6.3 Simulation eines idealen Transformators ............................................................................ 3174.6.4 Berechnung eines Transformators ...................................................................................... 3204.6.5 Innenwiderstand eines Transformators ............................................................................... 3224.6.6 Kopplung mit Übertragern und Transformatoren ............................................................... 3244.6.7 SPICE-Modelle für Induktivitäten ...................................................................................... 3264.7 Relais und Schalter ............................................................................................................. 3314.7.1 Aufbau eines Relais ............................................................................................................ 3314.7.2 Simuliertes Relais ............................................................................................................... 3334.7.3 Tastaturgesteuerter Schalter ................................................................................................ 3344.7.4 Zeitgesteuerter Schalter ...................................................................................................... 3364.7.5 Spannungsgesteuerter Schalter ........................................................................................... 3374.7.6 Stromgesteuerter Schalter .................................................................................................... 3384.7.7 Spannungsgesteuerter Analogschalter ................................................................................ 3384.7.8 Sicherheitsrelais .................................................................................................................. 3394.8 Lautsprecher ........................................................................................................................ 346

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4.8.1 Aufbau eines Lautsprechers ................................................................................................ 3464.8.2 Simulation eines Lautsprechers .......................................................................................... 3484.9 Gleichstrommotor ............................................................................................................... 3494.9.1 Wirkungsweise eines Gleichstrommotors ........................................................................... 3504.9.2 Elektromotoren und Antriebstechnik .................................................................................. 354

5 Zusammengesetzte Wechselstromkreise ......................................................................... 3585.1 Reihen- und Parallelschaltung von Widerstand, Kondensator und Spule .......................... 3585.1.1 Reihenschaltung von R, C und L ........................................................................................ 3595.1.2 Simulation einer RCL-Reihenschaltung ............................................................................. 3615.1.3 Parallelschaltung von R, C und L ....................................................................................... 3635.1.4 Simulation einer RCL-Parallelschaltung ............................................................................ 3645.1.5 Messung der Leistung im Wechselstromkreis .................................................................... 3675.1.6 Elektrische Arbeit und Energie ............................................................................................ 3715.1.7 Leistungsmessung bei Einphasenwechselstromkreis .......................................................... 3765.1.8 Kompensationsschaltung für den Einphasenbetrieb ............................................................ 3805.2 Schwingkreise ..................................................................................................................... 3845.2.1 Verluste in Wechselstrom- und Schwingkreisen ................................................................. 3855.2.2 Simulation eines idealen Reihenschwingkreises ................................................................ 3925.2.3 Simulation eines idealen Parallelschwingkreises ............................................................... 3945.2.4 Realer Schwingkreis ........................................................................................................... 3975.2.5 Güte und Bandbreite ........................................................................................................... 4055.2.6 Simulation realer Widerstände ............................................................................................ 4075.2.7 Simulation eines realen Kondensators ................................................................................ 4095.2.8 Simulation einer realen Spule ............................................................................................. 4125.2.9 Bandspreizung .................................................................................................................... 4155.3 Filterschaltungen ................................................................................................................. 4195.3.1 CL-Bandpass ....................................................................................................................... 4195.3.2 CL-Bandsperre .................................................................................................................... 4215.3.3 Kritische Bandfilter ............................................................................................................. 4225.3.4 Einfache LC- und CL-Glieder ............................................................................................ 4245.3.5 T- und n-Filter ..................................................................................................................... 4265.3.6 m-Filter ............................................................................................................................... 4295.4 Phasenschieber .................................................................................................................... 4335.4.1 RC-Tiefpass-Phasenkette .................................................................................................... 4335.4.2 RC-Hochpass-Phasenkette .................................................................................................. 4355.4.3 RC-Bandpass ...................................................................................................................... 4365.4.4 RC-Bandsperre .................................................................................................................... 4375.4.5 Phasenschieberbrücke ......................................................................................................... 4395.5 Bandfilter ............................................................................................................................ 4405.5.1 Induktive Kopplung ............................................................................................................ 4405.5.2 Kapazitive Kopfpunktkopplung .......................................................................................... 4425.5.3 Kapazitive Fußpunktkopplung ............................................................................................ 443

6 Hinweise zur CD ................................................................................................................ 444

Sachverzeichnis .............................................................................................................................. 445

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Teil II Messen mit dem Oszilloskop

1 Arbeiten und Messen mit dem analogen Oszilloskop....................................................... 131.1 Aufbau eines analogen Oszilloskops ..................................................................................... 151.1.1 Elektronenstrahlröhre............................................................................................................. 161.1.2 Horizontale Zeitablenkung und X-Verstärker........................................................................ 231.1.3 Triggerung.............................................................................................................................. 271.1.4 Y-Eingangskanal mit Verstärker ............................................................................................ 311.1.5 Zweikanaloszilloskop ............................................................................................................ 371.1.6 Tastköpfe................................................................................................................................ 401.1.7 Inbetriebnahme des Oszilloskops .......................................................................................... 431.2 Praktische Handhabung eines Oszilloskops .......................................................................... 481.2.1 Einstellen der Empfindlichkeit .............................................................................................. 491.2.2 Anschluss eines Oszilloskops an eine Messschaltung ........................................................... 531.2.3 Triggerverhalten an einer Messschaltung .............................................................................. 601.2.4 Wechselspannungsmessung mit Oszilloskop......................................................................... 651.2.5 Messung einer Dreieckspannung mit Oszilloskop................................................................. 661.2.6 Messung einer Rechteckspannung mit Oszilloskop .............................................................. 681.2.7 Messung einer Mischspannung mittels Oszilloskop.............................................................. 701.2.8 Messung einer AM-Spannungsquelle .................................................................................... 711.2.9 Messung einer FM-Spannungsquelle..................................................................................... 741.3 Messversuche mit dem Oszilloskop ...................................................................................... 761.3.1 Arbeiten mit dem simulierten Oszilloskop ............................................................................ 811.3.2 Messungen von unsymmetrischen Spannungen .................................................................... 851.3.3 Addition von Spannungen verschiedener Frequenz .............................................................. 871.3.4 Addition von Spannungen verschiedener Frequenz und Phasenverschiebung...................... 881.3.5 Addition dreier Spannungen verschiedener Frequenz ........................................................... 891.3.6 Messung einer Schwebung .................................................................................................... 901.3.7 Lissajous-Figuren zur Frequenzmessung............................................................................... 911.3.8 Frequenzmessung mittels Lissajous-Figur............................................................................. 921.3.9 Lissajous-Figuren zur Frequenzmessung............................................................................... 941.3.10 Lissajous-Figur zur Phasenmessung...................................................................................... 951.3.11 RC-Glied an symmetrischer Rechteckspannung ................................................................... 961.3.12 Integrierglied an unsymmetrischer Rechteckspannung ......................................................... 971.3.13 Differenzierglied .................................................................................................................... 981.3.14 Nadelimpulsgenerator ............................................................................................................ 991.3.15 Messung der kapazitiven Blindleistung ............................................................................... 1001.3.16 Reihenschaltung von Kondensator und Widerstand ............................................................ 1011.3.17 Spule und Widerstand an Rechteckspannung ...................................................................... 1031.3.18 Messung der Selbstinduktion bei Spulen............................................................................. 1041.3.19 Messung der Wechselstromleistung..................................................................................... 1051.3.20 Messung der Phasenverschiebung einer RL-Schaltung....................................................... 1061.3.21 Untersuchung der Polarität-Kennzeichnung bei Trafos....................................................... 1071.3.22 Messung der Phasenverschiebung bei einer RCL-Reihenschaltung.................................... 1081.3.23 Messung der Phasenverschiebung bei einer RCL-Parallelschaltung................................... 1091.3.24 Messung der Leistung im Wechselstromkreis ......................................................................1111.3.25 Kompensationsschaltung für den Einphasenbetrieb ............................................................ 1121.3.26 RC-Phasenschieber .............................................................................................................. 1131.3.27 Einweggleichrichtung mit Diode ......................................................................................... 1141.3.28 Zweiweggleichrichtung ....................................................................................................... 1151.3.29 Netzgerät mit Brückengleichrichter..................................................................................... 1161.3.30 Einweggleichrichtung mit Ladekondensator ....................................................................... 118

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1.3.31 Delon- oder Greinacherschaltung ........................................................................................ 1191.3.32 Spannungsverdopplung nach Villard ................................................................................... 1201.3.33 Kaskadenschaltung zur Spannungsvervielfachung.............................................................. 1211.3.34 Klipperschaltung mit Diode................................................................................................. 1221.3.35 Klipperschaltung mit Z-Diode ............................................................................................. 1231.3.36 Differenzierglied mit Amplitudenbegrenzung ..................................................................... 1241.3.37 Freilaufdiode ........................................................................................................................ 1251.3.38 Stabilisierung bei Eingangsspannungsschwankungen......................................................... 1261.3.39 Dynamische Kennlinienaufnahme eines npn-Transistors.................................................... 1281.3.40 Kapazitive Signalkopplung von Transistorstufen ................................................................ 1291.3.41 Kapazitive Signalkopplung mit wechselstromgegengekoppelter Transistorstufe ............... 1301.3.42 Zweistufiger Verstärker mit Gleichstromkopplung ............................................................. 1311.3.43 Leistungsverstärker im Eintakt-A-Betrieb........................................................................... 1321.3.44 Komplementärer Leistungsverstärker im Eintakt-A-Betrieb............................................... 1331.3.45 Komplementärer Leistungsverstärker im B-Betrieb............................................................ 1341.3.46 Komplementärer Leistungsverstärker im AB-Betrieb ......................................................... 1351.3.47 Netzgerät mit Serienstabilisierung....................................................................................... 1371.3.48 Einstellbares Netzgerät ........................................................................................................ 1381.3.49 Astabiles Kippglied (Rechteckgenerator) ............................................................................ 1391.3.50 Monostabiles Kippglied ....................................................................................................... 1401.3.51 Schmitt-Trigger.................................................................................................................... 1411.3.52 LC-Oszillatoren nach Meißner ............................................................................................ 1421.3.53 LC-Oszillatoren nach Hartley .............................................................................................. 1441.3.54 LC-Oszillatoren nach Colpitts ............................................................................................. 145

2 Arbeiten und Messen mit dem digitalen Speicheroszilloskop........................................ 1472.1 Merkmale eines digitalen Oszilloskops ............................................................................... 1472.1.1 Interne Funktionseinheiten .................................................................................................. 1482.1.2 Digitale Signalspeicherung .................................................................................................. 1492.1.3 Simulation von Abtastverstärkern ....................................................................................... 1512.1.4 Analog-Digital-Wandler ...................................................................................................... 1572.1.5 Zeitbasis und horizontale Auflösung ................................................................................... 1582.1.6 Möglichkeiten des Abtastbetriebs........................................................................................ 1632.1.7 Speicherung von Signalinformationen................................................................................. 1672.2 Funktionen und Bedienelemente ......................................................................................... 1712.2.1 Parametereinstellungen........................................................................................................ 1712.2.2 Triggerfunktionen ................................................................................................................ 1732.2.3 Spezielle Triggerfunktionen................................................................................................. 1782.2.4 Triggermethoden für Störimpulse........................................................................................ 1822.2.5 Auswertung von Messsignalen ............................................................................................ 1842.2.6 Digitale Filterung................................................................................................................. 1892.2.7 Verarbeitung von Messsignalen ........................................................................................... 1932.2.8 Spezialfunktionen eines digitalen Speicheroszilloskops ..................................................... 1952.2.9 Automatische Messung mit der Cursorsteuerung................................................................ 1992.2.10 Arbeiten mit dem Messcursor.............................................................................................. 2042.3 Messungen mit einem digitalen Speicheroszilloskop.......................................................... 2082.3.1 Untersuchung eines Tiefpassphasenschiebers ..................................................................... 2092.3.2 Analog-Digital-Wandler ...................................................................................................... 2142.3.3 Digital-Analog-Wandler mit Spannungsausgang ................................................................ 2182.3.4 Digital-Analog-Wandler mit Stromausgang ........................................................................ 2232.3.5 Messkette mit AD- und DA-Wandler .................................................................................. 2272.3.6 Spannungsgesteuerter Frequenzgenerator ........................................................................... 231

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2.4 Analyseverfahren ................................................................................................................. 2362.4.1 Simulation und Analyse....................................................................................................... 2402.4.2 AC-Frequenzanalyse............................................................................................................ 2442.4.3 Transientenanalyse............................................................................................................... 2472.4.4 Fourier-Analyse ................................................................................................................... 2502.4.5 Monte-Carlo-Analyse .......................................................................................................... 254

3 Arbeiten und Messen mit dem Bode-Plotter ................................................................... 2583.1 Filterschaltungen.................................................................................................................. 2613.1.1 RC-Tiefpassfilter.................................................................................................................. 2643.1.2 RC-Hochpassfilter ............................................................................................................... 2703.1.3 Reihenschaltung von Widerstand, Kondensator und Spule ................................................. 2743.1.4 Parallelschaltung von Widerstand, Kondensator und Spule ................................................ 2763.2 Messungen an Schwingkreisen ............................................................................................ 2783.2.1 Messung eines Reihenschwingkreises ................................................................................. 2793.2.2 Messungen an einem Parallelschwingkreis ......................................................................... 2823.2.3 Güte und Bandbreite ............................................................................................................ 2853.2.4 Schwingkreis-Abstimmung ................................................................................................. 2873.2.5 Simulation realer Widerstände............................................................................................. 2923.2.6 Simulation eines realen Kondensators ................................................................................. 2943.2.7 Simulation einer realen Spule .............................................................................................. 2973.3 Passive Filterschaltungen..................................................................................................... 3003.3.1 RL-Tiefpass.......................................................................................................................... 3013.3.2 RL-Hochpass ....................................................................................................................... 3023.3.3 CL-Bandpass........................................................................................................................ 3033.3.4 CL-Bandsperre..................................................................................................................... 3053.3.5 Kritische Bandfilter.............................................................................................................. 3063.3.6 Einfache LC- und CL-Glieder ............................................................................................. 3093.3.7 T- und Ð-Filter..................................................................................................................... 3113.3.8 m-Filter ................................................................................................................................ 3143.4 Aktive Filterschaltungen...................................................................................................... 3183.4.1 Aktiver Hoch- und Tiefpass................................................................................................. 3193.4.2 RC-Filter nach Gauß............................................................................................................ 3223.4.3 Filter nach Gauß, Bessel, Butterworth, Cauer und Tschebyscheff ...................................... 3243.4.4 Aktives Tiefpassfilter 1. Ordnung........................................................................................ 3283.4.5 Aktiver Hochpass 1. Ordnung ............................................................................................. 3303.4.6 Aktive Tiefpassfilter 2. Ordnung mit Zweifachgegenkopplung .......................................... 3323.4.7 Aktive Tiefpassfilter 2. Ordnung mit Einfachmitkopplung ................................................. 3363.4.8 Aktives Hochpassfilter 2. Ordnung ..................................................................................... 3373.4.9 Umwandlung von Tiefpass- in Hochpassfilter..................................................................... 3393.5 Aktive Bandpass- und Bandsperrfilter................................................................................. 3413.5.1 Selektiver Verstärker mit Schwingkreis............................................................................... 3413.5.2 Selektives Filter 2. Ordnung in Gegenkopplung ................................................................. 3433.5.3 Selektives Filter 2. Ordnung in Mitkopplung ...................................................................... 3443.5.4 Aktive Bandsperre mit T-Filter............................................................................................ 3463.5.5 Bandsperre mit T-Filter ....................................................................................................... 3473.6 Einstellbare Filter................................................................................................................. 3483.6.1 Einstellbares Tiefpassfilter................................................................................................... 3483.6.2 Einstellbares Hochpassfilter ................................................................................................ 3503.6.3 NF-Vorverstärker mit Klangnetzwerk.................................................................................. 3523.6.4 Einstellbares Bandsperrfilter................................................................................................ 3543.7 Filter höherer Ordnung ........................................................................................................ 356

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3.7.1 Berechnungsbeispiele für aktive Tiefpassfilter.................................................................... 3573.7.2 Aktives Tiefpassfilter 3. Ordnung........................................................................................ 3603.7.3 Aktives Tiefpassfilter 4. Ordnung........................................................................................ 362

4 Arbeiten und Messen mit dem Logik-Analysator........................................................... 3644.1 Aufbau eines Logik-Analysators ......................................................................................... 3654.1.1 Eingangsstufen..................................................................................................................... 3654.1.2 Programmierung der Grundbedingungen ............................................................................ 3684.1.3 Triggermöglichkeiten........................................................................................................... 3734.2 Simulationen mit digitalen Messgeräten.............................................................................. 3834.2.1 Logik-Konverter .................................................................................................................. 3834.2.2 Logik-Analysator ................................................................................................................. 3874.2.3 Bitmustergenerator............................................................................................................... 3904.3 Untersuchungen logischer Schaltungen............................................................................... 3934.3.1 Analyse von Schaltnetzen .................................................................................................... 3964.3.2 Analyse eines Prüfbitgenerators .......................................................................................... 3974.3.3 Schaltung einer Pseudotetradenerkennung für den BCD-Code........................................... 4004.3.4 Disjunktive Normalform oder Minterme............................................................................. 4024.3.5 Konjunktive Normalform oder Maxterme........................................................................... 4044.3.6 Synthese einer Steuerungsanlage......................................................................................... 4074.3.7 Pseudotetradenerkennung für den Aiken-Code ................................................................... 4094.3.8 Pseudotetradenerkennung für den Exzeß-3- oder Stibitz-Code........................................... 4114.4 Arbeiten mit dem Logik-Analysator.................................................................................... 4134.4.1 Einfacher Frequenzteiler...................................................................................................... 4144.4.2 Frequenzteiler 1:4 ................................................................................................................ 4154.4.3 Frequenzteiler 1:8 ................................................................................................................ 4184.4.4 Frequenzteiler 1:16 .............................................................................................................. 4204.4.5 Frequenzteiler 1:3 ................................................................................................................ 4224.4.6 Frequenzteiler 1:5 ................................................................................................................ 4244.4.7 Frequenzteiler 1:10 mit dem 74290 ..................................................................................... 4264.4.8 Frequenzteiler 1:12 mit dem 7492 ....................................................................................... 4294.4.9 Frequenzteiler 1:16 mit dem 7493 ....................................................................................... 4314.4.10 Frequenzteiler 1:50 .............................................................................................................. 4324.5 Arbeiten mit Bitmustergenerator und Logik-Analysator ..................................................... 4354.5.1 Untersuchung einer UND-Verknüpfung .............................................................................. 4364.5.2 Untersuchung einer ODER-Verknüpfung ............................................................................ 4384.5.3 Untersuchung einer NICHT-Funktion ................................................................................. 4394.5.4 Untersuchung einer NAND-Funktion.................................................................................. 4404.5.5 Untersuchung einer NOR-Funktion..................................................................................... 4414.5.6 Untersuchung einer Äquivalenz-Funktion........................................................................... 4424.5.7 Untersuchung einer Antivalenz-Funktion............................................................................ 4434.5.8 Untersuchung einer UND/ODER-Funktion......................................................................... 4454.5.9 Untersuchung eines Paritätsgenerators/Paritätsprüfers........................................................ 446

5 Hinweise zur Installation................................................................................................... 449

Sachverzeichnis ............................................................................................................................... 451

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Teil III Grundlagen der Telekommunikationselektronik

1 Grundlagen der Nachrichten-, Informations- und Kommunikationstechnik................ 131.1 Aufbau einer Nachrichtenübertragung................................................................................... 141.1.1 Nachrichtenarten und Übertragungswege.............................................................................. 151.1.2 Zeitabhängige Signale und ihre Darstellung.......................................................................... 171.1.3 Frequenzabhängige Signale und ihre Darstellung ................................................................. 211.1.4 Bandbreite und Übertragungssysteme ................................................................................... 221.1.5 Analoge Signale ..................................................................................................................... 251.1.6 Digitale Signale...................................................................................................................... 321.1.7 Codes für die serielle Datenübertragung ............................................................................... 341.2 Virtuelle Messgeräte .............................................................................................................. 371.2.1 Multimeter ............................................................................................................................. 371.2.2 Funktionsgenerator ................................................................................................................ 401.2.3 2-Kanal-Oszilloskop .............................................................................................................. 421.2.4 Bode-Plotter ........................................................................................................................... 451.2.5 Bitmuster-Generator .............................................................................................................. 481.2.6 Logik-Analysator ................................................................................................................... 511.2.7 Logik-Konverter .................................................................................................................... 531.2.8 Wattmeter ............................................................................................................................... 551.2.9 Klirrfaktor-Messgerät ............................................................................................................ 571.2.10 Spektrum-Analysator ............................................................................................................. 581.2.11 Netzwerk-Analysator ............................................................................................................. 601.3. Analysefunktionen ................................................................................................................. 611.3.1 Konvergenzprobleme und Analysefehler .............................................................................. 651.3.2 Simulation und Analyse......................................................................................................... 691.3.3 AC-Frequenzanalyse.............................................................................................................. 741.3.4 Transientenanalyse................................................................................................................. 761.3.5 Fourier-Analyse ..................................................................................................................... 791.3.6 Monte-Carlo-Analyse ............................................................................................................ 821.3.7 Rauschanalyse........................................................................................................................ 861.3.8 Verzerrungsanalyse ................................................................................................................ 891.3.9 Parameterdurchlauf-Analyse ................................................................................................. 921.3.10 Temperaturdurchlauf-Analyse ............................................................................................... 94

2 Leitungssysteme in der Nachrichten-, Informations- und Kommunikationstechnik ... 982.1 Elektrische Leiter .................................................................................................................. 982.1.1 Aufbau von Kabeln, Leitungen und Wickeldrähten ............................................................. 992.1.2 Isolierte Leitungen ............................................................................................................... 1012.1.3 Leitungen und Kabel............................................................................................................ 1042.1.4 Fernmeldeleitungen ............................................................................................................. 1082.1.5 Hochfrequenzkabel .............................................................................................................. 1102.1.6 Wellenwiderstand................................................................................................................. 1152.2 Kenngrößen von Leitungen ................................................................................................. 1192.2.1 Ersatzschaltbild einer realen Leitung................................................................................... 1202.2.2 Messtechnische Ermittlung der Leitungsbeläge .................................................................. 1242.2.3 Dämpfung und Dämpfungskonstante .................................................................................. 1252.2.4 Phasenkonstante und Signallaufzeit..................................................................................... 1282.2.5 Ausbreitungsgeschwindigkeit und Verkürzungsfaktor ........................................................ 1312.2.6 Drahtgebundene Wellenausbreitung .................................................................................... 1372.2.7 Digitale Signale in Leitungssystemen.................................................................................. 1412.2.8 Signale auf einer verlustfreien Übertragungsleitung ........................................................... 143

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2.2.9 Charakterisierung und Messen von Zweipolen ................................................................... 1462.2.10 Signale auf einer verlustbehafteten Übertragungsleitung .................................................... 1492.3 Untersuchung von Leitungssystemen .................................................................................. 1552.3.1 Frequenz- und Wellenbereiche ............................................................................................ 1552.3.2 Frequenzband und Bandbreite ............................................................................................. 1582.3.3 Dämpfung und Verstärkung ................................................................................................. 1612.3.4 Absoluter und relativer Pegel .............................................................................................. 1642.3.5 Verzerrungen ........................................................................................................................ 1712.4 Aufbau von Leitungssystemen............................................................................................. 1752.4.1 Symmetrische Leitungen ..................................................................................................... 1752.4.2 Aufbau symmetrischer Leitungen........................................................................................ 1782.4.3 Unsymmetrische Leitungen ................................................................................................. 1802.4.4 Hohlleiter ............................................................................................................................. 1832.4.5 Streifenleiter......................................................................................................................... 1862.4.6 Lichtwellenleiter .................................................................................................................. 1922.5 Antennen.............................................................................................................................. 2022.5.1 Frequenzbereiche und Wellenlängen ................................................................................... 2032.5.2 Kenngrößen.......................................................................................................................... 2062.5.3 Elektromagnetisches Feld einer Antenne ............................................................................ 2112.5.4 Mechanischer Aufbau .......................................................................................................... 2152.5.5 Elektrischer Aufbau ............................................................................................................. 2172.5.6 Antennenwiderstand und Anpassung................................................................................... 2202.5.7 Vor-Rück-Verhältnis und Rückdämpfungsmaß ................................................................... 2222.5.8 Dipolantenne ........................................................................................................................ 2242.5.9 Yagi-Antenne ....................................................................................................................... 2262.5.10 Parabolantenne..................................................................................................................... 2282.5.11 Wendelantenne..................................................................................................................... 2302.5.12 Rahmenantenne.................................................................................................................... 2302.5.13 Langdrahtantenne................................................................................................................. 2312.5.14 Ferritantenne ........................................................................................................................ 231

3 Bauelemente für Filterschaltungen und Schwingkreise ................................................. 2333.1 Idealer und realer Widerstand .............................................................................................. 2333.1.1 Nennwert.............................................................................................................................. 2353.1.2 Bauarten von Widerständen ................................................................................................. 2383.1.3 Simulation des Temperaturverhaltens.................................................................................. 2423.1.4 Temperatur-Variationsanalyse.............................................................................................. 2473.1.5 Simulation realer Widerstände............................................................................................. 2513.2 Idealer und realer Kondensator............................................................................................ 2533.2.1 Kondensatoren an Gleichspannung ..................................................................................... 2543.2.2 Integrierglied........................................................................................................................ 2573.2.3 Differenzierglied .................................................................................................................. 2583.2.4 Kondensator an Wechselspannung ...................................................................................... 2593.2.5 Parallel- und Reihenschaltung von Kondensatoren ............................................................. 2623.2.6 Simulation eines realen Kondensators ................................................................................. 2663.3 Ideale und reale Spule.......................................................................................................... 2693.3.1 Messung einer Spule ............................................................................................................ 2713.3.2 Spule im Wechselstromkreis................................................................................................ 2743.3.3 Reihen- und Parallelschaltung von Spulen .......................................................................... 2763.3.4 Simulation einer realen Spule .............................................................................................. 2793.4 Filterschaltungen.................................................................................................................. 2823.4.1 RC-Tiefpass ......................................................................................................................... 284

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3.4.2 RC-Hochpass ....................................................................................................................... 2863.4.3 RL-Tiefpass.......................................................................................................................... 2873.4.4 RL-Hochpass ....................................................................................................................... 2893.4.5 CL-Bandpass........................................................................................................................ 2903.4.6 CL-Bandsperre..................................................................................................................... 2923.4.7 Kritische Bandfilter.............................................................................................................. 2933.4.8 Einfache LC- und CL-Glieder ............................................................................................. 2953.4.9 T- und -Filter..................................................................................................................... 2973.4.10 m-Filter ................................................................................................................................ 3003.4.11 Bandfilter ............................................................................................................................. 3043.5 Messungen an Schwingkreisen ............................................................................................ 3073.5.1 Messung an einem Reihenschwingkreis .............................................................................. 308 3.5.2 Messungen an einem Parallelschwingkreis ......................................................................... 3103.5.3 Güte und Bandbreite ............................................................................................................ 3123.5.4 Schwingkreis-Abstimmung ................................................................................................. 314

4 Frequenzerzeuger, Signalgeneratoren und Oszillatoren ................................................ 3204.1 Rechteckgeneratoren............................................................................................................ 3224.1.1 Astabiles Kippglied mit Transistoren .................................................................................. 3224.1.2 Einstellbarer Rechteckgenerator .......................................................................................... 3244.1.3 Rechteckgenerator mit Operationsverstärker....................................................................... 3264.1.4 Einstellbarer Impulsgenerator.............................................................................................. 3294.1.5 TTL-Rechteckgenerator....................................................................................................... 3314.1.6 Rechteckgenerator mit Start-Stopp-Eingang ....................................................................... 3344.1.7 Rechteckgenerator mit Schmitt-Trigger............................................................................... 3354.1.8 Rechteckgenerator mit simulierten CMOS-NICHT-Gattern ............................................... 3374.1.9 Quarzstabilisierter Rechteckgenerator ................................................................................. 3394.2 Sinusgeneratoren.................................................................................................................. 3444.2.1 Sperrschwinger .................................................................................................................... 3474.2.2 Impulsgenerator ................................................................................................................... 3484.2.3 LC-Oszillatoren ................................................................................................................... 3504.2.4 RC-Phasenschiebergenerator ............................................................................................... 3544.2.5 Wien-Brückengenerator ....................................................................................................... 3554.2.6 Sinusgenerator mit Operationsverstärker und RC-Phasenschieber ..................................... 3574.2.7 Sinusgenerator mit Wien-Robinson-Brücke ........................................................................ 3624.2.8 Quarz-Oszillator................................................................................................................... 3664.2.9 Sinusgenerator mit LC-Glied............................................................................................... 373

5 Modulation und Demodulation......................................................................................... 3765.1 Amplitudenmodulation ........................................................................................................ 3775.1.1 Überlagerung ....................................................................................................................... 3775.1.2 Grundlagen der AM-Technik............................................................................................... 3845.1.3 Messung einer AM-Spannungsquelle .................................................................................. 3885.1.4 Frequenzspektrum................................................................................................................ 3915.1.5 Verfahren in der Amplitudenmodulation ............................................................................. 3955.1.6 Additive Modulationsschaltungen ....................................................................................... 3985.1.7 Einweggegentaktmodulator ................................................................................................. 4025.1.8 Ringmodulator ..................................................................................................................... 4045.1.9 Zweiseitenbandamplitudenmodulation ................................................................................ 4065.1.10 Einseitenbandamplitudenmodulation................................................................................... 4095.1.11 Demodulation einer amplitudenmodulierten Schwingung .................................................. 4135.2 Frequenzmodulation ............................................................................................................ 416

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5.2.1 Erzeugung einer Frequenzmodulation ................................................................................. 4195.2.2 Spektrum und Bandbreite .................................................................................................... 4225.2.3 Störungen auf der Übertragung............................................................................................ 4265.2.4 Frequenzmodulator mit Kapazitätsdiode ............................................................................. 4325.2.5 Frequenzmodulator mit Reaktanzschaltung......................................................................... 4375.2.6 FM-Demodulation mit einem Flankendiskriminator ........................................................... 4395.2.7 FM-Demodulation mit einem Gegentaktdiskriminator ....................................................... 4425.3 Pulsmodulation .................................................................................................................... 4425.3.1 Pulsamplitudenmodulation .................................................................................................. 4435.3.2 Pulsdauermodulation ........................................................................................................... 4485.3.3 Pulsphasenmodulation ......................................................................................................... 4505.4 Pulscodemodulation............................................................................................................. 4635.4.1 Bildung eines PCM-Signals................................................................................................. 4635.4.2 Quantisierung....................................................................................................................... 4655.4.3 Codierung eines PCM-Signals............................................................................................. 4715.4.4 Kanalcodierung.................................................................................................................... 4755.5 Digitale Signalübertragung .................................................................................................. 4785.5.1 Deltamodulation................................................................................................................... 4785.5.2 Amplitudenumtastung.......................................................................................................... 4805.5.3 Frequenzumtastung.............................................................................................................. 4825.5.4 Zweiphasenumtastung (2-PSK) ........................................................................................... 483

6 NF- und HF-Verstärker..................................................................................................... 4926.1 Eigenschaften von NF-Verstärkern ...................................................................................... 4936.1.1 Zweistufiger Vorverstärker .................................................................................................. 4956.1.2 Vorverstärker mit Klangregler ............................................................................................. 5026.1.3 Rauscharmer NF-Vorverstärker ........................................................................................... 5056.1.4 Vorverstärker mit Präsenzfilter ............................................................................................ 5076.1.5 Vorverstärker mit Rumpel- und Rauschfilter ....................................................................... 5096.2 Leistungsverstärker .............................................................................................................. 5136.2.1 Betriebsarten der Leistungsverstärker ................................................................................. 5136.2.2 Eintakt-A-Verstärker ............................................................................................................ 5156.2.3 Leistungsverstärker mit verbessertem Eintakt-A-Betrieb.................................................... 5186.2.4 Komplementärer Leistungsverstärker im B-Betrieb............................................................ 5206.2.5 Komplementärer Leistungsverstärker im AB-Betrieb ......................................................... 5236.2.6 Leistungsverstärker mit Darlingtonstufe im A-Betrieb ....................................................... 5266.2.7 Leistungsverstärker mit Darlingtonstufe im AB-Betrieb..................................................... 5296.2.8 Verstärker mit Operationsverstärker .................................................................................... 5336.3 HF-Verstärker....................................................................................................................... 5356.3.1 Mikrowellendioden.............................................................................................................. 5366.3.2 Aktive Mikrowellendioden .................................................................................................. 5386.3.3 Simulation von Mikrowellentransistoren............................................................................. 5396.3.4 C-Betrieb für HF-Transistoren............................................................................................. 5446.3.5 Zwischenfrequenzverstärker ................................................................................................ 5456.3.6 Offene und kurzgeschlossene Leitungssysteme................................................................... 5496.3.7 Antennenkopplungen und HF-Eingangsstufen .................................................................... 554

5 Hinweise zur Installation................................................................................................... 559

Sachverzeichnis ............................................................................................................................... 561

Bernstein

Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik

Teil 1

Herbert Berstein

Praxisnahes Lernen mit dem PC als Simulationssystem

Grundlagen der

Elektrotechnikund

ElektronikTEIL 1




Satz: Photosatz Pfeifer, 82166 GräfelfingCover: www.adwerma.de, RohrbachDruck: Bercker, 47623 KevelaerPrinted in Germany

zum Teil 1

Teil 1

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Herbert Bernstein Handbuch der praktischen Elektronik · 4.4.3 Reihenschaltung von Widerstand und Spule ... 4.6.4 Berechnung eines Transformators ... 5.3.5 T- und š-Filter