Einführung in die elektronische Schaltungstechnik

Dioden, Transistoren und Grundschaltungen

verfasst von: Martin Alles

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

Inhaltsverzeichnis

Über dieses Buch

Dieses Lehrbuch führt in die Funktionsweise und die Schaltungstechnik elektronischer Bauteile ein. Es beginnt bei den erforderlichen Grundlagen der Elektrotechnik. Anschließend werden Dioden und deren Eigenschaften behandelt. Zwei weitere Kapitel widmen sich der Funktionsweise und der Anwendung von Bipolar- und Feldeffekttransistoren. Im letzten Kapitel wird das Temperaturverhalten von Transistorschaltungen intensiv besprochen. Daneben wird hier eine Auswahl grundlegender Transistorschaltungen vorgestellt. Ein wesentliches Merkmal ist die Praxisnähe, mit der sich dieses Buch von üblichen Lehrbüchern absetzt. Mit sehr viel Aufwand wird zu nahezu jeder der vorgestellten Schaltungen ein Foto mit dem Aufbau der Schaltung auf dem Steckbrett und die zugehörigen Messungen gezeigt. Die Fotos und die Messungen laden geradezu ein, die Schaltungen auch selbst aufzubauen und eigene Experimente durchzuführen. Die theoretischen Werte werden mit Simulationswerten und den gemessenen Werten verglichen. Dies veranschaulicht Gemeinsamkeiten aber auch Abweichungen zwischen Theorie und Praxis. Neben den klassischen Messungen von Dioden und Transistorschaltungen, liegt ein besonderes Augenmerk auf dem Temperaturverhalten der grundlegenden Transistorschaltungen. Insbesondere diese Praxisnähe ermöglicht eine äußerst anschauliche Einführung in die elektronische Schaltungstechnik. Abgerundet wird der behandelte Stoff mit etlichen Verständnisfragen und Übungsaufgaben.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einführung in die Elektrotechnik

Zusammenfassung

Für das Verständnis, die Analyse und die Berechnung elektronischer Schaltungen sind Grundkenntnisse aus der Elektrotechnik zwingend erforderlich. Da man Spannungen und Ströme in der Mehrzahl der Fälle mit den menschlichen Sinnen nicht wahrnehmen kann, ist ein Grundverständnis für elektrische und elektronische Vorgänge hilfreich. Ebenfalls ist es wichtig, dass grundlegende Schaltbilder bekannt sind. In diesem Abschnitt werden einige wichtige Punkte aus der Gleichstromtechnik in kurzer Form zusammengefasst. Tiefer gehende Beschreibungen finden sich in etlichen Quellen. Falls Sie mit den Grundlagen der Elektrotechnik und der Berechnung elektrischer Netze vertraut sind, können Sie dieses Kapitel guten Gewissens überspringen und ggf. zum Nachschlagen verwenden.

In dem folgenden Absatz wird zunächst die Verwendung von Einheiten und Vorsatzzeichen erläutert. Die Beachtung der zugehörigen Grundlagen ermöglicht eine relativ einfache und schnelle Kontrolle von Berechnungen. Außerdem ist eine einheitliche Darstellung von Größen für die Nachvollziehbarkeit sehr wichtig. Anschließend werden wichtige Schaltungssymbole und einfache Schaltpläne erläutert. Die für die Elektronik wichtigen Spannungs- und Stromquellen mit den zugehörigen Berechnungen werden in einem weiteren Unterkapitel behandelt. Daran schließt sich eine Beschreibung des Widerstands an. Abgeschlossen wird dieses Kapitel mit der Berechnung elektrischer Netze und der Beschreibung einiger Berechnungsprinzipien, die vielfach angewendet werden.

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2. Einführung in die elektronische Messtechnik und Spice-Simulation

Zusammenfassung

In den weiteren Kapiteln werden Messungen und Simulationen zahlreicher Schaltungen gezeigt. Damit die Mess- bzw. Simulationskurven richtig interpretiert werden können, werden in diesem Abschnitt einige grundlegende Punkte erläutert. Dazu gehört insbesondere die Darstellung von Oszilloskopmessungen. Hier ist es wichtig zu verstehen, welche Größen abgebildet sind, wie Zahlenwerte aus den Messkurven entnommen werden können und unter welchen Bedingungen die Messung durchgeführt wurde. Für die Beispielmessungen in den folgenden Kapiteln werden vereinfachende Näherungen verwendet, die im Folgenden kurz dargestellt sind. Neben den grundlegenden Messungen der Ein- und Ausgangsspannung erlauben Oszilloskope durch geschickte Beschaltung die Bestimmung von Ein- und Ausgangswiderständen für Wechselsignale. Auch das wird in den folgenden Abschnitten beschrieben. Eine weitere wichtige Funktion eines Oszilloskops ist die Umrechnung des Zeitsignals in ein Frequenzsignal. Das erlaubt weitere Einblicke in das elektrische Signal. Auch wenn diese Funktion in diesem Buch nur wenig verwendet wird, soll die Funktionsweise kurz dargestellt werden.

Das nächste Hauptthema dieses Kapitels ist die Simulation elektronischer Schaltungen. Hier wird keine explizite Anleitung zur Bedienung der Simulationsprogramme angegeben. Vielmehr werden kurz einige wichtige Prinzipien dargestellt. Die Simulation elektronischer Schaltungen ermöglicht die Berechnung von Spannungen und Strömen an beliebigen Schaltungsteilen. Dadurch lassen sich in der Regel weitere Erkenntnisse über die Schaltung gewinnen.

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3. Passive elektronische Bauteile (Widerstand, Kondensator, Spule)

Zusammenfassung

In diskreten elektronischen Schaltungen, also Schaltungen, die auf Platinen o. ä. aufgebaut sind, werden in der Regel etliche passive Bauteile verwendet. Dazu gehören Widerstände, Kondensatoren und Spulen. Für die theoretische Beschreibung von Widerständen werden Grundkenntnisse aus der Elektrotechnik vorausgesetzt, die beispielsweise in Kap. 1 kurz zusammengefasst sind. Hier wird der Widerstand auch unter praktischen Gesichtspunkten behandelt. Dazu gehören Bauformen, aber auch gängige Widerstandswerte, sowie die Anwendung von Widerständen für verschiedene Zwecke. Abgeschlossen wird das Unterkapitel mit der Beschreibung von Potentiometern.

Anschließend werden Kondensatoren als zweite wichtige Gruppe der passiven Bauteile behandelt. Auch hier liegt der Schwerpunkt auf der Praxis. Einige verschiedene Kondensatortypen und Bauformen werden vorgestelllt. Daneben konzentriert sich das Kapitel auf die Anwendung von Kondensatoren in elektronischen Schaltungen.

Abschließend werden in einem kurzen Abschnitt Spulen angesprochen.

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4. Dioden

Zusammenfassung

Dioden gehören zu den ersten Halbleiterbauelementen, die in diesem Buch behandelt werden. Streng genommen gehören Dioden zu den passiven Bauteilen, teilweise werden Dioden jedoch auch unter der Rubrik aktive Bauelemente geführt. Zu den wichtigen Dioden gehören die Siliziumdioden, Schottkydioden und Z-Dioden. In der Optoelektronik werden Leuchtdioden (LED), Laserdioden und Fotodioden sowie Solarzellen verwendet.

Das grundlegende Bauteilprinzip ist dabei immer sehr ähnlich: In der sog. Flussrichtung kann ein Strom durch die Diode fließen. Wird die Spannungsrichtung umgepolt, wird der Stromfluss praktisch komplett gestoppt. Es fließt dann nur noch ein kleiner Reststrom. Man spricht dann von Sperrrichtung. Diese Eigenschaft der Diode wird durch das Schaltbild gut veranschaulicht: Das Schaltbild in Abb. 4.1 zeigt einen stilisierten Pfeil, der die Flussrichtung in der technischen Stromrichtung angibt. Der Anschluss am Querstrich wird als Kathode (K), der Anschluss am stumpfen Ende des Dreiecks als Anode (A) bezeichnet. Für die Flussrichtung muss die Spannung an der Anode höher als die Spannung an der Kathode sein. Daneben ist in Abb. 4.1 ein Foto mit mehreren Dioden in unterschiedlichen Bauformen gezeigt. Die Kathode ist in der Regel mit einem weißen bzw. hellgrauen Ring markiert. In den folgenden Abschnitten werden einige Diodentypen besprochen. Neben den hier aufgeführten Dioden gibt es für spezielle Anwendungen zahllose weitere Diodenarten. Zu den weiteren Anwendungen gehören die Freilaufdiode, der Verpolungsschutz aber auch die Demodulation von amplitudenmodulierten Signalen.

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5. Bipolartransistoren

Zusammenfassung

In den folgenden Abschnitten werden die Eigenschaften der Bipolartransistoren behandelt. Zunächst wird die grundlegende Funktionsweise des NPN-Transistors erklärt. Mit diesen Kenntnissen wird kurz der komplementäre PNP-Transistor besprochen. Schließlich werden grundlegende Verstärkerschaltungen qualitativ vorgestellt.

Für ein genaueres Verständnis des Verhaltens von Bipolartransistoren werden anschließend die grundlegenden Kennlinienfelder besprochen. Ausgehend von diesen Kennlinienfeldern werden die wesentlichen Kleinsignal-Parameter des Bipolartransistors beschrieben. Auf Basis dieser Kleinsignal-Parameter wird das Kleinsignal-Ersatzschaltbild des Bipolartransistors entworfen. Mit diesen Informationen können die Grundschaltungen des Bipolartransistors noch einmal behandelt werden. Mit dem Kleinsignal-Ersatzschaltbild als Basis werden Gleichungen für die Spannungsverstärkung, den Eingangs- und den Ausgangswiderstand hergeleitet. Auf diese Weise ergeben sich handliche Näherungsformeln, mit denen eine einfache Beschreibung der Grundschaltungen möglich ist.

In diesem Abschnitt werden zahlreiche Messungen der Transistorschaltungen vorgestellt. Damit wird verdeutlicht, dass die Näherungsformeln zum Teil ausgezeichnet mit der Wirklichkeit übereinstimmen. Bei einzelnen Werten gibt es allerdings schon einmal größere Abweichungen. Die Größenordnung wird aber auf alle Fälle sehr genau wiedergegeben. Zum Teil ist die Messung von niedrigen Spannungssignalen auch durch Rauschen gestört. Dadurch lässt sich ein Teil der Abweichungen erklären.

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6. Feldeffekttransistoren

Zusammenfassung

In diesem Kapitel wird die Funktionsweise von MOS-FETs (metal-oxide semiconductor field-effect transistor) und JFETs (junction field-effect transistor) erläutert. Bei MOS-FETs ist die metallische Gateelektrode durch eine Isolationsschicht aus SiO₂ vom Rest des Transistors isoliert. Bei JFETs wird dieser Zweck durch einen gesperrten pn-Übergang erreicht. Für den MOS-FET wird hier eine vereinfachte Struktur verwendet, damit das Verständnis für die Funktionsweise erleichtert wird. Diese Struktur wird jedoch in der Praxis selten verwendet.

Nach Durcharbeiten dieses Kapitels können Sie die Funktionsweise eines JFET und eines MOS-FETS beschreiben. Aus einem Schaltplan können Sie die Schaltungsart des FET bestimmen. Sie sind in der Lage, aus dem Schaltplan ein Kleinsignal-Ersatzschaltbild für den FET zu zeichnen und die Kleinsignalgrößen zu bestimmen. Mit gegebenen Größen können Sie den Arbeitspunkt eines Feldeffekttransistors und die Parameter der FET-Schaltung berechnen.

Sie können die Kennlinien der verschiedenen Feldeffekttransistoren zeichnen und unterschiedliche Arbeitspunkte in die Kennlinienfelder einzeichnen. Sie verstehen die Unterschiede zwischen analogem und digitalem Betrieb.

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7. Elektronische Grundschaltungen mit Transistoren

Zusammenfassung

Ein sehr wichtiger Punkt für alle elektronischen Schaltungen sind Temperatureffekte. Im ersten Abschnitt dieses Kapitels wird deshalb das Temperaturverhalten von Bipolar- und Feldeffekttransistoren dargestellt. Damit können Sie nachvollziehen, dass elektronischen Bauelemente häufig einen starken Temperaturgang haben, der sehr oft unerwünscht ist. Durch entsprechende Gegenmaßnahmen lässt sich der Temperaturgang erheblich reduzieren.

In den weiteren Abschnitten dieses Kapitels werden einige Grundschaltungen vorgestellt, die in elektronischen Schaltungen sowohl als Einzelschaltung als auch in integrierten Schaltungen regelmäßig verwendet werden.

Begonnen wird mit dem Darlingtontransistor und der Verwendung eines FETs als ohmscher Widerstand. Anschließend wird der Transistor als Schalter erläutert. Hier schließt sich der Transistor als Stromquelle an. Es folgt die Beschreibung eines einfachen Inverters. Als weitere Grundschaltung wird die Kaskodeschaltung vorgestellt. Diese Schaltung wird oft in der Hochfrequenztechnik angewendet Die nachfolgende Grundschaltung des Stromspiegels hat vor allem die Anwendung, aus einem Referenzstrom einen oder mehrere Ströme für getrennte Schaltungsteile abzuleiten. Diese Referenz wird durch die anschließende Bandgapschaltung gebildet. Schließlich werden Kippstufen, Ausgangsstufen und Schutzschaltungen gezeigt.

Martin Alles

Backmatter

Titel: Einführung in die elektronische Schaltungstechnik
verfasst von: Martin Alles
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-662-69278-3
Print ISBN: 978-3-662-69277-6
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-69278-3