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Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einführung

Auszug
Das vorliegende Buch beschreibt den Aufbau und die Funktionsweise zahlreicher Bauelemente so aus- führlich, wie es für eine funktionsgerechte Anwendung erforderlich ist. Es hält sich dabei an die Vorge- hensweise der Praxis mit einer Beschreibung der Betriebseigenschaften durch Kenndaten und Kenn- linien, die der Hersteller üblicherweise im Datenblatt angibt.

1. Elektrische Leitung und Widerstände

Auszug
Zu jedem elektrischen Bauelement führen Anschlussdrähte, die eine elektrische Leitung bilden. Im einfachsten Fall handelt es sich um zwei parallele Drähte in Luft, deren charakteristische Eigenschaften im Folgenden betrachtet werden. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse lassen sich analog auch auf andere Leitungsformen in Luft und anderen Medien übertragen.

2. Homogene Halbleiterbauelemente

Auszug
Halbleiter sind in der Regel kristalline Werkstoffe, deren Leitfähigkeit niedriger ist als die Leitfähigkeit der Metalle, aber höher als die Leitfähigkeit der Nichtleiter. Dazu gehören Germanium, Silizium, Selen sowie eine Reihe von Verbindungshalbleitern wie Bleisulfid, Indiumantimonid und Siliziumkarbid.

3. Halbleiterdioden

Auszug
Bringt man nach Bild 1 neutrales n- und p-Silizium zusammen, so diffundieren über den „pn-Übergang“ (junction) Löcher in die n-Zone und Elektronen in die p-Zone (Ausgleichsbestreben). Durch den Zufluss von Löchern bzw. den Abfluss von Elektronen ergibt sich eine Potentialanhebung der n-Zone gegenüber der p-Zone. Die entstehende „Potentialschwelle“ wirkt mit ihrem elektrischen Feld dem Ausgleichsbestreben entgegen. Es bildet sich die Diffusionsspannung UD über einem an freien Ladungsträgern verarmten Übergangsgebiet, der sog. Sperrschicht. Versehen mit beiderseitigen Metallkontakten entsteht eine Diode1).

4. Kondensatoren

Auszug
Kondensatoren bestehen in ihrer Grundform aus 2 gegeneinander isolierten räumlich ausgedehnten Elektroden (z.B. Platten, Zylinder entsprechend Bild 1). Mit dem Anlegen einer Spannung U nimmt der Kondensator die elektrische Ladung Q auf und speichert in seinem elektrischen Feld die Energie W. Es gilt:
https://static-content.springer.com/image/chp%3A10.1007%2F978-3-8348-9021-4_5/978-3-8348-9021-4_5_Equa_HTML.gif
Die Proportionalitätskonstante nennt man Kapazität. Ihre Einheit ist 1 As/V = 1 F (Farad). Besonders gebräuchlich sind die Untereinheiten Mikrofarad, Nanofarad und Pikofarad (siehe Anhang A15).

5. Spulen und Schwingkreise

Auszug
Unter Spule versteht man eine schraubenförmig aufgewickelte Draht- oder Bandleitung. Wird eine Spule von einem Strom I durchflössen, so entsteht ein magnetisches Feld mit dem Energieinhalt W. Das Spuleninnere wird von dem Bündelfluss Φ durchdrungen. Bei einer offenen Zylinderspule nach Bild 1a streuen die Feldlinien stark in den Raum aus. Mit der Annahme, dass sie alle N Windungen durchsetzen, definiert man den verketteten Fluss Ψ = N · Φ. In Verbindung mit dem felderzeugenden Strom I gilt:
https://static-content.springer.com/image/chp%3A10.1007%2F978-3-8348-9021-4_6/978-3-8348-9021-4_6_Equa_HTML.gif
Den Proportionalitätsfaktor L nennt man Induktivität. Ihre Einheit ist 1 Ωs = 1 H (Henry).

6. Transformatoren und Übertrager

Auszug
Schaltet man nach Bild 1 zwei benachbarte Spulen in Reihe an eine Wechsel Spannung u, so werden sie von dem gleichen Strom durchflossen. Bei gleichsinniger Wicklung unterstützen sich ihre Durchflutungen beim Aufbau des magnetischen Flusses Φ, der sich in den durchgehenden Hauptfluss Φh und den Streufluss Φs aufteilt. Die in den Wicklungen induzierten Spannungen u1 und u2 ergeben sich aus der Selbstinduktion (Faktor L), überlagert mit einem Anteil der Fremdinduktion (Faktor M) aufgrund der zweiten Spule. Bei Widerstandsfreiheit gilt mit i1 = i2 = i für die Klemmenspannung u:
$$ u = u_1 + u_2 = \left( {L_1 + L_2 \pm 2M} \right)\frac{{di}} {{dt}}mit L_1 + L_2 \pm 2M = L als resultierende Induktivit\ddot at. $$
Das Pluszeichen gilt bei gleichem Wicklungssinn, das Minuszeichen bei entgegengesetztem Wicklungssinn.

7. Relais

Auszug
Ein elektromagnetisches Relais besteht aus einem Elektromagneten und einem gegen eine Federkraft zu bewegenden Anker, der einen oder mehrere Kontakte betätigt. Für eine ausreichende Magnetkraft ist eine bestimmte Erregerdurchflutung erforderlich (Θ = IE · N = 50… 150 A bei mittlerer Baugröße). Von der Erregung her unterscheidet man Gleichstrom- und Wechselstromrelais. Die Letzteren werden vor allem für die Energietechnik als „Schaltschütze“ mit „geblechtem“ Kern gebaut.

8. Röhren und Displays

Auszug
Gasentladungsröhren nutzen die elektrische Leitfähigkeit eines ionisierten Gases. Das einfachste Beispiel ist die Glimmlampe nach Bild 1. Sie besteht aus zwei teller- oder stabförmigen Elektroden in einem edelgasgefüllten Gefäß. Durch ein ausreichend starkes elektrisches Feld zwischen beiden Elektroden werden freie Elektronen so beschleunigt, dass sie durch Stoßionisation eine „Zündung“ des Gases bewirken. Das somit leitfähige Gasgemisch bezeichnet man als Plasma. Über einen Vorwiderstand — oft im Lampensockel eingebaut — können solche Lampen an Gleich- oder Wechselspannung betrieben werden. Beim Stromdurchgang erzeugen sie ein Glimmlicht, das schon bei Stromstärken von 10 μA sichtbar wird. Bild 1c zeigt ein bekanntes Anwendungsbeispiel.

9. Feldeffekt-Transistoren

Auszug
Das Wort Transistor entstand aus der Bezeichnung „transfer resistor“, was etwa steuerbarer Widerstand bedeutet. Es gibt mehrere Transistorvarianten. Bild 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Sperrschicht-Feldeffekt-Transistors. Eine innere „Kanalzone“ von n- oder p-leitendem Typ wird umgeben von einem Mantel, der sog. Gatezone vom entgegengesetzten Leitungstyp. Diese hat den Anschluss „Gate“ G, der für die Stromleitung vorgesehene Kanal hat die Anschlüsse „Source“ S und „Drain“ D.

10. Bipolare Transistoren

Auszug
Transistoren im üblichen Sprachgebrauch sind „bipolare“ Transistoren, bei denen Elektronen und Löcher gemeinsam am Ladungstransport beteiligt sind. Der Strom fließt über einander abwechselnde n- und p-Zonen. Bild 1a zeigt die Zonenfolge beim npn-Transistor, Bild 2a beim dazu komplementären pnp-Transistor mit den Anschlüssen Emitter E, Basis B und Kollektor C. Die beiden pn-Übergänge kann man ersatzweise nach Bild 1b/2b als gegeneinander geschaltete Dioden darstellen mit dem gemeinsamen Punkt B’ im Inneren der Basiszone, der über den „Basisbahnwiderstand“ RBB, (Größenordnung einige Ohm) zum Anschluss B Verbindung hat. Dieses Bild mit getrennten Dioden erklärt schematisch den Transistoraufbau, nicht aber seine Funktion.

11. Operationsverstärker

Auszug
Operationsverstärker (häufig abgekürzt mit OP) sind im Prinzip nach Bild 1a aufgebaut. Sie bestehen aus einer Differenzeingangsstufe (Tl und T2), einem Zwischenverstärker (T3) und einer Endstufe (T4). Die Schaltung hat zwei Eingänge — mit P und N bezeichnet — und einen Ausgang A, jeweils bezogen auf Masse. Die Letztere wird gebildet durch den gemeinsamen Schaltungspunkt einer positiven und negativen Betriebsspannungsquelle. Die einzelnen Verstärkerstufen sind galvanisch gekoppelt, so dass auch Gleichspannungen verstärkt werden können (Gleichspannungsverstärker).

12. Ausgewählte Analogbausteine

Auszug
Ein einfacher und vielseitig nutzbarer Operationsverstärker ist der Typ TAA 765, die verbesserte Version der mittlerweile ausgelaufenen Typen TAA 861/TAA 761. Bild 1 stellt die Schaltung vor, ausgelegt für symmetrische Betriebsspannung mit ± UB ≤ 18 V (siehe Anhang B11/12). Die Eingangsschaltung wird gebildet durch das Transistorpaar Tl — T2 als Differenzverstärker in Verbindung mit Transistor T5 als Stromsenke. Bei ausschließlicher Gleichtaktsteuerung fließt der vom Transistor T5 aufgenommene Strom je zur Hälfte über Tl und T2. Über die Transistoren T3 und T6 schließt sich dabei eine Regel schleife, die im Sinne einer Stromkonstanthaltung wirkt und so für eine hohe Gleichtaktunterdrückung sorgt.

13. Sinusoszillatoren

Auszug
Eine elementare Schaltung zur Schwingungserzeugung zeigt Bild 1a. Sie besteht aus einer dreigliedrigen RC-Kette, einem Spannungsfolger (OP1) und einem nachgeschalteten invertierenden Verstärker (OP2), dessen Ausgang auf den Eingang der RC-Kette rückgekoppelt wird. Trennt man diese „Ringschaltung“ an der gestrichelten Stelle auf, so erhält man für den offenen Ring die „Schleifenverstärkung“:
$$ \underline V _S = \frac{{\underline U _2 }} {{\underline U _1 }} = \underline A _u \cdot 1 \cdot \left( { - {{R_f } \mathord{\left/ {\vphantom {{R_f } {R_N }}} \right. \kern-\nulldelimiterspace} {R_N }}} \right)und speziell \underline V _S = - \frac{1} {{29}} \cdot 1 \cdot \left( { - {{R_f } \mathord{\left/ {\vphantom {{R_f } {R_N }}} \right. \kern-\nulldelimiterspace} {R_N }}} \right) f\ddot ur \Omega = \frac{1} {{\sqrt 6 }}bzw.\omega = \frac{1} {{\sqrt 6 RC}}. $$
Offenbar wird bei dieser speziellen Kreis-Frequenz die Schleifenverstärkung Vs = 1, wenn Rf = 29 · RN wird. Ein Testsignal am Eingang kommt also amplituden- und phasengleich wieder an die Trennstelle zurück. Schließt man diese, so ist eine Schwingung mit der Frequenz fs möglich aufgrund der dann bestehenden „Mitkopplung“. Bei Vs > 1 (Rf > 29 RN) tritt eine Schwingungsanfachung (Selbsterregung) aus dem Rauschen heraus auf, bis eine Amplitudenbegrenzung durch die Sättigung der OPs eintritt, wobei eine gewisse Schwingungsverzerrung unvermeidlich ist. Diese wird umso stärker, je größer die Schleifenverstärkung des offenen Kreises ist.

14. Kippschaltungen

Auszug
Trigger sind Schwellwertschalter, die kippartig schalten, wenn das Ansteuersignal eine bestimmte Schwelle erreicht. Bild 1a zeigt den klassischen Schmitt-Trigger mit zwei emittergekoppelten Transistoren. Diese bilden eine Mitkopplungsschleife, in der Transistor T2 als Emitterfolger und Transistor Tl in Basisschaltung arbeitet. In erster Näherung können Rb und Re als relativ hochohmige Widerst↭de parallel zu den jeweiligen Eingängen vernachlässigt werden. Ein vom Transistor Tl ausgehender Stromimpuls verzweigt sich über die Widerstände RC1 und RK, wobei der Teilstrom über Rk, multipliziert mit dem Stromverstärkungsfaktor des Emitterfolgers (1 + β), als Eingangsstrom auf den Transistor Tl zurückwirkt. Multipliziert mit dessen Stromverstärkung in Basisschaltung (Vi ≈ 1), tritt er wieder am Kollektor aus. Damit ergibt sich näherungsweise eine Schleifenverstärkung Vsi für den Strom entsprechend Bild 1b. Die Schaltung kann vorübergehend instabil werden und damit kippen unter der Voraussetzung Vsi > 11).

15. Digitale Verknüpfungs- und Speicherschaltungen

Auszug
Gatterschaltungen oder Torschaltungen sind in ihrer Grundform Übertragungsglieder mit mehreren Eingängen und einem Ausgang. Je nach Betriebszustand des Gatters kann der Übertragungsweg für ein Signal vom Eingang zum Ausgang freigegeben oder gesperrt werden. Bild 1 zeigt zwei Ausführungsformen mit nur 2 Eingängen. Als unabhängige Eingangssignale (Eingangsvariable) sind die eingetragenen Spannungen u1 und U2 anzusehen, als davon abhängiges Ausgangssignal (Ausgangsvariable) wird die Spannung ua betrachtet. Bei offenen Klemmen wird durch den Widerstand R im ersten Fall der Ausgang A auf Massepotential, im zweiten Fall auf ein positives Potential + UB gezogen.

16. DA- und AD-Umsetzer

Auszug
Digital-Analog-Umsetzer haben die Aufgabe, ein binäres Datenwort — normalerweise eine Dualzahl D — in eine analoge Größe umzusetzen. Die Aufgabe wird verdeutlicht mit Bild 1. Die Ausgänge eines 3 BitDualzählers mit den Bits d0, d1, d2 werden einem DA-Umsetzer zugeführt, der analog zum jeweiligen Zählerstand eine Ausgangsspannung uA bildet. Gemäß der schrittweisen Änderung der Dualzahl kann sich auch die Spannung uA nur schrittweise um jeweils eine Spannungsstufe ΔU ↭dern (Bild 1b). Beim Durchlauf des Zählers ergibt sich also ein treppenförmiger Anstieg in Abhängigkeit von der Zahl D. Die eigentliche Kennlinie des Umsetzers besteht jedoch nur aus einzelnen diskreten Punkten, die auf einer Geraden durch den Nullpunkt liegen. Der höchste Punkt ist nach 2n-1 Stufen erreicht und liegt um eine Stufe unter dem mit Bild 1b definierten Bereichsendwert UE.

17. Optoelektronik

Auszug
Unter Optoelektronik versteht man das Anwendungsgebiet aller elektronischen Bauelemente, die Licht in ein elektrisches Signal umformen bzw. die umgekehrte Funktion ausüben. Da es sich dabei häufig nur um Varianten konventioneller Bauelemente handelt, wurden einige bereits im vorangegangenen Text besprochen: Fotowiderstände, Fotodioden bzw. Fotoelemente, Leuchtdioden, Anzeigebausteine und Bildröhren. Im Folgenden sollen Fototransistoren und -thyristoren behandelt werden.

18. Leistungstransistoren und Anwendungen

Auszug
Leistungstransistoren sind ausgelegt für relativ große Ströme und Verlustleistungen (> 10 W). Ihr „thermischer Innenwiderstand“ ist kleiner als 15 K/W. Die dem Transistor zugeführte und in Wärme umgesetzte (Verlust-) Leistung P muss notfalls über einen Kühlkörper nach außen so abgeleitet werden, dass eine übermäßige Erwärmung des Kristalls vermieden wird. Bei Ge-Transistoren darf die Sperrschichttemperatur Tj höchstens auf 75 … 90 °C ansteigen, bei Si-Transistoren auf 150 … 200 °C. Im stationären Zustand gilt für die „totale“ Verlustleistung eines Bipolartransistors:
$$ P_{tot} = U_{CE} \cdot I_C + U_{BE} \cdot I_B \approx U_{CE} \cdot I_C $$
(1)
$$ {Damit erh\ddot alt man:T_j = P_{tot} \cdot R_{thJU} + T_U } $$
(2)
für die Temperatur der besonders beanspruchten Kollektor-Basis-Sperrschicht. RthJU ist der gesamte Wärmewiderstand zwischen der Sperrschicht und der Umgebung, TU ist die Umgebungstemperatur. Nach Bild 1 setzt sich der Wärmewiderstand RthJU entsprechend dem Wärmefluss über verschiedene Schichten aus der Reihenschaltung mehrerer Einzelwiderstände zusammen. Der Teilwiderstand RthJG zwischen Sperrschicht und Gehäuse ist vom System her als „thermischer Innenwiderstand“ fest vorgegeben. Bei angeflanschtem Kühlkörper folgt darauf der Wärmeübergangswiderstand RthGK zwischen Gehäuse und Kühlfläche und anschließend noch der Wärmewiderstand RthK des Kühlkörpers. Ohne diesen ist der wesentlich größere Wärmewiderstand RthGU wirksam. Bild 1b stellt die Zusammenhänge im Ersatzbild dar, und Bild 2 gibt dazu Richtwerte an. Anhand der Werte für Rthgu erkennt man, dass ein Transistor im TO 3-Gehäuse nur 3 … 4 W ohne Kühlkörper in normaler Umgebung verträgt. Für das Gehäuse TO 220 sind höchstens 2 W zulässig und für TO 5 etwa 1 W.

19. Thyristoren und Triacs

Auszug
Unter Leistungsthyristoren versteht man Thyristoren für Dauergrenzströme von mehr als 1 A2). Bild 1a zeigt einige Ausführungen für noch relativ kleine Stromwerte, und Bild 1b zeigt die Montageweise von Schraubthyristoren in Verbindung mit einem Kühlkörper. In der Regel ist die Anode leitend mit dem Gehäuse verbunden, gelegentlich stattdessen die Katode. In Anlehnung an die heute üblichen Bezeichnungen sollen im Folgenden die Ströme und Spannungen gemäß Bild 1c bezeichnet werden. Damit lässt sich der Thyristor als ein steuerbares Ventil beschreiben, das im Ausgangszustand nach beiden Richtungen hochohmig ist, durch Einspeisung eines Gatestromes Ig aber bei positiver Spannung Ut in den Durchlasszustand umgeschaltet werden kann (Zündung). Der Thyristor geht dabei vom „Blockierzustand“ in den Durchlasszustand über, in dem er sich im Wesentlichen wie eine leitende Diode verhält. Die Spannung steigt nur geringfügig mit dem Strom auf etwas mehr als 1 V an3).

20. Spannungs- und Stromversorgung

Auszug
Die für den Betrieb einer elektronischen Baugruppe erforderliche Gleichspannung wird oft durch Gleichrichtung aus der Netzwechsel Spannung unter Zwischenschaltung eines Transformators gewonnen. Der Letztere dient dabei zur Spannungsübersetzung und zur galvanischen Trennung vom Netz. Für die Erzeugung einer stabilen und glatten Gleichspannung wird dem Gleichrichter mit Ladekondensator üblicherweise ein Spannungsregler nachgeschaltet. Bild 1a zeigt dazu die Schaltung mit einem integrierten Festspannungsregler, beispielsweise dem Typ 78XX1).

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