Elektronik für Ingenieure und Naturwissenschaftler

Frontmatter

1. Grundlagen der Elektrotechnik

Zusammenfassung

Dieser Abschnitt enthält die elektrotechnischen Grundlagen für die nachfolgenden Abschnitte. Zunächst sind die physikalischen Größen, ihre Formelzeichen und Einheiten zusammengestellt, die Grundbegriffe erläutert sowie deren Richtungssinn (Pfeilung) festgelegt. Im Anschluss daran werden die Kirchhoff’schen Gesetze in einem Stromkreis hergeleitet und Netzwerke mit der Maschen- und Knotenanalyse untersucht sowie grafische Verfahren zur Ermittlung der Werte für Spannung und Strom bei nichtlinearen Kennlinien vorgestellt. Der nächste Abschnitt erläutert die Grundlagen der Wechselstromlehre; es folgt eine Zusammenstellung der Messgeräte zur elektrischen Messung elektrischer und nichtelektrischer Größen. Schließlich werden die Grundlagen der Halbleiterphysik wiedergegeben und Hinweise zur Herstellung von Halbleiterbauelementen gegeben.

Ekbert Hering, Rolf Martin

2. Passive Bauelemente

Zusammenfassung

Elektronische Schaltungen enthalten neben den aktiven Bauteilen, meist Transistoren, auch passive Bauteile. Das sind Widerstände (R), Kondensatoren (C), Induktivitäten (L) und Dioden (D). Alle Teile gibt es in großer Vielfalt in einem großen Werte- und Leistungsbereich.

Die verschiedenen Ausführungsformen werden vorgestellt, Aufbau und die jeweils besonderen Eigenschaften werden beschrieben. Die ständige Tendenz zur Miniaturisierung wird ebenso berücksichtigt wie Sonderbauformen und besondere Werkstoffe, die bestimmte Eigenschaften erst ermöglichen. Spezielle Keramiksorten führen zu preisgünstigen Teilen für vielfältige Anwendungen. Normreihen für die Werte sorgen für eine gleichmäßige Abdeckung des Bedarfs.

Die erwünschte oder unerwünschte Temperaturabhängigkeit der Werte wird ebenso beschrieben wie die Zuverlässigkeit und Ausfallursachen der Teile. Aufgrund der ständig steigenden Anzahl der Bauelemente und der dadurch sinkenden Zuverlässigkeit aller Schaltungen, ist eine hohe Zuverlässigkeit wichtig. Diese Aussagen gelten im Prinzip auch für aktive Teile und integrierte Schaltungen.

Ekbert Hering, Rolf Martin, Julian Endres

3. Aktive Bauelemente

Zusammenfassung

Transistoren und Dioden sind die wichtigsten Halbleiterbauteile aus denen elektronische Schaltungen, integrierte analoge und digitale Schaltungen, aufgebaut sind.

Aufbau, Wirkungsweise und Eigenschaften werden beschrieben. Dazu zählen die bipolaren Transistoren die Feldeffekttransistoren (FET) und die MOSFET. Letztere haben im Leistungsbereich eine zunehmende Bedeutung. Der größte Teil widmet sich der Schaltungstechnik. Der Leser lernt die für den Anwendungsfall geeigneten Transistoren und die günstigste Schaltung auszuwählen und zu dimensionieren.

Auch wenn die Bedeutung diskret aufgebauter Schaltungen zugunsten der integrierten Schaltungen abnimmt, erklären sie die Arbeitsweise mit Vor- und Nachteilen. Für viele Sonderfälle kann eine Schaltung speziell entwickelt und ausgelegt werden. Hinweise zur praktischen Entwicklungsarbeit runden das Wissen ab.

Quarze und Quarzoszillatoren sind genaue und preisgünstige Schwingungserzeuger. Neben der Wirkungsweise werden typische Eigenschaften, Fehlermöglichkeiten und Temperaturverhalten erläutert. Die Verfahren zur Entwicklung von Präzisionsoszillatoren für höchste Anforderungen werden dargestellt.

Julian Endres, Harald Rudolph

4. Hochfrequenz-Verstärker

Zusammenfassung

Bei der Verstärkung und Bearbeitung hochfrequenter Signale sind weitaus mehr physikalische Gesetze und Regeln zu beachten, als bei Gleichstrom oder Netzfrequenz.

Die hierzu notwendigen Grundlagen mit Schaltungen, Berechnungs- und Messverfahren werden erläutert. Das Smith-Diagramm zur üblichen Darstellung komplexer Größen in der HF-Technik ist ein wichtiger Teil. Die Anpassung von Verstärkertransistoren wird dargestellt, ebenso der Einfluss des Rauschens, das beim Empfang schwacher Signale stört.

HF-Schaltungen für einen bestimmten Anwendungsfall werden heute nicht immer von Grund auf entwickelt, sondern oft aus fertigen und preisgünstigen HF-Bausteinen zusammengesetzt. Diese Bauteile und ihre Anwendung werden beschrieben, viele HF-Schaltungen können damit schnell und einfach aufgebaut werden. Die sonst nötigen aufwändigen Einzelberechnungen sind wegen genormter Schnittstellen deutlich vereinfacht.

Julian Endres

5. Bauelemente der Leistungselektronik

Zusammenfassung

In der Leistungselektronik geht es um die Anwendung von elektronischen Bauteilen im Hochspannungs- und Hochstrombereich. Dazu wurden spezielle passive, aktive und hybride Bauelemente entwickelt, wie sie in der Antriebstechnik, bei Spannungsumrichtern sowie in Netzgeräten und Stromversorgungen zu finden sind. Bei den aktiven Bauelementen wird insbesondere auf bipolare Schalter (Transistoren, Thyristoren und Triac), FET-Leistungsschalter (MOS-Transistoren) und IGBTs eingegangen.

Jürgen Gutekunst

6. Optoelektronik

Zusammenfassung

Die Optoelektronik ist das Teilgebiet der Elektronik, das sich mit der Umwandlung von opti-schen Signalen in elektrische und umgekehrt sowie mit ihrer Kopplung befasst. Aufgrund der vorteilhaften Eigenschaften der Festkörperbauelemente, wie beispielsweise kleine Bauform, mechanische Robustheit, hohe Lebensdauer und niedrige Betriebsspannung, stellt man die Wandler überwiegend aus Halbleitern her. In diesem Buch ist deshalb fast ausschließlich die Halbleiteroptoelektronik beschrieben. Stimuliert durch die Erfolge bei der Integration elektroni-scher Bauelemente zu komplexeren Systemeinheiten, wurden auch bereits integrierte optoelekt-ronische Schaltungen entwickelt, bei denen sowohl optische als auch elektronische Bauteile auf einem Chip integriert sind. Im Einzelnen werden als Lichtquellen LEDs und Laserdioden behandelt sowie verschiedene Displays. Bei den Lichtdetektoren sind es die Fotowiderstände und Fotodioden in verschiedens-ten Formen (pin, APD, Fototransitor und –thyristor), Bildsensoren (CCD, CMOS-APS) sowie Solarzellen. Optokoppler sowie Führung elektromagnetischer Wellen in Lichtwellenleitern run-den das Kapitel ab.

Rolf Martin

7. Sensoren

Zusammenfassung

Ein Sensor ist ein Fühler, der die Messgrößen der Umwelt erfassen kann. Ein Sensor ist damit in der Lage, naturwissenschaftliche Effekte in Physik, Chemie, Biologie und Medizin zu erfassen, diese Informationen auszuwerten und entsprechende Maßnahmen zur Steuerung einzuleiten. In diesem Werk werden hauptsächlich physikalische Messgrößen behandelt. In diesem Fall wandelt ein Sensor eine physikalische Größe (z. B. Kraft oder Temperatur) mit Hilfe eines physikalischen Effektes in ein weiterverarbeitbares elektrisches Signal (z. B. Strom oder Spannung) um. Das Sensorelement erfüllt dabei die Funktion eines Aufnehmers, eines Wandlers, eines Verstärkers und einer Auswerte-Elektronik. Eventuelle Störgrößen (z. B. Temperaturbeeinflussung) können rechnerisch berücksichtigt werden. In selteneren Fällen kann das Sensorsignal auch hydraulische oder pneumatische Ausgangsgrößen liefern. Solche Messwertaufnehmer steuern dann die angeschlossenen Stellglieder direkt an.

Ekbert Hering

8. Analoge integrierte Schaltungen

Zusammenfassung

Operationsverstärker gehören zu den ältesten und wichtigsten analogen integrierten Schaltungen. Am Beispiel eines Universalverstärkers werden Aufbau und Eigenschaften beschrieben. Weiterhin werden einige wichtige Sonderausführungen gezeigt. Dazu gehören: Verstärker mit FET-Eingang, Verstärker mit sehr kleiner Offsetspannung (Zero Drift), Rail to Rail Verstärker, und sehr schnelle Operationsverstärker mit hoher Spannungsanstiegsgeschwindigkeit. Ein zweiter Abschnitt widmet sich der statischen Beschaltung. Damit können viele verschiedene Funktionen sehr einfach realisiert und berechnet werden. Die dynamische Beschaltung mit Widerständen und Kondensatoren ermöglicht frequenzabhängige Verstärkung, damit lassen sich Hoch-, Tief- und Bandpässe herstellen. Vor und Nachteile gegenüber digitalen Filtern finden sich im Abschnitt 9. Ein letzter Teil beschreibt weitere häufig benötigte integrierte Schaltungen. Dazu gehören u.a. Komparatoren; das sind schnelle Vergleicher, Spannungsregler mit fester oder variabler Spannung, Ladungspumpen und hochgenaue Bandabstands-Referenzelemente (Bandgap Voltage Reference).

Julian Endres

9. Digital-Analog (DA)-, Analog-Digital (AD)-Wandler und digitale Filter

Zusammenfassung

Das Prinzip der DA-Wandlung wird unter anderem anhand des R-2R-Leiternetzwerks beschrieben ebenso wie verschiedene Typen für unterschiedliche Bereiche und Schnittstellen. Die gängigen Verfahren zur AD-Wandlung mit ihren typischen Eigenschaften und Kosten werden vorgestellt. Hierzu gehören der integrierende AD-Wandler, der Wandler nach dem Prinzip der sukzessiven Approximation sowie verschiedene Parallel-AD-Wandler für eine hohe und sehr hohe Wandlungsgeschwindigkeit. Die Funktion der inzwischen weit verbreiteten DA- und AD-Wandler nach dem Delta-Sigma-Verfahren wird gezeigt und auf Vor- und Nachteile hingewiesen. Die Funktionsweise, Strukturen und Eigenschaften digitaler Filter werden beschrieben sowie die Entwurfsmethoden und die Implementierung in Hardware. Aufgrund der großen Variationsmöglichkeit und der preisgünstigen Massenherstellung übernehmen die digitalen Filter immer mehr Aufgaben von den analogen Vorgängern.

Julian Endres

10. Elektronische Regler

Zusammenfassung

Mit einer Regelung werden in erster Linie Prozessgrößen in automatisierten Systemen eingestellt. Beispielsweise kann mit einer Temperaturregelung die Innentemperatur eines Raumes trotz einer sich ändernden Außentemperatur konstant gehalten oder mit einer Durchflussregelung der Durchfluss eines Mediums auch bei einem sich ändernden Gegendruck stabilisiert werden. Auch in elektronischen Schaltungen können geregelte Systeme sehr sinnvoll sein. Durch eine Regelung kann beispielsweise eine Spannung, ein Strom oder auch eine Frequenz mitunter besser stabilisiert werden, als es durch aufwändige Kompensationsschaltungen möglich wäre.

Joachim Kempkes

11. Grundlagen der digitalen Schaltungstechnik

Zusammenfassung

In diesem Abschnitt werden die verschiedenen Zahlensysteme (Dezimal, Dual, Hexadezimal, BCD) behandelt. Kodierungen legen die Regeln fest, wie die Zuordnung von einem Zeichenvorrat zu einem anderen erfolgt. Es werden die wichtigsten Kodes besprochen (Gray-Kode, Fernschreibe-Kode, ASCII-Kode), ferner die redundanten Kodes sowie die fehlererkennenden und fehlerkorrigierenden Kodierungen vorgestellt. Die Bool´sche Algebra und ihre Verknüpfungen sowie die Gesetze von Boole und De Morgan werden behandelt und die Minimierungen nach Karnaugh-Veitch ausführlich diskutiert.

Jürgen Gutekunst

12. Digitale Bauelemente

Zusammenfassung

Digitale Bauelemente sind Schaltkreise, die auf der Grundlage der Boole´schen Gleichungen entwickelt werden. Die einfachen Boole´schen Verknüpfungen bezeichnet man als Gatterfunktionen (Gates). Mehrere solcher Gatterfunktionen werden als integrierte Schaltkreise auf einem Chip zusammengefasst. Je nach Packungsdichte erstrecken sich die Chips von Small Scale Integration(SSI) über Medium Scale Integration (MSI) bis hin zu Ultra Large Scale Integration (ULSI), die über 1 Million Transistoren auf einem Chip vereinigen. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf den verschiedenen Logikfamilien (TTL, STTL, FAST, CMOS, ECL) und die funktionale Umsetzung in unterschiedlichste Flip Flops und Zähler. Spezielle Speicherbauteile und die verschiedenen Arten von Mikrorechnern (Mikroprozessoren, Single-Chip-Mikrocomputer, RISC-Computer, Transputer) schließen dieses Kapitel ab.

Jürgen Gutekunst

13. Entwicklung digitaler Schaltungen

Zusammenfassung

Die Entwicklungsphasen (z. B. V-Modell) und die computergestützten Werkzeuge (CAE: Computer Aided Engineering, CAD: Computer Aided Design) führen in diesem Kapitel zum störungsfreien digitalen Design (Glitch-Free-Design). Es werden Kenntnisse zur Bandbegrenzung digitaler Signale vermittelt (Fourier-Reihe), sowie der Einfluss von Reflexionen auf die Qualität digitaler Signale. In einem PPL (Phase Locked Loop) werden die Phasen- und Frequenzunterschiede zweier Signale erfasst und ausgeglichen.

Jürgen Gutekunst

14. ASIC

Zusammenfassung

Steigende Anforderungen an Baugruppen und die Lösung komplexer Probleme durch Schaltungen machen immer mehr den Einsatz von individuellen Digital- und Analogbauteilen erforderlich. Dabei spielt auch der Trend zur Verkleinerung eine wichtige Rolle. Die verschiedenen Familien dieser kundenspezifischen Bauteile oder ASICs (Application Specific Integrated Circuit) werden vorgestellt (PAL, GAL, EPLD, EELPD, Gate-Array), ebenso programmierbare logische Bauteile (PLD: Programmable Logic Devices) sowie Digitale Gate Arrays und Standard-Zellen-ASICs.

Jürgen Gutekunst

15. Schnittstellen, Bussysteme und Netze

Zusammenfassung

Schnittstellen (Verbindung zweier Systeme), Bussysteme (Verbindung zwischen mehreren Systemen) und Netze (Kopplung von vielen einzelnen, räumlich getrennten Systemen) sind die Basis der Kommunikationssysteme. Neben den Grundlagen der Datenübertragung werden die wichtigsten Schnittstellen ausführlich erläutert. So z.B. auch Ethernet als Basis Kommunikation für Echtzeit Systeme, IO-Link und Bluetooth. Von den Bussystemen werden Struktur- und Arbitrierungsverfahren vorgestellt und die Abbildung im OSI Schicht Modell.

Jürgen Gutekunst

16. Speicherprogrammierbare Steuerungen

Zusammenfassung

Eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ist ein elektrisches Gerät, das gemäß den Anweisungen, die in einem frei erstellten digitalen Programm festgelegt sind, Maschinen oder Anlagen steuern und regeln kann. Speziell im Siemens-Umfeld taucht für die SPS auch immer wieder der Begriff AG (Automatisierungsgerät) auf. Im Englischen heißt die SPS Programmable Logic Controller (PLC). Die beiden Begriffe Steuern und Regeln sind in der DIN 19226 definiert und lassen sich wie folgt erklären: Bei einer Steuerung beeinflussen eine oder mehrere Eingangsgrößen in einem offenen Wirkungsablauf, d. h. ohne Rückführung, andere Größen als Ausgangsgrößen. Die Beeinflussung geschieht aufgrund der im System definierten Gesetzmäßigkeiten. Bei einer Regelung hingegen wird versucht, eine physikalische Größe (Regelgröße x) auf einen vordefinierten Wert (Führungsgröße w) zu bringen und, unabhängig von allen störenden Einflüssen, auf diesem Wert zu halten. Dazu muss die Regelgröße x fortlaufend erfasst, mit der Führungsgröße w verglichen und im Sinne einer Angleichung entsprechend beeinflusst werden (Kap. 10; Abb. Abb. 10.3). Bei einer Steuerung legen alleine die Eingangsgrößen die Ausgangsgrößen fest, ohne dass die Ausgangsgrößen einen Einfluss auf die Eingangsgrößen nehmen. Der Bewegungsmelder stellt ein Beispiel für einen steuernden Vorgang dar. Er schaltet abhängig von der Umgebungshelligkeit und bei Erkennen einer Bewegung das Licht ein.

Rainer Hönle

17. Spannungsversorgungen

Zusammenfassung

Geräte zur Umwandlung technischer Versorgungsspannungen in geregelte Spannungen sind für die Stromversorgung von großer Bedeutung. Behandelt werden Trafonetzgeräte (Transformatoren mit verschiedenen Gleichrichter-Schaltungen und Regler), Spannungswandler (Sperr-, Durchfluss- und Resonanzwandler) und unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV). Ergänzt wird dieses Kapitel durch die Entstörtechnik auf Basis von Entstörkondensatoren und Netzfiltern.

Jürgen Gutekunst

18. Lösungen der Übungsaufgaben

Zusammenfassung

Ü 1.6-1:

a)

$$\begin{aligned}\displaystyle X_{\text{C}}&\displaystyle=-63{,}66\,\Upomega;\quad X_{\text{L}}=60\,\Upomega;\\ \displaystyle Z&\displaystyle=R+\mathrm{j}(X_{\text{L}}+X_{\text{C}});\\ \displaystyle Z&\displaystyle=U/I=\sqrt{R^{2}+(X_{\text{C}}+X_{\text{L}})^{2}}\\ \displaystyle&\displaystyle=133{,}33\,\Upomega;\\ \displaystyle R&\displaystyle=\sqrt{Z^{2}-(X_{\text{L}}+X_{\text{C}})^{2}}\\ \displaystyle&\displaystyle=133{,}28\,\Upomega\approx 133{,}3\,\Upomega.\end{aligned}$$

 

b)

\({Z}=(133{,}3-\text{j}\,3{,}66)\,\Upomega\).

 

c)

\(\tan\,\varphi=\frac{X_{\text{L}}+X_{\text{C}}}{R}=-0{,}275\); \(\varphi=-1{,}57^{\circ}\).

 

d)

$$\begin{aligned}\displaystyle\underline{Y}&\displaystyle=\frac{1}{Z}=(7{,}497+\text{j}0{,}206)\,\text{mS};\\ \displaystyle G&\displaystyle=7{,}497\,\mathrm{mS};\quad B=0{,}206\,\mathrm{mS};\\ \displaystyle Y&\displaystyle=I/U=\sqrt{G^{2}+B^{2}}=7{,}5\,\mathrm{mS}.\end{aligned}$$

 

Ekbert Hering, Julian Endres, Rolf Martin, Jürgen Gutekunst, Rainer Hönle

Backmatter