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1998 | Book | 11. edition

Elemente der angewandten Elektronik

Kompendium für Ausbildung und Beruf

Author: Erwin Böhmer

Publisher: Vieweg+Teubner Verlag

Book Series : Viewegs Fachbücher der Technik

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About this book

Das vorliegende Buch beschreibt den Aufbau und die Funktionsweise zahlreicher Bauelemente so ausführlich, wie es für eine funktionsgerechte Anwendung erforderlich ist. Es hält sich dabei an die Vorgehensweise der Praxis mit einer Beschreibung der Betriebseigenschaften durch Kenndaten und Kennlinien, die der Hersteller üblicherweise im Datenblatt angibt. Die eingestreuten Schaltungsbeispiele beziehen sich auf häufig vorkommende Anwendungen. Die Berechnungen dazu sind von grundsätzlicher Art und können bei Variation der Parameter leicht auf analoge Fälle übertragen werden. Zahlreiche weitere Beispiele mit Lösungen findet der Leser in dem Band Rechenübungen zur augewandten Elektronik von E. Böhmer, dessen fünfte Auflage nach vollständiger Neubearbeitung 1997 im Vieweg-Verlag erschienen ist. In diesem Zusammenhang sei auch auf den umfangreichen Anhang des Buches verwiesen, der als kleines Nachschlagewerk angelegt ist. Im Teil A findet man Werkstoffkenndaten, Bezeichnungen und Kennzeichnungen. Es folgt eine Einführung in die Grundbegriffe der Halbleitertechnologie und in die Herstellung von Leiterplatten. Das anschließende Blindwiderstands-Frequenz-Diagramm - im Laborjargon HF-Tapete - erlaubt schnelle überschlägige Berechnungen bei allen Schaltungen mit Kapazitäten und Induktivitäten. Der Frequenzgang von RC-und RL-Zweipolen sowie die speziellen Eigenschaften von Schwingkreisen werden gesondert dargestellt. Die im Anhang A ebenfalls aufgeführten Kenngrößen zu Wechsel- und Mischströmen muß jeder Elektroniker beherrschen, ebenso die Verhältnisdarstellung nach dem Dezibelsystem. Die Begriffe Rauschmaß und Rauschzahl interessieren ihn nur beim Aufbau von Verstärkern für sehr schwache Signale. Die Hinweise zum störungsfreien Aufbau eines Gerätes dagegen sind von grundsätzlicher Bedeutung und umso beachtenswerter, je komplexer ein Schaltungssystem ist.

Table of Contents

Frontmatter
Einführung
Zusammenfassung
Das vorliegende Buch beschreibt den Aufbau und die Funktionsweise zahlreicher Bauelemente so ausführlich, wie es für eine funktionsgerechte Anwendung erforderlich ist. Es hält sich dabei an die Vorgehensweise der Praxis mit einer Beschreibung der Betriebseigenschaften durch Kenndaten und Kennlinien, die der Hersteller üblicherweise im Datenblatt angibt.
Erwin Böhmer
1. Elektrische Leitung und Widerstände
Zusammenfassung
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.
Erwin Böhmer
2. Homogene Halbleiterbauelemente
Zusammenfassung
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.
Erwin Böhmer
3. Halbleiterdioden
Zusammenfassung
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).
Erwin Böhmer
4. Kondensatoren
Zusammenfassung
Kondensatoren bestehen in ihrer Grundform aus 2 gegeneinander isolierten räumlich ausgedehnten Elektroden (z.B. Platten, Zylinder entsprechend Bild 1).
Erwin Böhmer
5. Spulen und Schwingkreise
Zusammenfassung
Unter Spule versteht man eine schraubenförmig aufgewickelte Draht- oder Bandleitung. Wird eine Spule von einem Strom I durchflossen, so entsteht ein magnetisches Feld mit dem Energieinhalt W. Das Spuleninnere wird von dem Bündelfluß Ф 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 • Ф.
Erwin Böhmer
6. Transformatoren und Übertrager
Zusammenfassung
Schaltet man nach Bild 1 zwei benachbarte Spulen in Reihe an eine Wechselspannung 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.
Erwin Böhmer
7. Relais
Zusammenfassung
Ein elektromagnetisches Relais besteht aus einem Elektromagneten und einem gegen eine Federkraft zu bewegenden Anker, der einen oder mehrere Kontakte betütigt. 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.
Erwin Böhmer
8. Röhren und Displays
Zusammenfassung
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. Über einen Vorwiderstand — oft im Lampensockel eingebaut — können diese Lampen an Gleich- oder Wechselspannung betrieben werden. Beim Stromdurchgang erzeugen sie ein Glimmlicht, das schon bei Stromstärken von 10μA sichtbar wird. Bild 1c zeigt ein bekanntes Anwendungsbeispiel.
Erwin Böhmer
9. Feldeffekt-Transistoren
Zusammenfassung
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.
Erwin Böhmer
10. Bipolare Transistoren
Zusammenfassung
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.
Erwin Böhmer
11. Operationsverstärker
Zusammenfassung
Operationsverstärker (häufig abgekürzt mit OP) sind im Prinzip nach Bild 1a aufgebaut. Sie bestehen aus einer Differenzeingangsstufe (T1 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).
Erwin Böhmer
12. Ausgewählte Analogbausteine
Zusammenfassung
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 T1–T2 als Differenzverstärker in Verbindung mit Transistor T5 als Stromsenke. Bei ausschließlicher Gleichtaktsteuerung fließt der vom Transistor T5 aufgenommene Strom je zur Hälfte über T1 und T2. Über die Transistoren T3 und T6 schließt sich dabei eine Regelschleife, die im Sinne einer Stromkonstanthaltung wirkt und so für eine hohe Gleichtaktunterdrückung sorgt.
Erwin Böhmer
13. Sinusoszillatoren
Zusammenfassung
Eine elementare Schaltung zur Schwingungserzeugung zeigt Bild 1a. Sie besteht aus einer dreigliedrigen RC-Kette, einem Spannungsfolger (ON) und einem nachgeschalteten invertierenden Verstärker (OP2), dessen Ausgang auf den Eingang der RC-Kette rückgekoppelt wird.
Erwin Böhmer
14. Kippschaltungen
Zusammenfassung
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 Widerstände parallel zu den jeweiligen Eingängen vernachlässigt werden. Ein vom Transistor T1 ausgehender Stromimpuls verzweigt sich über die Widerstände RC1 und RK, wobei der Teilstrom über RK, multipliziert mit dem Stromverstärkungsfaktor des Emitterfolgers (1 + ß), als Eingangsstrom auf den Transistor T1 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).
Erwin Böhmer
15. Digitale Verknüpfungs- und Speicherschaltungen
Zusammenfassung
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.
Erwin Böhmer
16. DA- und AD-Umsetzer
Zusammenfassung
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 Bit-Dualzählers 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 ändern (Bild lb). 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.
Erwin Böhmer
17. Optoelektronik
Zusammenfassung
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.
Erwin Böhmer
18. Leistungstransistoren und Anwendungen
Zusammenfassung
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.
Erwin Böhmer
19. Thyristoren und Triacs
Zusammenfassung
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).
Erwin Böhmer
20. Spannungs- und Stromversorgung
Zusammenfassung
Die für den Betrieb einer elektronischen Baugruppe erforderliche Gleichspannung wird oft durch Gleichrichtung aus der Netzwechselspannung 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).
Erwin Böhmer
Backmatter
Metadata
Title
Elemente der angewandten Elektronik
Author
Erwin Böhmer
Copyright Year
1998
Publisher
Vieweg+Teubner Verlag
Electronic ISBN
978-3-322-92880-1
Print ISBN
978-3-528-04090-1
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-322-92880-1