Elektronik: Lehr- und Übungsbuch für Grundschaltungen der Elektronik, Leistungselektronik, Digitaltechnik/Digitalisierung mit einem Repetitorium Elektrotechnik ; mit ... 78 Lehrbeispielen und 143 Übungen mit ausführlichen Lösungen
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Wiesbaden
Springer Vieweg
2014
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INHALTSVERZEICHNIS
VORWORT V
SCHREIBWEISE VON FORMELZEICHEN XV
ARBEITSHINWEISE ZU DIESEM BUCH XVII
REPETITORIUM ELEKTROTECHNIK MIT UEBUNGEN
1 ELEKTROTECHNISCHE GRUNDLAGEN (AUSWAHL) 1
1.1 DEFINITIONEN ELEKTRISCHER GRUNDGROESSEN 1
1.2 STROMKREIS 2
1.3 MESSEN VON GLEICHSTROEMEN UND GLEICHSPANNUNGEN 2
1.4 EIGENSCHAFTEN VON BAUELEMENTEN, WICHTIGE STROMKREISGESETZE 3
1.5 WIDERSTAENDE MIT PHYSIKALISCHEN ABHAENGIGKEITEN 4
1.6 BESCHREIBUNGSMITTEL UND KENNGROESSEN VON SPANNUNGEN 7
1.7 MITTELWERTE PERIODISCHER GROESSEN 8
1.8 KOMPLEXE RECHNUNG FUER WECHSELSTROMTECHNIK 9
1.9 DREHSTROMSYSTEM 10
1.10 TRANSFORMATOR 12
1.11 GRUNDSCHALTUNGEN MIT FORMELSAMMLUNG 13
1.12 UEBUNGSAUFGABEN 19
EINFUEHRUNG IN DIE ELEKTRONIK
2 GRUNDBEGRIFFE DER HALBLEITERTECHNIK 25
2.1 ELEKTRISCHE LEITFAEHIGKEIT DER MATERIALIEN 25
2.2 STOERSTELLENLEITUNG DER HALBLEITER 26
2.3 EIGENLEITUNG DER HALBLEITER 27
2.4 HALLEFFEKT ALS NACHWEIS FUER ELEKTRONEN- UND LOECHERLEITUNG 29
2.5 EIGENSCHAFTEN DES PN-UEBERGANGS DER HALBLEITER 30
2.6 EIGENSCHAFTEN VON HALBLEITER-KANAELEN 33
2.7 UEBUNGSAUFGABEN 35
VII
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VIII
INHALTSVERZEICHNIS
3 HALBLEITERDIODE ALS NICHTLINEARER WIDERSTAND 37
3.1 /-[/-KENNLINIE DER HALBLEITERDIODE 37
3.2 ARBEITEN MIT KENNLINIEN 39
3.2.1 /-[/-KENNLINIEN 39
3.2.2 UEBERTRAGUNGS-KENNLINEN 40
3.3 BEGRENZERSCHALTUNGEN MIT DIODEN 42
3.4 UEBUNGSAUFGABEN 43
GRUNDSCHALTUNGEN DER ELEKTRONIK
4 SPANNUNGSSTABILISIERUNG MIT Z-DIODE 45
4.1 AUFGABE EINER SPANNUNGSSTABILISIERUNG 45
4.2 Z-DIODE ALS STABILISIERUNGSELEMENT 46
4.3 ANALYSE DER Z-DIODEN-KONSTANTSPANNUNGSSCHALTUNG 48
4.3.1 LEERLAUFFALL 48
4.3.2 BELASTUNGSFALL 51
4.4 UEBUNGSAUFGABEN 54
5 KONSTANTSTROMSCHALTUNG MIT JFET 57
5.1 AUFGABE EINER KONSTANTSTROMSCHALTUNG 57
5.2 FELDEFFEKTTRANSISTOR (JFET) ALS KONSTANTSTROMELEMENT 60
5.3 ANALYSE DER JFET-KONSTANTSTROMSCHALTUNG 62
5.4 UEBUNGSAUFGABEN 65
6 TRANSISTOR ALS SCHALTER 67
6.1 UEBERSICHT UEBER GRUNDLEGENDE TRANSISTORTYPEN 67
6.2 KENNLINIEN UND KENNWERTE DER BIPOLARTRANSISTOREN 68
6.2.1 SCHICHTENAUFBAU, ANSCHLUESSE, POLUNG 68
6.2.2 MESSSCHALTUNG 69
6.2.3 KENNLINIEN 70
6.3 KENNLINIEN UND KENNWERTE DER FELDEFFEKTTRANSISTOREN 73
6.3.1 KANALSTRUKTUR, ANSCHLUESSE, POLUNG 73
6.3.2 MESSSCHALTUNG 74
6.3.3 KENNLINIEN 74
6.4 GRENZDATEN 75
6.4.1 SPANNUNGSGRENZWERTE 75
%
6.4.2 STROMGRENZWERTE 76
6.4.3 TEMPERATUR- UND LEISTUNGSGRENZWERTE 76
6.4.4 SICHERER ARBEITSBEREICH (SOA = SAFE OPERATING AREA) 79
INHALTSVERZEICHNIS IX
6.5 GRUNDBEGRIFFE DER SCHALTVERSTAERKER 80
6.5.1 SCHALTZUSTAENDE DES TRANSISTORS 80
6.5.2 UEBERSTEUERUNG 82
6.5.3 SCHALTZEITEN 83
6.5.4 BERECHNUNGSGANG FUER DEN SCHALTVERSTAERKER 84
6.6 SCHALTEN MIT LEISTUNGSTRANSISTOREN 86
6.6.1 EIGENSCHAFTEN VON LEISTUNGS-MOSFETS 86
6.6.2 ANSTEUERN VON LEISTUNGS-MOSFETS 87
6.6.3 HIGH-SIDE UND LOW-SIDE-SCHALTER 89
6.6.4 PERIODISCHES SCHALTEN VON INDUKTIVEN LASTEN
IN GLEICHSTROMKREISEN 90
6.7 CMOS-INVERTER ALS SCHALTER 93
6.7.1 SCHALTUNGSPRINZIP EINES CMOS-INVERTERS 93
6.7.2 BETRIEBSSPANNUNG, PEGEL, BELASTBARKEIT 94
6.8 SCHALTEN MIT OPTOKOPPLER 95
6.9 UEBUNGSAUFGABEN 96
7 TRANSISTOR ALS VERSTAERKER 101
7.1 GRUNDBEGRIFFE DER VERSTAERKERTECHNIK 101
7.2 ARBEITSPUNKTEINSTELLUNG 103
7.2.1 KOLLEKTORRUHESTROM 103
7.2.2 ARBEITSWIDERSTAND 105
7.2.3 ARBEITSPUNKT 106
7.3 VERSTAERKUNGSVORGANG IM KENNLINIENFELD 107
7.4 ERMITTLUNG DER VERSTAERKERKENN WERTE 109
7.4.1 MESSEN DER LEERLAUF-SPANNUNGSVERSTAERKUNG 109
7.4.2 MESSEN DES WECHSELSTROM-EINGANGSWIDERSTANDES 109
7.4.3 MESSEN DES WECHSELSTROM-AUSGANGSWIDERSTANDES 109
7.4.4 RECHNERISCHE ERMITTLUNG DER VERSTAERKERKENNWERTE 110
7.5 FREQUENZGANG 111
7.5.1 UNTERE GRENZFREQUENZ 111
7.5.2 OBERE GRENZFREQUENZ 112
7.6 VERSTAERKER-GRUNDSCHALTUNGEN 113
7.7 UEBUNGSAUFGABEN 115
8 OPERATIONSVERSTAERKER UND GRUNDSCHALTUNGEN 117
8.1 UEBERSICHT 117
8.2 EIGENSCHAFTEN EINES STANDARD-OPERATIONSVERSTAERKERS 118
8.2.1 DER INVERTIERENDE UND NICHTINVERTIERENDE EINGANG 118
8.2.2 AUSSTEUERUNGSGRENZEN DER AUSGANGSSPANNUNG 119
X
INHALTSVERZEICHNIS
8.2.3 AUSSTEUERUNGSGRENZEN DES AUSGANGSSTROMES 119
8.2.4 DIFFERENZVERSTAERKUNG UND GLEICHTAKTVERSTAERKUNG 119
8.2.5 GLEICHTAKTUNTERDRUECKUNG 120
8.2.6 AUSGANGSSPANNUNG 120
8.2.7 EINGANGSWIDERSTAND 121
8.2.8 AUSGANGSWIDERSTAND 121
8.2.9 FREQUENZGANG 121
8.2.10 SLEW RATE 122
8.2.11 DATENBLATT DES STANDARD-OPERATIONSVERSTAERKERS 122
8.3 OPERATIONSVERSTAERKER ALS LINEARER VERSTAERKER 123
8.3.1 GEGENKOPPLUNGSPRINZIP 123
8.3.2 RECHENREGELN FUER GEGENGEKOPPELTE OPERATIONSVERSTAERKER 125
8.3.3 INVERTIERENDER VERSTAERKER 126
8.3.4 NICHTINVERTIERENDER VERSTAERKER 132
8.4 OPERATIONSVERSTAERKER ALS SCHALTER 138
8.4.1 KOMPARATOR 138
8.4.2 INVERTIERENDER SCHMITT-TRIGGER 139
8.4.3 NICHTINVERTIERENDER SCHMITT-TRIGGER 142
8.5 UEBUNGSAUFGABEN 144
9 ANALOGE SIGNALVERARBEITUNG 147
9.1 ADDIERER 147
9.1.1 GRUNDSCHALTUNG DES UMKEHRADDIERERS 147
9.1.2 PRINZIP DER DIGITAL-ANALOG-UMSETZUNG MIT UMKEHRADDIERER 150
9.2 SUBTRAHIERER 151
9.2.1 GRUNDSCHALTUNG MIT EINEM OPERATIONSVERSTAERKER 151
9.2.2 VARIANTE MIT ZWEI OPERATIONSVERSTAERKERN 155
9.2.3 INSTRUMENTENVERSTAERKER (SUBTRAHIERER MIT 3 OPV) 156
9.3 INTEGRIERER 157
9.3.1 GRUNDSCHALTUNG 158
9.3.2 BETRIEBSARTEN EINES INTEGRATORS 159
9.3.3 INTEGRATORANWENDUNGEN 160
9.4 MITTELWERTBILDENER 163
9.5 MULTIPLIZIERER 165
9.5.1 MULTIPLIZIEREN 166
9.5.2 DIVIDIEREN 167
9.6 LEISTUNGSVERSTAERKER 168
9.6.1 KOMPLEMENTAERENDSTUFE IM B-BETRIEB 168
9.6.2 KOMPLEMENTAERENDSTUFE IM AB-BETRIEB 169
INHALTSVERZEICHNIS XI
9.6.3 GEGENTAKTENDSTUFE ALS NACHSETZVERSTAERKER
FUER OPERATIONSVERSTAERKER 170
9.6.4 LEISTUNGS-OPERATIONSVERSTAERKER 171
9.7 TRENNVERSTAERKER 173
9.7.1 EINSATZGEBIETE FUER TRENNVERSTAERKER 173
9.7.2 PRINZIPIEN DER TRENNVERSTAERKER 173
9.7.3 KENNWERTE DER TRENNVERSTAERKER 176
9.7.4 BESCHALTUNG VON TRENNVERSTAERKERN 177
9.8 UEBUNGSAUFGABEN 177
10 SDIWINGUNGSERZEUGUNG 181
10.1 RECHTECKGENERATOREN 181
10.1.1 ASTABILE KIPPSCHALTUNG MIT OPERATIONSVERSTAERKER 181
10.1.2 RECHTECKGENERATOR MIT TIMER 184
10.2 FUNKTIONSGENERATOR 186
10.3 SPANNUNGSGESTEUERTER OSZILLATOR (VCO) 189
10.4 PHASE-LOCKED-LOOP PLL 190
10.4.1 NACHLAUFSYNCHRONISATION 190
10.4.2 AUFBAU EINES PLL-REGELKREISES 191
10.4.3 INTEGRIERTER PLL-BAUSTEIN 195
10.5 SINUS-OSZILLATOREN .: 195
10.6 UEBUNGSAUFGABEN 199
LEISTUNGSELEKTRONIK
11 GLEICHRICHTUNG 203
11.1 MESSTECHNISCHE GRUNDBEGRIFFE DER GLEICHRICHTUNG 203
11.2 GLEICHRICHTERSCHALTUNGEN 207
11.2.1 MITTELPUNKTSCHALTUNGEN 207
11.2.2 BRUECKENSCHALTUNGEN 208
11.3 SPANNUNGSGLAETTUNG 212
11.4 STROMGLAETTUNG 216
11.5 BERECHNUNG VON GLEICHRICHTERSCHALTUNGEN MIT STROMGLAETTUNG 218
11.5.1 SEKUNDAERSPANNUNG L/
2
219
11
.5.2
SEKUNDAERSTROM/2
220
11.5.3 PRIMAERSTROM/I 222
11.5.4 TYPENLEISTUNG DES TRANSFORMATORS SJ
R
223
11.5.5 ZUSAMMENSTELLUNG DER BERECHNUNGSGRUNDLAGEN 224
11.6 UEBUNGSAUFGABEN 225
XII
INHALTSVERZEICHNIS
12 LEISTUNGSSTEUERUNG MIT THYRISTOREN, TRIACS, IGBTS UND IGCTS 229
12.1 THYRISTOR ALS STEUERBARER SCHALTER 229
12.2 STEUERSATZ 234
12.3 THERMISCHE EIGENSCHAFTEN VON THYRISTOREN 236
12.4 TRIAC ALS BIDIREKTIONALER THYRISTOR 240
12.5 WECHSELSTROMSTELLER (PHASENANSCHNITTSTEUERUNG) 242
12.6 WECHSELSTROMSCHALTER (PERIODENGRUPPENSTEUERUNG) 244
12.7 GESTEUERTE DREHSTROMBRUECKE MIT GLEICHSTROMMOTOR ALS LAST 246
12.7.1 GLEICHRICHTER- UND WECHSELRICHTERBETRIEB 246
12.7.2 AUSGANGSGLEICHSPANNUNG DER DREHSTROMBRUECKE,
IDEELLE GLEICHSPANNUNG 249
12.7.3 DREHZAHLVERSTELLUNG DURCH ANSTEUERUNG DER DREHSTROMBRUECKE 250
12.7.4 PULSIERENDER GLEICHSTROM DER DREHSTROMBRUECKE,
IDEELLER GLEICHSTROM 252
12.7.5 BETRIEBSARTEN DES STROMRICHTERANTRIEBS
IM -M-BETRIEBSDIAGRAMM 255
12.8 FREQUENZUMRICHTER MIT DREHSTROM-ASYNCHRONMOTOR ALS LAST 258
12.8.1 SCHALTUNGS- UND FUNKTIONSPRINZIP DES FREQUENZUMRICHTERS 258
12.8.2 DREHSTROM-ASYNCHRONMOTOR ALS MOTORLAST
FUER DEN FREQUENZUMRICHTER 262
12.8.3 DREHZAHLSTEUERUNG DES ASYNCHRONMOTORS
MIT DEM FREQUENZUMRICHTER 267
12.9 EIGENSCHAFTEN UND SCHALTVERHALTEN DER LEISTUNGSHALBLEITER 277
12.9.1 FREILAUF-/RUECKSPEISEDIODEN 277
12.9.2 INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR: IGBT 279
12.9.3 INTEGRATED GATE COMMUTATED THYRISTOR: IGCT 283
12.10
UEBUNGSAUFGABEN 287
13 STABILISIERTE STROMVERSORGUNG 295
13.1 KENNGROESSEN EINER STABILISIERUNGSSCHALTUNG 295
13.2 EINFACHE SERIENSTABILISIERUNG 298
13.3 LINEARE SPANNUNGSREGLER 301
13.3.1 SPANNUNGSREGLERPRINZIP 301
13.3.2 PRINZIP DER STROMBEGRENZUNG 303
13.3.3 INTEGRIERTE LINEARE SPANNUNGSREGLER .7.: 304
13.4 DC/DC-WANDLER 307
13.4.1 ABWAERTSWANDLER (TIEFSETZSTELLER) 307
13.4.2 AUFWAERTSWANDLER (HOCHSETZSTELLER) 312
13.4.3 INVERTIERENDER WANDLER 314
INHALTSVERZEICHNIS XIII
13.5 SCHALTNETZTEILE 314
13.5.1 SCHALTNETZTEIL, GESTEUERTER BETRIEB 315
13.5.2 SCHALTNETZTEIL, GEREGELTER BETRIEB 316
13.6 UEBUNGSAUFGABEN 319
DIGITALTECHNIK UND DIGITALISIERUNG
14 GRUNDLAGEN DER DIGITALEN SCHALTUNGSTECHNIK 325
14.1 BEGRIFFE: DIGITAL, BINAER, POSITIVE LOGIK, BIT, BYTE 325
14.2 ABGRENZUNG ZWISCHEN ANALOG- UND DIGITALSCHALTUNGEN 325
14.3 SCHALTNETZE 326
14.3.1 LOGISCHE FUNKTIONEN UND GRUNDVERKNUEPFUNGEN 326
14.3.2 ABGELEITETE GRUNDFUNKTIONEN 328
14.3.3 DISJUNKTIVE NORMALFORM FUER BELIEBIGE SCHALTNETZE 330
14.3.4 VEREINFACHUNG EINER REDUNDANTEN SCHALTFUNKTION 331
14.3.5 SCHALTUNGSUMWANDLUNG, DE MORGAN'SCHE REGELN 332
14.4 SCHALTWERKE 333
14.4.1 MONOSTABILE KIPPSTUFE 334
14.4.2 BISTABILE KIPPSTUFEN (FLIPFLOPS) 338
14.4.3 ZAEHLER 344
14.4.4 SCHIEBEREGISTER 354
14.5 ABHAENGIGKEITSNOTATION 355
14.6 UEBUNGSAUFGABEN 357
15 GRUNDLAGEN DER DIGITALISIERUNG 363
15.1 GRUNDSAETZLICHES ZU DATENERFASSUNGSSYSTEMEN (MESSKETTEN) 363
15.2 GRUNDBEGRIFFE DER ABTAST- UND QUANTISIERUNGSTHEORIE 365
15.3 VERFAHREN DER ANALOG-DIGITAL-UMSETZUNG 369
15.3.1 FLASH-UMSETZER 369
15.3.2 SUKZESSIVE-APPROXIMATIONS-UMSETZER 370
15.3.3 DUAL-SLOPE-UMSETZER 371
15.3.4 BESCHATTUNG UND ABGLEICH EINES ANALOG-DIGITAL-UMSETZERS 373
15.4 GRUNDSAETZLICHES ZU DATENAUSGABESYSTEMEN 375
15.5 VERFAHREN DER DIGITAL-ANALOG-UMSETZUNG 376
15.5.1 DIGITAL-ANALOG-UMSETZER MIT DUAL GESTUFTEN WIDERSTAENDEN 376
15.5.2 DIGITAL-ANALOG-UMSETZER MIT R-2R-NETZWERK 378
15.5.3 BESCHATTUNG UND ABGLEICH EINES DA-UMSETZERS 379
15.6 UEBUNGSAUFGABEN 381
16 LOESUNGEN DER UEBUNGEN 385
SACHWORTVERZEICHNIS 427 |
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