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Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 Passive Bauelemente und ihre Grundschaltungen ................................. 1 1.1 Widerstände .................................................................................................... 1.1.1 Elektrischer Widerstand ................................................................... 1.1.2 Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen ......................... 1.1.3 Praktische Ausführung von Widerständen ..................................... 1.1.3.1 Festwiderstände ................................................................................ 1.1.3.2 Veränderbare Widerstände ............................................................... 1 1 3 5 6 9 1.2 Kondensatoren ................................................................................................ 1.2.1 Das elektrische Feld und seine Kenngrößen .................................. 1.2.2 Aufbau und Eigenschaften von Kondensatoren ............................ 1.2.3 Reihen- und Parallelschaltung von Kondensatoren ...................... 1.2.3.1 Parallelschaltung .............................................................................. 1.2.3.2 Reihenschaltung ............................................................................... 1.2.4 Wechselstromwiderstand des Kondensators .................................. 1.2.5 Technische Daten von Kondensatoren ........................................... 1.2.6 Praktische Ausführung und Bauformen von Kondensatoren ........ 1.2.6.1 Festkondensatoren ............................................................................ 1.2.6.2 Veränderbare Kondensatoren .......................................................... 1.2.7 RC-Glieder ........................................................................................ 1.2.7.1 RC-Glieder an Gleichspannung ...................................................... 1.2.7.2 RC-Glieder an Pulsspannung .......................................................... 1.2.7.3 RC-Glieder an sinusförmiger Wechselspannung ........................... 17 17 20 22 22 23 24 25 28 28 36 40 40 42 45 1.3 Spulen 1.3.1 1.3.1.1 1.3.1.2 1.3.1.3 1.3.1.4 1.3.1.5 1.3.1.6 1.3.1.7 1.3.1.8 1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.3.4.1 53 53 53 55 56 56 60 61 66 66 69 73 75 75 ............................................................................................................. Magnetisches Feld ............................................................................ Magnete ............................................................................................. Magnetfeld des stromdurchflossenen Leiters ................................ Magnetfeld einer Spule .................................................................... Kenngrößen des magnetischen Kreises .......................................... Kraftwirkung magnetischer Felder ................................................. Induktion und Induktivität der Spule .............................................. Wechselstromwiderstand der Spule ................................................ Reihen- und Parallelschaltung von Spulen .................................... Praktische Ausführung von Spulen ................................................. Spulenverluste .................................................................................. Transformator ................................................................................... Idealer Transformator ...................................................................... VIII Inhaltsverzeichnis 1.3.4.2 1.3.5 1.3.6 1.3.7 1.3.8 1.3.8.1 1.3.8.2 1.3.8.3 1.3.8.4 Praktische Ausführung von Transformatoren ................................ RL-Glieder an Gleichspannung ...................................................... RL-Glieder an Pulsspannung .......................................................... RL-Glieder an sinusförmiger Wechselspannung ........................... LC- und RLC-Glieder ...................................................................... LC-Hoch- und -Tiefpass .................................................................. Reihenschwingkreis ......................................................................... Parallelschwingkreis ........................................................................ Bandfilter .......................................................................................... 77 80 82 83 90 90 93 95 99 1.4 Leitungen und Kabel der Kommunikationstechnik .................................... 101 2 Halbleiterbauelemente ................................................................................ 105 2.1 Aufbau von Halbleitern ................................................................................. 105 2.2 PN-Übergang .................................................................................................. 106 2.3 Halbleiterdioden ............................................................................................. 2.3.1 Z-Dioden ........................................................................................... 2.3.2 Avalanche-Dioden ............................................................................ 2.3.3 Tunneldioden .................................................................................... 2.3.4 Backward-Dioden ............................................................................ 2.3.5 Schottky-Dioden .............................................................................. 2.3.6 PIN-Dioden ....................................................................................... 2.3.7 Lawinenlaufzeitdioden (Impatt-Dioden) ........................................ 2.3.8 Trapatt-Dioden ................................................................................. 2.3.9 Gunn-Dioden .................................................................................... 2.3.10 Kapazitätsvariationsdioden ............................................................. 2.3.11 Varaktordioden ................................................................................. 106 108 108 108 109 110 110 110 110 110 111 111 2.4 Aktive Halbleiterbauelemente ...................................................................... 2.4.1 Bipolare Transistoren ....................................................................... 2.4.1.1 Aufbau und Mechanismus ............................................................... 2.4.1.2 Kennlinien und Kennwerte .............................................................. 2.4.1.3 Zeitliches Verhalten ......................................................................... 2.4.1.4 Bauformen ........................................................................................ 2.4.2 Unipolare Transistoren (Feldeffekttransistoren) ............................ 2.4.2.1 Sperrschicht-FET (JFET) ................................................................ 2.4.2.2 MOSFET (IGFET) ........................................................................... 2.4.2.3 Feldeffekttransistor-Tetroden .......................................................... 2.4.2.4 VMOS-Transistoren ......................................................................... 2.4.2.5 IGBTs ................................................................................................ 2.4.3 Thyristoren ........................................................................................ 2.4.4 Integrierte Schaltungen .................................................................... 112 112 112 114 125 127 130 130 133 136 136 137 138 141 Inhaltsverzeichnis IX 2.4.4.1 Dickschichtschaltungen ................................................................... 142 2.4.4.2 Dünnschichtschaltungen .................................................................. 142 2.4.4.3 Monolithische integrierte Schaltungen .......................................... 143 2.5 Optoelektronische Bauelemente ................................................................... 2.5.1 Fotodioden und Fototransistoren .................................................... 2.5.2 Fotothyristoren ................................................................................. 2.5.3 Fotoelemente und Solargeneratoren ............................................... 2.5.4 Leucht- und Laserdioden ................................................................. 2.5.5 Optokoppler ...................................................................................... 151 151 152 153 153 157 2.6 Schutzmaßnahmen für Halbleiterbauelemente ............................................ 2.6.1 Allgemeines ...................................................................................... 2.6.2 Schutz von Transistoren .................................................................. 2.6.3 Schutz von Thyristoren .................................................................... 159 159 162 164 3 Grundschaltungen ........................................................................................ 169 3.1 Gleichrichtung, Glättung, Spannungsstabilisierung ................................... 3.1.1 Gleichrichtung .................................................................................. 3.1.2 Glättungsmaßnahmen ...................................................................... 3.1.3 Stabilisierungsmaßnahmen .............................................................. 3.1.3.1 Spannungsstabilisierung mit Z-Dioden .......................................... 3.1.3.2 Spannungsstabilisierung mit Regelschaltungen ............................ 3.1.3.3 Spannungsstabilisierung mit Schaltnetzteilen ............................... 3.1.3.4 Gleichspannungswandler ................................................................. 3.1.4 Konstantstromquellen ...................................................................... 3.1.5 Geräteschutz in Stabilisierungsschaltungen ................................... 3.1.6 Schutzmaßnahmen ........................................................................... 3.1.6.1 Schutzleiteranschluss ....................................................................... 3.1.6.2 Schutzisolierung ............................................................................... 3.1.6.3 Schutzkleinspannung (SELV) ......................................................... 3.1.6.4 Prüfung der Schutzmaßnahmen ...................................................... 169 170 174 177 177 181 183 186 189 190 191 192 197 198 199 3.2 Regelungsvorgänge und Begriffe der Regelungstechnik ............................ 3.2.1 Aufgabe der Regelungstechnik ....................................................... 3.2.2 Regler und ihre Eigenschaften ........................................................ 3.2.2.1 Nichtstetige Regler .......................................................................... 3.2.2.2 Stetige Regler ................................................................................... 3.2.3 Regleroptimierung ........................................................................... 3.2.4 Stellglieder ........................................................................................ 3.2.4.1 Thyristorstellglieder ......................................................................... 3.2.4.2 Anschnittsteuerung ohne Gleichrichtereigenschaften ................... 3.2.4.3 Anschnittsteuerung mit Gleichrichtereigenschaften ..................... 200 200 203 203 206 206 211 211 213 216 X Inhaltsverzeichnis 3.2.4.4 Strommessung und -berechnung in Anschnittsteuerungen ........... 218 3.2.4.5 Vollwellensteuerung (Schwingungspaketsteuerung) ..................... 219 3.2.4.6 Impulsbreitensteuerung ................................................................... 221 4 Verstärkertechnik ........................................................................................ 223 4.1 Grundverstärkerschaltungen ......................................................................... 4.1.1 Emitter- bzw. Sourceschaltung ........................................................ 4.1.2 Kollektor- bzw. Drainschaltung ...................................................... 4.1.3 Basis- bzw. Gateschaltung ............................................................... 4.1.4 Emittergekoppelte bzw. sourcegekoppelte Schaltung ................... 4.1.5 Differenzverstärker .......................................................................... 4.2 Mehrstufige Verstärker .................................................................................. 236 4.3 Endverstärker ................................................................................................. 241 4.3.1 Eintaktverstärker .............................................................................. 241 4.3.2 Gegentaktverstärker ......................................................................... 243 4.4 Verstärkerschaltungen mit Operationsverstärkern ...................................... 4.4.1 Operationsverstärker als Differenz- und Summenverstärker ....... 4.4.2 Operationsverstärker als Impedanzwandler ................................... 4.4.3 Selektive Verstärker ......................................................................... 4.4.4 Selektive Operationsverstärker ....................................................... 5 Grundlagen digitaler Informationsverarbeitung ................................... 255 5.1 Grundbegriffe ................................................................................................. 5.1.1 Binärzeichen ..................................................................................... 5.1.2 Codewörter ....................................................................................... 5.1.3 Übertragungsverfahren und -geschwindigkeit ............................... 5.1.3.1 Parallele Datenübertragung ............................................................. 5.1.3.2 Serielle Datenübertragung ............................................................... 5.1.3.3 Übertragungsgeschwindigkeit und Informationsfluss ................... 255 255 257 257 257 259 260 5.2 Digitale Schaltungstechnik ........................................................................... 5.2.1 Diode als Schalter ............................................................................ 5.2.1.1 ODER-Glied ..................................................................................... 5.2.1.2 UND-Glied ....................................................................................... 5.2.2 Transistor als Schalter ...................................................................... 5.2.2.1 Schaltverstärker (Konverter) ........................................................... 5.2.2.2 NICHT-Glied (Inverter) ................................................................... 5.2.2.3 NOR-Glied ........................................................................................ 5.2.2.4 NAND-Glied .................................................................................... 5.2.2.5 Speicherglied (bistabile Kippstufe oder Flipflop) ......................... 5.2.2.6 Schwellwertschalter (Schmitt-Trigger) .......................................... 260 261 262 264 265 265 265 266 267 268 269 223 226 231 232 233 234 247 249 251 252 253 Inhaltsverzeichnis XI 5.2.2.7 Monostabile Kippstufe ..................................................................... 272 5.2.2.8 Astabile Kippstufe (Multivibrator) ................................................. 275 5.3 Die Schaltalgebra und ihre Regeln ............................................................... 5.3.1 Rechenregeln .................................................................................... 5.3.2 Synthese (Entwurf) und Analyse digitaler Schaltnetze ................. 5.3.3 Entwurf von Schaltnetzen mit NAND- und NOR-Gliedern ......... 5.3.4 Grafische Minimierung mit dem Karnaugh-Diagramm ................ 279 279 283 289 292 5.4 Struktur von Zahlensystemen ....................................................................... 5.4.1 Dezimales Zahlensystem ................................................................. 5.4.2 Duales Zahlensystem ....................................................................... 5.4.3 Binär codierte Dezimalzahlen ......................................................... 5.4.4 Sedezimalsystem (Hexadezimalsystem) ........................................ 5.4.5 Oktalsystem ...................................................................................... 300 301 301 304 304 306 5.5 Arithmetische Operationen mit Dual- und BCD-Zahlen ............................ 5.5.1 Addition von Dualzahlen ................................................................. 5.5.2 Subtraktion von Dualzahlen ............................................................ 5.5.3 Subtraktion in der Zweierkomplement-Arithmetik ....................... 5.5.4 Multiplikation von Dualzahlen ....................................................... 5.5.5 Division von Dualzahlen ................................................................. 5.5.6 Addition und Subtraktion von binär codierten Dezimalzahlen .... 307 308 308 309 312 313 314 5.6 Binärcodes ...................................................................................................... 5.6.1 Tetradische Zahlencodes .................................................................. 5.6.2 Alphanumerische Codes .................................................................. 5.6.3 Industriecodes ................................................................................... 315 315 315 318 5.7 Flipflops und ihre Eigenschaften .................................................................. 319 5.7.1 Master-Slave-Flipflop ...................................................................... 322 5.7.2 D-Flipflop ......................................................................................... 325 5.8 Sequenzielle Digitalschaltungen ................................................................... 5.8.1 Zähler ................................................................................................ 5.8.1.1 Asynchronzähler .............................................................................. 5.8.1.2 Synchronzähler ................................................................................. 5.8.1.3 Ringzähler ......................................................................................... 5.8.1.4 Johnson-Zähler ................................................................................. 5.8.2 Schieberegister ................................................................................. 5.8.3 Serien-Parallel- und Parallel-Serien-Umsetzer .............................. 5.8.4 Schieberegister mit umkehrbarer Schieberichtung ....................... 5.8.5 Multiplexer ....................................................................................... 5.8.6 Programmierbare Logikbausteine ................................................... 5.8.7 Blockdarstellung von Schaltnetzen und Schaltwerken ................. 325 325 326 327 328 330 331 333 334 336 337 337 XII Inhaltsverzeichnis 5.8.8 5.8.9 Analog-Digital-Umsetzer ................................................................ 340 Digital-Analog-Umsetzer ................................................................ 345 5.9 Informationsspeicher ..................................................................................... 5.9.1 Schreib-Lese-Speicher RAM .......................................................... 5.9.2 Nur-Lese-Speicher ROM (Floating Gate) ...................................... 5.9.3 Umprogrammierbare Speicher (Flash-Speicher) ........................... 349 350 354 356 5.10 Digitalstellglieder .......................................................................................... 358 6 Prinzip, Aufbau und Wirkungsweise von Datenverarbeitungsanlagen ....................................................................... 363 6.1 Tastatur des Computers und ihre Funktionen .............................................. 365 6.2 Grundlagen der Programmierung ................................................................. 6.2.1 Programmiersprachen ...................................................................... 6.2.2 Übersetzungsprogramme und Programmierhilfen ......................... 6.2.3 Umsetzen eines Problems in ein Programm .................................. 6.2.4 Unterprogramme .............................................................................. 6.2.5 Prüfen von Programmen .................................................................. 6.2.6 Datensicherung und Datenschutz .................................................... 365 372 384 384 385 394 395 6.3 Mikrocomputertechnik .................................................................................. 6.3.1 Grundlagen ....................................................................................... 6.3.2 Bussysteme ....................................................................................... 6.3.3 Schnittstellen .................................................................................... 6.3.4 Prioritätensteuerung ......................................................................... 398 398 407 411 416 7 Oszillatoren ................................................................................................... 419 7.1 Allgemeines .................................................................................................... 419 7.2 Schwingschaltungen (Sinusgeneratoren) ..................................................... 7.2.1 LC-Oszillatoren ................................................................................ 7.2.1.1 Meißner-Schaltung ........................................................................... 7.2.1.2 Hartley-Schaltung ............................................................................ 7.2.1.3 Colpitts-Schaltung ............................................................................ 7.2.1.4 ECO-Schaltung ................................................................................. 7.2.2 Quarzoszillatoren ............................................................................. 7.2.3 RC-Oszillatoren ................................................................................ 7.2.3.1 Phasenschieberoszillator ................................................................. 7.2.3.2 Wienbrücken-Oszillator ................................................................... 7.2.3.3 Doppel-T-Oszillator ......................................................................... 420 421 422 423 423 423 426 427 427 427 431 Inhaltsverzeichnis XIII 8 Sende-, Empfangs- und Übertragungstechnik ........................................ 433 8.1 Funkwellen und ihre Eigenschaften ............................................................. 433 8.2 Antennen und Antennenanlagen ................................................................... 8.2.1 Dipolantennen .................................................................................. 8.2.2 Mehrelementantennen ...................................................................... 8.2.3 Parabolantennen ............................................................................... 8.2.4 Polarisation ....................................................................................... 8.2.5 Antennen- und Verteilanlagen ......................................................... 8.2.5.1 Klassische Verteilung der Antennensignale ................................... 8.2.5.2 Sat-ZF-Verteilung ............................................................................. 8.2.5.3 Koaxialkabel ..................................................................................... 8.2.5.4 Sicherheitsbestimmungen ................................................................ 438 439 441 443 448 450 450 457 459 462 8.3 Funksender ..................................................................................................... 8.3.1 Grundsätzlicher Aufbau ................................................................... 8.3.2 Modulation ........................................................................................ 8.3.2.1 Analoge Modulationsverfahren ...................................................... 8.3.2.2 Digitale Modulationsverfahren ....................................................... 8.3.3 Digitale Funksender ......................................................................... 465 465 470 470 477 491 8.4 Funkempfänger .............................................................................................. 8.4.1 Selektion ........................................................................................... 8.4.2 Demodulation ................................................................................... 8.4.2.1 Demodulation amplitudenmodulierter Signale .............................. 8.4.2.2 Demodulation frequenzmodulierter Signale .................................. 8.4.3 Schaltungstechnik von Hörfunkempfängern .................................. 8.4.3.1 Analoge Hörfunkempfänger ............................................................ 8.4.3.2 Digitale Hörfunkempfänger ............................................................ 8.4.3.3 Sender/Empfänger für Mobiltelefone ............................................. 8.4.4 Schaltungstechnik von Fernsehempfängern .................................. 8.4.5 Digitale Fernseh-Receiver ............................................................... 498 498 500 500 506 510 510 510 515 517 525 8.5 Prinzip der Informationsübertragung ........................................................... 527 8.5.1 Leitungsgebundene Informationsübertragung ............................... 528 8.5.2 Informationsübertragung über Lichtwellenleiter ........................... 536 8.6 Digitale Abstimmsysteme .............................................................................. 540 8.7 Komponentenbusse ........................................................................................ 546 8.8 Funkortungstechnik ....................................................................................... 548 XIV Inhaltsverzeichnis 9 Schall- und Bildwandler ............................................................................. 555 9.1 Mikrofone ....................................................................................................... 555 9.2 Kopfhörer und Lautsprecher ......................................................................... 559 9.3 Bildsensoren und Bildaufnahmeröhren ........................................................ 9.3.1 Halbleiter-Bildsensoren ................................................................... 9.3.2 Farbbildaufnahme ............................................................................ 9.3.3 Bildaufnahmeröhren ........................................................................ 565 565 568 569 9.4 Bildröhren und Bildschirme .......................................................................... 9.4.1 Elektronenstrahl-Bildröhren ............................................................ 9.4.2 Flachbildröhren ................................................................................ 9.4.3 Plasmabildschirme ........................................................................... 9.4.4 LCD-Bildschirme ............................................................................. 9.4.5 Plasmatron ........................................................................................ 9.4.6 Plasma-Pixel-Elemente für Großschirme ....................................... 572 572 577 578 578 580 581 10 Speichersysteme ........................................................................................... 583 10.1 Magnetische Informationsspeicher ............................................................... 583 10.2 Optomechanische Informationsspeicher ...................................................... 10.2.1 Nur lesbare CD und DVD ............................................................... 10.2.2 Digital Versatile Disc (DVD) .......................................................... 10.2.3 DVD-Wiedergabegeräte .................................................................. 10.2.4 Lösch- und wiederbeschreibbare CD und DVD ............................ 592 592 599 603 604 Literaturverzeichnis .................................................................................................. 609 Sachwörterverzeichnis .............................................................................................. 611
