Grundschaltungen
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Elektronik 3 Klaus Beuth/Wolfgang Schmusch Grundschaltungen 15. Auflage Vogel Buchverlag Inhaltsverzeichnis Vorwort 1 Das Oszilloskop als vielseitiges Meßgerät 1.1 Kenndaten eines Oszilloskops 1.1.1 Empfindlichkeit - Ablenkkoeffizient 1.1.2 Anstiegszeit 1.1.3 Bandbreite 1.1.3.1 Y-Verstärker 1.1.3.2 Zeitbasis 1.1.3.3 X-Verstärker 1.1.4 Eingangswiderstand 1.1.5 Eingangskapazität 1.2 Tastköpfe 1.2.1 Einsatzmöglichkeiten und Vorteile von Tastköpfen 1.2.1.1 1 : 1-Tastkopf 1.2.1.2 10 : 1-Tastkopf 1.2.1.3 Gleichrichter-Tastkopf 1.2.2 Abgleich von Tastköpfen 1.3 Ausführungsformen von Oszilloskopen 1.3.1 Zweistrahloszilloskop 1.3.2 Zweikanaloszilloskop 1.3.3 Speicheroszillograph 1.4 Einsatzmöglichkeiten des Oszilloskops 1.4.1 Darstellung und Messung von periodischen Spannungen 1.4.2 Darstellung und Messung von einmaligen Spannungssprüngen 1.4.3 Frequenzmessung und Phasenmessung 1.4.3.1 Verwendung der Zeitbasis 1.4.3.2 Auswertung der Lissajous-Figuren 1.4.4 Darstellung einer Kennlinie 1.4.5 Wobbein eines Filters 5 13 13 13 14 15 15 16 16 16 17 17 17 18 19 19 20 21 21 21 23 24 25 26 26 26 27 29 30 2 Gleichrichterschaltungen 2.1 Allgemeines 2.2 Netzgleichrichterschaltungen 2.2.1 Grundschaltungen 2.2.2 Gleichrichterschaltungen mit ohmscher Belastung 2.2.2.1 Einweg-Gleichrichterschaltung (Einpuls-Mittelpunktschaltung Ml) 2.2.2.2 Brücken-Gleichrichterschaltung (Zweipuls-Brückenschaltung B2) 2.2.2.3 Mittelpunkt-Zweiweg-Gleichrichterschaltung (Zweipuls-Mittelpunktschaltung M2) 2.2.3 Gleichrichterschaltungen mit kapazitiver Belastung 2.2.4 Gleichrichterschaltungen mit induktiver Belastung 2.3 Siebschaltungen 2.3.1 Ladekondensator 2.3.2 Siebglieder 2.3.2.1 RC-Siebglieder 2.3.2.2 LC-Siebglieder 2.4 Dimensionierung von Netzgleichrichterschaltungen 2.5 Spannungsverdoppler-Schaltungen 2.5.1 Delon-Schaltung (Zweipuls-Verdopplerschaltung D2) 2.5.2 Villard-Schaltung (Einpuls-Verdopplerschaltung Dl) 2.6 Spannungsvervielfacher-Schaltungen 33 33 33 33 35 35 37 39 40 44 45 45 47 47 49 51 54 54 55 57 2.7 Schaltnetzteile 2.7.1 Schaltnetzteil-Prinzip 2.7.2 Primärgetaktete Schaltnetzteile 2.7.2.1 Durchflußwandler 2.7.2.2 Sperrwandler 2.7.3 Sekundärgetaktete Schaltnetzteile 2.7.4 Schaltnetzteile mit Gegentaktflußwandler Verstärkerschaltungen 3.1 Grundschaltungen des Transistors 3.2 Ersatzschaltung des Transistors bei Kleinsignalaussteuerung 3.2.1 Differentieller Eingangswiderstand rBE 3.2.2 Differentieller Ausgangswiderstand rCE 3.2.3 Rückwirkung 3.2.4 Eingangs- und Ausgangskapazität 3.2.5 Ersatzschaltbild nach Giacoletto 3.2.6 /i-Parameter-Ersatzschaltbild 3.3 Emitterschaltung 3.3.1 Arbeitspunkteinstellung 3.3.1.1 Arbeitspunkteinstellung mit Spannungsteiler 3.3.1.2 Arbeitspunkteinstellung mit Vorwiderstand 3.3.2 Arbeitspunktstabilisierung 3.3.2.1 Stabilisierung durch Temperaturkompensation 3.3.2.2 Stabilisierung durch Gegenkopplung 3.3.2.2.1 Gleichstromgegenkopplung 3.3.2.2.2 Gleichspannungsgegenkopplung 3.3.3 Kleinsignalverhalten der Emitterschaltung 3.3.3.1 Verstärkung der Emitterschaltung 3.3.3.2 Eingangs- und Ausgangswiderstand 3.3.3.3 Ankopplung des Verbraucherwiderstandes 3.3.3.4 Berechnung einer Emitterschaltung 3.3.4 Kleinsignal verhalten der Emitterschaltung mit Stromund Spannungsgegenkopplung 3.3.4.1 Stromgegenkopplung 3.3.4.2 Spannungsgegenkopplung 3.3.5 Anwendung der Emitterschaltung 3.4 Kollektorschaltung 3.4.1 Arbeitspunkteinstellung 3.4.2 Kleinsignalverhalten der Kollektorschaltung 3.4.2.1 Verstärkung 3.4.2.2 Eingangs- und Ausgangswiderstand 3.4.3 Kollektorschaltung als Impedanzwandler 3.4.4 Bootstrap-Schaltung 3.4.5 Darlington-Schaltung 3.5 Basisschaltung 3.5.1 Arbeitspunkteinstellung 3.5.2 Kleinsignalverhalten der Basisschaltung 3.5.2.1 Eingangs- und Ausgangswiderstand 3.5.2.2 Verstärkung 3.6 Wechselspannungsverstärker 3.6.1 Kenngrößen des Wechselspannungsverstärkers 3.6.1.1 Verstärkung 3.6.1.2 Spannungsfrequenzgang 59 59 60 61 62 64 64 67 67 68 68 69 71 71 71 72 74 74 75 76 77 77 78 78 81 82 82 85 87 88 92 92 95 97 97 98 99 99 101 103 104 105 106 106 106 106 108 110 111 111 112 3.7 3.8 3.6.1.3 Phasenverschiebung 3.6.1.4 Signalverzerrungen - Klirrfaktor 3.6.1.5 Störspannungen 3.6.2 Mehrstufige Verstärker 3.6.2.1 Verstärkung und Bandbreite 3.6.2.2 Kopplung mehrstufiger Verstärker 3.6.3 Breitbandverstärker 3.6.3.1 Untere Grenzfrequenz 3.6.3.2 Obere Grenzfrequenz 3.6.3.3 Erhöhung der Bandbreite durch Gegenkopplung 3.6.4 Nf-Vorverstärker 3.6.4.1 Anforderungen 3.6.4.2 Schaltungsbeispiele mit bipolaren Transistoren 3.6.4.2.1 Zweistufiger Verstärker ohne Signalgegenkopplung 3.6.4.2.2 Zweistufiger Verstärker mit Signalgegenkopplung 3.6.4.3 Schaltungsbeispiele mit Feldeffekt-Transistoren 3.6.5 Nf-Leistungsverstärker 3.6.5.1 Anforderungen 3.6.5.2 Verstärkerarten 3.6.5.2.1 Eintaktverstärker 3.6.5.2.2 Gegentaktverstärker 3.6.5.3 Kollektorschaltung als Leistungsverstärker im A-Betrieb 3.6.5.4 Kollektorschaltung im Gegentaktbetrieb Gleichspannungsverstärker 3.7.1 Anforderungen 3.7.2 Differenzverstärker 3.7.2.1 Grundschaltung des Differenzverstärkers 3.7.2.2 Asymmetrischer Ausgang 3.7.2.3 Anwendungen des Differenzverstärkers Operationsverstärker 3.8.1 Betriebsarten des Operationsverstärkers 3.8.2 Kenngrößen des Operationsverstärkers 3.8.2.1 Ruhegleichstrom - Stromoffset 3.8.2.2 Eingangs- und Ausgangswiderstände 3.8.2.3 Frequenzgang der Leerlaufverstärkung 3.8.2.4 - Spannungsoffset 3.8.2.5 Gleichtaktverstärkung und Gleichtaktunterdrückung 3.8.2.6 Zusammenfassung der Eingangsspannungen 3.8.2.7 Aussteuerbereich des OPV 3.8.2.8 Maximale Anstiegsgeschwindigkeit 3.8.2.9 Zusammenstellen von Datenblattwerten 3.8.3 Grundschaltungen der Gegenkopplung 3.8.3.1 Gegenkopplungsarten des OPV 3.8.3.2 Wirkungsweise der Gegenkopplung 3.8.3.3 Schleifenverstärkung - Grenzen der Gegenkopplung 3.8.3.4 Linearität, Bandbreite und Phasenverschiebung des gegengekoppelten Verstärkers 3.8.3.5 Stabilität des gegengekoppelten Verstärkers 3.8.4 Ausgewählte gegengekoppelte Schaltungen 3.8.4.1 Nichtinvertierender Verstärker (Elektrometerverstärker) 3.8.4.2 Invertierender Verstärker 3.8.4.3 Summierverstärker 3.8.4.4 Subtrahierverstärker - Differenzverstärker 115 115 116 117 117 119 121 121 124 127 128 128 129 129 132 133 135 135 135 135 136 138 139 144 144 146 146 149 152 154 154 155 156 157 159 162 163 166 167 168 168 169 169 171 174 175 177 178 178 181 184 186 3.8.4.5 3.8.4.6 3.8.4.7 3.8.4.8 3.8.4.9 3.8.4.10 3.8.4.11 Umschalten von invertierenden Betrieb auf nichtinvertierenden Betrieb . . . . Einfache Filterschaltungen Integrierverstärker Stromquellen und Stromverstärker Prinzip des Regelverstärkers Instrumentierungsverstärker Transimpedanzverstärker 187 188 190 193 195 196 197 Schaltungen zur Stabilisierung von Spannungen und Strömen 4.1 Einführung 4.2 Konstantspannungsquelle 4.3 Konstantstromquelle 4.4 Stabilisierung 4.4.1 Spannungsstabilisierung 4.4.1.1 Kenngrößen der Stabilisierung 4.4.1.2 Parallelstabilisierung 4.4.1.2.1 Z-Dioden-Stabilisierung 4.4.1.2.2 Stabilisierung mit Z-Diode und Quertransistor 4.4.1.2.3 Parallelstabilisierung mit Operationsverstärker 4.4.1.3 Serienstabilisierung 4.4.1.3.1 Stabilisierung mit Z-Diode und Längstransistor 4.4.1.3.2 Stabilisierung mit Z-Diode und Operationsverstärker 4.4.1.3.3 Stabilisierung mit Regelverstärker 4.4.1.3.4 Stabilisierung mit Regelverstärker für veränderliche Ausgangsspannung . . . . 4.4.1.3.5 Stabilisierung mit Regelverstärker bei großer Ausgangsleistung 4.4.2 Stromstabilisierung 4.4.2.1 Transistoren als Stromquelle 4.4.2.1.1 Bipolarer Transistor 4.4.2.1.2 Feldeffekt-Transistor 4.4.2.2 Stromquelle mit Operationsverstärker 4.4.2.3 Stromquelle für höhere Ströme 4.4.3 Strombegrenzung 4.4.3.1 Überstromsicherung 4.4.3.2 Strombegrenzung durch Widerstand 4.4.3.3 Stromregelung 4.4.4 Spannungsstabilisierung mit Schaltregler 4.4.4.1 Prinzip eines Schaltreglers mit Speicherdrossel (Durchflußwandler) 4.4.4.2 Schaltregler nach dem Sperrwandlerprinzip 4.4.4.3 Regelung des Tastverhältnisses 4.4.4.4 Integrierte Festspannungsregler 203 203 203 205 206 207 207 208 208 212 214 215 215 219 220 224 226 227 227 227 228 229 229 231 231 233 235 241 241 249 254 259 Transistor-Schalterstufen 5.1 Allgemeines 5.2 Betriebsarten 5.2.1 Nichtübersteuerter Betrieb 5.2.2 Übersteuerter Betrieb 5.3 Schaltvorgänge und Schaltzeiten 5.3.1 Schalten in den Durchlaßzustand 5.3.2 Schalten in den Sperrzustand 5.3.3 Beeinflussung der Schaltzeiten 5.4 Schalten bei verschiedenartiger Belastung 5.4.1 Schalten bei ohmscher Belastung 5.4.2 Schalten bei kapazitiver Belastung 263 263 264 264 266 268 268 270 272 272 272 273 5.5 5.6 5.4.3 Schalten bei induktiver Belastung 5.4.4 Schalten von Heiß- und Kaltleitern Belastbarkeit 5.5.1 Höchstzulässige Verlustleistung 5.5.2 Mittlere Verlustleistung 5.5.3 Impulsverlustleistung Mehrstufiger Transistorschalter •. 275 277 279 279 281 284 287 6 Schaltungen mit Mehrschichtdioden, Diac und Triac 6.1 Vierschichtdiode als elektronischer Schalter 6.2 Thyristor als elektronischer Schalter 6.2.1 Zündschaltungen 6.2.1.1 Allgemeines 6.2.1.2 Phasenanschnittsteuerung 6.2.1.3 Vollwellensteuerung (Wellenpaket'steuerung) 6.2.2 Anwendungen des Thyristors 6.2.2.1 Vollweg-Leistungssteuerung 6.2.2.2 Einstellbarer Gleichrichter 6.2.2.3 Vollwellenschaltung 6.3 Diac und Triac als elektronische Schalter 6.3.1 Phasenanschnittsteuerung 289 289 290 290 290 293 298 299 299 301 301 301 302 7 Kippschaltungen 7.1 Bistabile Kippstufe 7.1.1 Arbeitsweise 7.1.2 Ansteuerungsarten 7.1.3 Bistabile Kippstufen mit besonderen Eigenschaften 7.1.4 Anwendungsbeispiele 7.1.4.1 Bistabile Kippstufe als Frequenzteiler 7.1.4.2 Bistabile Kippstufe als Signalspeicher 7.1.5 Bemessung bistabiler Kippstufen 7.2 Monostabile Kippstufe 7.2.1 Arbeitsweise 7.2.2 Monostabile Kippstufe mit Schutzdiode 7.2.3 Ansteuerungsarten 7.2.4 Anwendungsbeispiele 7.2.4.1 Schaltung zur Impulsverlängerung 7.2.4.2 Schaltung zur Impulsregenerierung 7.2.5 Schaltzeichen 7.2.6 Bemessung monostabiler Kippstufen 7.3 Astabile Kippschaltung (Multivibrator) 7.3.1 Arbeitsweise 7.3.2 Schaltungsaufbau und Impuls-Pausen-Verhältnis 7.3.3 Bemessung von astabilen Kippschaltungen 7.3.4 Anwendungsbeispiele 7.3.4.1 Impulsgeber 7.3.4.2 Rechteckgenerator 7.3.4.3 Einfache Blinkschaltung 7.3.5 Synchronisierte astabile Kippschaltung 7.3.6 Schaltzeichen 303 303 303 306 309 311 311 312 312 315 315 317 318 318 318 320 320 321 323 323 326 329 332 332 333 333 333 334 8 Generatorschaltungen 8.1 Prinzip einer Generatorschaltung 8.1.1 Allgemeine Schwingbedingungen 335 335 337 10 8.2 8.3 8.4 Erzeugung rechteckförmiger Spannungen Erzeugung von sägezahnförmigen Spannungen 8.3.1 Sägezahngenerator mit Stromquelle 8.3.2 Miller-Integrator 8.3.3 Sperrschwinger 8.3.4 Synchronisierung eines Sägezahngenerators Erzeugung sinusförmiger Spannungen 8.4.1 LC-Generatoren 8.4.1.1 Meißner-Oszillator 8.4.1.2 Induktive Dreipunktschaltung 8.4.1.3 Kapazitive Dreipunktschaltung 8.4.2 Quarzgeneratoren 8.4.3 RC-Generatoren 8.4.3.1 Phasenschiebergenerator 8.4.3.2 Wien-Robinson-Generator 338 339 341 342 347 348 350 350 351 352 353 354 357 358 359 9 Impulsformerschaltungen 9.1 Zeitfunktionen von Strom und Spannung 9.2 Begrenzerschaltungen 9.2.1 Begrenzerschaltungen mit Dioden 9.2.2 Begrenzerschaltungen mit Transistoren 9.3 Integrierglied 9.3.1 Arbeitsweise des RC-Gliedes 9.3.2 Mathematische und elektrische Integration 9.4 Differenzierglied 9.4.1 Arbeitsweise des CR-Gliedes 9.4.2 Mathematische und elektrische Differentiation 9.5 Schmitt-Trigger , 9.5.1 Arbeitsweise 9.5.2 Bemessung eines Schmitt-Triggers 9.5.3 Anwendungsbeispiele 9.5.3.1 Schwellwertschalter 9.5.3.2 Sinus-Rec teck-Spannungswandler 9.5.4 Schaltzeichen 10 Grundlagen der Regelungstechnik 10.1 Allgemeines 10.1.1 Begriffe der Regelungstechnik 10.1.2 Darstellung des Regelkreises 10.2 Zeitverhalten der Regelkreisglieder 10.2.1 Unstetige Regeleinrichtungen 10.2.2 Stetige Regeleinrichtungen 10.2.2.1 Proportionale Regeleinrichtung 10.2.2.2 Integrierende Regeleinrichtung 10.2.2.3 PI-Regeleinrichtung 10.2.2.4 D-Regeleinrichtung 10.2.2.5 PD-Regeleinrichtung 10.2.2.6 PID-Regeleinrichtung 10.3 Beispiele für einfache Regelkreise 10.3.1 Temperaturregelung 10.3.2 Drehzahlregelung von Kleinmotoren 361 361 363 363 367 368 368 370 372 372 374 376 376 379 381 382 382 386 •. 387 387 388 389 392 392 393 395 396 398 399 401 401 402 402 405 11 11 Einführung in die Digitaltechnik 11.1 Grundbegriffe 11.1.1 Analoge und digitale Signale 11.1.2 Logische Zustände „0" und „1" 11.2 Logische Verknüpfungen 11.2:1 UND-Verknüpfung 11.2.2 ODER-Verknüpfung 11.2.3 Verneinung 11.2.4 NAND-Verknüpfung 11.2.5 NOR-Verknüpfung 11.3 Schaltungen logischer Glieder 11.3.1 Schaltungen in Relais-Technik 11.3.2 Schaltungen in DTL-Technik 11.3.3 Schaltungen in TTL-Technik 11.3.4 Schaltungen in MOS-Technik 11.4 Pegelangaben „Low" and „High" 11.4.1 Allgemeines 11.4.2 Positive Logik 11.4.3 Negative Logik 11.5 Schaltungsanalyse 11.5.1 Allgemeines 11.5.2 Soll-Verknüpfung 11.5.3 Ist-Verknüpfung 11.6 Schaltalgebra 11.6.1 Grundlagen 11.6.2 Bestimmung der Funktionsgleichung einer Schaltung 11.6.3 Darstellung der Schaltung nach der Funktionsgleichung 11.6.4 Funktionsgleichung und Kontaktschema 11.6.5 Nutzungsmöglichkeiten der Schaltalgebra 11.7 Schaltungssynthese 407 407 407 409 410 410 413 415 416 417 418 418 420 421 423 424 424 426 426 427 . 427 428 430 430 430 431 433 433 434 434 12 Digitale Kodes und digitale Zähl- und Speichertechnik 12.1 Darstellung von Ziffern und Zahlen 12.1.1 Duales Zahlensystem 12.1.2 BCD-Kode (8-4-2-1-Kode) 12.1.3 Weitere Binär-Kodes 12.2 Schaltungen zum Kodieren und Dekodieren 12.2.1 Umsetzen von Dezimalziffern in Dualzahlen 12.2.2 Umsetzen von Dualzahlen in Dezimalziffern 12.3 Rechnen mit Dualzahlen 12.3.1 Umwandlung von Zahlen 12.3.2 Addition von Dualzahlen 12.3.3 Subtraktion von Dualzahlen 12.4 Speichern und Verschieben digitaler Signale 12.4.1 Flipflop-Arten 12.4.2 Schieberegister 12.4.3 Flipflop-Speicher 12.4.4 Magnetkernspeicher 12.5 Zählerschaltungen 12.5.1 Frequenzteiler 12.5.2 Vorwärtszähler 12.5.3 Rückwärtszähler 12.5.4 Zähldekaden Stichwortverzeichnis 437 437 437 439 440 441 442 443' 444 444 447 449 450 450 456 461 463 465 465 467 470 472 475 12
