Inhalt - Christiani
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7 Inhalt 1 Einführung in die Schaltungssimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.1 Modelle für lineare und nicht lineare Bauteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.1.1 Modelle für digitale Bausteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.1.2 Erstellung von Bibliotheken und Modellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.2 Quellen-Bauteilbibliothek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 1.2.1 Spannungs- und Stromquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 1.2.2 Einstellbare Signalquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 1.2.3 Kontrollierbare Funktionsblöcke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 1.2.4 Kontrollierbare Spannungsquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 1.3 Basis-Bauteilbibliothek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 1.3.1 Virtuelle Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 1.3.2 Reale Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 1.3.3 Messgeräte und Anzeigeelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 1.3.4 Bauteilbibliothek „Verschiedenes“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 1.4 nstrument-Bauteilbibliothek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 1.4.1 Multimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 1.4.2 Funktionsgenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 1.4.3 Wattmeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 1.4.4 Zwei-Kanal-Oszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 1.4.5 Vier-Kanal-Oszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 1.4.6 Bode-Plotter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 1.4.7 Frequenzzähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 1.4.8 Bitmuster-Generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 1.4.9 Logikanalysator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 1.4.10 Logikkonverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 1.4.11 Kennlinienschreiber (I-U-Analysator) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 1.4.12 Klirrfaktormessgerät. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 1.4.13 Spektrumanalysator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 1.4.14 Netzwerkanalysator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 1.4.15 HP-Funktionsgenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 1.4.16 HP-Multimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 1.4.17 HP-Oszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 1.4.18 Tektronix-Oszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 1.4.19 LabView-Messgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 1.4.20 Tastkopf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 8 Inhalt 2 Spannung, Strom und Widerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 Spannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Simulierte Quellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2 Gesteuerte Spannungs- und Stromquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3 Funktionsgenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4 Oszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.5 Simuliertes Oszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.6 Messanordnung und einfache Messübungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Widerstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Leiterwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Eigenschaften von Widerständen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3 Bauarten von Widerständen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.4 Aufbau einer simulierten Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.5 Reihenschaltung von Widerständen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.6 Parallelschaltung von Widerständen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.7 Gemischte Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.8 Potentiometer und Einsteller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.9 Spannungsteiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.10 Brückenschaltung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Ohmsches Gesetz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Vorwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2 Kenngrößen von Spannungsquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3 Spannungs-, Strom- und Leistungsanpassung. . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.4 1. Kirchhoffscher Satz (Knotenpunktregel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.5 2. Kirchhoffscher Satz (Maschenregel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.6 Reihen- und Parallelschaltung von Spannungsquellen . . . . . . . . . . 2.4 Messschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1 Messbereichserweiterung bei Spannungsmessern . . . . . . . . . . . . . 2.4.2 Messbereichserweiterung bei Strommessern . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.3 Widerstandsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.4 Messungen an Spannungsteilern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.5 Dezibel-Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.6 Messungen von Spannungsfällen an Leitungen. . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.7 Messung von Gleich- und Wechselspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.8 Oszillografische Spannungs- und Frequenzmessung . . . . . . . . . . . 2.4.9 Frequenzmessung mit Lissajous-Figuren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.10 Strom-Spannungs-Kennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 Widerstandserwärmung bei Reihen- und Parallelschaltung . . . . . . 125 125 127 128 130 134 136 139 141 143 145 150 154 155 158 159 162 165 167 169 170 171 173 174 175 176 179 179 181 183 186 188 189 190 191 193 194 196 3 Kondensator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Physikalische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Elektrisches Feld. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Kondensatoren an Gleichspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 202 205 205 Inhalt 3.1.3 3.1.4 3.1.5 3.1.6 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 3.2.6 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5 3.3.6 3.3.8 3.3.9 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 9 Aufbau von Festkondensatoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau von Kunststoffkondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrolytkondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Veränderbare Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kondensator an Rechteckspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorgänge am RC-Glied . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . RC-Glied an symmetrischer Rechteckspannung . . . . . . . . . . . . . . . . Integrierglied an unsymmetrischer Rechteckspannung . . . . . . . . . . Differenzierglied . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nadelimpulsgenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . KO-Tastkopf mit frequenzkompensiertem Spannungsteiler . . . . . . Kondensator an Wechselspannung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kapazitätsmessung durch Strom und Spannung . . . . . . . . . . . . . . . Kapazitätsmessung durch Spannungsvergleich. . . . . . . . . . . . . . . . Parallelschaltung von Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reihenschaltung von Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kapazitive Blindleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirkleistung und Phasenverschiebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reihenschaltung von Kondensator und Widerstand . . . . . . . . . . . . Parallelschaltung von Kondensator und Widerstand . . . . . . . . . . . . Filterschaltungen mit Widerständen und Kondensatoren . . . . . . . . RC-Tiefpass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arbeiten mit dem Bode-Plotter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . RC-Hochpass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 210 212 214 215 215 217 219 221 223 224 226 227 228 229 230 231 233 237 239 242 243 245 246 4 Spulen, Transformatoren, Relais und Lautsprecher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Physikalische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1 Magnetischer Fluss und magnetische Feldstärke . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2 Magnetische Feldstärke und magnetische Flussdichte . . . . . . . . . . 4.1.3 Hysterese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.4 Permeabilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.5 Magnetische Kernformgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.6 Magnetischer Widerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Aufbau und Wirkungsweise von Spulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Luftspulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2 Spulen mit magnetisierbarem Kern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3 Blechkerne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.4 Ferritkerne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.5 Ferritkerne mit und ohne Luftspalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.6 Kerne für Filteranwendungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Spule an Gleichstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 Messung einer idealen Spule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 249 250 251 253 255 256 256 259 259 260 262 264 265 267 269 269 10 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4 4.5 4.5.1 4.5.2 4.6 4.6.1 4.6.2 4.6.3 4.6.4 4.6.5 4.6.6 4.7 4.7.1 4.7.2 4.8 4.8.1 4.8.2 Inhalt Spule an Rechteckspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reihenschaltung von Spulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Parallelschaltung von Spulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spule im Wechselstromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messung einer idealen Spule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messung einer realen Spule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reihenschaltung von Widerstand und Spule . . . . . . . . . . . . . . . . . . Parallelschaltung von Widerstand und Spule . . . . . . . . . . . . . . . . . . Filterschaltungen mit Widerstand und Spule . . . . . . . . . . . . . . . . . . RL-Tiefpass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . RL-Hochpass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transformatoren und Übertrager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funktionsweise. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kleintransformatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Simulation eines idealen Transformators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnung eines Transformators. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Innenwiderstand eines Transformators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kopplung mit Übertragern und Transformatoren . . . . . . . . . . . . . . . Relais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau eines Relais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Simuliertes Relais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lautsprecher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau eines Lautsprechers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Simulation eines Lautsprechers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 274 275 275 275 276 277 280 283 283 284 285 286 288 290 292 294 294 297 297 299 300 300 302 5 Zusammengesetzte Wechselstromkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 Reihen- und Parallelschaltung von Widerstand, Kondensator und Spule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1 Reihenschaltung von R, C und L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.2 Simulation einer RCL-Reihenschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.3 Parallelschaltung von R, C und L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.4 Simulation einer RCL-Parallelschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.5 Leistung im Wechselstromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.6 Kompensationsschaltung für den Einphasenbetrieb . . . . . . . . . . . . 5.2 Schwingkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Simulation eines idealen Reihenschwingkreises . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2 Simulation eines idealen Parallelschwingkreises . . . . . . . . . . . . . . 5.2.3 Realer Schwingkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.4 Güte und Bandbreite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.5 Simulation realer Widerstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.6 Simulation eines realen Kondensators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.7 Simulation einer realen Spule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 303 303 305 309 311 313 315 319 320 321 322 324 326 328 330 Inhalt 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.3.5 5.3.6 5.4 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.4.4 5.4.5 5.5 5.5.1 5.5.2 5.5.3 11 Filterschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CL-Bandpass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CL-Bandsperre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kritische Bandfilter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einfache LC- und CL-Glieder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . T- und P-Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . m-Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Phasenschieber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . RC-Tiefpass-Phasenkette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . RC-Hochpass-Phasenkette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . RC-Bandpass. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . RC-Bandsperre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Phasenschieberbrücke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bandfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Induktive Kopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kapazitive Kopfpunktkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Filter mit kapazitiver Fußpunktkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 333 334 335 337 338 340 343 343 344 345 346 347 348 349 350 351 6 Dioden und ihre praktischen Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 Grundlagen der Halbleitertechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.1 Eigenschaften von Halbleitermaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.2 Stromfluss in einem Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Aufbau von Dioden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.1 Raumladung und Raumladeschicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.2 pn-Übergang unter verschiedenen äußeren Bedingungen . . . . . . . 6.2.3 pn-Übergang in Sperrrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.4 pn-Übergang in Durchlassrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.5 Kennlinien von Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.6 Farbkennzeichnung von Kleinsignaldioden nach JEDEC und Pro-Electron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.7 Montage- und Lötvorschriften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.8 Wärmeableitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.9 Standard-Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 Untersuchung von Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.1 Statische Aufnahme der Kennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.2 Statischer und dynamischer Innenwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.3 Dynamische Aufnahme der Kennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.4 Aufbau von Datenblättern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.5 Begriffserklärungen zu Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.6 Simulation von Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.7 Parameter einer realen Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4 Z-Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352 352 353 355 361 361 364 364 366 367 368 371 372 373 376 376 378 380 382 384 387 390 392 12 Inhalt 6.4.1 6.4.2 6.5 6.5.1 6.5.2 6.5.3 6.6 6.6.1 6.6.2 6.7 6.7.1 6.7.2 6.7.3 6.7.4 6.7.5 6.8 6.8.1 6.8.2 6.8.3 6.8.4 6.8.5 6.8.6 6.8.7 6.9 6.9.1 6.9.2 6.9.3 6.10 6.10.1 6.10.2 6.10.3 6.10.4 6.10.5 6.10.6 6.10.7 6.11 6.11.1 6.11.2 6.11.3 6.11.4 6.11.5 6.11.6 Statische Kennlinienaufnahme einer Z-Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . 392 Dynamische Kennlinienaufnahme von Z-Dioden . . . . . . . . . . . . . . . 395 Leuchtdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396 Wirkungsweise von Leuchtdioden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397 Aufbau von Leuchtdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399 Simulation von Leuchtdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401 Kapazitätsdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402 Wirkungsweise von Kapazitätsdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403 Frequenzabstimmung mit Kapazitätsdiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405 Gleichrichterschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406 Einweggleichrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408 Zweiweggleichrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411 Brückengleichrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413 Drehstrom-Einweggleichrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416 Drehstrom-Brückengleichrichtung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418 Gleichrichterschaltungen mit Ladekondensator. . . . . . . . . . . . . . . . 418 Einweggleichrichter mit Ladekondensator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419 Einweggleichrichter mit Ladekondensator für negative Ausgangsspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424 Zweiweggleichrichtung mit Ladekondensator . . . . . . . . . . . . . . . . . 425 Brückengleichrichtung mit Ladekondensator . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426 Brückengleichrichtung mit Ladekondensator und 100-Hz-Zeitbasis . . .427 RC-Siebschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428 LC-Siebschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431 Spannungsvervielfacherschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433 Delon- oder Greinacher-Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433 Villard-Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435 Kaskadenschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436 Begrenzerschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437 Positive Klipper-Schaltung mit Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437 Negative Klipper-Schaltung mit Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438 Bidirektionale Klipper-Schaltung mit Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439 Positive Klipper-Schaltung mit Z-Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439 Negative Klipper-Schaltung mit Z-Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440 Bidirektionale Klipper-Schaltung mit Z-Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . 442 Differenzierglied mit Amplitudenbegrenzung. . . . . . . . . . . . . . . . . . 442 Elektronische Schalterfunktionen mit Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . 444 Diode als Schalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444 Diode als Wechselstromschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445 Diodenschalter Typ I und II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446 Dioden als Entkopplungselemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450 Diodendecoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450 ODER-Gatter in RDL-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452 Inhalt 6.11.7 6.11.8 6.12 6.12.1 6.12.2 6.12.3 6.12.4 13 UND-Gatter in RDL-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Freilaufdiode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spannungsstabilisierung mit Z-Dioden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Simulierte Z-Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einfache Spannungsstabilisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stabilisierung bei Eingangsschwankungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Z-Diode zur Unterdrückung von Brummspannungen . . . . . . . . . . . . 453 454 456 457 458 460 461 7 Grundlagen und praktische Schaltungslehre des Transistors . . . . . . . . . . . 7.1 Aufbau, Herstellung und Bezeichnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.1 Wirkungsweise des npn-Transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.2 Statische Kennlinienaufnahme eines npn-Transistors in Emitterschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.3 Dynamische Kennlinienaufnahme eines npn-Transistors in Emitterschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.4 Untersuchung der Verstärkerwirkung eines npn-Transistors . . . . . . 7.1.5 Untersuchung der Verstärkerwirkung eines pnp-Transistors . . . . . . 7.1.6 Emittergrundschaltung eines npn-Transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.7 Kollektorgrundschaltung eines npn-Transistors . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.8 Basisgrundschaltung eines npn-Transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Verstärkerschaltungen mit Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.1 Ruhestromeinstellung für den A-Betrieb. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.2 Ruhestromeinstellung für den A-Betrieb durch Spannungsteiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.3 Ruhestromeinstellung und Temperaturstabilisierung durch Stromgegenkopplung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.4 Ruhestromeinstellung für den A-Betrieb durch Spannungsgegenkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.1 Kapazitive Signalkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.2 Kapazitive Signalkopplung mit wechselstromgegengekoppelter Transistorstufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.3 Kapazitive Signalkopplung mit spannungsgegengekoppelter Transistorstufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.4 Transistorstufe mit Bootstrap-Schaltung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.5 Zweistufiger Verstärker mit Gleichstromkopplung . . . . . . . . . . . . . . 7.3.6 Zweistufiger Verstärker mit komplementären Transistoren . . . . . . . 7.3.7 Zweistufiger Verstärker mit kapazitiver Kopplung . . . . . . . . . . . . . . 7.3.8 Zweistufiger Verstärker mit gemeinsamer Arbeitspunktstabilisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.9 Zweistufiger komplementärer Verstärker mit gemeinsamer Arbeitspunktstabilisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.10 Zweistufiger Verstärker mit Emitterfolger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.11 Verstärker in Basisschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463 464 466 468 473 476 480 481 483 485 487 487 489 490 493 494 498 501 503 505 506 508 509 510 511 512 14 Inhalt 7.4 7.4.1 7.4.2 7.4.3 7.4.4 7.4.5 7.5 7.5.1 7.5.2 7.5.3 7.5.4 7.5.5 7.5.6 7.5.7 7.5.8 7.5.9 7.5.10 7.6 7.6.1 7.6.2 7.6.3 7.7 7.7.1 7.7.2 7.7.3 7.7.4 7.7.5 7.7.6 7.7.7 7.7.8 7.7.9 7.7.10 7.8 7.8.1 7.8.3 7.8.4 7.8.5 7.8.6 7.8.7 7.8.8 7.9 7.9.1 7.9.2 7.9.3 Transistor als Schalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Statische Schaltstufe mit einem ohmschen Verbraucher . . . . . . . . Dynamische Schaltstufe mit einem ohmschen Verbraucher . . . . . . Schalten einer ohmschen Last mit Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schalten einer induktiven Last mit Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . Schalten einer kapazitiven Last mit Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . NF-Verstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zweistufiger Vorverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorverstärker mit Klangregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rauscharmer NF-Vorverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leistungsverstärker im A-Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leistungsverstärker mit Trafo im Eintakt-A-Betrieb . . . . . . . . . . . . . Leistungsverstärker mit verbessertem Eintakt-A-Betrieb . . . . . . . . . Gegentaktverstärker mit Trafo im B-Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Komplementärer Leistungsverstärker im B-Betrieb . . . . . . . . . . . . . Komplementärer Leistungsverstärker im AB-Betrieb . . . . . . . . . . . . Leistungsverstärker mit Darlington-Stufe im A-Betrieb . . . . . . . . . . Differenzverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Statisches und dynamisches Verhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Differenzverstärker mit Konstantstromquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . Differenzverstärker als Regeleinheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stabilisierungsschaltungen für Spannungen und Ströme . . . . . . . . Einfache Serienstabilisierungsschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einstellbares Netzgerät . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geregeltes Netzgerät . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verbesserte Konstantspannungsquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektronische Netzgeräte mit Darlington-Stufe . . . . . . . . . . . . . . . . Elektronische Sicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kurzschlussfeste Stabilisierungsschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einstellbares Netzgerät für positive bis negative Spannung . . . . . . Parallelstabilisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Konstantstromquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Digitale Transistorschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . NICHT-Gatter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . NOR-Gatter in DTL- und RTL-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Äquivalenz-Gatter in RTL-Technik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . RS-Kippglieder (Flipflops) in RTL-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Astabiles Kippglied (Rechteckgenerator) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Monostabiles Kippglied . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schmitt-Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Signalgeneratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rechteckgenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Blinkschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sperrschwinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514 516 519 520 521 523 524 526 532 534 536 540 541 543 545 548 549 553 553 555 557 559 560 561 563 566 567 569 574 576 577 579 582 582 586 589 590 591 593 595 597 597 599 601 Inhalt 7.9.4 7.9.5 7.9.6 7.9.7 7.10 7.10.1 7.10.2 15 Impulsgenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . LC-Oszillatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . RC-Phasenschiebergenerator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wien-Brückengenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zeitgeberschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Relais mit Anzugsverzögerung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Relais mit Abfallverzögerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603 604 607 609 610 611 612 8 Schaltungen mit Feldeffekttransistoren und MOSFETs. . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1 Sperrschicht-FET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.1 Untersuchung eines n-Kanal-FETs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.2 FET-Verstärker in Sourceschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.3 FET-Verstärker in Drainschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.4 FET-Verstärker in Gateschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2 Schaltungstechnik mit Feldeffekttransistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.1 Konstantstromquelle mit FET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.2 FET-Vorverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.3 FET-Vorverstärker mit Stromgegenkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.4 Zweistufiger FET-Vorverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.5 FET-Vorverstärker mit Klangregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.6 Messvorverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.7 Feldeffekttransistor als Analogschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.8 Differenzverstärker mit Konstantstromquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.9 Differenzverstärker mit Darlington-FET-Eingängen . . . . . . . . . . . . . . 8.2.10 Differenzverstärker in FET-Technologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3 MOSFET-Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.1 Aufbau und Wirkungsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.2 Sourceschaltung mit n-Kanal-Anreicherungstyp . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.3 Zweistufiger Vorverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.4 Drainschaltung mit n-Kanal-MOSFET-Anreicherungstyp . . . . . . . . . 8.3.5 Sourceschaltung mit n-Kanal-Verarmungstyp. . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.6 MOSFET als Analogschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.7 CMOS-Analogschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.8 NICHT-Gatter in CMOS-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.9 NAND-Gatter in CMOS-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.10 NOR-Gatter in CMOS-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 615 617 618 621 624 626 627 627 629 632 634 635 637 640 641 642 643 644 645 648 652 652 653 654 656 657 659 660 9 Thyristoren und TRIACs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1 Vierschichtdiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2 Unijunktiontransistor und programmierbarer Unijunktiontransistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3 Optokoppler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4 Thyristor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 662 663 667 675 677 16 Inhalt 9.4.1 9.4.2 9.4.3 9.4.4 9.4.5 9.4.6 9.4.7 9.5 9.5.1 9.5.2 9.5.3 9.5.4 9.5.5 9.5.6 9.5.7 9.5.8 9.6 9.6.1 9.6.2 9.6.3 9.6.4 9.6.5 Gleichstromzündung eines Thyristors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wechselstromzündung eines Thyristors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Impulszündung des Thyristors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dynamisches Verhalten von Thyristoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Löschverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reihen- und Parallelschaltung von Thyristoren . . . . . . . . . . . . . . Schutzschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thyristor als Leistungsschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schaltende Leistungssteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prinzip der Phasenanschnittsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Phasenanschnittsteuerung mit Thyristor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Phasenanschnittsteuerung mit zwei Thyristoren . . . . . . . . . . . . . Phasenanschnittsteuerung mit Thyristor im Gleichstromkreis . . Phasenanschnittsteuerung mit Thyristor im Wechselstromkreis Nullspannungsschalter mit Thyristor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schwingungspaketschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leistungselektronik mit TRIACs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau eines DIACs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau eines TRIACs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Phasenanschnitt mit DIAC und TRIAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kühlung für Thyristoren und TRIACs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermische Ersatzschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 680 683 685 687 690 693 695 697 699 700 704 706 707 709 711 712 715 715 717 721 723 727 10 Drehstrom, Wechselstrom und VDE-Vorschriften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 731 10.1 Drehstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734 10.1.1 Sternschaltung bei symmetrischer Belastung . . . . . . . . . . . . . . . 735 10.1.2 Sternschaltung mit angeschlossenem Nullleiter . . . . . . . . . . . . . 739 10.1.3 Unsymmetrische Belastungen in einer Sternschaltung . . . . . . . . 742 10.1.4 Dreieckschaltung mit verschiedenen Belastungen . . . . . . . . . . . 748 10.1.5 Stern-Dreieck-Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 754 10.1.6 Drehstromleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 756 10.2 Schutzmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 763 10.2.1 Stromschlag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 764 10.2.2 Fehlerstromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 767 10.2.3 Leitungsschutz-Sicherungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 773 10.3 Verteilungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774 10.3.1 TN-Verteilungssystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 775 10.3.2 Erdung und Schutzleiter nach DIN VDE 0100 Teil 540 . . . . . . . . . 777 10.3.3 TT -Netz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 781 10.3.4 Schutz durch Fehlerstrom-Schutzschalter (RCD) . . . . . . . . . . . . . 786 Inhalt 11 Analoge Schaltungstechnik mit Operationsverstärkern. . . . . . . . . . . . . . . 11.1 Analoge Verstärkerfamilien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1.1 Vergleich zwischen diskreten, hybriden und integrierten Verstärkerschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1.2 Technologien für Verstärker. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1.3 Interner Schaltungsaufbau von Operationsverstärkern . . . . . . . 11.1.4 Betriebsarten eines Operationsverstärkers . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1.5 Übertragungscharakteristik bei Operationsverstärkern . . . . . . . 11.1.6 Betriebsarten für eine Mit- und Gegenkopplung . . . . . . . . . . . . . 11.1.7 Invertierender Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1.8 Nicht invertierender Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Lineare Schaltungsbeispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.1 Addierer oder Summierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.2 Addierer als NF-Mischpult . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.3 Subtrahierer oder Differenzverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.4 Integrator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.5 Differenzierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3 Statische Schaltungen mit Operationsverstärkern . . . . . . . . . . . 11.3.1 Operationsverstärker als Komparator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3.2 Spannungsvergleicher im gesättigten Verstärkerbetrieb . . . . . . 11.3.3 Fenster-Komparator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3.4 Schmitt-Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3.5 Schmitt-Trigger mit erweiterten Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3.6 Schmitt-Trigger in nicht gesättigter Betriebsart . . . . . . . . . . . . . . 11.3.7 Zweipunktregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3.8 Dreipunktregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.4 Netzgeräte mit Operationsverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.4.1 Wahl der richtigen Spannungsreferenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.4.2 Einfache Referenzspannungsquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.4.3 Konstantspannungsquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.4.4 Einstellbares Netzgerät . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.4.5 Einstellbares Netzgerät mit gepuffertem Ausgang . . . . . . . . . . . 11.4.6 Einstellbares Netzgerät mit Lgstransistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.4.7 Einfaches Netzgerät für negative Ausgangsspannung . . . . . . . . 11.4.8 Parallelstabilisierung mit Operationsverstärker . . . . . . . . . . . . . 11.4.9 Parallelstabilisierung für höhere Ausgangsströme . . . . . . . . . . . 11.4.10 Konstantstromquelle mit Operationsverstärker . . . . . . . . . . . . . . 11.4.11 Konstantstromquelle mit Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.5 Messtechnik mit Operationsverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.5.1 Verstärker mit differentiellem Ausgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.5.2 Differentieller Verstärker mit differentiellem Ausgang . . . . . . . . . 11.5.3 Instrumentenverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 790 791 792 794 797 799 801 802 804 806 809 810 812 813 815 820 822 822 824 826 827 829 831 833 834 835 835 836 839 842 846 847 849 850 851 852 853 855 856 857 857 18 Inhalt 11.5.4 11.5.5 Strom-Spannung- und Spannung-Strom-Wandler . . . . . . . . . . . . 859 Spannung- und Strommessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 861 12 Signalgeneratoren, Oszillatoren und Zeitglieder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.1 Rechteckgeneratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.1.1 Grundschaltung eines OP-Rechteckgenerators . . . . . . . . . . . . . . 12.1.2 Impulsgenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.1.3 Einstellbarer Impulsgenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.1.4 Rechteckgenerator mit Feldeffekttransistor . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2 Monostabile Kippglieder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3 Sinusgeneratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3.1 Sinusgenerator mit RC-Phasenschieber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3.2 Sinusgenerator mit Wien-Robinson-Brücke . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3.3 Quarz-Oszillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3.4 Sinusgenerator mit LC-Glied . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4 Dreieck- und Sägezahngeneratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4.1 Dreieck-Rechteck-Generator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4.2 Sägezahngenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.5 Funktionsgeneratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.6 Schaltungen mit dem Zeitgeberbaustein 555 . . . . . . . . . . . . . . . 12.6.1 Innenleben und Anschlussschema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.6.2 Rechteckgenerator mit dem Baustein 555 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.6.3 Monoflop mit dem Baustein 555. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.6.4 Nachtriggerbares Monoflop mit dem Baustein 555 . . . . . . . . . . . 12.6.5 Schmitt-Trigger mit dem Baustein 555 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.6.6 Symmetrisches Tastverhältnis für den Baustein 555 . . . . . . . . . . 12.6.7 Einstellbarer Rechteckgenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.6.8 Rechteckgenerator mit einstellbarem Tastverhältnis . . . . . . . . . . 864 865 865 867 869 870 871 874 876 879 881 887 890 890 891 892 896 897 899 901 902 903 904 907 908 13 Aktive Filterschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 910 13.1 Filterklassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 910 13.1.1 Vergleich zwischen den passiven Filtergrundschaltungen. . . . . . 911 13.1.2 Passiver Hoch- und Tiefpass 1. Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 913 13.1.3 RC-Filter nach Gauß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 915 13.1.4 Filter nach Gauß, Bessel, Butterworth, Cauer und Tschebyscheff 918 13.1.5 Amplitudengang von Filtern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 920 13.2 Aktive Tief- und Hochpassfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 922 13.2.1 Aktiver Tiefpass 1. Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 922 13.2.2 Aktiver Hochpass 1. Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 925 13.2.3 Aktives Tiefpassfilter 2. Ordnung mit Zweifachgegenkopplung . . 926 13.2.4 Aktives Tiefpassfilter 2. Ordnung mit Einfachmitkopplung . . . . . 929 13.2.5 Aktives Hochpassfilter 2. Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 930 Inhalt 13.2.6 13.3 13.3.1 13.3.2 13.3.3 13.3.4 13.3.5 13.4 13.4.1 13.4.2 13.4.3 13.4.4 13.5 13.5.1 13.5.2 13.6 13.6.1 13.6.2 13.6.3 13.6.4 13.7 13.7.1 13.7.2 13.7.3 19 Umwandlung von Tiefpass- in Hochpassfilter . . . . . . . . . . . . . . . . Aktive Bandpass- und Bandsperrfilter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Selektiver Verstärker mit Schwingkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Selektives Filter 2. Ordnung in Gegenkopplung . . . . . . . . . . . . . . Selektives Filter 2. Ordnung in Mitkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . Aktive Bandsperre mit T-Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bandsperre mit T-Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einstellbare Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einstellbares Tiefpassfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einstellbares Hochpassfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . NF-Vorverstärker mit Klangnetzwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einstellbares Bandsperrfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allpassfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allpassfilter 1. Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allpassfilter 2. Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aktives Tiefpassfilter höherer Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnungsbeispiele für aktive Tiefpassfilter . . . . . . . . . . . . . . . Aktives Tiefpassfilter 3. Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aktives Tiefpassfilter 4. Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aktive Tiefpassfilter bis zur 10. Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kontinuierliche Filterschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ein-Verstärkerfilter nach Sallen-Key . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Multiverstärkerfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Universalfilter (state variable-Filter) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 932 934 934 935 936 937 938 939 939 940 942 944 946 946 948 949 949 952 954 955 957 958 960 962 14 Grundfunktionen der TTL-Schaltungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.1 Arbeiten mit der TTL-Bibliothek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.1.1 Untersuchung des NAND-Gatters 7400 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.1.2 Untersuchung des NAND-Gatters 7403N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.1.3 Untersuchung des AND-Gatters 7408. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.1.4 Untersuchung des ODER-Gatters 7432. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.1.5 Untersuchung des NICHT-Gatters 7404 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.1.6 Untersuchung des Exklusiv-ODER-Gatters 7486 . . . . . . . . . . . . . 14.1.7 Untersuchung des Inklusiv-ODER-Gatters . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.2 Beispiele zur Booleschen Algebra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.2.1 Verknüpfung von Eingangsvariablen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.2.2 Inhibition und Implikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.2.3 Aufbau einer Antivalenz- bzw. Exklusiv-ODER-Funktion . . . . . . . 14.2.4 Aufbau einer Äquivalenz- bzw. Inklusiv-ODER-Funktion . . . . . . . 14.2.5 UND/ODER/NICHT-Gatter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.2.6 Digitaler Komparator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.2.7 Größer-Gleich-Kleiner-Vergleicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 964 967 967 975 977 978 980 981 983 984 984 987 988 988 989 992 994 20 Inhalt 14.2.8 14.2.9 14.2.10 14.2.11 14.2.12 14.2.13 14.3 14.3.1 14.3.2 14.3.3 14.3.4 14.4 14.4.1 14.4.2 14.4.3 14.5 14.5.1 Halbaddierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 996 Halbsubtrahierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 997 Volladdierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 998 Elektronische Weiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1001 Digitaler Polumschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1002 Digitaler Drehschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1002 Codierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1005 Dezimal- zu BCD-Codierer mit ODER-Gatter . . . . . . . . . . . . . . . . 1006 Dezimal- zu BCD-Codierer 74147 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1008 Dezimal-zu-Aiken-Codierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1012 BCD-zu-Dezimal-Decoder 7442 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1014 Anzeigeeinheiten mit Decoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1017 7-Segment-Anzeige ohne und mit 7-Segment-Decoder. . . . . . . 1018 Pegel- und Signalauswertung mit 7-Segment-Anzeige . . . . . . . 1024 Dezimal- zu-Gray-Codierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1026 Schaltkreise in TTL-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1026 BCD- zu-Dezimal-Decoder/Anzeigentreiber 7445 (o.C., 30 V, 80 mA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1027 14.5.2 BCD- zu-7-Segment-Decoder/Anzeigentreiber 7446 (o.C., 30 V) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1029 14.5.3 Drei-Bit-Binärdecoder/Demultiplexer (3 zu 8) 74138 . . . . . . . . 1030 14.5.4 Zwei 2-Bit-Binärdecoder/Demultiplexer 74139. . . . . . . . . . . . . 1033 14.5.5 BCD-zu-Dezimal-Decoder/Anzeigentreiber 74145 . . . . . . . . . . 1036 14.5.6 Binärer 8- zu-3-Prioritätscodierer 74148 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1038 14.5.7 Zwei 2-Bit-Binärdecoder/Demultiplexer 74155. . . . . . . . . . . . . 1040 14.6 Speicherschaltungen und spezielle Schaltfunktionen . . . . . . . 1042 14.6.1 Bistabile Kippschaltungen bzw. Flipflops. . . . . . . . . . . . . . . . . . 1044 14.6.2 NAND- und NOR-Flipflop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1045 14.6.3 NAND- und NOR-Speicherflipflop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1046 14.6.4 D-Flipflop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1049 14.6.5 JK-Flipflop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1050 14.6.6 Master-Slave-Flipflop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1055 14.6.7 JK-Master-Slave-Flipflop 7472 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1057 14.6.8 D-Flipflop mit Preset und Clear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1061 14.6.9 Untersuchung und Anwendungen des TTL-Bausteins 7475 (Latch-Funktion) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1064 14.6.10 Untersuchung und Anwendungen des TTL-Bausteins 74116 (Latch-Funktion) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1065 14.6.11 Untersuchung und Anwendungen des TTL-Bausteins 74279 (Latch-Funktion) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1067 14.6.12 Untersuchung und Anwendungen des TTL-Bausteins 74373 (Latch-Funktion) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1070 Inhalt 21 15 Grundfunktionen der CMOS-Schaltungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1072 15.1 Kenndaten über die CMOS-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1073 15.1.1 Invertierender CMOS-Buffer 4049 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1079 15.1.2 Nicht invertierender CMOS-Buffer 4050. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1084 15.1.3 Nicht invertierender und invertierender CMOS-Buffer 4041 . . . . 1086 15.1.4 CMOS-NAND-Gatter 4011 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1087 15.1.5 CMOS-NOR-Gatter 4001 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1088 15.1.6 Elektronische Schalter mit mechanischer Auslösung . . . . . . . . 1093 15.1.7 NOR- und NAND-Flipflops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1094 15.1.8 Sensorenschaltung mit CMOS-Bausteinen . . . . . . . . . . . . . . . . 1097 15.2 Digitaler Analogschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1099 15.2.1 Bilateraler Schalter (Analogschalter) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1100 15.2.2 Arbeitsweise von Analogschaltern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1102 15.2.3 Analoge Frequenzweiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1103 15.2.4 Programmierbare Eingangsstufen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1104 15.3 Komplexe CMOS-Schaltkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1105 15.3.1 BCD-zu-Dezimal-Decoder 4028 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1106 15.3.2 8- zu-3-Prioritätscodierer 4532. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1108 15.3.3 4-Bit-Volladdierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1110 15.3.4 Sechsfach-Buffer/Logikpegel-Konverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1111 15.3.5 CMOS-Zähler 4017 (Dekadenzähler/Teiler) . . . . . . . . . . . . . . . . 1111 15.3.6 CMOS-Zähler 4024 (7-stufiger Binärzähler) . . . . . . . . . . . . . . . . 1115 15.3.7 CMOS-Zähler 4040 (12-stufiger Binärzähler). . . . . . . . . . . . . . . 1116 15.3.8 CMOS-Zähler 4510 (programmierbarer BCD-Zähler) . . . . . . . . . 1117 15.3.9 CMOS-Zähler 4516 (programmierbarer 4-Bit-Binärzähler) . . . . 1118 15.3.10 CMOS-Zähler 4518 (synchroner BCD-Zähler) . . . . . . . . . . . . . . . 1119 15.3.11 CMOS-Zähler 4018 (Zähler/Teiler) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1120 15.3.12 CMOS-Zähler 4020 (14-stufiger Binärzähler/Teiler) . . . . . . . . . 1121 15.3.13 CMOS-Zähler 4029 (voreinstellbarer Vor-/Rückwärtszähler) . . . . 1122 15.4 Schieberegister . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1126 15.4.1 Schieberegister mit seriellem Ein- und Ausgang . . . . . . . . . . . . 1127 15.4.2 4-Bit-Schieberegister mit seriellem Ein- und Ausgang . . . . . . . 1129 15.4.3 Schieberegister mit seriellem Eingang und parallelem Ausgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1131 15.4.4 Schieberegister mit parallelem Eingang und seriellem Ausgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1133 15.4.5 Schieberegister mit parallelem Ein- und Ausgang . . . . . . . . . . . 1134 15.4.6 Schieberegister als Ringzähler nach dem Libaw-Craig-Code . . . 1134 15.4.7 8-Stufen-Schieberegister 4014 mit Paralleleingang und Serienausgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1137 15.4.8 Statisches CMOS-Schieberegister 4015 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1139 15.4.9 8-Stufen-Schieberegister 4021 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1141 22 Inhalt 15.4.10 Universalschieberegister 4035 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1143 15.4.11 Vierphasen-Taktgenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1146 16 Praktische Schaltungstechnik mit TTL- und CMOS-Bausteinen . . . . . . . . 1147 16.1 Monostabile Kippschaltung oder Monoflop . . . . . . . . . . . . . . . . 1147 16.1.1 Monoflops mit NAND- und NOR-Gattern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1148 16.1.2 Einfache Monoflops mit NAND- und NOR-Gattern . . . . . . . . . . . 1152 16.1.3 Integriertes Monoflop 74121 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1155 16.1.4 Integriertes retriggerbares Monoflop 74123 . . . . . . . . . . . . . . . 1157 16.1.5 Monoflops für extrem kurze Verzögerungszeiten. . . . . . . . . . . . 1158 16.1.6 Verzögerungen von Impulsflanken durch ein Monoflop . . . . . . 1160 16.1.7 Impulsverzögerungen durch zwei Monoflops . . . . . . . . . . . . . . 1162 16.1.8 Sequentielle Laufzeitschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1164 16.2 Rechteckgeneratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1165 16.2.1 Grundschaltungen eines Rechteckgenerators . . . . . . . . . . . . . . 1166 16.2.2 Rechteckgenerator mit Start-Stopp-Eingang . . . . . . . . . . . . . . . 1168 16.2.3 Rechteckgenerator mit Monoflop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1169 16.2.4 Rechteckgenerator mit Schmitt-Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1172 16.2.5 Rechteckgenerator mit simulierten CMOS-NICHT-Gattern . . . . . 1174 16.2.6 Quarzstabilisierter Rechteckgenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1176 16.3 Frequenzteiler und Zähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1179 16.3.1 Codes von Zählern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1181 16.3.2 Frequenzteiler 1:2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1182 16.3.3 Frequenzteiler 1:4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1183 16.3.4 Frequenzteiler 1:8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1186 16.3.5 Frequenzteiler 1:16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1187 16.3.6 Vor- und Rückwärtszähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1189 16.3.7 Teiler mit negativ-flankengetriggerten JK-Flipflops . . . . . . . . . . 1190 16.3.8 Frequenzteiler 1:3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1191 16.3.9 Frequenzteiler 1:5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1192 16.3.10 Frequenzteiler 1:6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1194 16.3.11 Frequenzteiler 1:10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1195 16.3.12 Dezimalzähler 7490 und 74290 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1197 16.3.13 Modulo-100-Zähler mit zweistelliger Anzeige . . . . . . . . . . . . . . 1202 16.3.14 Modulo-60-Zähler mit zweistelliger Anzeige . . . . . . . . . . . . . . . 1203 16.3.15 Modulo-24-Zähler mit zweistelliger Anzeige . . . . . . . . . . . . . . . 1204 16.3.16 Modulo-12-Zähler mit zweistelliger Anzeige . . . . . . . . . . . . . . . 1205 16.4 Schaltungstechnik mit DA- und AD-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . 1206 16.4.1 Vierstufiger Sinusgenerator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1209 16.4.2 Treppenstufengenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1211 16.4.3 Integrierte D/A-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1215 16.4.4 AD-Wandler nach dem Zählverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1216 16.4.5 A/D-Wandler mit Nachlaufsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1219 Inhalt 16.4.6 16.4.7 23 Single-Slope-A/D-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1221 Spannungs-Frequenz-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1223 17 Mikrocontroller 8051 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1226 17.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1227 17.1.1 Architektur des 8051 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1231 17.1.2 Speicheraufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1231 17.1.3 Oszillator- und Taktgeberschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1235 17.1.4 Zeitliche Abläufe in der Zentraleinheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1240 17.1.5 Aufbau und Betrieb der Ports . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1242 17.1.6 E/A-Struktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1243 17.1.7 Schreiben in einen Port . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1246 17.1.8 Read-Modify-Write-Merkmale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1248 17.1.9 Zugriff auf externe Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1249 17.1.10 Signal PSEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1250 17.1.11 Signal ALE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1252 17.1.12 Zeitgeber/Zähler und zugehörige Register TMOD und TCON . . . . 1252 17.1.13 Serielle Schnittstelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1258 17.1.14 Datenverkehr in Multiprozessorsystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . 1273 17.1.15 Baudraten (Übertragungsraten) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1274 17.1.16 Interrupts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1275 17.1.17 Einzelschrittbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1282 17.1.18 Rücksetzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1282 17.1.19 Betriebsarten mit reduzierter Leistungsaufnahme . . . . . . . . . . 1283 17.1.20 EPROM-Version 8751. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1286 17.1.21 Anschlussbelegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1289 17.1.22 Speicherorganisation und Adressierungsarten . . . . . . . . . . . . . 1293 17.1.23 Boolescher Prozessor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1298 17.2 Funktionale Aufschlüsselung des Befehlsvorrats . . . . . . . . . . . 1298 17.2.1 Datentransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1299 17.2.2 Arithmetische Operationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1300 17.2.3 Logische Operationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1301 17.2.4 Programmverzweigung zu einem nicht unmittelbar folgenden Speicherplatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1302 17.2.5 Adressierungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1303 17.3 Definition und Beschreibung der 51 grundlegenden Befehle . . . 1305 17.4 Definitionen der Befehle des Mikrocontrollers 8051 . . . . . . . . 1313 17.4.1 Unbedingter Aufruf einer Subroutine innerhalb 2-Kbytes im Programmspeicher (ACALL addr11) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1313 17.4.2 Addieren (ADD A,<Quellenbyte>) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1313 17.4.3 Addiere mit Übertrag (ADDC A,<Quellenbyte>) . . . . . . . . . . . . . . 1315 17.4.4 Unbedingter Sprung innerhalb 2-Kbytes im Programmspeicher (AJMP Addr11) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1316 24 Inhalt 17.4.5 17.4.6 17.4.7 17.4.8 17.4.9 17.4.10 17.4.11 17.4.12 17.4.13 17.4.14 17.4.15 17.4.16 17.4.17 17.4.18 17.4.19 17.4.20 17.4.21 17.4.22 17.4.23 17.4.24 17.4.25 17.4.26 17.4.27 17.4.28 17.4.29 17.4.30 17.4.31 17.4.32 17.4.33 17.4.34 17.4.35 Verknüpfe Byte-Variable durch logisches UND (ANL <Zielbyte>,<Quellenbyte>) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1317 Verknüpfe Bit durch logisches UND zum Übertragsbit (ANL C,<Quellenbit>) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1319 Vergleiche und springe, wenn ungleich (CJNE <Zielbyte>,<Quellenbyte>,rel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1320 Lösche Akkumulator (CLR A) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1322 Lösche Bit (CLR bit) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1322 Komplementiere Akkumulator (CPL A) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1323 Komplementiere direktes bit (CPL bit) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1324 Dezimalkorrektur des Akkumulators bei Addition (DA A) . . . . . . . 1324 Dekrementieren (DEC byte) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1326 Dividiere Akkumulator durch Register B (DIV AB) . . . . . . . . . . . 1327 Dekrementiere und springe, falls ungleich null (DJNZ <Byte>,<relative Adresse>) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1328 Inkrementieren (INC <Byte>). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1329 Inkrementiere Datenzeiger (INC DPTR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1331 Springe, wenn direktes Bit gesetzt ist (JB bit,rel) . . . . . . . . . . . 1331 Springe, wenn direktes Bit gesetzt ist und lösche das Bit (JBC bit,rel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1332 Springe, wenn Übertragsbit gesetzt ist (JC rel) . . . . . . . . . . . . . . 1333 Springe indirekt relativ zu DPTR (JMP @A+DPTR) . . . . . . . . . . . . 1333 Springe, wenn direktes Bit nicht gesetzt ist (JNB bit,rel) . . . . . . 1334 Springe, wenn Übertragsbit nicht gesetzt ist (JNC rel) . . . . . . . . 1334 Springe, wenn Akkumulator nicht null ist (JNZ rel) . . . . . . . . . . 1335 Springe, wenn Akkumulator null ist (JZ rel) . . . . . . . . . . . . . . . . 1336 Unbedingter Aufruf einer Subroutine innerhalb des 64-Kbyte-Programmspeichers (LCALL addr16) . . . . . . . . . . . . . 1336 Unbedingter Sprung innerhalb des 64-Kbyte-Programmspeichers (LJMP addr16) . . . . . . . . . . . . . . 1337 Transportiere Byte-Variable (MOV <Zielbyte>, <Quellenbyte>) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1338 Transportiere direktes Bit zum Übertragsbit oder umgekehrt (MOV <Zielbit>,<Quellenbit>) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1341 Lade Datenzeiger mit einer 16-Bit-Konstante (MOV DPTR,#data16) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1342 Transportiere Programmbyte (A,@A+<Basisregister>) . . . . . . . . 1343 Transportiere vom oder zum externen RAM (MOVX <Zielbyte>,<Quellenbyte>) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1344 Multipliziere Akkumulator mit Register B (MUL AB). . . . . . . . . . 1346 Keine Operation (NOP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1346 Verknüpfe Byte-Variable durch logisches ODER (ORL <Zielbyte>,<Quellenbyte>) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1347 Inhalt 25 17.4.36 Verknüpfe Bit durch logisches ODER zum Übertragsbit (ORL C,<Quellenbit>) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1349 17.4.37 Bringe direktes Byte aus dem Stack (Pop direct) . . . . . . . . . . . . 1350 17.4.38 Bringe direktes Byte in den Stack (PUSH direct) . . . . . . . . . . . . 1351 17.4.39 Rücksprung von Subroutine (RET). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1351 17.4.40 Rücksprung vom Interrupt (RETI). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1352 17.4.41 Schiebe Akkumulator nach links rund (RL A) . . . . . . . . . . . . . . . 1352 17.4.42 Schiebe Akkumulator nach links durch Übertragsbit rund (RLC A) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1353 17.4.43 Schiebe Akkumulator nach rechts rund (RR A) . . . . . . . . . . . . . 1353 17.4.44 Schiebe Akkumulator nach rechts durch Übertragsbit rund (RRC A) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1354 17.4.45 Setze Bit (SETB <bit>) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1354 17.4.46 Unbedingter Sprung innerhalb –128...+127 im Programmspeicher (SJMP rel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1355 17.4.47 Subtrahieren mit Übertrag (SUBB A,<Quellenbyte>) . . . . . . . . . 1356 17.4.48 Vertausche Halbbytes im Akkumulator (SWAP A) . . . . . . . . . . . 1357 17.4.49 Vertausche variables Byte mit Akkumulatorinhalt (XCH A,<Byte>) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1358 17.4.50 Vertausche unteres Halbbyte indirekt aus RAM mit unterem Halbbyte des Akkumulators (XCHD A,@Ri) . . . . . . . . . 1359 17.4.51 Verknüpfe Byte-Variable durch logisches Exklusiv-ODER (XRL <Zielbyte>,<Quellenbyte>) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1359 17.5 Programmierung des Mikrocontrollers 8051 und 8052 . . . . . . 1361 17.5.1 Assemblerprogrammierung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1362 17.5.2 Editoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1369 17.5.3 Cross-Assembler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1375 17.5.4 Emulatoren und Stand-alone Debug-Stationen . . . . . . . . . . . . . 1377 17.5.5 Arbeiten mit dem MCU-Modul. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1381 17.5.6 Realisierung einer Ampelschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1387 18 Schaltungsentwicklung (Multisim) und Platinenlayout (Ultiboard) . . . . . . . .1396 18.1 Schaltungsbeispiel für analoge und digitale Bauelemente . . . 1396 18.1.1 Bauelement und Anordnung für den Analogteil . . . . . . . . . . . . 1397 18.1.2 Einfügen der passiven Bauteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1400 18.1.3 Einfügen der aktiven Bauteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1404 18.1.4 Testen des Analogteils. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1422 18.1.5 Aufbau des Digitalteils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1423 18.1.6 Besonderheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1426 18.2 Von der Schaltung zum Platinenlayout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1427 18.2.1 Übertragung von Multisim nach Ultiboard . . . . . . . . . . . . . . . . . 1428 18.2.2 Leiterplatte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1430 18.2.3 Bearbeiten der Platine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1433 26 Inhalt 18.2.4 18.2.5 18.2.6 18.2.7 18.2.8 18.2.9 Entwurfsrichtlinien für die Leiterplatten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1436 Platzieren der Bauelemente auf der Platine. . . . . . . . . . . . . . . . 1437 Einfügen der Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1440 Verlegen von Leiterbahnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1444 Weitere Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1450 Vorbereitung für Herstellung und Bestückung . . . . . . . . . . . . . . 1451 19 Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1452
