Grundschaltungen

Elektronik 3
Klaus Beuth/Wolfgang Schmusch
Grundschaltungen
16., tiberarbeitete Auflage
Vogel Buchverlag
Inhaltsverzeichnis
Vorwort
1 Das Oszilloskop als vielseitiges MeBgerat
1.1
Kenndaten eines Oszilloskops
1.1.1
Empfindlichkeit - Ablenkkoeffizient
1.1.2
Anstiegszeit
1.1.3
Bandbreite
1.1.3.1 Y-Verstarker
1.1.3.2 Zeitbasis
1.1.3.3 X-Verstarker
1.1.4
Eingangs widerstand
1.1.5
Eingangskapazitat
1.2
Tastkopfe
1.2.1
Einsatzmoglichkeiten und Vorteile von Tastkopfen
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 Tastkopfen
1.3
Ausfiihrungsformen von Oszilloskopen
1.3.1
Zweistrahloszilloskop
1.3.2
Zweikanaloszilloskop
1.3.3
Speicheroszilloskop
1.4
Einsatzmoglichkeiten des Oszilloskops
J.4.1
Darstellung und Messung von periodischen Spannungen
1.4.2
Darstellung und Messung von einmaligen Spannungsspriingen
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
Wobbeln 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
33
33
33
33
35
35
37
Gleichrichterschaltungen
2.1
Allgemeines
2.2
Netzgleichrichterschaltungen
2.2.1
Grundschaltungen
2.2.2
Gleichrichterschaltungen mit ohmscher Belastung
2.2.2A
Einweg-Gleichrichterschaltung (Einpuls-Mittelpunktschaltung Ml)
2.2.2.2 Briicken-Gleichrichterschaltung (Zweipuls-Briickenschaltung 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
39
40
44
45
45
47
47
49
51
54
54
55
57
2.7
3
Schaltnetzteile
2.7.1
Schaltnetzteil-Prinzip
2.7.2
Primargetaktete Schaltnetzteile
2.7.2.1 DurchfluBwandler
2.7.2.2 Sperrwandler
2.7.3
Sekundargetaktete Schaltnetzteile
2.7.4
Schaltnetzteile mit GegentaktfluBwandler
Verstarkerschaltungen
3.1
Grundschaltungen des Transistors
3.2
Ersatzschaltung des Transistors bei Kleinsignalaussteuerung
3.2.1
Differentieller Eingangswiderstand / B E
3.2.2
Differentieller Ausgangswiderstand r CE
3.2.3
Ruckwirkung
3.2.4
Eingangs- und Ausgangskapazitiit
3.2.5
Ersatzschaltbild nach Giacoletto
3.2.6
/i-Parameter-Ersatzschalfbild
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 Verstarkung 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
Kleinsignalverhalten 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 Verstarkung
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 Verstarkung
3.6
Wechselspannungsverstiirker
3.6.1
KenngroBen des Wechselspannungs\ erstarkers
3.6.1.1 Verstarkung
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
Ill
Ill
112
3.7
3.8
3.6.1.3 Phasenverschiebung
3.6.1.4 Signalverzerrungen - Klirrfaktor
3.6.1.5 Storspannungen
3.6.2
Mehrstufige Verstarker
3.6.2.1 Verstarkung und Bandbreite
3.6.2.2 Kopplung mehrstufiger Verstarker
3.6.3
Breitbandverstarker
3.6.3.1 Untere Grenzfrequenz
3.6.3.2 Obere Grenzfrequenz
3.6.3.3 Erhohung der Bandbreite durch Gegenkopplung
3.6.4
Nf-Vorverstarker
3.6.4.1
Anforderungen
3.6.4.2 Schaltungsbeispiele mit bipolaren Transistoren
3.6.4.2.1 Zweistufiger Verstarker ohne Signalgegenkopplung
3.6.4.2.2 Zweistufiger Verstarker mit Signalgegenkopplung
3.6.4.3 Schaltungsbeispiele mit Feldeffekt-Transistoren
3.6.5
Nf-Leistungsverstarker
3.6.5.1 Anforderungen
3.6.5.2 Verstarkerarten
3.6.5.2.1 Eintaktverstarker
3.6.5.2.2 Gegentaktverstarker
3.6.5.3 Kollektorschaltung als Leistungsverstarker im A-Betrieb
3.6.5.4 Kollektorschaltung im Gegentaktbetrieb
Gleichspannungsverstarker
3.7.1
Anforderungen
3.7.2
Differenzverstarker
3.7.2.1 Grundschaltung des Differenzverstarkers
3.7.2.2 Asymmetrischer Ausgang
3.7.2.3 Anwendungen des Differenzverstarkers
Operationsveretarker
3.8.1
Betriebsarten des Operationsverstarkers
3.8.2
KenngroBen des Operationsverstarkers
3.8.2.1 Ruhegleichstrom - Stromoffset
3.8.2.2 Eingangs- und Ausgangswiderstande
3.8.2.3 Frequenzgang der Leerlaufverstarkung
3.8.2.4 Spannungsoffset
3.8.2.5 Gleichtaktverstarkung und Gleichtaktunterdriickung
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 Schleifenverstarkung - Grenzen der Gegenkopplung
3.8.3.4 Linearitat, Bandbreite und Phasenverschiebung des gegengekoppelten Verstarkers
3.8.3.5 Stabilitat des gegengekoppelten Verstarkers
3.8.4
Ausgewahlte gegengekoppelte Schaltungen
3.8.4.1
Nichtinvertierender Verstarker (Elektrometerverstarker)
3.8.4.2
Invertierender Verstarker
3.8.4.3 Summierverstarker
3.8.4.4 Subtrahierverstarker - Differenzverstarker
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
5
Umschalten von invertierenden Betrieb auf nichtinvertierenden Betrieb . . . .
Einfache Filterschaltungen
Integrierverstiirker
Stromquellen und Stromverstiirker
Prinzip des Regelverstarkers
Instrumentierungsverstarker
Transimpedanzverstarker
187
188
190
193
195
196
197
Schaltungen zur Stabilisierung von Spannungen und Stromen
4.1
Einfiihrung
4.2
Konstantspannungsquelle
4.3
Konstantstromquelle
4.4
Stabilisierung
4.4.
Spannungsstabilisierung
4.4. . 1 KenngrdBen der Stabilisierung
4.4. .2 Parallelstabilisierung
4.4. .2.1 Z-Dioden-Stabilisierung
4.4. 1 .2? Stabilisierung mit Z-Diode und Quertransistor.
4.4. .2.3 Parallelstabilisierung mit Operationsverstarker
4.4. .3 Serienstabilisierung
4.4. .3.1 Stabilisierung mit Z-Diode und Langstransistor
4.4. .3.2 Stabilisierung mit Z-Diode und Operationsverstarker
4.4. .3.3 Stabilisierung mit Regelverstarker
4.4. .3.4 Stabilisierung mit Regelverstarker fiir veranderliche Ausgangsspannung . . . .
4.4. .3.5 Stabilisierung mit Regelverstarker bei groBer 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 Operationsverstarker
4.4.2.3 Stromquelle fiir hohere Strome
4.4.3
Strombegrenzung
4.4.3.1 Uberstromsicherung
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 (DurchfluBwandler)
4.4.4.2 Schaltregler nach dem Sperrwandlerprinzip
4.4.4.3 Regelung des Tastverhiiltnisses
4.4.4.4 Integrierte Festspannungsregler
203
203
203
205
206
207
207
208
208
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
Nichtiibersteuerter Betrieb
5.2.2
Ubersteuerter Betrieb
5.3
Schaltvorgange und Schaltzeiten
5.3.1
Schalten in den DurchlaBzustand
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
274
5.5
5.6
5.4.3
Schalten bei induktiver Belastung
5.4.4
Schalten von HeiB- und Kaltleitern
Belastbarkeit
5.5.1
Hochstzulassige 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
Ziindschaltungen
6.2.1.1
AUgemeines
6.2.1.2 Phasenanschnittsteuerung
6.2.1.3 Vollwellensteuerung (Wellenpaketsteuerung)
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
1
Arbeitsweise
1.2
Ansteuerungsarten
1.3
Bistabile Kippstufen mit besonderen Eigenschaften
1.4
Anwendungsbeispiele
1.4.1
Bistabile Kippstufe als Frequenzteiler
1.4.2
Bistabile Kippstufe als Signalspeicher
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 Impulsverlangerung
7.2.4.2
Schaltung zur Impulsregenerierung
7.2.5
Schaltzeiche-n
7.2.6
Bemessung monostabiler Kippstufen
7.3
Astabile Kippschaltung (Multivibrator)
7.3.1
Arbeitsweise
7.3.2
Schaltungsaufbau und Impuls-Pausen-Verhaltnis
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
9
Erzeugung rechteckformiger Spannungen
Erzeugung von sagezahnformigen Spannungen
8.3.1
Siigezahngenerator mit Stromquelle
8.3.2
Miller-Integrator
8.3.3
Sperrschwinger
8.3.4
Synchronisierung eines Sagezahngenerators
Erzeugung sinusformiger Spannungen
8.4.1
LC-Generatoren
8.4.1.1
MeiBner-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
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-Rechteck-Spannungsvvandler
9.5.4
Schalt/eichen
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-Regeleinriehtung
10.2.2.4 D-Regeleinrichtung
10.2.2.5 PD-Regeleinrichtung
10.2.2.6 PID-Regeleinrichtung
10.3 Beispiele fiir einfache Regelkreise
10.3.1
Temperaturregelung
10.3.2
Drehzahlreseluna von Kleinmotoren
338
339
341
342
347
348
350
350
351
352
353
354
357
358
359
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 Einfiihrung in die Digitaltechnik
11.1 Grundbegriffe
.1.1 Analoge und digitale Signale
l ?
Logische Zustande ,,0" und ,,1"
11.2 Logische Verkniipfungen
11.2.1
UND-Verkniipfung
11.2.2
ODER-Verknupfung
11.2.3
Verneinung
11.2.4
NAND-Verknupfung
11.2.5
NOR-Verkniipfung
Schaltungen logischer Glieder
11.3
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-Verknupfung
11.5.3
Ist-Verkntipfung
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
Nutzungsmoglichkeiten 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 Zahl- 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 Binar-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 Zahlerschaltungen
12.5.1
Frequenzteiler
12.5.2
Vorwartszahler
12.5.3
Riickwartszahler
12.5.4
Zahldekaden
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