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Elektronik: Einführung in die Analogtechnik, Digitaltechnik und Leistungselektronik PDF

356 Pages·1999·9.97 MB·German
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DieterZastrow Elektronik Aus dem Programm ____. Elektrotechnik/Elektronik AufgabensammlungElektrotechnik, Band 1 + 2 vonM.Vömel undD.Zastrow Elektrotechnik vonD.Zastrow ViewegHandbuch Elektrotechnik vonW.Böge Handbuch Elektrische Engergietechnik von1.Constantinescu-Simon Elektronik vonDieterZastrow Elemente derangewandten Elektronik vonE.Böhmer Rechenübungenzurangewandten Elektronik vonE.Böhmer Arbeitshilfen und Formeln fürdas technische Studium4: Elektrotechnik/Elektronik/Digitaltechnik vonA.Böge Elektrische Meßtechnik vonK. Bergmann Vieweg LexikonTechnik vonA. Böge vieweg __' Dieter Zastrow Elektronik Einführung in Analogtechnik, Digitaltechnik und Leistungselektronik Mit 417 Abbildungen, 93 Lehrbeispielen und 120 Übungen mit ausführlichen Lösungen 5.,vollständig überarbeitete Auflage ~ vieweg 1. Auflage 1983 2.,durchgeseheneAuflage 1984 3.,durchgeseheneAuflage 1988 4.,verbesserteAuflage 1997 5.,vollständigüberarbeiteteAuflage 1999 AlleRechte vorbehalten © SpringerFachmedienWiesbaden 1999 Ursprünglicherschienenbei Friedr. Vieweg&SohnVerlagsgesellschaftmbH, BraunschweigiWiesbaden,1999. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. JedeVerwertungaußerhalbder engen Grenzendes Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbe sondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherungund VerarbeitunginelektronischenSystemen. http://www.vieweg.de Umschlaggestaltung:Ulrike Weigel,Niedernhausen Satz und Bilder: Vieweg,Wiesbaden; Graphik&TextStudio Dr.WolfgangZettlmeier,Laaber-Waldetzenberg Gedrucktaufsäurefreiem Papier ISBN 978-3-528-44210-1 ISBN 978-3-663-09914-7 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-09914-7 v Vorwort Elektronik ist ein Sammelbegriff für ein unübersehbargroßesFachgebiet, dassich in der gegenwärtigen Praxis in einer Umbruchsituation befindet. Analoge Funktionen werden durch digitale Lösungen ersetzt, innerhalb der Digitaltechnik verschiebt sich die hardwaremäßige Realisierung von der herkömmlichen IC-Logik zu den pro grammierbaren Logikbausteinen mit dem Ziel der .System-on-a-Chlp" Lösung.Viele Anwendungen können mit einer Standard-Hardware bestehend ausMikrocontroller und Speicherbausteinen und einer flexibel anpaßbaren Software günstig realisiert werden. Allerdings lassen sich noch nicht alle analogen elektronischen Funktionen eliminie ren. Essind hauptsächlich drei Bereiche,indenen sichdieAnalogtechniknoch hält: • Ansteuerung von Verbrauchern bzw. elektrotechnischer Systemkomponenten z.B.der Netzteil- und Antriebstechnik, • Erfassungkleiner Meßsignaleausder Prozeßperipherie, • Datenwandlungbzw. Datenumsetzung. Dementsprechend findet auch im zugehörigen Ausbildungs- und Lehrbereich ein inhaltlicherWandel inder Elektronik statt, derdurch die Beschränkungauf beständi ge Grundlagen und stärkere Betonung der Schalteranwendungen von Transistoren und Operationsverstärkern gekennzeichnet ist, ergänzt mit der Simulation elektroni scher Schaltungen auf dem PC, wodurch sich neue Möglichkeiten des interaktiven Lernenseröffnen. Die Erfahrung hat gezeigt, daß der Umgang mit der Simulations Software ein solides elektrotechnisches und elektronisches Grundlagenwissen mit mathematischer Fundierung voraussetzt, um sich überhaupt im verwendeten Be griffssystem und denAnalysemöglichkeitenzurecht findenzukönnen. DemgemäßhateinkurzgefaßtesLehr- undArbeitsbuch überGrundlagender • Analogtechnik • Digitaltechnik • Leistungselektronik • Signalumsetzung: ADU, DAU • Stromversorgungsschaltungen weiterhin seineBerechtigung. Die 5. Auflage ist in Teilen vollständig überarbeitet worden, ohne den Umfang des Bucheszu vergrößern. EinSchwerpunkt der Überarbeitungwar die Umstellungdes Lehrstoffs Transistoren auf dasThema Schalteranwendungen bei gleichzeitiger Be schränkungim Bereich der Verstärkungauf unverzichtbare Grundlagen. Ein weiterer Schwerpunkt der Überarbeitung war die vollständige Neufassung des Lehrstoffs Operationsverstärker entsprechend seiner gewachsenen Bedeutung. Neu aufge nommenwurdenAbschnitte über Leistungs-undTrennverstärker.An anderen Stellen ist der Lehrstoff punktuell modernisiert worden. Das Konzept des aufbauenden Lehrganges mit Zusammenfassungen und Übungsaufgaben an den Kapitelenden sowie ausführlichen LösungenimAnhangist erhaltengeblieben. VI Vorwort Die Darstellung des Lehrstoffes orientiert sich am Niveau von Technikerschulen und ist auf die Entwicklung einesgründlichen Schaltungsverständnisses und einer klaren Fachsprache ausgerichtet. Die unverzichtbare mathematische Durchdringung von Schaltungsproblemen ist so kurz und einfach wie möglich gehalten. DasBuch wen det sich mit diesem Anspruch an eine breite Leserschaft, die sich ausStudienerfor dernissen oder beruflichen Gründen mit den klassischen elektronischen Grundlagen befassen muß. Gerne statte ich den Mitarbeitern desVerlagsVieweg für ihr verständnisvollesEinge hen auf meine Vorstellungen sowie für die sorgfältige Ausführung des Buches und die gute Zusammenarbeit meinen herzlichen Dank ab. Für Anregungen aus dem Leserkreisbin ich jederzeitdankbar. Ellerstadt, Februar 1999 Oieter Zastrow VII Arbeitshinweise ZU diesem Buch Wie hilft Ihnendieses Lehr- und Arbeitsbuch beim Lernen? Vorkenntnisse Die Kapitel beginnen mit einer knappen Aufzählung der erforder lichen Vorkenntnisse, sodaßSieKenntnislückendurch Nachschlagen gezieltschließen können. Lehrstoff Der Lehrstoff ist methodisch aufbereitet und in Form eines Lehr gangs dargestellt. D.h. überdie reine Faktenvermittlunghinauswird Ihnen auch das in der analogen und digitalen Elektronik typische Denken vermittelt, damit sich ein Verständnis für elektronische Zusammenhänge bilden kann. Alle wichtigen Fachbegriffe sind da, wosiedefiniert odersonst erläutertwerden,kursivgedruckt. Beispiele Dabekannt ist, daß elektronische Vorgänge,dieman berechnen und messen kann, besser verstanden werden als jene, die nur in ihrer Wirkungsweise beschrieben werden, wird der Lehrstoff besonders durch Rechenbeispiele und Schaltungsbeispiele mit Oszillogrammen veranschaulicht. Aufgabentyp Ob Sieeinen echten Lernfortschritt gemacht haben, können Siebei der selbständigen Lösung der vorhandenen Obungsaufgaben fest stellen. Dabeibedeuten dieZeichen: ... Übungen, deren Besonderheiteine Lösungsleitlinieist 6 Übungen,dieden typischen Prüfungsaufgaben entsprechen. • Übungen, die das Verständnis für Begriffe, Zusammenhänge und Modellvorstellungen fördern. Lösungen Zum Zweckeder Lernkontrolle befindet sich zu allen Aufgabenein vollständiger Lösungsweg im Anhang des Buches.Suchen Sie noch andere Lösungswege. Der Wert der Übungen steigt mit der Anzahl dererreichten Lösungsmöglichkeiten. Memory An den Kapitelenden isteinMemoryangeordnet. Esenthältdasvon Ihnengeforderte Grundwissen. VIII Inhaltsverzeichnis Arbeitshinweise zu diesem Buch VII Schreibweise von Formelzeichen XIV 1 Widerstandsverhalten von Halbleitern 1 1.1 Stromleitungsmechanismus 1 1.2 Widerstandsverhalten der Heißleiter 3 1.3 WiderstandsverhaltenderSperrschichten 7 - SpannungssteuerungeinerSperrschicht.. 9 - LichtsteuerungeinerSperrschicht.. 10 1.4 Widerstandsverhaltenvon Halbleiter-Kanälen 12 1.5 Vertiefungund Übung 14 2 Halbleiterdiode alsnichtlinearer Widerstand 16 2.1 Halbleiterdiode 16 2.2 Arbeiten mit Kennlinien 18 2.3 Begrenzerschaltungen mit Dioden 20 2.4 Vertiefungund Übung 22 3 Spannungsstabilisierung 24 3.1 Prinzip derSpannungsstabilisierung 24 3.2 Z-Diode 26 3.3 AnalysederStabilisierungs-Grundschaltung 28 3.4 Vertiefungund Übung 33 4 Stromstabilisierung 35 4.1 Prinzip der Konstantstromquelle 35 4.2 FeldeffekttransistorJ-FET 37 4.3 AnalysederStromquellenschaltung 39 4.4 Vertiefungund Übung 42 5 Transistor alsSchalter 44 5.1 Übersicht übergrundlegendeTransistortypen 44 5.2 Kennlinien und Kennwerteder Bipolartransistoren 45 - Schichtenaufbau,Anschlüsse, Polung 45 - Meßschaltung 46 - Kennlinien 46 5.3 Kennlinien und Kennwerteder Feldeffekttransistoren 49 - Kanalstruktur,Anschlüsse, Polung 49 Inhaltsverzeichnis IX - Meßschaltung 50 - Kennlinien 50 5.4 Grenzdaten 51 - Spannungsgrenzwerte 51 - Stromgrenzwerte 52 - Temperatur- und Leistungsgrenzwerte 52 - SichererArbeitsbereich (SOA = SafeOperatingAreal 54 5.5 Grundbegriffe der Schaltverstärker 56 - SchaltzuständedesTransistors 56 - Übersteuerung 57 - Schaltzeiten 58 - Berechnungsgangfür den Schaltverstärker 59 5.6 Schalten mitLeistungstransistoren 61 - Eigenschaftenvon Leistungs-MOSFETs 61 - Ansteuern von Leistungs-MOSFETs 62 - High-Side und Low-Side-Schalter 63 - PeriodischesSchaltenvon induktiven Lasten in Gleichstromkreisen 65 5.7 CMOS-InverteralsSchalter 67 - Schaltungsprinzip einesCMOS-Inverters 67 - Betriebsspannung,Pegel,Belastbarkeit.. 68 5.8 Schaltenüber Optokoppler 69 5.9 Vertiefung und Übung 70 6 Transistor alsVerstärker 73 6.1 Grundbegriffe der Verstärkertechnik 73 - VierpoldarstellungdesVerstärkers 73 6.2 Arbeitspunkteinstellung 75 - Kollektorruhestrom 75 - Arbeitswiderstand 76 - Arbeitspunkt 77 6.3 Verstärkungsvorgangim Kennlinienfeld 78 6.4 Ermittlung der Verstärkerkennwerte 80 - Messender Leerlauf-Spannungsverstärkung 80 - MessendesEingangswiderstandes 80 - MessendesAusgangswiderstandes 81 - RechnerischeErmittlung der Verstärkerkennwerte 81 6.5 Frequenzgang 82 - Untere Grenzfrequenz 82 - Obere Grenzfrequenz 83 6.6 Verstärker-Grundschaltungen 85 6.7 Vertiefung und Übung 86 7 Operationsverstärker und Grundschaltungen 87 7.1 Übersicht 87 7.2 Eigenschaften einesStandard-Operationsverstärkers 88

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BuchhandelstextDieses Lehr- und Arbeitsbuch vermittelt die Grundlagen der Elektronik, wie sie im Rahmen einer Elektrotechnikerausbildung erforderlich sind. Die Darbietung des Lehrstoffs orientiert sich am Niveau von Technikerschulen. In der 5. Auflage wurden die Kapitel Transistor als Schalter und O
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