Elektronik für Entscheider: Grundwissen für Wirtschaft und Technik

223 Pages·2017·8.309 MB·German

by  Marco Winzker (auth.)

Marco Winzker
Elektronik
für Entscheider
Grundwissen für Wirtschaft und Technik
2. Auflage
Elektronik für Entscheider
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Springer für Professionals
Marco Winzker
Elektronik für Entscheider
Grundwissen für Wirtschaft und Technik
2., aktualisierte Auflage
Mit Aufgaben und Lösungen sowie
Anwendungsbeispielen
MarcoWinzker
Fachbereich Elektrotechnik, Maschinenbau
undT echnikjournalismus
HochschuleBonn-Rhein-Sieg
SanktAugustin,Deutschland
ISBN978-3-8348-0616-1 ISBN978-3-8348-2035-8(eBook)
DOI10.1007/978-3-8348-2035-8
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beitunginelektronischenSystemen.
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auchohnebesondereKennzeichnungnichtzuderAnnahme,dasssolcheNamenimSinnederWarenzeichen-
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DerVerlag,dieAutorenunddieHerausgebergehendavonaus,dassdieAngabenundInformationenindiesem
WerkzumZeitpunktderVeröffentlichungvollständigundkorrektsind.WederderVerlagnochdieAutorenoder
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Vorwort
Bei der Entwicklung, Produktionund VermarktungelektronischerGüter arbeiten Personen
ausverschiedenenFachgebieteninterdisziplinärzusammen,umProduktezumrichtigenPreis,
mit den richtigen Eigenschaften und zum richtigen Zeitpunkt anbieten zu können. Jedoch
könnenKosten,QualitätundEntwicklungszeiteinesProduktesnichtunabhängigvoneinan-
der optimiert werden. Also müssen die Verantwortlichen eines Projektes miteinander über
Projektzielekommunizierenkönnen.
DarumvermittelnHochschulenindenIngenieurstudiengängenindeutlichemUmfangnicht-
technischeThemen,wieBetriebswirtschaftslehre,ProjektmanagementundRecht.Ingenieure
können so die Sichtweise von „Nicht-Technikern“verstehen und ihnen technische Zusam-
menhängebesservermitteln.
DiesesBuchsollder„anderenSeite“,denManagern,Betriebswirten,Juristen,PR-Fachleuten
und Journalisten, aber auch Ingenieurenaus anderenFachgebieten,die Möglichkeitgeben,
sicheinStückaufdasGebietderElektronikzubegeben,umsowohlAufgabenalsauchSpra-
che und Denkweise der Ingenieure verstehen zu können. Ziel ist es dabei nicht, dass Sie
nachdemLesendiesesBucheseineelektronischeSchaltungentwickelnkönnen.ImVorder-
grundstehtvielmehreingenerellesVerständnisfürdieZusammenhängeundGrundbegriffe
derElektronik.
GrundlagefürKommunikationisteinegemeinsameSprache,darumwerdendiewesentlichen
Fachausdrückeeingeführtunderläutert.FormelnhingegenbrauchenSienichtzulernen.An
den wenigenStellen, an denen danndoch eine Formelauftaucht,steht sie zusätzlich zu ei-
nem im Text erläuterten Zusammenhang und dient als Brücke zu einer ingenieurmäßigen
Darstellung.
EinWortzumAufbau.Ichwürdemichnatürlichfreuen,wennSiediesesBuchsospannend
finden,dassSieesohneinnezuhaltenvonvornebishintenlesen.Ichfreuemichabergenauso,
wennSiesichgenaudieInformationenheraussuchen,dieSiefürIhrespezielleFragestellung
benötigen.UndhierhatsicherderPR-LeitereinesIT-DienstleistersandereSchwerpunkteals
dieJuristinmiteinemMandantenausderElektronikfertigung.
DieeinzelnenKapitelkönnendarumrelativunabhängigvoneinandergelesenwerden.Bezüge
zwischendenKapitelnwerdenhergestellt;esistIhnenaberfreigestellt,diesenVerbindungen
zu folgen.Für Ihre Auswahl und ÜbersichtsorgenLernziele am Anfang der Kapitel sowie
eineZusammenfassungderwichtigstenAussagenamKapitelende.
DiezumVerständnisnotwendigenallgemeinenInformationenüberElektrizitätundelektro-
nischeBauelementewerdenimAbschnitt„Grundwissen“erläutert.DiesenAbschnittsollten
SiesichaufjedenFallansehen,wobeiIhnen,jenachVorwissen,dieseInformationenmögli-
cherweiseschonbekanntsind.
VI Vorwort
ImAnhangdesBuchesfindenSieWiederholungs-undTransferfragenzudenKapiteln.Au-
ßerdemsinddortzurVertiefungundalsweitererPraxisbezugmehrereausführlicheAnwen-
dungsbeispielefürelektronischeSchaltungenenthalten.
Das vorliegende Buch entstand aus der Vorlesung „Elektronik für Technikjournalisten“ an
der FachhochschuleBonn-Rhein-Sieg.Den Studentinnenund Studenten danke ich für ihre
FragenundskeptischenBlickeandenStellen,andenenichSachverhaltenochbessererklären
musste.
Für vielfältige Anregungenzu Inhaltund Formgeht mein Dank an Fachleute aus Industrie
undHochschule,vondenenichhierinsbesondereProf.Dr.-Ing.KlausGrüger,Prof.Dr.Irene
Rothe,Dr.-Ing.MirjamSchönfeldundDipl.-Ing.AndreaSchwandtnennenmöchte.Fürdie
BereitstellungvonaktuellemBildmaterialdankeichdenjeweilsangegebenenFirmen.Beson-
derserwähntseidieFirmaFreescalefürdieumfangreichen,imAnhangzitiertenUnterlagen.
Mein größterDankgehtan meineEltern undmeineFrau fürihre stete Unterstützung,weit
überdieErstellungdiesesBucheshinaus.
Königswinter,imNovember2007 MarcoWinzker
Vorwortzur zweiten Auflage
Für die zweite Auflage wurden alle technischen Angaben und die Referenzen aktualisiert.
Außerdemwurdendie Anwendungsbeispieleauf den neuesten Stand gebracht,sodasswei-
terhinderBezugzuaktuellentechnischenEinsatzfelderndeutlichwird.
BadHonnef,imMärz2017 MarcoWinzker
Inhaltsverzeichnis
Vorwort ................................................................... V
I Einleitung
1 BedeutungderElektronik................................................ 3
1.1 KurzegeschichtlicheEinordnung ...................................... 3
1.2 GesellschaftlicheBedeutung .......................................... 5
1.3 WirtschaftlicheBedeutung............................................ 6
II Grundwissen
2 ElektrischeLadung,Strom,Spannung..................................... 13
2.1 ElektrischeLadung.................................................. 13
2.2 StromundSpannung................................................. 14
2.3 ZusammenhangvonStromundSpannung............................... 15
2.4 DarstellungalsSchaltplan ............................................ 16
2.5 ÜbersichtüberFormelzeichenundEinheiten ............................ 17
3 BauelementederElektronik.............................................. 19
3.1 PassiveBauelemente................................................. 19
3.2 AktiveBauelemente ................................................. 21
3.3 IntegrierteSchaltungen............................................... 23
3.4 Platinen............................................................ 24
3.5 WeitereKomponenten ............................................... 27
III Analog-und Digitaltechnik
4 AnalogeSignale......................................................... 31
4.1 GrundformenanalogerSignale ........................................ 31
4.2 AmplitudeundFrequenz ............................................. 33
4.3 FrequenzbereichetechnischerSysteme.................................. 36
4.4 AnalogeDatenübertragung ........................................... 38
5 GrundschaltungenderAnalogtechnik ..................................... 41
5.1 SchaltungsdarstellunginderElektrotechnik ............................. 41
5.2 DiodenschaltungenzumGleichrichten.................................. 43
5.3 VerstärkerschaltungenmitTransistoren ................................. 45
VIII Inhaltsverzeichnis
6 DigitaleSignale ......................................................... 49
6.1 Digitaltechnik ...................................................... 49
6.2 ZahlendarstellungenundCodes........................................ 51
6.3 DarstellungundÜbertragungdigitalerDaten ............................ 54
6.4 Digitalisierung...................................................... 56
7 GrundschaltungenderDigitaltechnik ..................................... 59
7.1 VerarbeitungvondigitalenDaten ...................................... 59
7.2 Schaltungselemente.................................................. 61
7.3 Speicherelemente ................................................... 62
7.4 ImplementierungdigitalerSchaltungen ................................. 64
IV Halbleitertechnik
8 HalbleitertechnikundDotierung.......................................... 71
8.1 AufbauderMaterie.................................................. 71
8.2 Leiter,Isolator,Halbleiter............................................. 74
8.3 ElektrischeLeitunginHalbleitern...................................... 75
8.4 DotierungvonHalbleitermaterial ...................................... 77
9 DiodenundTransistoren................................................. 81
9.1 pn-Übergang ....................................................... 81
9.2 Diode ............................................................. 84
9.3 Transistor .......................................................... 85
9.4 Schaltsymbole ...................................................... 87
10 OptoelektronikundSolartechnik ......................................... 89
10.1 EigenschaftenvonLicht.............................................. 89
10.2 Optoelektronik...................................................... 89
10.3 Solartechnik........................................................ 91
V Entwicklung und Fertigung
11 EntwicklungelektronischerSysteme ...................................... 97
11.1 Produktentwicklung ................................................. 97
11.2 SpezifikationundSchaltungskonzept ................................... 99
11.3 Schaltungsentwurf...................................................102
11.4 Verifikation ........................................................103
11.5 RechnergestützterSchaltungsentwurf...................................105
12 Fertigung ..............................................................109
12.1 BeschaffungelektronischerKomponenten...............................109
12.2 Fertigungsschritte ...................................................111
12.3 AuslagerungvonArbeitsschritten......................................116
12.4 LebensdauerundumweltverträglicheFertigung ..........................117
Inhaltsverzeichnis IX
13 Inbetriebnahme.........................................................119
13.1 Methodik ..........................................................119
13.2 AusstattungderArbeitsplätze .........................................121
13.3 Messgeräte.........................................................123
14 WirtschaftlicheBetrachtungen ...........................................127
14.1 MarkteinführungvonProdukten .......................................127
14.2 InvestitionenundProfit...............................................129
14.3 DisruptiveTechnologien..............................................131
14.4 PatenteundihreBedeutung ...........................................133
VI Mikro- und Nanoelektronik
15 IntegrierteSchaltungen..................................................139
15.1 Überblick ..........................................................139
15.2 AufbauintegrierterSchaltungen .......................................143
15.3 Entwicklung........................................................145
16 Chip-Technologie .......................................................149
16.1 CMOS-Technologie .................................................149
16.2 FunktionsprinzipderCMOS-Technologie ...............................150
16.3 PhysikalischerAufbau ...............................................152
16.4 Herstellung.........................................................156
17 Halbleiterspeicher.......................................................159
17.1 Grundstruktur ......................................................159
17.2 FlüchtigeSpeicher...................................................160
17.3 NichtflüchtigeSpeicher ..............................................162
VII Automobilelektronik und Embedded System
18 ElektronikimKraftfahrzeug .............................................167
18.1 Überblick ..........................................................167
18.2 AnforderungenanAutomobilelektronik.................................169
18.3 SteuerungundRegelung..............................................171
18.4 Anwendungsgebiete .................................................172
19 BussystemeinderAutomobiltechnik ......................................175
19.1 GrundlagenvonBussystemen .........................................175
19.2 EigenschaftenaktuellerBussysteme....................................178
20 EmbeddedSystemundMikrocontroller ...................................181
20.1 Anwendungsgebiete .................................................181
20.2 Begriffsbestimmung .................................................182
20.3 Software-EntwicklungfürEmbeddedSystem ............................184