Erwin Bohmer

Elemente der angewandten Elektronik Kompendium fur Ausbildung und Beruf

5., uberarbeitete und erweiterte Auflage Mit 540 Bildern und einem umfangreichen Bauteile-Katalog

Friedr. Vieweg & Sohn

Braunschweig IWiesbaden

CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Bohmer, Erwin: Elemente der angewandten Elektronik: Kompendium flir Ausbildung u. Beruf / Erwin Bohmer. - 5., iiberarb. u. erw. Aufl. Braunschweig; Wiesbaden: Vieweg, 1987. (Viewegs Fachbiicher der Technik)

ISBN-13: 978-3-528-44090-9

e-ISBN-13: 978-3-322-85557-2

DOl: 10.1007/978-3-322-85557-2

1. Auflage 1979 2., neubearbeitete und erweiterte Auflage 1983 3., iiberarbeitete und erweiterte Auflage 1984 4., iiberarbeitete und erweiterte Auflage 1986 5., iiberarbeitete und erweiterte Auflage 1987 Vieweg ist ein Unternehmen der Verlagsgruppe Bertelsmann. Aile Rechte vorbehalten

© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig 1987

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Umschlaggestaltung: Hanswerner Klein, Leverkusen Satz: Vieweg, Braunschweig

Vorwort zur ersten Auflage

Die Elektronik ist durch die Fortschritte in der Halbleitertechnologie zu einem untiberschaubar groBen Gebiet technischer Entwicklungen und Anwendungen angewachsen. Iede Art von Ausbildung kann daher nur Kenntnisse tiber bestimmte Teilgebiete der Elektronik vermitteln, die im Zuge ihrer praktischen Anwendung ergiinzt werden mtissen. Die Notwendigkeit dazu erfahrt man schon als Student, wenn im Praktikum elektronische Schaltungen vorkommen. Das vorliegende Buch will eine Hilfe sein flir das ergiinzende Selbststudium, indem es die fliT die Schaltungstechnik wichtigsten Bauelemente und Grundschaltungen zusammenfassend darstellt. Es versucht dabei, die schaltungstechnischen Grundlagen von den Bauelementen her auf breiter Basis zu entwickeln und gleichzeitig die erforderlichen Berechnungs- und Analyseverfahren anhand zahlreicher Beispiele zu vermitteln. Die sechzehn Kapitel des Buches sind untergliedert in einzelne etwa gleichgewichtige Abschnitte, die aufeinander aufbauen. Sie bestehen in strenger Ordnung aus je einer Textund einer Bildseite, urn so ein GroBtmaB an Ubersichtlichkeit zu erreichen. Die zahlreichen Bilder enthalten viele konkrete Informationen und sollen auch Zusammenhiinge aufzeigen, die in dem knapp gehaltenen Text nicht unmittelbar angesprochen werden. Ein relativ breiter Raum wird den Bauelementen mit magnetischen Wirkungen zugestanden, die in der neueren Literatur etwas vemachliissigt werden. Dabei findet auch das elektromagnetische Relais Berticksichtigung, das mit seinen mechanisch bewegten Kontakten kein elektronisches Bauelement ist, aber als Koppelglied zwischen elektronischen und anderen Systemen nach wie vor groBe Bedeutung hat. Schaltungsberechnungen sind stets so angelegt, daB sie unter Vemachliissigung von Sekundiireffekten mit wenigen Rechenztigen zu einem Niiherungsergebnis fOOren, das den Anforderungen der Praxis oft schon gentigt. Komplizierte Zusammenhiinge werden durch Modelle und physikalische Ersatzbilder moglichst anschaulich dargestellt. Das Kleinsignalverhalten der Elektronenrohren, unipolaren und bipolaren Transistoren wird vereinfacht durch Zweipolersatzbilder beschrieben, in denen Rtickwirkungen nach dem Miller-Theorem erfaBt werden. In entsprechender Weise wird auch der Operationsverstiirker behandelt.

Das Buch hat eine mehrjiihrige Entwicklung iiber eine Reihe von Studienskripten durchlaufen. Wiihrend dieser Zeit ist mir mancherlei Hilfe zuteil geworden, flir die ich hiermit Dank sage. Vor aHem bedanke ich mich bei den Mitarbeitem des Nachrichtentechnischen Labors an der Gesamthochschule Siegen, Herm K. Dickel, Herm Ing. grad. G. Lagemann und Herm Ing. grad. H. Otto. Herr Otto hat einen GroBteil der Schaltungen aufgebaut und iiberpriift. Meinen Kollegen Prof. Dr. rer. nat. H. Riihl und Prof. Dipl. Ing. P. Schoene danke ich flir viele anregende Diskussionen. Die Kollegen Prof. Dr. rer. nat. E. Froschle, Prof. Dr.-Ing. M. Reuter und Prof. Dr.-Ing. F. Wittgruber haben mich bei der Abfassung einzelner Kapitel beraten. Herr Ing. grad. A. Geilhausen gab mir wertvolle Hinweise zum Kapitel Leistungshalbleiter. Die Eigenart des Buches hat bei der Herstellung einige Schwierigkeiten bereitet. DaB es dennoch, wie mir scheint, eine ansprechende Form gefunden hat, verdanke ich dem Verstiindnis und der Sorgfalt des Verlages, insbesondere den Herren W. Ebert und H.I. Niclas. Mein Dank gebtihrt auch einer Reihe von Firmen, die mir Bildmaterial zur Verfligung gestellt haben, das am SchluB des Buches in einem Quellenverzeicnis aufgefOOrt ist. SchlieBlich danke ich meinem Sohn Frank flir die AusfOOrung zahlreicher Bildkorrekturen.

Siegen, im August 1978 III

Vorwort zur zweiten Auflage Die vorliegende Neuauflage umf~t 20 Kapitel gegentiber bisher 16. Durch zahlreiche Erganzungen und Erweiterungen wurde versucht, das Buch dem aktuellen Stand der Elektronik anzupassen. Dabei ist auf die Behandlung weitgehend tiberholter Bauelemente wie z.B. Selengieichrichter, Thyratrons und Mangetkernspeicher verzichtet worden. Das Kapitel tiber Rahren wurde wesentlich gestrafft. 1m tibrigen hat sich die Zielsetzung des Buches, wie sie im Vorwort zur ersten Auflage beschrieben wird, nicht geandert. Ich danke allen, die mir bei der miihevollen Arbeit geholfen haben, insbesondere dem Kollegen Prof. Dr.-Ing. F Wittgruber fliT seine Ratschiage zum Kapitel Digitaltechnik und den Herren Dipl.-Ing. H. Otto und Dipl.-Ing. E. Locherbach flir das Lesen der Korrektur. Herr Otto hat wieder wie zur erst en Auflage zahlreiche Schaltungsbeispiele im Laborexperiment erprobt. Frau Andrea Winkel hat die neuen Texte geschrieben, woflir ich ebenfalls danke. Dem Vieweg-Verlag bin ich dankbar flir die jederzeit vorztigliche Zusammenarbeit. Siegen, im Oktober 1982

Erwin Bohmer

Vorwort zur dritten Auflage In der drit1en Auflage erscheint das Buch mit einem zusatzlichen 21. Kapitel tiber ausgewahite integrierte Bausteine. Die Auswahl beschrankt sich auf einige in der Praxis bewahrte Bausteine, die als Massenfabrikate jedem Anwender preisgtinstig zur Verfligung stehen. Sie werden vorgestellt und beschrieben mit typischen Anwendungen. Beim Erarbeiten des Materials hat mich Herr Dipl.-Ing. H. Otto unterstiitzt, und Herr Dipl.-Ing. E. Lacherbach half beim Korrekturlesen, woflir ich mich bedanke. Frau Andrea Winkel danke ich wieder flir das Schreiben der Texte und dem Verlag Vieweg flir die jederzeit problemlose Zusammenarbeit. Siegen, im April 1984

Erwin Bohmer

Vorwort zur vierten Auflage Die vierte Auflage des Buches erscheint mit einem auf den Anhang folgenden Katalogteil, in dem tabellarisch die wesentlichen Eigenschaften zahlreicher Bauelemente dargestellt werden. Die miihevolle Schreibarbeit dazu hat wieder Frau Andrea Winkel-Arndt tibernommen, die Zeichnungen fertigte Herr Aribert Btingers an. Siegen, im Mai 1986

Erwin Bohmer

Vorwort zur funften Auflage Zur flinften Auflage wurde der die Digitaltechnik betreffende Teil des Buches tiberarbeitet und der Bauteile-Katalog entsprechend erganzt. Dabei hat mich Herr Dr.- Ing. E. Lbcherbach untersttitzt, der seine reiche praktische Erfahrung auf diesem Gebiet mit in die Neufassung einbrachte. Dafiir bedanke ich mich. Siegen, im Mai 1987 IV

Erwin Bohmer

Inhaltsverzeichnis Einflihrung 1 Elektrische Leitung und Widerstande 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

Elektrische Leitungen, Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische Widerstande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Obliche Bauformen der Widerstande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stellbare Widerstande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Widerstandsnetzwerke, passive und aktive Zweipole

2 4 6 8 10

2 Homogene Halbleiterbauelemente 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8

Grundbegriffe der Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heimeiter und meBtechnische Anwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . AnlaBheimeiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Keramische Kaltleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Varistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Feldplatten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fotowiderstande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hallgeneratoren

. . . . . . .

12 14 16 18 20 22 24 26

Grundlagen der Halbleiterdiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Silizium-Leistungsdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dioden in Gleichrichterschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fotodioden und Fotoelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Z-Dioden (Zenerdioden) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28 30 32 34 36

3 Halbleiterdioden 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5

4 Hochvakuum- und Gasdioden 4.1 4.2

Hochvakuumdioden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Gasdioden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

38 40

5 Anzeige- und Lichtleitsysteme 5.1 5.2 5.3 5.4

Oszilloskop- und Bildrohren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . " Gasentladungs- und Fluoreszenzanzeigen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . LED- und LCD-Anzeigen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Lichtleiter und Bildleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

42 44 46 48

6 Kondensatoren 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7

Kondensatoren, Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Laden und Entladen eines Kondensators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauformen von Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . RC-Obertragungsglieder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . " Impulslibertragung durch RC-Glieder " . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Spannungsglattung mit Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Siebschaltungen flir Gleichrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

50 52 54 56 58 60 62

7 Spulen und Schwingkreise 7.1 7.2 7.3

Spulen, Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . SpulenkenngroBen und Schaltvorgange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Drosselspulen mit Eisenkern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

64 66 68

v

7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9

Ferritkemspulen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Spulen fUr hOhere Frequenzen ........................... Schwingkreise. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Schwingquarze. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Einfache Resonanzschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Schwingkreise mit Anzapfungen ..........................

70 72 74 76 78 80

8 Transformatoren und Obertrager 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5

Induktiv gekoppelte Spulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transformatoren als Obertrager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau und Berechnung von Obertragem . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Impulsiibertrager. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Netztransformatoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

82 84 86 88 90

Elektromagnetische Relais, Arten und Wirkungsweise ............ Betriebseigenschaften von Relais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Kontaktmaterial, Kontaktbeanspruchung und Kontaktschutz . . . . . .. Relais-Kondensator-Schaltungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

92 94 96 98

9 Relais 9.1 9.2 9.3 9.4

10 Verstarker- und Fotorohren 10.1 10.2 10.3 10.4

Hochvakuumtrioden, Katodenbasisverstiirker ................. Kleinsignaltheorie des Katodenbasisverstarkers ................ Tetroden und Pentoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fotozellen und Fotovervie1facher

100 102 104 106

11 Feldeffekt-Transistoren 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8 11.9 11.10 11.11 11.12

Aufbau und Wirkungsweise des Sperrschicht-Fe1deffekt-Transistors Fe1deffekttransistoren, Gro/!'- und Kleinsignalbetrieb ........... Fe1deffekttransistoren in Konstantstromschaltungen ........... Sourceschaltung, Grund1agen ........................... Analyse eines Kleinsignalverstarkers in Sourceschaltung ......... Drainschaltung (Sourcefo1ger) .......................... Gateschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fe1deffekttransistoren mit isolierter Gate-E1ektrode ............ MOSFET-Tetroden (Doppelgate-MOSFETs) ................. Integrierte MOS-Schaltungen ........................... Analogschalter und -multiplexer ......................... Grenzwerte und Kennwerte von Fe1deffekttransistoren ..........

108

110 112 114 116

. . . . . . . . . . .

128 130

Aufbau und Wirkungsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . GroBsignalverhalten des Bipolar-Transistors .................. Emitterschaltung als Kleinsignalverstarker ................... Hochfrequenzverhalten der Emitterschaltung ........ '. . . . . . . .. h-Parameter und y-Parameter ............................ Temperaturabhaugigkeit und Reststromverhalten .............. '. Schaltverhalten des Bipolar-Transistors ..................... G1eichstromverhalten im aktiven Betrieb .................... Kleinsignalverstarker mit Parallelgegenkopplung ............... Emitterschaltung mit Reihengegenkopplung ..................

132 134 136 138 140 142 144 146 148 150

118 120 122 124

126

12 Bipolare Transistoren 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 12.7 12.8 12.9 12.10

VI

12.11 12.12 12.13 12.14

Kollektorschaltung (Emitterfolger) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Basisschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Transistorverbundschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DifferenzversHirker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

152 154 156 158

13 Operationsverstarker 13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 13.6 13.7 13.8 13.9 13.1 0 13.11 13.12

Grundbegriffe des Operationsverstarkers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Komparatoren mit Operationsverstarkem .................... Operationsverstarker als invertierender Verstarker .............. Operationsverstarker als nichtinvertierender Verstarker . . . . . . . . . .. Addier- und Subtrahierschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stabilitat und Dynamik von Operationsverstarkem . . . . . . . . . . . . .. Differenzierschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Integrierschaltungen.................................. Aktive RC-Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Me~gleichrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Steuerbare Stromquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Spannungsquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

160 162 164 166 168 170 172 174 176 178 180 182

14 Sinusoszillatoren 14.1 14.2 14.3

Wien-Briicken Oszillator LC-Oszillator mit zweistufigem Verstarker LC-Oszillatoren mit einstufigem Verstarker

184 186 188

15 Kippschaltungen 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6 15.7 15.8 15.9

Kippschaltungen mit Operationsverstarkern (I) . . . . . . . . . . . . . . . .. Kippschaltungen mit Operationsverstarkern (II) . . . . . . . . . . . . . . .. Triggerschaltungen mit diskreten Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . .. Symmetrische bistabile Kippschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Monostabile und astabile Multivibratoren mit diskreten Transistoren. .. Integrierte monostabile/astabile Kippschaltung (TIMER-IC 555) . . . .. Schaltwandler....................................... Kippschaltungen mit Unijunction-Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . ..

190 192 194 196 198 200 202 204 Vierschichtelemente (Thyristoren) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

16 Digitale Verknupfungs- und Speicherschaltungen 16.1 16.2 16.3 16.4 16.5 16.6 16.7 16.8 16.9 16.10 16.11 16.12 16.13 16.14 16.15 16.16

Diodengatterschaltungen............................... Emitterschaltung als Inverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . NOR- und NAND-Gatter in DTL-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Grundschaltungen der TTL-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schnelle logische Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CMOS-Logikschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kippschaltungen mit NOR- und NAND-Gattern ............... . Einfache Flip-Flops mit Taktsteuerung ..................... . Master-Slave-Flip-Flops (MS-Flip-Flops) .................... . Register . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Frequenzteiler (Untersetzer) und Zahlschaltungen ............. . Zahler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vergleicher (Komparatoren) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Multiplexer und Demultiplexer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . _ . . Schreib-Lese-Speicher (RAMs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ROMs, PROMs und EPROMs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

208 210 212 214 216 218 220 222 224 226 228 230 232 234 236 238

VII

17 DA- und AD-Umsetzer 17.1 17.2 17.3

DA-Umsetzer (DAU) ................................. 240 Drei Konzepte fUr die Analog-Digital-Umsetzung ............... 242 Indirekte Verfahren zur Analog-Digital-Umsetzung . . . . . . . . . . . . .. 244

18 Optosensoren und Optokoppler 18.1 18.2 18.3 18.4

Fototransistoren .................................... Lichtschranken und Optokoppler ......................... Analoge Signaliibertragung mit Optokopplem ................. Faseroptische Obertragungsmittel .........................

246 248 250 252

19 Leistungstransistoren und Leistungsschaltungen 19.1 19.2 19.3 19.4 19.5 19.6 19.7 19.8 19.9 19.10

Verlustleistung und Wiirmeableitung ....................... Sicheres Schalten mit Transistoren ........................ Dimensionierung eines Transistor-Leistungsschalters .. . . . . . . . . . .. Darlington-Leistungstransistoren als Schalter und Steller .......... Leistungs-MOSFETs.................................. Spannungsquellen mit Leistungstransistoren .................. Spannungsquellen mit integrierten Spannungsreglem ............ Schaltsteller und Schaltregler ............................ Gegentakt-Leistungsverstiirker, Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . .. NF-Leistungsverstiirker ................................

254 256 258 260 262 264 266 268 270 272

20 Thyristoren und Triacs 20.1 20.2 20.3 20.4 20.5 20.6 20.7

Leistungsthyristoren, Grundbegriffe und Funktionsweise ......... Ansteuerschaltungen fliI Thyristoren ....................... Wechselstromsteller mit Thyristoren ....................... Dynarnische Vorgiinge und Schutzbeschaltung . . . . . . . . . . . . . . . .. Triac, Grundbegriffe und Anwendungsbeispiel . . . . . . . . . . . . . . . .. Triacs als Stell- und Regelelemente ........................ Halbleiterrelais fUr Wechselstrornlast .......................

274 276 278 280 282 284 286

21 Ausgewahlte integrierte Bausteine 21.1 21.2 21.3 21.4 21.5 21.6 21.7 21.8 21.9

Operationsverstiirker 861 (761) und 741 als Standard-Verstiitker Bausteine 1458 und 348 als mehrfache 741er-Verstiirker .. . . . . . . .. Baustein LM 324 als vierfacher "Single-Supply"-Verstiirker ........ Fensterdiskriminator TCA 965 als vielseitiger Schwellwertschalter ... Pulsbreitenmodulator 3524 als Schaltsteller und Schaltregler ....... Timer/Counter 2240 als universeller Multivibrator .............. Funktionsgenerator 8038 als Rechteck-Dreieck- und Sinusoszillator .. Operationsverstiirker LM 318 als schneller Puffer ............... Taktstabilisierter Operationsverstiirker ICL 7650 als Priizisionsverstiirker .................................. 21.10 Analogmultiplizierer ICL 8013 als vielseitiger Rechenbaustein ...... 21.11 Transistor-Array CA 3096 als Funktionsgeber .................

Formelzeichen ........................................... Anhang (Tabellen, Diagramme, Formeln) ....................... Bauteile-Katalog Literaturverzeichnis Quellenverzeichn is Sachwortverzeichnis VIII

288 290 292 294 296 298 300 302 304 306 308 310

311 327 382 388 389