Dipl.-Ing. Peter Zastrow

Rechenbuch der Elektronik \

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für gewerbliche Berufs- und Fachschulen, für die Fort- und Weiterbildung und für das Selbststudium

9., überarbeitete Auflage 2006

Mit 1300 Aufgaben, 320 Bildern und 60 Tabellen

EPV Elektronik-Praktiker-Verlagsgesellschaft mbH Duderstadt

Inhaltsverzeichnis 1. 1.1 1.2 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.2.1 1.3.2.2 1.3.2.3 1.4 1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.5 1.6 1.6.1 1.6.2 1.6.3 1.6.4 1.6.5 1.6.6 1.6.7 1.7 1.7.1 1.7.2 1.7.2.1 1.7.2.2 1.7.2.3 1.7.2.4 1.7.2.5 1.7.2.6 1.7.3 1.7.4

Mathematische Grundlagen Rechenoperationen Rechnen mit Größen Rechnen mit Taschenrechnern Eingabemethoden Rechenbeispiele Umfangreiche Rechnungen Rechnen mit Zehnerpotenzen Kubikwurzelrechnung Gleichungen und Formelumstellung Rechenregeln Klammerregeln Rechenbeispiele Pythagoras Winkelfunktionen Einführung Definitionen der Winkelfunktionen Winkelfunktionswerte Rechnen mit Winkelfunktionen Sinus-und Kosinusfunktion Tangens- und Kotangensfunktionen Bogenmaß Grafische Darstellungen Rechtwinkliges Koordinatensystem Funktionen Lineare Funktion Quadratische Funktion Hyperbelfunktion Weitere Grundfunktionen Empirische Funktionen Parameterdarstellung Achsenteilung im rechtwinkligen Koordinatensystem Polarkoordinatensystem

11 11 12 14 15 15 15 16 16 17 18 19 20 22 23 23 23 24 25 25 26 27 30 30 31 31 32 33 33 35 35 36 38

2. 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.3 2.3.1 2.3.2

Physikalische Grundlagen Bewegung Geschwindigkeit Beschleunigung Freier Fall Drehbewegung Längen-, Flächen-, Körper- und Massenberechnungen Längenberechnung Flächenberechnung Körperberechnung Massenberechnung Kräfte Kraft und Gewichtskraft Addition und Zerlegung von Kräften

41 41 41 42 43 43 45 45 45 47 47 49 49 50

2.4 2.5 2.6 2.7 2.8

Drehmoment Arbeit Energie Leistung Wirkungsgrad

52 54 55 57 58

3. 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.13.1 3.13.2 3.13.3

Elektrotechnische Grundlagen Spannung und Strom Widerstand und Leitwert Stromdichte Ohmsches Gesetz Leistung Arbeit und Wirkungsgrad Parallelschaltung von Widerständen Reihenschaltung von Widerständen Belasteter Spannungsteiler Gemischte Schaltungen Brückenschaltung Klemmen- und Leerlaufspannung Zusammenschaltung von Spannungsquellen Reihenschaltung von Spannungsquellen Parallelschaltung von Spannungsquellen Gruppenschaltung von gleichen Spannungsquellen

59 59 64 67 68 70 71 72 74 76 78 80 81 83 83 83 83

4. 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.6.1 4.6.2

Kondensator Elektrische Feldstärke Elektrische Ladung Kapazitätsberechnung Kondensator an Gleichspannung Kondensator an Wechselspannung Zusammenschaltung von Kondensatoren Parallelschaltung Reihenschaltung

85 85 86 87 88 90 91 91 91

5. 5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.1.5 5.2

Elektromagnetismus Magnetischer Kreis Durchflutung Feldstärke Flußdichte Magnetischer Fluß Magnetischer Kreis mit Luftspalt Magnetische Kraftwirkung

93 93 93 93 94 95 95 98

6. 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.5.1 6.5.2

Spule Induktivität Induktionsgesetz Spule an Gleichspannung Spule an Wechselspannung Zusammenschaltung von Spulen Reihenschaltung Parallelschaltung

99 99 100 102 104 105 105 105

6

7. 7.1 7.1.1 7.1.2 7.1.3 7.1.4 7.1.5 7.2 7.3 7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.3.4 7.3.5 7.4 7.4.1 7.4.2 7.5 7.5.1 7.5.2 7.5.3

Zusammenschaltung von Wirk- und Blindwiderständen RC- und RL-Schaltungen Reihenschaltung Spulenverluste Parallelschaltung Kondensatorverluste Umwandlung einer Reihen- in eine Parallelschaltung und umgekehrt RLC-Schaltungen Schwingkreis Resonanzfrequenz Resonanzwiderstand Schwingkreisgüte Bandbreite Zusammenstellung der wichtigsten Schwingkreisformeln Leistung im Wechselstromkreis Wechselstrom Drehstrom Transformator Transformator ohne Verluste Transformator mit Verlusten Netztransformatorberechnung

106 106 106 108 109 111 112 114 116 116 116 117 118 119 123 123 124 126 126 126 128

8. 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.6.1 8.6.2 8.6.3 8.7 8.8 8.9

Elektrische Messtechnik Messbereichserweiterung Kennwiderstand, Eigenverbrauch Anzeigefehler Digitale Messtechnik Messfehler-Berechnung Messung von Widerständen, Kondensatoren und Spulen Widerstände Kondensatoren Spulen Oszilloskopen-Messtechnik Messung elektrischer Arbeit und Leistung Messungen in elektrischen Anlagen

132 132 134 135 136 137 139 139 140 141 142 144 145

9. 9.1 9.2

Passive Vierpole Frequenzglieder Impulsformerglieder

146 146 148

10. 10.1 10.2 10.3

Wärme Wärmemenge Wärmewiderstand Kühlflächenberechnung

150 150 151 154

11. 11.1 11.1.1 11.1.2 11.1.2.1 11.1.2.2

Halbleiterdioden Gleichrichter- und Schaltdioden Kennwerte Gleichrichtung Gleichrichterschaltungen Brummspannungsberechnung

155 155 155 157 157 159 7

11.1.2.3 11.1.3 11.2 11.3

Siebung Diodenschalter Z-Dioden Kapazitätsdioden

160 162 164 167

12. 12.1 12.2 12.3

Bipolare Transistoren Kennwerte Arbeitspunkteinstellung Transistor-Grundschaltungen

169 169 174 177

13. 13.1 13.1.1 13.1.2 13.2 13.3 13.4

Feldeffekttransistoren Kennwerte Statische Kennwerte Dynamische Kennwerte Grenzwerte Arbeitspunkteinstellung FET-Grundschaltungen

180 180 180 182 183 184 187

14. 14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 14.6

Fotohalbleiter Lichttechnische Grundgrößen Fotowiderstand Fotoelement und Solarzelle Fotodiode und Fototransistor Lumineszenzdiode (LED) Optokoppler

190 190 191 193 194 196 197

15. 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5

Nichtlineare Widerstände NTC-Widerstand PTC-Widerstand Spannungsabhängiger Widerstand Feldplatte Hallgenerator

198 198 199 201 202 203

16. 16.1 16.2 16.3 16.4 16.5

Leistungselektronik Spannungs- und Stromkomponenten Thyristor und Triac Gesteuerte Gleichrichter Phasenanschnittsteuerung Schwingungspaketsteuerung

204 204 206 207 208 210

17. 17.1 17.2 17.3 17.4

Netzgeräte Kennwerte stabilisierter Netzgeräte Spannungsstabilisierte Netzgeräte Stromstabilisierte Netzgeräte Schaltnetzgerät

211 211 213 218 220

18. 18.1 18.1.1 18.1.2 18.2

Verstärker Wechselspannungsverstärker Einstufiger Verstärker Mehrstufiger Verstärker Leistungsverstärker

221 221 221 226 230

8

18.2.1 18.2.2 18.2.3 18.3 18.4 18.5 18.5.1 18.5.2

Eintakt-A-Endstufe Gegentakt-Endstufe Integrierter Leistungsverstärker Gegenkopplung Gleichspannungsverstärker Hf-Verstärker Selektiver Verstärker Anzapfung an Schwingkreisen

230 232 236 238 241 243 243 245

19. 19.1 19.2 19.3 19.4 19.5 19.6 19.7

Operationsverstärker Kennwerte Invertierender Verstärker Nicht invertierender Verstärker Differenzverstärker Summierverstärker Integrierer Differenzierer

248 248 250 253 254 255 257 259

20. 20.1 20.2 20.3

Elektronische Schalter Elektronischer Schalter mit Transistoren Elektronischer Schalter mit TTL-und CMOS-Bausteinen Interface-Schaltungen

261 261 264 266

21. 21.1 21.2 21.2.1 21.2.2 21.3 21.3.1 21.3.2 21.3.3 21.4 21.5 21.5.1 21.5.2

Kippschaltungen Schaltzeiten Astabile Kippstufe Astabile Kippstufe mit Transistoren Astabile Kippstufe mit Operationsverstärker Monostabile Kippstufe Monostabile Kippstufe mit Transistoren Monostabile Kippstufe mit Operationsverstärker Monostabile Kippstufe mit TTL-Baustein Bistabile Kippstufe Schmitt-Trigger Schmitt-Trigger mit Transistoren Schmitt-Trigger mit Operationsverstärker

268 268 269 269 271 273 273 274 274 276 278 278 280

22. 22.1 22.1.1 22.1.2 22.1.3 22.2 22.2.1 22.2.2 22.2.3 22.3 22.3.1 22.3.2 22.3.2.1 22.3.2.2 22.4

Signalgeneratoren Rechteckgeneratoren Rechteckgenerator mit Transistoren Rechteckgenerator mit Operationsverstärker Rechteckgenerator mit monostabilen Kippstufen Sägezahngeneratoren Sägezahngenerator mit Einrichtungs-Thyristordiode Sägezahngenerator mit Unijunction-Transistor Sägezahngenerator mit Operationsverstärker Sinusgeneratoren LC-Generator RC-Generator Phasenschiebergeneratoren Wien-Brückengenerator Funktionsgeneratoren

282 282 282 282 282 284 284 284 285 287 287 288 288 289 291 9

23. 23.1 23.2 22.3 23.4 23.4.1 23.4.2

Logische Schaltungen Allgemeines Analyse logischer Schaltnetze Synthese logischer Schaltnetze Vereinfachung logischer Schaltnetze Vereinfachung mit Hilfe der Schaltalgebra Vereinfachung mit Hilfe von KV-Tafeln

293 293 296 300 304 304 307

24. 24.1 24.1.1 24.1.2 24.1.3 24.1.4 24.2 24.2.1 24.2.2 24.2.3 24.2.4 24.2.5 24.3

Zahlensysteme Aufbau der Zahlensysteme Dezimalsystem Dualsystem Hexadezimalsystem Gegenüberstellung Umwandlung von Zahlen Umwandlung: Dezimal- in Dualzahl Umwandlung: Dual- in Dezimalzahl Umwandlung: Dezimal-in Hexadezimalzahl Umwandlung: Hexadezimal-in Dezimalzahl Umwandlung: Dualzahl in Hexadezimalzahl Rechnen mit Dualzahlen

312 312 312 312 312 313 314 314 314 315 316 316 317

25. 25.1 25.2 25.3 25.4 25.5 25.6

Datenübertragung Elementvorrat und Redundanz Geschwindigkeiten Zeitmultiplexübertragung Fehlerhäufigkeit Modemübertragung Übertragung über Lichtwellenleiter

319 319 320 321 322 323 324

26. 26.1 26.1.1 26.1.2 26.2

Anhang Rechnen mit dem Übertragungsmaß Relativer Pegel Absoluter Pegel Zuverlässigkeiten von Bauelementen und Schaltungen Mathematische Zeichen Griechisches Alphabet Einige wichtige Konstanten Gesetzliche Einheiten Abgeleitete MKSA-Einheiten aus der Elektrotechnik Werkstoffwerte Internationaler Farbcode Internationale und DIN-Normreihe Bezeichnung von Halbleiterbauelemente Magnetisierungskurven Daten und Diagramme von Halbleiterbauelementen

327 327 327 330 331 332 333 333 333 334 335 336 336 337 338 339

Stichwortregister

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