Taschenbuch der Elektrotechnik und Elektronik von Studiendirektor Helmut Lindner f Dr. Harry Brauer f und Prof. Dr. Constans Lehmann unter Mitarbeit von

Univ.-Prof. Dr. Harald Lindner Prof. Dr. Hartmut Lindner Prof. Dr. Wolfgang Reinhold

8., neu bearbeitete Auflage Mit 641 Bildern und 108 Tabellen

f^ IU

Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag

Inhaltsverzeichnis 1 1.1

1.2

1.3

1.4

2 2.1

Gleichstrom Grundgrößen und Grundbegriffe 1.1.1 Elektrische Ladung 1.1.2 Elektrischer Strom 1.1.3 Elektrische Spannung und Potenzial 1.1.4 Elektrischer Widerstand 1.1.5 Ohm'sches Gesetz 1.1.6 Elektrische Arbeit und Leistung Zusammengesetzte Widerstände 1.2.1 Reihenschaltung von Widerständen und Spannungsteilung . . . . 1.2.2 Parallelschaltung von Widerständen und Stromteilung 1.2.3 Gemischte Schaltung von Widerständen 1.2.4 Dreieck-Stern-Umwandlung Stromkreise und Netzwerke 1.3.1 Grundstromkreis 1.3.1.1 Darstellung mit Spannungsquelle 1.3.1.2 Darstellung mit Stromquelle 1.3.1.3 Wirkungsgrad im Grundstromkreis 1.3.1.4 Leistungsanpassung 1.3.2 Kirchhoff'sche Regeln 1.3.3 Berechnung von Netzwerken 1.3.3.1 Knotenpunkt- und Maschensatz 1.3.3.2 Überlagerungssatz 1.3.3.3 Zweipoltheorie 1.3.3.4 Maschenstromverfahren 1.3.3.5 Knotenspannungsverfahren 1.3.4 Belasteter Spannungsteiler Messung der elektrischen Grundgrößen 1.4.1 Messung von Spannung und Strom 1.4.2 Messung des Widerstandes 1.4.2.1 Direkte Messung 1.4.2.2 Wheatstone-Brücke 1.4.2.3 Thomson-Brücke 1.4.3 Messung der Leistung

21 21 21 21 22 24 27 28 30 30 30 31 32 33 33 33 34 35 35 36 37 37 39 40 41 41 42 43 43 45 45 46 46 47

Elektrische und magnetische Felder Elektrostatisches Feld 2.1.1 Elektrische Feldstärke 2.1.2 Influenz 2.1.3 Verschiebungsdichte und Verschiebungsfluss 2.1.4 Dielektrikum 2.1.5 Kondensatoren 2.1.5.1 Kapazität 2.1.5.2 Schaltung von Kondensatoren

49 49 49 50 50 51 52 52 52

8

2.2

2.3

2.4

Inhaltsverzeichnis 2.1.5.3 Berechnung der Kapazität von Kondensatoren 2.1.5.4 Geschichtetes Dielektrikum 2.1.5.5 Ladung und Entladung von Kondensatoren 2.1.6 Kräfte im elektrischen Feld 2.1.7 Energie im elektrischen Feld 2.1.8 Piezoelektrischer Effekt 2.1.9 Thermoelektrischer Effekt 2.1.10 Lichtelektrischer Effekt Stationäres elektrisches Strömungsfeld 2.2.1 Strömungsfeld 2.2.2 Stromdichte 2.2.3 Stromdichte und Feldstärke 2.2.4 Feldstärke und Potenzial Magnetisches Feld 2.3.1 Magnetische Feldstärke 2.3.1.1 Durchflutungssatz 2.3.1.2 Gesetz von Biot-Savart 2.3.2 Magnetische Flussdichte 2.3.3 Magnetischer Fluss und Streuung 2.3.4 Permeabilität 2.3.5 Magnetismus des Eisens 2.3.6 Arten magnetischer Werkstoffe 2.3.7 Ohm'sches Gesetz des magnetischen Kreises 2.3.8 Eisengefüllte magnetische Kreise 2.3.8.1 Unverzweigter magnetischer Kreis ohne Luftspalt . . . 2.3.8.2 Zusammengesetzter magnetischer Kreis 2.3.8.3 Scherung der Magnetisierungskurve 2.3.8.4 Flussdichte bei gegebener Durchflutung 2.3.8.5 Verzweigter magnetischer Kreis 2.3.9 Induktionsgesetz 2.3.9.1 Ruhende Spule und zeitlich veränderliches Magnetfeld 2.3.9.2 Ruhendes Magnetfeld und bewegter gerader Leiter . . 2.3.9.3 Lenz'sche Regel 2.3.9.4 Prinzip des Gleichstromgenerators 2.3.9.5 Wirbelströme 2.3.9.6 Skineffekt 2.3.10 Selbstinduktion 2.3.11 Gegeninduktivität und induktive Kopplung Kräfte und Energie im Magnetfeld 2.4.1 Kraft auf eine bewegte elektrische Ladung 2.4.2 Kraft auf geradlinige Stromleiter 2.4.3 Kraft zwischen zwei parallelen Stromleitern 2.4.4 Prinzip des Gleichstrommotors 2.4.5 Energie des magnetischen Feldes 2.4.5.1 Energie bei konstanter Permeabilität 2.4.5.2 Energie im eisengefüllten Kreis 2.4.5.3 Hysteresisarbeit

54 54 55 57 59 59 61 61 62 62 63 64 65 66 66 67 69 70 71 72 73 74 76 77 78 79 80 81 81 82 82 83 84 84 85 86 87 90 91 91 91 92 93 94 94 94 95

Inhaltsverzeichnis

2.4.6 2.4.7 2.4.8 3 3.1

3.2

3.3

3.4

3.5

4 4.1

2.4.5.4 Zugkraft von Magneten 2.4.5.5 Supraleitende Magnete Schaltvorgänge mit Induktivitäten Hall-Effekt Elektromagnetische Verträglichkeit

9 96 96 97 99 101

Wechselstrom 102 Grundgrößen und Grundbegriffe 102 3.1.1 Vorteile des Wechselstroms gegenüber Gleichstrom 102 3.1.2 Kenngrößen sinusförmiger Wechselgrößen 102 3.1.3 Zeiger- und Liniendiagramm 103 3.1.4 Addition phasenverschobener Wechselgrößen gleicher Frequenz 104 3.1.5 Mittelwerte sinusförmiger Wechselgrößen 105 3.1.6 Scheitel- und Formfaktor 107 Widerstände im Wechselstromkreis 109 3.2.1 Wirkwiderstand 109 3.2.2 Induktiver Widerstand 109 3.2.3 Kapazitiver Widerstand 110 Komplexe Wechselgrößen 112 3.3.1 Grundlagen 112 3.3.2 Arithmetik 113 Schaltungen von Widerständen im Wechselstromkreis 113 3.4.1 Reihenschaltungen 113 3.4.2 Parallelschaltungen 116 3.4.3 Darstellung komplexer Größen in Wechselstromkreisen 118 3.4.4 Umwandlung von Schaltungen 120 Leistung und Arbeit im Wechselstromkreis 122 3.5.1 Augenblicksleistung 122 3.5.2 Mittlere Leistung 124 3.5.3 Leistungsfaktor 126 3.5.4 Wirk-, Blind- und Gesamtstrom 127 3.5.5 Verbesserung des Leistungsfaktors 128 3.5.6 Leistung in komplexer Schreibweise 129 3.5.7 Messung der Wechselstromleistung 129 3.5.7.1 Messung der Wirkleistung 129 3.5.7.2 Messung der Blindleistung 130 3.5.7.3 Messung der Wirkarbeit 131 3.5.7.4 Kombinierte Messung von Wirk-und Blindleistung ..132 Besondere Wechselstromkreise Zusammengesetzte Schaltungen 4.1.1 Komplexer Spannungs- und Stromteiler 4.1.2 Gemischte Schaltungen 4.1.2.1 Parallelschaltung mit komplexen Widerständen 4.1.2.2 Wechselstromparadoxon 4.1.2.3 90°-Schaltung nach Hummel 4.1.2.4 RC-Kombination mit Phasendrehung um 90° 4.1.2.5 RC-Kombination mit Phasendrehung um 180°

134 134 134 136 136 136 137 138 139

10 4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

Inhaltsverzeichnis Frequenzverhalten von Wechselstromkreisen 140 4.2.1 Verluste in Wechselstromkreisen 140 4.2.1.1 Verlustwinkel einer Spule 140 4.2.1.2 Verlustwinkel eines Kondensators 141 4.2.2 Reihenresonanz 142 4.2.2.1 Grundvorgang 142 4.2.2.2 Besonderheiten bei Reihenresonanz 144 4.2.2.3 Verluste bei Reihenresonanz 144 4.2.2.4 Normierte Darstellung 145 4.2.3 Parallelresonanz 146 4.2.3.1 Grundvorgang 146 4.2.3.2 Besonderheiten bei Parallelresonanz 147 4.2.3.3 Verluste bei Parallelresonanz 148 4.2.4 Übertragungsfunktion von Vierpolen 149 4.2.5 Filter 150 4.2.5.1 ÄC-Glied als Hochpass 150 4.2.5.2 ÄC-Glied als Tiefpass 151 4.2.5.3 RC-Kombination als Bandpass 152 Spule mit Eisen 154 4.3.1 Eisenverluste 154 4.3.2 Kupferverluste 156 4.3.3 Induktiver Spannungsabfall 156 4.3.4 Ersatzschaltbild der Spule mit Eisenkern 157 4.3.5 Drosselspule mit Gleichstrom-Vormagnetisierung 158 Transformator 159 4.4.1 Arten der Transformatoren 159 4.4.2 Idealer Transformator 160 4.4.3 Realer belasteter Transformator 161 4.4.4 Grundgleichungen des Transformators in komplexer Form . . . . 162 4.4.5 T-Ersatzschaltung des Transformators 162 4.4.6 Reduzierte Ersatzschaltung 163 4.4.7 Vereinfachtes Zeigerdiagramm des Starkstromtransformators . . 1 6 4 4.4.8 Kapp-Diagramm 165 4.4.9 Verluste und Wirkungsgrad des Transformators 166 4.4.10 Spartransformator 167 Dreiphasenstrom 168 4.5.1 Erzeugung des Dreiphasenstromes 168 4.5.2 Arten der Verkettung 169 4.5.2.1 Sternschaltung 169 4.5.2.2 Dreieckschaltung 170 4.5.3 Leistung des Drehstromes 171 4.5.4 Drehstromtransformator 172 4.5.4.1 Aufbau 172 4.5.4.2 Schaltungsarten 173 Inversion komplexer Wechselgrößen 174 4.6.1 Inversion eines einzelnen Zeigers 174 4.6.2 Wahl des Maßstabs 176

Inhaltsverzeichnis 4.6.3

4.7

5 5.1

5.2

Inversion von Punkten, Geraden und Kreisen 4.6.3.1 Punkt 4.6.3.2 Geraden, durch den Nullpunkt laufend 4.6.3.3 Geraden, parallel zu einer Achse und nicht durch den Nullpunkt laufend 4.6.3.4 Geraden, nicht achsenparallel und nicht durch den Nullpunkt laufend 4.6.3.5 Kreis, nicht durch den Nullpunkt laufend Ortskurven 4.7.1 Definition 4.7.2 Maßstäbe und Maßteilungen 4.7.3 Ortskurven von Grundschaltungen 4.7.3.1 L in Reihe mit veränderlichem R 4.7.3.2 R und L in Reihe bei variabler Frequenz 4.7.3.3 Reihenresonanz bei veränderlicher Frequenz 4.7.3.4 Normierte Darstellung der Reihenresonanz 4.7.3.5 R und L parallel bei variabler Frequenz 4.7.4 Ortskurven gemischter Schaltungen 4.7.4.1 Addition eines konstanten Widerstandes 4.7.4.2 Nullpunktverschiebung der Ortskurve einer gemischten Schaltung 4.7.5 Konstruktion von Ortskurven mittels Wertetabelle

11 176 176 176 177 178 179 180 180 180 181 181 182 184 184 186 186 187 188 189

Signale und Systeme 192 Signale 192 5.1.1 Begriffsbestimmung und Übersicht 192 5.1.2 Periodische Signale mit konstanter Amplitude 192 5.1.2.1 Merkmale 192 5.1.2.2 Fourier-Reihen 194 5.1.3 Nichtperiodische Signale mit zweiseitiger Begrenzung 199 5.1.3.1 Merkmale 199 5.1.3.2 Fourier-Transformation 200 5.1.4 Nichtperiodische Signale mit einseitiger Begrenzung 204 5.1.4.1 Merkmale 204 5.1.4.2 Laplace-Transformation 205 Systeme 207 5.2.1 Begriffsbestimmung 207 5.2.2 Lineare, zeitinvariante Systeme (LTI-Systeme) 208 5.2.2.1 Systemreaktionen (Impulsantwort, Sprungantwort) ..208 5.2.2.2 Berechnung von Einschaltvorgängen mit der LaplaceTransformation 209 5.2.2.3 Allgemeine Form der komplexen Übertragungsfunktion 210 5.2.2.4 Pol-Nullstellen-Plan 211 5.2.2.5 Amplituden- und Phasen-Frequenzgang 212 5.2.3 Abtastsysteme 214 5.2.3.1 Bedeutung der Abtastung für die digitale Signalverarbeitung 214 5.2.3.2 Ideale Abtastung 214

12

5.3

6 6.1 6.2

6.3 6.4

6.5

6.6

6.7

6.8

6.9

Inhaltsverzeichnis 5.2.3.3 Abtasttheorem 5.2.3.4 Bandbegrenzung Elemente der digitalen Signalverarbeitung 5.3.1 Diskrete Signale 5.3.2 Zeitdiskrete Systeme 5.3.3 z-Transformation 5.3.4 Zusammenfassendes Beispiel

216 216 218 218 219 222 224

Bauelemente der Elektronik Begriffsbestimmung und Übersicht Leiterplatten 6.2.1 Halbzeuge 6.2.2 Entwurf und Herstellung von Leiterplatten 6.2.3 Leiterplatten-Montagetechniken Die internationalen E-Reihen Widerstände 6.4.1 Der Widerstand als Bauelement 6.4.2 Festwiderstände 6.4.3 Einstellwiderstände Kondensatoren 6.5.1 Kenngrößen 6.5.2 Technische Kondensatoren 6.5.3 Kondensatoren mit veränderbarer Kapzität Spulen 6.6.1 Kenngrößen 6.6.2 Technische Spulen Physikalische Grundlagen der Halbleiter 6.7.1 Reine Halbleiter 6.7.2 Dotierte Halbleiter 6.7.3 pn-Übergänge 6.7.3.1 Wirkprinzip 6.7.3.2 Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-Übergangs 6.7.3.3 Kleinsignalverhalten des pn-Übergangs 6.7.3.4 Schaltverhalten des pn-Übergangs 6.7.3.5 Thermisches Verhalten des pn-Übergangs 6.7.3.6 Herstellungsverfahren für pn-Übergänge Halbleiterdioden 6.8.1 Gleichrichter- und Schaltdioden 6.8.2 PIN- und PSN-Dioden 6.8.3 Schottky-Dioden 6.8.4 Heterodioden 6.8.5 Z-Dioden 6.8.6 Tunneldioden 6.8.7 Backwarddioden 6.8.8 Kapazitätsdioden 6.8.9 Spezielle Diodenarten Bipolare Transistoren 6.9.1 Aufbau und Wirkprinzip 6.9.2 Grundschaltungen des Transistors

228 228 228 228 230 232 233 234 234 235 237 237 237 238 239 240 240 240 241 241 243 244 244 246 248 248 249 250 251 251 252 253 254 255 257 258 259 259 260 260 264

Inhaltsverzeichnis 6.9.3

13

Strom-Spannungs-Kennlinie des Transistors 264 6.9.3.1 Kennlinienfelder in Emitterschaltung 264 6.9.3.2 Arbeitspunkteinstellung 266 6.9.3.3 Übersteuerungsgrenze und Sättigungsspannung . . . . 267 6.9.4 Kleinsignalverhalten des Transistors 268 6.9.5 Transistorkennwerte und -grenzwerte 271 6.9.5.1 Stromverstärkungsgruppen 271 6.9.5.2 Restströme des Transistors 271 6.9.5.3 Temperaturabhängigkeit der Kennwerte 271 6.9.6 Anwendungen bipolarer Transistoren 273 6.9.6.1 Elektronischer Schalter 273 6.9.6.2 Kleinsignalverstärker 276 6.10 Feldeffekttransistoren (FET) 278 6.10.1 Übersicht 278 6.10.2 Strom-Spannungs-Kennlinie 281 6.10.3 Kleinsignalverhalten 284 6.10.4 Effekte bei integrierten MOSFET 285 6.10.5 Thermisches Verhalten 286 6.10.6 Anwendungen von Feldeffekttransistoren 286 6.10.6.1 FET als elektronischer Schalter 286 6.10.6.2 Steuerbarer Widerstand 288 6.10.6.3 Kleinsignalverstärker 288 6.10.6.4 Konstantstromquellen 289 6.10.6.5 Leistungs-Feldeffekttransistoren 290 6.10.6.6 Spezielle Feldeffekttransistorarten 291 6.11 Thyristorbauelemente 295 6.11.1 Überblick 295 6.11.2 Einrichtungs-Thyristordiode 295 6.11.3 Zweirichtungs-Thyristordiode und Diac 296 6.11.4 Einrichtungs-Thyristortriode 298 6.11.4.1 Technologischer Aufbau 298 6.11.4.2 Wirkungsweise 298 6.11.5 Zweirichtungs-Thyristortriode 300 6.11.6 Anwendungen von Thyristor und Triac 301 6.11.6.1 Leistungsschalter für Wechsel-und Gleichstrom . . . . 3 0 1 6.11.6.2 Elektronische Lastrelais 303 6.11.6.3 Störschutz und Schutzbeschaltung 304 6.11.7 Spezielle Thyristoren 305 6.12 Optoelektronische Bauelemente 305 6.12.1 Übersicht 305 6.12.2 Fotometrische Beziehungen 306 6.12.3 Lichtempfindliche Fotohalbleiter 308 6.12.3.1 Fotowiderstände 308 6.12.3.2 Fotodioden 309 6.12.3.3 Fotoelemente und Solarzellen 310 6.12.3.4 Fototransistoren 312 6.12.3.5 Fotothyristoren 312

14

6.13

6.14

6.15 6.16

7 7.1 7.2

Inhaltsverzeichnis 6.12.4

Lichtemittierende Fotohalbleiter 6.12.4.1 Lumineszenzeffekt in Halbleitern 6.12.4.2 Lumineszenzdioden (LED) 6.12.4.3 LED-Anzeigesysteme (Display-Bauelemente) 6.12.4.4 Halbleiter-Injektionslaser 6.12.5 Optoelektronische Koppelelemente 6.12.6 Feldeffekt-Anzeigeelemente Halbleitersensoren 6.13.1 Temperatursensoren 6.13.1.1 Heißleiter 6.13.1.2 Kaltleiter 6.13.1.3 Thermoelemente 6.13.2 Drucksensoren 6.13.2.1 Piezoresistive Wandler 6.13.2.2 Piezoelektrische Wandler 6.13.3 Magnetfeldsensoren 6.13.3.1 Feldplatten 6.13.3.2 Hall-Generatoren 6.13.3.3 Reed-Kontakte 6.13.4 Feuchtesensoren 6.13.5 Gassensoren 6.13.6 Fotosensoren 6.13.7 Auswerteprinzipien und Messschaltungen für Sensoren Integrierte Schaltungen 6.14.1 Übersicht 6.14.2 Filmschaltkreise 6.14.3 Festkörperschaltkreise 6.14.3.1 Grundlagen 6.14.3.2 Herstellungszyklen 6.14.3.3 Schalfkreistechnologien 6.14.3.4 Schaltkreisentwurf 6.14.4 Schaltkreisgehäuse Kühlung von Halbleiterbauelementen Rauschen elektronischer Bauelemente 6.16.1 Grundbeziehungen und Widerstandsrauschen 6.16.2 Äquivalenter Rauschwiderstand 6.16.3 Rauschzahl und Rauschmaß 6.16.4 Rauschen von Feldeffekttransistoren 6.16.5 Rauschen bipolarer Transistoren

312 312 313 314 314 315 315 316 316 316 318 319 321 321 322 322 322 323 324 325 326 327 327 328 328 329 330 330 330 331 335 336 337 339 339 340 340 340 341

Analoge Schaltungen Begriffsbestimmung und Übersicht Analysemethoden 7.2.1 Vierpolanalyse (Zweitoranalyse) 7.2.1.1 Systematik 7.2.1.2 Beschreibungsformen 7.2.1.3 Zusammenschaltung 7.2.1.4 Widerstände und Übertragungsfaktoren 7.2.1.5 Wellenbezogene Parameter

343 343 345 345 346 347 350 352 354

Inhaltsverzeichnis

7.3

7.4

7.5

7.6

15

7.2.2 Knotenspannungsanalyse 356 7.2.3 Computergestützte Netzwerk-Analysen 358 Aktive Grundschaltungen 360 7.3.1 Begriffsbestimmung und Übersicht 360 7.3.2 Hinweise zu Grundschaltungen mit Transistoren 361 7.3.3 Schaltungen mit Gegenkopplung 363 7.3.3.1 Begriff der Rückkopplung 363 7.3.3.2 Gegenkopplungsmodelle 364 7.3.3.3 Einfluss der Gegenkopplung auf die dynamischen Eigenschaften 366 7.3.3.4 Bipolare Transistorstufen mit Gegenkopplung 367 7.3.3.5 Weitere Gegenkopplungseffekte 368 7.3.4 Kopplungsarten bei mehrstufigen Verstärkern 369 7.3.4.1 RC-Kopplung 369 7.3.4.2 Direkte Kopplung 371 7.3.5 Differenzverstärker 373 7.3.5.1 Grundschaltung mit Bipolartransistoren 373 7.3.5.2 Differenzverstärker mit Stromspiegel 375 7.3.6 Transistorenendstufen 377 7.3.6.1 Begriffsbestimmung und Übersicht 377 7.3.6.2 Emitterfolger im Eintakt-/4-Betrieb 378 7.3.6.3 Emitterfolger im Gegentakt-ß-Betrieb 380 7.3.6.4 Emitterfolger im Gegentakt-AB-Betrieb 381 Operationsverstärker 382 7.4.1 Begriffsbestimmung und Übersicht 382 7.4.2 Kenngrößen 384 7.4.2.1 Statische Kenngrößen 384 7.4.2.2 Offset- und Driftkenngrößen 385 7.4.2.3 Dynamische Kenngrößen 386 7.4.2.4 Kompensationsmaßnahmen 387 7.4.3 Grundschaltungen mit Operationsverstärkern 389 7.4.3.1 Verstärkergrundschaltungen 389 7.4.3.2 Verstärkerschaltungen mit speziellen Eigenschaften . . 390 7.4.3.3 Konstantstromquellen 392 7.4.3.4 Analogrechenschaltungen 392 7.4.3.5 Komparatoren 396 Filter 397 7.5.1 Übersicht 397 7.5.2 Aktive RC-Filter 398 7.5.2.1 Tiefpässe 398 7.5.2.2 Hochpässe 401 7.5.2.3 Bandpässe (Selektivfilter) 402 7.5.2.4 Hinweise zu Filtern höherer Ordnung 403 7.5.3 SC-Filter 404 Oszillatoren 405 7.6.1 Begriffsbestimmung und Übersicht 405

16

Inhaltsverzeichnis 7.6.2

7.7

8 8.1 8.2

8.3

8.4

8.5

ÄC-Oszillatoren 7.6.2.1 Wien-Oszillator 7.6.2.2 Wien-Robinson-Oszillator 7.6.3 Quarzoszillatoren 7.6.3.1 Elektrische Eigenschaften des Quarzes 7.6.3.2 Hinweise zu einfachen Oszillatoren Analog/Digital- undDigital/Analog-Umsetzer 7.7.1 Analog/Digital-Umsetzer 7.7.1.1 Parallelverfahren 7.7.1.2 Wägeverfahren 7.7.1.3 Abtast- und Halteschaltung 7.7.1.4 Zählverfahren 7.7.1.5 Hinweise zu weiteren Umsetzverfahren 7.7.2 Digital/Analog-Umsetzer 7.7.2.1 Prinzip der Parallelumsetzung 7.7.2.2 Umsetzverfahren mit R-2ff-Netzwerk 7.7.2.3 Analogschalter Digitale Schaltungen Begriffsbestimmung und Übersicht Grundlagen der Schaltalgebra 8.2.1 Logische Funktionen 8.2.1.1 Logische Grundfunktionen 8.2.1.2 Abgeleitete Logikfunktionen 8.2.2 Rechenregeln 8.2.3 Minimierung mit Karnaugh-Plan Logische Grundschaltungen 8.3.1 Logische Pegel 8.3.2 Integrierte Schaltkreise 8.3.2.1 TTL-Schaltkreise 8.3.2.2 CMOS-Schaltkreise 8.3.2.3 Weitere Standardschaltkreise 8.3.2.4 Anwenderspezifische Schaltkreise (ASIC) Ausgewählte Bausteine für Schaltnetze 8.4.1 Komparatoren 8.4.2 Multiplexer und Demultiplexer 8.4.3 Codeumsetzer 8.4.4 Addierer Elementare Kippschaltungen 8.5.1 Begriffsbestimmung und Übersicht 8.5.2 Bistabile Kippschaltungen (Flipflop) 8.5.2.1 Ungetaktete Flipflop 8.5.2.2 Zustandsgesteuerte Einspeicher-Flipflops 8.5.2.3 Zustandsgesteuerte Zweispeicher-Flipflops 8.5.2.4 Flankengesteuerte Flipflops (edge-triggered bistable) 8.5.3 Schmitt-Trigger 8.5.3.1 Schmitt-Trigger mit Operationsverstärkern 8.5.3.2 Schmitt-Trigger mit digitalen Schaltkreisen

405 406 407 408 408 410 411 412 412 414 415 417 419 420 421 422 423 425 425 427 427 428 429 430 432 433 434 435 435 443 447 447 450 450 452 454 457 461 461 462 462 465 466 . 467 469 469 471

Inhaltsverzeichnis

17

8.5.4

8.6

8.7

8.8

8.9

9 9.1

Monostabile Kippschaltungen 471 8.5.4.1 Monostabile Kippschaltungen mit Logikgattern . . . . 4 7 1 8.5.4.2 Integrierte Monoflop-Bausteine 472 8.5.5 Astabile Kippschaltungen 473 Komplexe Bausteine für digitale Systeme 475 8.6.1 Zähler 475 8.6.1.1 Asynchronzähler aus einzelnen Kippgliedern 476 8.6.1.2 Synchronzähler aus einzelnen Kippgliedern 477 8.6.1.3 Integrierte Zählerbausteine 478 8.6.2 Frequenzteiler 481 8.6.2.1 Asynchrone Frequenzteiler 481 8.6.2.2 Synchrone Frequenzteiler 482 8.6.3 Schieberegister 483 8.6.3.1 Begriffsbestimmung und Überblick 483 8.6.3.2 Schieberegister aus einzelnen Kippgliedern 484 8.6.3.3 Schaltungen mit Schieberegister-Bausteinen 485 Halbleiterspeicher 488 8.7.1 Begriffsbestimmung und Übersicht 488 8.7.2 Schreib-Lese-Speicher (RAM) 491 8.7.2.1 Statische RAM 491 8.7.2.2 Dynamische RAM 494 8.7.3 Festwertspeicher (ROM) 497 8.7.3.1 Programmierbare ROM 497 8.7.3.2 Reprogrammierbare ROM 499 8.7.4 Kombinierte Speicherschaltungen 503 Programmierbare Logikbausteine 505 8.8.1 PAL-Grundstrukturen 506 8.8.2 Reprogrammierbare PLD 508 Ergänzende Informationen 509 8.9.1 Tetradische Codes 509 8.9.2 Nichttetradische Codes 510 8.9.3 Fehlererkennbare Codes 510 8.9.4 Alphanumerische Codes 511 8.9.5 Zahlensysteme (Liste der natürlichen Zahlen 0 ... 20 D) 512 8.9.6 Relative Dualzahlen mit Vorzeichenbit und 4 Betragsbit 513 8.9.7 Abhängigkeitsarten (nach DIN 40900 Teil 12) 514 8.9.8 Schaltkreis-Listen 514 8.9.9 Anschlussbelegungen von EPROM im Dual-Inline-Gehäuse . . .515 8.9.10 V.24-Schnittstelle 516 Stromversorgungsschaltungen Grundfunktionen konventioneller Netzteile 9.1.1 Transformation der Netzwechselspannung 9.1.2 Gleichrichtung 9.1.2.1 Einweggleichrichtung 9.1.2.2 Zweiweggleichrichtung 9.1.2.3 Gleichrichtung mit Spannungsvervielfachung

517 517 518 522 522 523 525

18

Inhaltsverzeichnis 9.1.3

9.2

Glättung und Siebung 9.1.3.1 Glättung mit Ladekondensator 9.1.3.2 Siebung mit frequenzabhängigen Bauelementen Spannungsstabilisierung 9.2.1 Begriffsbestimmung und Überblick 9.2.2 Erzeugung von Referenzspannungen 9.2.2.1 Diskrete Schaltungen mitZ-Dioden 9.2.2.2 Integrierte Referenzspannungsquellen 9.2.3 Stetige Gleichspannungsregelung 9.2.3.1 Grundschaltung aus diskreten Bauelementen 9.2.3.2 Integrierte Regler mit einstellbarer Spannung 9.2.3.3 Integrierte Festspannungsregler 9.2.4 Unstetige Regelung mit Schaltregler 9.2.4.1 Begriffsbestimmung und Übersicht 9.2.4.2 Gleichspannungswandler 9.2.4.3 Wandler für Netzbetrieb 9.2.4.4 Integrierte Ansteuerschaltungen

10 Elektrische Maschinen 10.1 Begriffsbestimmung und Übersicht 10.1.1 Klassifikation 10.1.2 Bauformen 10.1.3 Schutzarten 10.1.4 Erwärmung und Kühlung 10.1.4.1 Erwärmung 10.1.4.2 Kühlung 10.1.5 Betriebsarten 10.1.6 Leistungsschild 10.1.7 Wichtige Vorschriften, Normen und Empfehlungen 10.2 Gleichstrommaschinen 10.2.1 Wirkungsweise 10.2.1.1 Mechanischer Aufbau 10.2.1.2 Drehmomentenbildung und Drehzahl 10.2.1.3 Spannungsinduktion 10.2.2 Klassifikation der Bauarten 10.2.3 Ankerrückwirkung 10.2.4 Betriebsverhalten 10.2.4.1 Fremderregter Gleichstrommotor 10.2.4.2 Gleichstrom-Nebenschlussmotor 10.2.4.3 Gleichstrom-Reihenschlussmotor 10.2.5 Drehzahlstellmöglichkeiten 10.2.5.1 Ankerwiderstand RA 10.2.5.2 Feldschwächung 10.2.5.3 Spannungsänderung 10.2.5.4 Geregelter Gleichstromantrieb 10.2.6 Elektrisches Bremsen 10.2.6.1 Nutzbremsung 10.2.6.2 Widerstandsbremsung 10.2.6.3 Gegenstrombremsung

527 527 ....532 533 533 534 534 536 538 538 539 540 541 541 543 547 552 554 554 554 556 557 558 558 558 559 560 561 561 562 562 563 565 565 567 569 569 570 571 572 572 573 574 574 574 575 576 576

Inhaltsverzeichnis

19

10.3 Asynchronmaschinen 577 10.3.1 Einsatzgebiete 577 10.3.2 Mechanischer Aufbau 578 10.3.3 Wirkungsweise 581 10.3.3.1 Drehfeldbildung 581 10.3.3.2 Leistungsumsatz beim Asynchronmotor 582 10.3.4 Betriebsverhalten der Asynchronmaschine 584 10.3.4.1 Maschinengleichungssystem, Zeigerbild, Ersatzschaltung 584 10.3.4.2 Stromortskurve 586 10.3.4.3 Leistungsfluss 588 10.3.4.4 Drehmoment 589 10.3.5 Drehzahlsteuerung bei Asynchronmaschinen 590 10.3.5.1 Prinzipielle Drehzahlstellmöglichkeiten 590 10.3.5.2 Frequenzsteuerung 590 10.3.5.3 Polumschaltung 593 10.3.5.4 Schlupfsteuerung 594 10.3.6 Anlassen und Bremsen von Asynchronmaschinen 598 10.3.6.1 Anlaufverhalten von Kurzschlussläuferasynchronmaschinen 598 10.3.6.2 Elektrisches Bremsen 601 10.3.7 Einphasenasynchronmaschinen 604 10.3.7.1 Einsatzgebiet 604 10.3.7.2 Einphasenasynchronmotoren ohne Hilfswicklung . . . 604 10.3.7.3 Einphasenasynchronmotor mit Hilfswicklung 607 10.3.7.4 Spaltpolmotoren 608 10.4 Synchronmaschinen 609 10.4.1 Einsatzgebiete 609 10.4.2 Aufbau der Synchronmaschinen 610 10.4.2.1 Hauptbaugruppen der Synchronmaschine 610 10.4.2.2 Erregersysteme 612 10.4.3 Wirkungsweise und Betriebsverhalten 615 10.4.3.1 Spannungsinduktion durch das rotierende Erregerfeld in der Drehstromwicklung des Ständers 615 10.4.3.2 Synchrongenerator mit Vollpolläufer im Inselbetrieb .615 10.4.3.3 Betriebsverhalten der Vollpolmaschine im Netzbetrieb 618 10.4.3.4 Spezifika von Schenkelpolmaschinen 623 10.4.4 Sonderformen von Synchronmaschinen 627 10.4.4.1 Stromrichtergespeiste Synchronmaschinen 627 10.4.4.2 Antrieb mit Elektronik- bzw. Stromrichtermotor (Servoantrieb) 627 10.5 Universalmotoren 632 10.5.1 Einsatzgebiete 632 10.5.2 Mechanischer Aufbau 632 10.5.3 Wirkungsweise, Betriebsverhalten 633 10.5.4 Drehzahlsteuerung, Drehrichtungsumkehr 636 10.6 Schrittmotoren 636 10.6.1 Wirkungsweise 636

20

Inhaltsverzeichnis

10.6.2 Mechanischer Aufbau 10.6.3 Betriebsverhalten 10.6.4 Steuerung 10.6.5 Anwendung 10.7 Linearmotoren 10.7.1 Wirkungsweise 10.7.2 Mechanischer Aufbau 10.7.3 Betriebsverhalten 10.7.4 Anwendung

638 638 641 642 642 643 643 644 645

Abkürzungsverzeichnis zur Elektronik Formelzeichenverzeichnis Literaturverzeichnis Sachwortverzeichnis

646 650 657 667