Taschenbuch der

Elektrotechnik Grundlagen und Elektronik Ralf Kories Heinz Schmidt-Walter

7., erweiterte Auflage

Verlag

Harri Deutsch

ihaltsverzeichnis Gleichstrom Grundgrößen, Grundgesetze 1.1.1 Elektrische Ladung, Elementarladung 1.1.2 Elektrischer Strom 1.1.3 Spannung und Potential 1.1.4 Ohmsches Gesetz 1.1.5 Widerstand und Leitwert 1.1.6 Temperaturabhängigkeit des Widerstandes 1.1.7 Induktivität 1.1.8 Kapazität 1.1.9 Ideale Spannungsquelle 1.1.10 Ideale Stromquelle 1.1.11 Kirchhoffsches Gesetz < 1.1.11.1 1. Kirchhoffscher Satz (Knotenpunktregel) 1.1.11.2 2. Kirchhoffscher Satz (Maschenregel) 1.1.12 Leistung und Energie 1.1.12.1 Energie und Leistung am ohmschen Widerstand 1.1.12.2 Energie in einer Induktivität 1.1.12.3 Energie in der Kapazität 1.1.13 Wirkungsgrad 1.1.14 Leistungsanpassung ; Grundschaltungen 1.2.1 Reale Spannungs- und Stromquellen 1.2.1.1 Reale Spannungsquelle 1.2.1.2 Reale Stromquelle 1.2.1.3 Umrechnung von Spannungs- in Stromquellen und umgekehrt 1.2.2 Reihen- und Parallelschaltung von Bauelementen 1.2.2.1 Reihenschaltung von Widerständen 1.2.2.2 Parallelschaltung von Widerständen 1.2.2.3 Reihenschaltung von Leitwerten 1.2.2.4 Parallelschaltung von Leitwerten 1.2.2.5 Reihenschaltung von Induktivitäten 1.2.2.6 Parallelschaltung von Induktivitäten 1.2.2.7 Reihenschaltung von Kapazitäten 1.2.2.8 Parallelschaltung von Kapazitäten 1.2.3 Stern-Dreieck-Umrechnung 1.2.4 Spannungs- und Stromteilerregel 1.2.4.1 Spannungsteilerregel 1.2.4.2 Stromteilerregel 1.2.4.3 Kapazitive und induktive Teiler 1.2.5 RC- und ÄL-Kombinationen 1.2.5.1 Reihenschaltung von R und C an einer Spannungsquelle 1.2.5.2 Reihenschaltung von R und C an einer Stromquelle 1.2.5.3 Parallelschaltung von R und G an einer Stromquelle 1.2.5.4 Parallelschaltung von R und C an einer Spannungsquelle T.2.5.5 Reihenschaltung von R und L an einer Spannungsquelle

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1 1 1 1 2 3 3 3 4 5 5 6 6 6 7 7 8 9 9 10 11 12 12 12 12 13 14 14 14 15 15 16 16 17 17 18 18 18 19 19 20 21 22 22 23 23

Inhaltsverzeichnis

1.3

1.4 1.5 2 2.1

2.2

1.2.5.6 Reihenschaltung von R und L an einer Stromquelle 1.2.5.7 Parallelschaltung von R und L an einer Spannungsquelle 1.2.5.8 Parallelschaltung von R und L an einer Stromquelle 1.2.6 ÄLC-Kombinationen 1.2.6.1 Reihenschaltung aus R, L, und C Berechnungsverfahren für lineare Netzwerke 1.3.1 Zählpfeile und Vorzeichenregeln 1.3.2 Netzwerkberechnung mit Maschen- und Knotenpunktregel 1.3.3 Überlagerungssatz (Superposition) 1.3.4 Maschenstromanalyse 1.3.5 Knotenpotentialanalyse 1.3.6 Aktive und passive Zweipole 1.3.7 Zweipolverfahren Formelzeichen Weiterführende Literatur Elektrische Felder Elektrostatisches Feld 2.1.1 Coulombsches Gesetz 2.1.2 Definition der elektrischen Feldstärke 2.1.3 Spannung und Potential 2.1.4 Influenz 2.1.5 Verschiebungsdichte (elektrische Erregung) 2.1.6 Dielektrikum 2.1.7 Coulombintegral 2.1.8 Gaußscher Satz der Elektrostatik 2.1.9 Kapazität 2.1.10 Elektrostatisches Feld an Grenzflächen 2 . 1 . 1 1 Übersicht: Felder und Kapazitäten verschiedener geometrischer Anordnungen 2.1.12 Energie im elektrostatischen Feld 2.1.13 Kräfte im elektrostatischen Feld 2.1.13.1 Kraft auf eine Ladung 2.1.13.2 Kraft auf Grenzflächen 2.1.14 Übersicht: Eigenschaften des elektrostatischen Feldes 2.1.15 Zusammenhang der elektrostatischen Feldgrößen Stationäres elektrisches Strömungsfeld 2.2.1 Spannung und Potential 2.2.2 Strom 2.2.3 Elektrische Feldstärke 2.2.4 Stromdichte 2.2.5 Spezifischer Widerstand, spezifischer Leitwert 2.2.6 Widerstand und Leitwert 2.2.7 Kirchhoffsches Gesetz 2.2JA 1. Kirchhoffscher Satz (Knotenpunktregel) 2.2.7.2 2. Kirchhoffscher Satz (Maschenregel) 2.2.8 Das Strömungsfeld an Grenzflächen 2.2.9 Übersicht: Felder und Widerstände verschiedener geometrischer Anordnungen 2.2.10 Leistung und Energie im stationären elektrischen Strömungsfeld 2.2.11 Übersicht: Eigenschaften des stationären elektrischen Strömungsfeldes 2.2.12 Zusammenhang der Größen im stationären elektrischen Strömungsfeld

! 8.4.9 Übersicht: Differenzverstärker mit Feldeffekttransistoren 8.4.10 Der FET als steuerbarer Widerstand

XI

371 372 372 373 373 373 373 374 375 375 376 376 376 376 378 379 .379 380 380 380 380 381 381 381 382 383 383 384 384 385 385 387 387 387 388 388 388 388 389 389 389 389 390 390 391 391 391 392 392 392 392

XII 8.5

8.6

8.7

Inhaltsverzeichnis

Gegenkopplung 8.5.1 Gegenkopplungsallen 8.5.2 Einfluß der Gegenkopplung auf die Ein- und Ausgangsimpedanz.... 8.5.2.1 Ein-und Ausgangsimpedanz der vier Gegenkopplungsarten 8.5.3 Einfluß der Gegenkopplung auf den Frequenzgang 8.5.4 Stabilität gegengekoppelter Systeme Operationsverstärker 8.6.1 Kennwerte des Operationsverstärkers 8.6. .1 Ausgangsaussteuerbereich 8.6. Offsetspannung 8.6. Offsetspannungsdrift 8.6. Gleichtaktaussteuerbereich 8.6. Differenzverstärkung 8.6. Gleichtaktverstärkung 8.6.1.7 Gleichtaktunterdrückung 8.6.1.8 Betriebsspannungsdurchgriff 8.6.1.9 Eingangswiderstand 8.6.1.10 Ausgangswiderstand* 8.6.1.11 Eingangsruhestrom* 8.6.1.12 Verstärkungsbandbreiteprodukt* (Transitfrequenz) 8.6.1.13 Grenzfrequenz 8.6.1.14 Anstiegssteilheit der Ausgangsspannung (Slew Rate) 8.6.1.15 Ersatzschaltbild des Operationsverstärkers 8.6.2 Frequenzgangkorrektur 8.6.3 Komparatoren 8.6.4 Operationsverstärkerschaltungen . 8.6.4.1 Impedanzwandler 8.6.4.2 Nichtinvertierender Verstärker (Elektrometerverstärker) 8.6.4.3 Invertierender Verstärker 8.6.4.4 Addierer 8.6.4.5 Subtrahierer 8.6.4.6 Instrumentenverstärker 8.6.4.7 Spannungsgesteuerte Stromquellen 8.6.4.8 Integrator 8.6.4.9 Differenzierer (Differentiator) 8.6.4.10 Wechselspannungsverstärker mit einer Betriebsspannung 8.6.4.11 Spannungseinsteller mit definierter Änderungsgeschwindigkeit 8.6.4.12 Schmitt-Trigger 8.6.4.13 Dreieck-Rechteck-Generator 8.6.4.14 Multivibrator 8.6.4.15 Sägezahn-Generator 8.6.4.16 Pulsweitenmodulator Aktive Filter 8.7.1 Tiefpässe 8.7.1.1 Theorie der Tiefpässe 8.7.1.2 Berechnung von Tiefpässen 8.7.1.3 Tiefpaß-Schaltungen 8.7.2 Hochpässe 8.7.2.1 Theorie der Hochpässe 8.7.2.2 Hochpaß-Schaltungen

39 39 39 39 39 39 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 41 42 42 42 42 43 43 43

Inhaltsverzeichnis

Bandpässe 8.7.3.1 Bandpässe 2. Ordnung 8.7.3.2 Bandpaß-Schaltung 2. Ordnung 8.7.3.3 Bandpässe 4. und höherer Ordnung 8.7.4 Universalfilter 8.7.5 Filter mit geschalteten Kapazitäten 8 Oszillatoren 8.8.1 RC-Oszillatoren 8.8.1.1 Phasenschieberoszillator 8.8.1.2 Wien-Robinson-Oszillator, Wienbrückenoszillator 8.8.2 LC-Oszillatoren 8.8.2.1 Meißner-Oszillator 8.8.2.2 Hartley-Oszillator (Induktiver Dreipunkt-Oszillator) 8.8.2.3 Colpitts-Oszillator (kapazitiver Dreipunktoszillator) 8.8.3 Quarz-Oszillatoren* 8.8.3.1 Pierce-Oszillator* 8.8.3.2 Quarzoszillator mit TTL-Gattern 8.8.4 Multivibratoren 9 Erwärmung und Kühlung 8.9.1 Zuverlässigkeit und Lebensdauer 8.9.2 Temperaturberechnung 8.9.2.1 Wärmewiderstand* 8.9.2.2 Wärmekapazität 8.9.2.3 Der transiente Wärmewiderstand (Pulswärmewiderstand) 10 Leistungsverstärker 8.10.1 Emitterfolger* 8.10.2 Komplementärer Emitterfolger im B-Betrieb 8.10.3 Komplementärer Emitterfolger im C-Betrieb 8.10.4 Die Betriebsarten im Ausgangskennlinienfeld 8.10.5 Komplementärer Emitterfolger im AB-Betrieb 8.10.5.1 Vorspannungserzeugung für den AB-Betrieb 8.10.5.2 Komplementärer Emitterfolger mit Darlingtontransistoren 8.10.5.3 Strombegrenzung beim komplementären Emitterfolger 8.10.6 Ansteuerung von Leistungsverstärkern 8.10.6.1 Ansteuerung über Differenzverstärker 8.10.6.2 Ansteuerung über Operationsverstärker 8.10.7 Taktverstärker 11 Formelzeichen 8.11.1 Weiterführende Literatur

1

XIII

8.7.3

431 431 432 433 433 434 435 436 436 437 437 437 438 439 439 440 440 441 441 442 443 444 445 446 447 447 451 453 454 454 455 456 457 458 458 459 459 460 462

Digitaltechnik Schaltalgebra (Boolesche Algebra) 9.1.1 Logische Variablen und logische Grundfunktionen 9.1.1.1 Negation 9.1.1.2 UND-Funktion (Konjunktion) 9.1.1.3 ODER-Funktion (Disjunktion) 9.1.2 Logische Funktionen und ihre Symbole 9.1.2.1 Inverter (NOT) 9.1.2.2 UND-Verknüpfung (AND) . :' 9.1.2.3 ODER-Verknüpfung (OR) 9.1.2.4 NAND-Verknüpfung

463 463 463 463 464 464 464 465 465 465 466

XIV

Inhaltsverzeichnis

9.1.2.5 NOR-Verknüpfung 9.1.2.6 EXOR-Verknüpfung (Antivalenz, exklusives O D E R ) 9.1.3 Termumformungen 9.1.3.1 Kommutativ-Gesetze 9.1.3.2 Assoziativ-Gesetze 9.1.3.3 Distributiv-Gesetze 9.1.3.4 Inversions-Gesetze (De Morgansche Regeln) 9.1.4 Übersicht: Termumformungen 9.1.5 Analyse von logischen Schaltungen 9.1.6 Normalformen 9.1.6.1 Disjunktive Normalform 9.1.6.2 Konjunktive Normalform 9.1.7 Systematische Reduktion einer logischen Funktion 9.1.7.1 Karnaugh-Diagramm 9.1.7.2 Das Verfahren nach Quine und McCluskey 9.1.8 Synthese von Schaltnetzen 9.1.8.1 Typisierung auf NAND-Glieder 9.1.8.2 Typisierung auf NOR-Glieder 9.2 Elektronische Realisierung von Schaltfunktionen 9.2.1 Elektrische Kenndaten 9.2.1.1 Pegel 9.2.1.2 Übertragungskennlinie 9.2.1.3 Lastfaktoren 9.2.1.4 Störabstand 9.2.1.5 Verzögerungszeit 9.2.1.6 Anstiegszeiten 9.2.1.7 Verlustleistung . . 9.2.1.8 Mindeststeilheit 9.2.1.9 Integration 9.2.2 Übersicht: Bezeichnungen in Datenblättern 9.2.3 TTL-Familie 9.2.3.1 TTL-Baureihen 9.2.3.2 Grundschaltung von TTL-Gattern 9.2.4 CMOS-Familie 9.2.5 Vergleich TTL vs. CMOS 9.2.5.1 Weitere Logik-Familien 9.2.6 Spezielle Schaltungsvarianten 9.2.6.1 Ausgänge mit offenem Kollektor 9.2.6.2 Phantom U N D / O D E R Verknüpfung 9.2.6.3 Tristate-Ausgänge . . . 9.2.6.4 Schmitt-Trigger-Eingänge 9.3 Schaltnetze, Schaltwerke 9.3.1 Abhängigkeitsnotation 9.3.1.1 Übersicht: Abhängigkeitsnotation 9.3.2 Schaltsymbole für Schaltnetze und Schaltwerke '9.4 Beispiele für Schaltnetze 9.4.1 1-aus-n-Dekoder 9.4.2 Multiplexer und Demultiplexer 9.4.2.1 Typenübersicht 9.5 Flip-Flops 9.5.1 Anwendungen von Flip-Flops

4£ 4£ 4£ 4£ 4t 4t 4t 4t 4' 4' 4' 41 4' 4' 41 41 41 41 41 4i 4i 4f 4? 4i 41 41 4\ 4i 41 4i 41 41 41 41 41 4< 4i. 4< 4< 4\ 4< 4< 4< 4\ 4[ 4< 4< 4< 4* 4< 4