Grundwissen Elektronik

Die Grundlagen für Hobby, Ausbildung und Beruf

Herbert Bernstein, Burkhard Kainka

• Publisher: Franzis Verlag
• Year: 2013
• Print ISBN: 9783645650724
• eBook ISBN: 9783645270403
• Topic: Technology & Engineering
• Subtopic: Electrical Engineering & Telecommunications
• Index: Technology & Engineering

Wer heute einen Einstieg in die Elektronik sucht, hat es nicht leicht. Die zunehmende Komplexität moderner integrierter Schaltungen und die kaum zu überblickende Vielfalt an Fachinformationen verhindern den Blick auf das Wesentliche. Übersichtilche AufteilungWas ist wichtig, was ist weniger wichtig, welche Prinzipien sind grundlegend, welche Berechnungsgrundlagen sind unverzichtbar? Dieses Buch bietet Ihnen die notwendige Orientierung. Es ist in zwei Teile aufgegliedert.*Teil 1: Analogtechnik*Teil 2: MesstechnikFür Profis und AuszubildendeDie zahlreichen Applikationen bieten ein weites Betätigungsfeld im Hobby, zur Fortbildung und als Lösungsansatz für die berufliche Nutzung. Das Buch enthält eine Fülle von Informationen und schlägt eine Brücke zwischen der einfachen Schaltungstechnik mit Einzelhalbleitern und der Anwendung moderner integrierter Schaltungen. Es eignet sich nicht nur zur ersten Einführung in die Grundlagen, sondern auch als Nachschlagewerk für die Praxis. Aus dem InhaltTeil 1: AnalogtechnikGleich- und Wechselstromkreis, Halbleiter, Transistorgrundlagen, Feldeffekttransistoren, Verstärkergrundschaltungen, Kippstufen und Oszillatoren, Operationsverstärker, Hochfrequenzanwendungen, Spannungsstabilisierung und Netzteile, Leistungselektronik, Spannungswandler und Schaltregler, Messtechnik und Sensoren, Signalgeneratoren, passive und aktive Filter, Mischer und Modulatoren Teil 2: MesstechnikMessungen elektrischer Grundgrößen, Universalmessinstrumente, Kapazitätsmessung, Induktivitätsmessung, Wechselstrom-Messbrücken, analoge und digitale Oszilloskope, Auswertung von Messsignalen, digitale Filterung, digitales Speicheroszilloskop, digitale Messgeräte und Bauanleitungen: Digitalvoltmeter, Universalzähler und Frequenzzähler, Präzisionsfunktionsgeneratoren, Ausgangsfunktionen, Frequenzmodulation

Teil 1

Analogtechnik

Vorwort

Die Elektronik ist ein breit gefächertes und in den letzten Jahrzehnten stark angewachsenes Fachgebiet, in dem man als Neuling leicht den Überblick verlieren kann. Besonders schwierig ist es daher, einen geeigneten Einstieg zu finden. Obwohl heute die digitale Elektronik zum Beispiel in der Computertechnik weiter verbreitet ist, finden sich in der analogen Elektronik, die bereits seit den Anfängen der Radiotechnik entwickelt wurde, die entscheidenden Grundlagen, an denen man nicht vorbeigehen sollte. Es werden zunächst keine Grundkenntnisse vorausgesetzt. Vielmehr soll der Analogteil des Buches ein solides Fachwissen von Grund auf vermitteln.

Teil 1 behandelt die erforderlichen Theorien, beschränkt sich aber nicht auf theoretische Grundlagen, sondern bietet immer auch praktisch erprobte Schaltungen für konkrete Projekte. Zahlreiche Schaltungen können zum Ausgangspunkt für eigene Entwicklungen werden.

Es wurde versucht, einen umfassenden Überblick der wichtigsten Bereiche zu geben. Viele in der praktischen Arbeit auftretende Probleme führen dazu, dass man häufig auf der Suche nach konkreten Fachinformationen ist. Die Zusammenstellung der Inhalte wurde daher auch von dem Ziel geleitet, die Suche nach praktisch relevanten Informationen zu vereinfachen.

Ich wünsche allen Lesern viel Erfolg bei der praktischen Arbeit mit dem Analogteil des Buches!

Burkhard Kainka

Inhalt

1 Einleitung

2 Der Gleichstromkreis

2.1 Ladung und Strom

2.2 Leistung und Spannung

2.3 Der elektrische Widerstand, Ohmsches Gesetz

2.4 Drahtwiderstand

2.5 Reihenschaltung

2.6 Parallelschaltung

2.7 Vorwiderstände

2.8 Innenwiderstand

3 Der Wechselstromkreis

3.1 Effektivspannung und Leistung

3.2 Das Dezibel

3.3 Transformatoren

3.4 Kondensatoren

3.5 RC-Glieder

3.6 Kondensator-Bauformen

3.7 Induktivitäten

3.8 Spulen-Bauformen

3.9 Schwingkreise

4 Dioden-Sperrschichten

4.1 Leitfähigkeit und Dotierung

4.2 Die Diode

4.3 Anwendung der Diode als Gleichrichter

4.4 Dioden-Kennlinien

4.5 Dioden-Bauformen

5 Der bipolare Transistor

5.1 Aufbau und Grundfunktion

5.2 Der Stromverstärkungsfaktor

5.3 Transistor-Kennlinien

5.4 Transistor-Bauformen

6 Feldeffekttransistoren

6.1 Der J-FET

6.2 Doppelgate-MOS-FET

6.3 VMOS-Leistungstransistoren

7 Verstärker-Grundschaltungen

7.1 Der Verstärker in Emitterschaltung

7.2 Gegenkopplung

7.3 Steilheit und Innenwiderstand

7.4 Breitbandverstärker

7.5 Gleichstromgekoppelte Stufen

7.6 Die Kollektorschaltung (Der Emitterfolger)

7.7 Die Basisschaltung

7.8 Die Darlington-Schaltung

7.9 Der Differenzverstärker

7.10 Der Gegentaktverstärker

7.11 Die Konstantstromquelle

8 Transistor-Kippstufen

8.1 Statische Flip-Flops

8.2 Monoflops

8.3 Schmitt-Trigger

9 Transistor-Oszillatoren

9.1 Der Multivibrator

9.2 RC-Oszillatoren

9.3 LC-Oszillatoren

10 Operationsverstärker

10.1 Prinzipschaltung

10.2 Der OPV als Komparator

10.3 OPV-Grundschaltungen

10.4 Invertierende Verstärker

10.5 OPVs mit einfacher Spannungsversorgung

10.6 NF-Vorverstärker

10.7 Leistungsverstärker

10.8 Feldeffekt-OPV

10.9 Der OTA

11 Hochfrequenz-Anwendungen

11.1 Modulation und Demodulation

11.2 Das Diodenradio

11.3 Das Audion

11.4 UKW-Pendelaudion

11.5 HF-Oszillatoren

12 Stromversorgungen

12.1 Batterieversorgung

12.2 Netzteil-Grundschaltungen

12.3 Spannungs-Vervielfachung

12.4 Spannungsstabilisierung mit Z-Dioden

12.5 Längsregler

12.6 Integrierte Spannungsregler

12.7 Bandgap-Referenzen

12.8 Entkopplung der Spannungsversorgung

13 Spannungswandler und Schaltnetzteile

13.1 Spannungswandler

13.2 Schaltregler

13.3 Spannungswandler mit geschalteten Kondensatoren

14 Messtechnik

14.1 Messbereichserweiterungen beim Voltmeter

14.2 Messbereichserweiterung beim Amperemeter

14.3 Das Ohmmeter

14.4 Messfehler

14.5 Messgleichrichter

14.6 Logarithmierer

14.7 Messbrücken

15 Signalgeneratoren

15.1 Rechteck-Generatoren mit OPV

15.2 Rechteckgenerator mit dem 555

15.3 CMOS-Oszillatoren

15.4 Wien-Brücken-Oszillator

15.5 Integrierte Funktionsgeneratoren

15.6 Spannungsgesteuerte Oszillatoren

15.7 Steuerbarer Sinusgenerator mit OTA

16 Sensoren

16.1 NTC-Sensoren

16.2 PT100-Messwiderstände

16.3 KTY-Sensoren

16.4 Dioden und Transistoren als Temperatursensoren

16.5 Integrierte Temperatursensoren

16.6 Thermoelemente

16.7 Lichtsensoren: LDR

16.8 Fotodioden und Fototransistoren

16.9 Kraftsensoren und Drucksensoren

16.10 Piezo-Sensoren

16.11 Magnetfeld-Sensoren

17 Leistungselektronik

17.1 Lineare Leistungsregler

17.2 Leistungsschalter

17.3 Leistungs-MOS-FETs

17.4 PWM-Regler

17.5 Integrierte Leistungsschalter

17.6 Brückentreiber

17.7 Power-OPV

18 Filter

18.1 Entstörmaßnahmen

18.2 Passive RC-Filter

18.3 LC-Filter

18.4 Quarzfilter

18.5 Aktive Filter

18.6 Universalfilter

18.7 Spannungsgesteuerte Filter

19 Mischer und Modulatoren

19.1 Empfängerkonzepte

19.2 Multiplikative Mischer

19.3 Additive Mischer

19.4 Ringmischer

19.5 Integrierte Balance-Mischer

Literatur

Sachverzeichnis

1 Einleitung

Wer sich ernsthaft mit der Elektronik auseinandersetzen möchte, muss sich die Frage stellen: Welche Voraussetzungen sind erforderlich, um erfolgreich und selbständig arbeiten zu können?

Wichtig sind zunächst solide Kenntnisse der Grundlagen des elektrischen Stromkreises. Nützlich sind lebendige und bildhafte Vorstellungen der Grundphänomene Ladung, Strom, Spannung. Wer in komplexen Schaltungen den Überblick behalten will, der muss sehen lernen, was eigentlich unsichtbar ist. Damit verbunden ist der sichere Gebrauch von Messgeräten. Hinzu kommt das Verständnis der grundlegenden passiven Bauteile, wie Widerstände und Kondensatoren, und ihrer Eigenschaften. Ebenso sollte man sich klare Vorstellungen von Halbleitern und Sperrschichten erarbeiten, um ihr Verhalten in konkreten Schaltungen zu verstehen. Die ersten Kapitel geben einen Überblick und helfen bei der Orientierung. Wer hier schon allzu Bekanntes findet, kann sich gleich in die konkrete Schaltungstechnik der darauffolgenden Kapitel vertiefen.

Obwohl es eine unübersehbar große Zahl unterschiedlicher Schaltungen gibt, lassen sich einige wenige Grundschaltungen angeben, die in jeweils anderen Zusammenhängen immer wieder vorkommen. Die wichtigsten sollte man praktisch erproben und möglichst genau untersuchen. Es lohnt sich, eigene Projekte zu entwerfen und aus einfachen Grundschaltungen zusammenzusetzen. In einer komplexen Schaltung sollte man typische Grundschaltungen wiedererkennen, um die Funktion der Gesamtschaltung zu überblicken. Dies ist eine wichtige Voraussetzung für das Verständnis weiterführender Literatur.

Nicht alles funktioniert auf Anhieb so reibungslos wie man es sich wünschen würde. Wichtig ist daher das Verständnis möglicher Probleme und Grenzfälle. Bei der Planung einer Schaltung müssen mögliche Bauteiletoleranzen und ihre Auswirkungen bedacht werden. Die Zuverlässigkeit eines Geräts hängt oft davon ab, ob Grenzwerte richtig eingeschätzt wurden. Oft gibt es unerwünschte Nebeneffekte, die zu Überraschungen führen können. Das sichere Erkennen möglicher Fehlerquellen setzt einige Erfahrungen voraus. Teil 1 des Buches versucht einen Grundschatz an Erfahrungen für die praktische Arbeit zu vermitteln, damit auftretende Probleme gelöst werden können. Allerdings ist der Lernprozess niemals wirklich abgeschlossen, denn in der praktischen Arbeit müssen laufend neue Probleme gelöst werden.

Wer sich auf fertig entwickelte Schaltungen au...

Table of contents

• Deckblatt
• Teil 1: Analogtechnik
• Teil 2: Messtechnik