B. Kainka, M. Häßler, H.W. Straub

Grundwissen Elektronik

Die Grundlagen der Elektronik für Hobby, Ausbildung und Beruf


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 z.B. 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. Dieses Handbuch der analogen Elektronik soll eine Hilfe für alle Einsteiger in die Elektronik sein. Es werden zunächst keine Grundkenntnisse vorausgesetzt. Vielmehr soll das Buch ein solides Fachwissen von Grund auf vermitteln.

Das Buch 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.

Das Buch eignet sich auch für die Aus- und Fortbildung, speziell für die private Vertiefung oder die Vorbereitung auf Prüfungen. Ziel der vertieften Beschäftigung mit der Elektronik ist oft beruflicher Erfolg durch Weiterbildung. Dazu reicht es oft nicht, nur die Theorie zu pauken, sondern man sollte die Dinge wirklich anfassen. Das Buch enthält daher zahlreiche praktisch einsetzbare Schaltungen, ähnlich wie die Projekte im Elektronik-Labor. Die Erfahrung zeigt, dass die besten Ingenieure sich auch privat mit der Elektronik beschäftigen. Und das Elektronik-Hobby in der Jugend kann der Grand dafür werden, dass man später mal Ingenieur wird. Außerdem macht es natürlich Spaß, den eigenen Durchblick zu steigern.

Es wurde versucht, einen umfassenden Überblick der wichtigsten Bereiche zu geben. Damit eignet sich das Buch auch als Nachschlagewerk. Viele in der praktischen Arbeit auftretende Probleme führen dazu, dass der 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 diesem Buch!

Burkhard Kainka


Inhalt

Vorwort 1
1 Einleitung 8

2 Der Gleichstromkreis 10
2.1 Ladung und Strom 10
2.2 Leistung und Spannung 11
2.3 Der elektrische Widerstand, Ohmsches Gesetz 13
2.4 Drahtwiderstand 17
2.5 Reihenschaltung 21
2.6 Parallelschaltung 22
2.7 Vorwiderstände 23
2.8 Innenwiderstand 24

3 Der Wechselstromkreis 27
3.1 Effektivspannung und Leistung 27
3.2 Das Dezibel 29
3.3 Transformatoren 31
3.4 Kondensatoren 33
3.5 RC-Glieder 34
3.6 Kondensator-Bauformen 39
3.7 Induktivitäten 41
3.8 Spulen-Bauformen 44
3.9 Schwingkreise 46

4. Dioden-Sperrschichten 51
4.1 Leitfähigkeit und Dotierung 51
4.2 Die Diode 52
4.3 Anwendung der Diode als Gleichrichter 53
4.4 Dioden-Kennlinien 54
4.5 Dioden-Bauformen 57

5 Der bipolare Transistor 62
5.1 Aufbau und Grundfunktion 62
5.2 Der Stromverstärkungsfaktor 63
5.3 Transistor-Kennlinien 65
5.4 Transistor-Bauformen 69

6 Feldeffekttransistoren 73
6.1 Der J-FET 73
6.2 Doppelgate-MOS-FET 75
6.3 VMOS-Leistungstransistoren 76

7. Verstärker-Grundschaltungen 78
7.1 Der Verstärker in Emitterschaltung 78
7.2 Gegenkopplung 81
7.3 Steilheit und Innenwiderstand 84
7.4 Breitbandverstärker 87
7.4 Gleichstromgekoppelte Stufen 89
7.6 Die Kollektorschaltung (Der Emitterfolger) 91
7.7 Die Basisschaltung 93
7.8 Die Darlington-Schaltung 95
7.9 Der Differenzverstärker 96
7.10 Der Gegentaktverstärker 99
7.11 Die Konstantstromquelle 102

8 Transistor-Kippstufen 105
8.1 Statische Flip-Flops 105
8.2 Monoflops 107
8.3 Schmitt-Trigger 107

9 Transistor-Oszillatoren 109
9.1 Der Multivibrator 109
9.2 RC-Oszillatoren 110
9.3 LC-Oszillatoren 111

10 Operationsverstärker 113
10.1 Prinzipschaltung 113
10.2 Der OPV als Komparator 114
10.3 OPV-Grundschaltungen 116
10.4 Invertierende Verstärker 117
10.5 OPVs mit einfacher Spannungsversorgung 118
10.6 NF-Vorverstärker 118
10.7 Leistungsverstärker 119
10.8 Feldeffekt-OPV 120
10.9 Der OTA 123

11 Hochfrequenz-Anwendungen 127
11.1 Modulation und Demodulation 127
11.2 Das Diodenradio 128
11.3 Das Audion 129
11.4 UKW-Pendelaudion 132
11.5 HF-Oszillatoren 133

12 Stromversorgungen 136
12.1 Batterieversorgung
12.2 Netzteil-Grundschaltungen 137
12.3 Spannungs-Vervielfachung 141
12.4 Spannungsstabilisierung mit Z-Dioden 142
12.5 Längsregler 151
12.6 Integrierte Spannungsregler 154
12.8 Bandgap-Referenzen 158
12.8 Entkopplung der Spannungsversorgung 165

13 Spannungswandler und Schaltnetzteile 168
13.1 Spannungswandler 168
13.2 Schaltregler 173
13.3 Spannungswandler mit geschalteten Kondensatoren 176

14. Messtechnik 183
14.1 Messbereichserweiterungen beim Voltmeter 183
14.2 Messbereichserweiterung beim Amperemeter 187
14.3 Das Ohmmeter 189
14.4 Messfehler 193
14.5 Messgleichrichter 195
14.6 Logarithmierer 199
14.7 Messbrücken 201

15 Signalgeneratoren 205
15.1 Rechteck-Generatoren mit OPV 205
15.2 Rechteckgenerator mit dem 555 207
15.3 CMOS-Oszillatoren 213
15.4 Wien-Brücken-Oszillator 215
15.5 Integrierte Funktionsgeneratoren 218
15.6 Spannungsgesteuerte Oszillatoren 222
15.7 Steuerbarer Sinusgenerator mit OTA 225

16. Sensoren 230
16.1 NTC-Sensoren 230
16.2 PT100-Messwiderstände 235
16.3 KTY-Sensoren 237
16.4 Dioden und Transistoren als Temperatursensoren 239
16.5 Integrierte Temperatursensoren 240
16.6 Thermoelemente 242
16.7 Lichtsensoren: LDR 243
16.8 Fotodioden und Fototransistoren 245
16.9 Kraftsensoren und Drucksensoren 249
16.10 Piezo-Sensoren 250
16.11 Magnetfeld-Sensoren 251

17 Leistungselektronik 254
17.1 Lineare Leistungsregler 254
17.2 Leistungsschalter 258
17.3 Leistungs-MOS-FETs 267
17.4 PWM-Regler 272
17.5 Integrierte Leistungsschalter 275
17.6 Brückentreiber 277
17.7 Power-OPV 279

18 Filter 283
18.1 Entstörmaßnahmen 283
18.2 Passive RC-Filter 288
18.3 LC-Filter 292
18.4 Quarzfilter 295
18.5 Aktive Filter 297
18.6 Universalfilter 301
18.7 Spannungsgesteuerte Filter 302

19 Mischer und Modulatoren 304
19.1 Empfängerkonzepte 304
19.2 Multiplikative Mischer 307
19.3 Additive Mischer 311
19.4 Ringmischer 313
19.5 Integrierte Balance-Mischer 314

Anhang 319
Literatur 319
Sachverzeichnis 320


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? Dieses Handbuch versucht, die entscheidenden Grundlagen zu vermitteln.

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 folgenden 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. Viele Themen dieses Handbuchs werden im vorderen Teil bis Kapitel 10 grundlegend dargestellt und tauchen dann in komplexeren Anwendungen in den folgenden Kapiteln erneut auf.

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. Dieses Handbuch 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 aus Zeitschriften oder Büchern beschränkt, hat meist kaum größere Probleme. Richtig interessant wird es aber erst, wenn man eigene Projekte realisiert. Der entscheidende Punkt ist dabei die Auswahl geeigneter Bauteile. Besonders im Bereich der integrierten Schaltungen gibt es eine unübersehbare Vielfalt. Wichtig ist daher die Fähigkeit, Datenblätter der Hersteller zu lesen und zu interpretieren. Einige der wichtigsten Bauteile werden in diesem Buch an Hand von Auszügen aus Datenblättern genauer vorgestellt, um zu zeigen, worauf es im einzelnen ankommt. Oft geben auch die Innenschaltungen integrierter Schaltungen entscheidende Hinweise für den Einsatz.

Bei der Entwicklung elektronischer Schaltungen kommt man nicht ganz ohne mathematische Grundkenntnisse aus. Im Prinzip kann man zu jeder Schaltung ein geeignetes mathematisches Modell suchen, das sie vollständig beschreibt. In der Praxis reichen jedoch einige wenige einfache Berechnungen. In vielen Fällen ist es ebenso wichtig, einfache Abschätzungen und Überschlagsrechnungen vorzunehmen. Oft reicht es, von gegebenen Schaltungen auszugehen und mit einfachen Umrechnungen auf den gewünschten Fall zu schließen. Dieses Handbuch versucht mit einem Minimum an Mathematik auszukommen. Es werden nur die wichtigsten und für die Praxis relevanten Berechnungen vorgestellt.


Teil 2: Digitaltechnik
Inhalt

1 Übersicht 13
2 Zahlensysteme 20
3 Codes 34
4 Logische Verknüpfungen 62
5 Schaltalgebra 71
6 Schaltnetze 93
7 Schaltkreisfamilien 111
8 Flipflops (Kippstufen) 138
9 Zähler und Frequenzteiler 150
10 Registerschaltungen 159
11 Sonstige Kippschaltungen 165
12 Schaltungsdesign 173
13 Umwandlung Analog <-> Digital 182
14 Schnittstellen zur Umwelt 228
15 Speicher 240
16 Mikroprozessoren 264
17 Datenübertragung 271
18 Datenbussysteme 284
19 Datenreduktion 297
20 Digitale TV-Signalverarbeitung
21 Service und Wartung 320
22 Zukunftsperspektiven 333
Anhang 341