EDT Skriptum 3CM

1. EINFÜHRUNG
1.1 Was verstehen wir unter Elektronik?
Elektronik ist ein Teilgebiet der Technik und der
angewandten Physik, das sich nach einer allgemeinen
Definition mit der Steuerung von Elektronen befasst.
Die Funktionsweise elektronischer Schaltungen basiert
auf dem Fluss von Elektronen zur Erzeugung,
Übertragung oder Speicherung von Signalen,
beispielsweise zur Verarbeitung von Informationen, wie
Text, Musik oder Bilder.
Elektronische Schaltungen realisieren verschiedene Funktionen
zur Informationsverarbeitung, wie z. B.
 die Verstärkung von schwachen Signalen auf ein
verwertbares Niveau
 die Erzeugung von Radiowellen
 zur Informationsgewinnung, wie z. B. die
Wiederherstellung eines Audiosignals aus einer Funkwelle
(Demodulation)
 Steuerungsfunktionen, wie die Überlagerung eines
Audiosignals auf Funkwellen (Modulation)
 logische Operationen, wie z. B. die elektronischen Abläufe
in einem Computer
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1.2 Überblick: Bauelemente der Elektronik
Lineare Bauelemente:
Passive:
I
 ohmsche Widerstände
 Kondensatoren
 Spulen (im linearen Bereich)
U
lineare I-U-Kennlinie
Aktive:
 Spannungsquellen
 Stromquellen
Nichtlineare Bauelemente:
Passive:
I
Heißleiter (NTC), Kaltleiter (PTC)
spannungsabh. Widerstände (VDR)
Dioden
Gasentladungsröhren
U
nichtlineare I-U-Kennlinie
Aktive:









Transistoren
Thyristoren
Triac
Kathodenstrahlröhren
aktive Sensoren
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1.3 Wiederholung
1.3.1 Ohmsche Widerstände
 Festwiderstände
 Einstellbare Widerstände
Ohmsches Gesetz:
R
I=U/R
UR=I.R
Das ohmsche Gesetz gilt nur bei linearen Widerständen!
Belastbarkeit:
Verlustleistung
P=UR.I=I².R
Imax=Pmax/R
Kühlung
Pmax= (max- U)/RthU
Pmax .....max. zulässige Verlustleistung
max .....max. zulässige Temperatur
an der
Widerstandsoberfläche
U ........Umgebungstemperatur
RthU ......Wärmewiderstand
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Festwiderstände
Kenngrößen:
Nennwiderstand (IEC-Normreihen)
Belastbarkeit
Auslieferungstoleranz
Güteklasse
IEC–Widerstands-Normreihen mit Toleranzfeldern
E6
1,0
1,5
2,2
3,3
4,7
6,8
±20%
0,8-1,2
1,2-1,8
1,76-2,64
2,64-3,96
3,76-5,64
5,44-8,16
E 12
1,0
1,2
1,5
1,8
2,2
2,7
3,3
3,9
4,7
5,6
6,8
8,2
±10%
E 24
1,0 1,1 1,2 1,3 1,5 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,7 3,0 3,3 3,6 3,9 4,3 4,7 5,1 5,6 6,2 6,8 7,5 8,2 9,1
±5%
Weitere Normreihen: E48 (±2%), E96 (±1%), E192 (±0,5%)
Nennlastreihe:
0,05W;0,1W; 0,25W; 0,5W; 1W; 2W; 3W; 6W; 10W; 20W
gilt bis zu einer bestimmten Umgebungstemperatur,
z.B. 50°C
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Internationaler Farbcode:
E6, E12, E24
E48, E96, E192
Wertziffer= Multiplikator= Toleranz=
E6,E12,E24
1.-2. Ring
3. Ring
4. Ring
E48,E96,E192 1.-3. Ring
4. Ring
5. Ring
farblos
-
-
±20%
silber
-
x10-² 
±10%
gold
-
x10-1 
±5%
schwarz
0
x100 
braun
1
x101 
±1%
rot
2
x102 
±2%
orange
3
x103 
gelb
4
x104 
grün
5
x105 
blau
6
x106 
violett
7
x107 
grau
8
x108 
weiß
9
x109 
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±0,5%
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Bauformen von Festwiderständen
R
 Drahtwiderstände:
bifilare Wicklung auf Keramikkörper
 Schichtwiderstände:
Kohle-, Metall-, Metalloxidschicht
auf Glas- oder Keramikkörper aufgedampft
 Mikromodultechnik: Widerstandsnetzwerke
Dickschichttechnik (Siebdruck auf Aluminiumoxid)
Dünnschichttechnik (Aufdampfen im Vakuum)
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Einstellbare Widerstände
(Potentiometer, Trimmer)
P
P
Widerstandskurven:
Zusammenhang Schleiferstellung – Widerstand
 Linear
 Positiv od. negativ logarithmisch
 Positiv od. negativ exponentiell
Bauformen:
 Schicht- und Drahtwiderstände
 Einfach- und Wendelpotentiometer
Die vom Hersteller angegebene Belastbarkeit gilt stets
für die ganze Widerstandsbahn!
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Temperaturabhängigkeit von Widerständen
Für den erwärmten Widerstand gilt:
RW = R20 . (1+ )
Für den abgekühlten Widerstand gilt:
RK = R20 . (1- )
R20 ......Nennwiderstand bei 20°C
 ........Temperaturbeiwert [1/°C] bzw.[1/K]
.......Temperaturänderung [°C] bzw. [K]
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Reihen- und Parallelschaltung
Reihenschaltung von Widerständen:
Rg = R1 + R2 + R 3 . . .
R1
R2
R3
Parallelschaltung von Widerständen:
R1
R2
1/Rg = 1/R1 + 1/R2 +1/ R3 + . . .
R3
R1
R12 = R1 . R2 / (R1 + R2)
R2
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1.3.2 Kondensatoren
Kapazität
U
Kapazität ist die Eigenschaft, unter dem Einfluss einer
Spannung elektrische Ladungen speichern zu können.
C......Kapazität in Farad (F)
C=Q / U
Q......Ladung in Coulomb (C)
U......Spannung in Volt (V)
Kapazität besteht immer zwischen zwei voneinander
isolierten elektrischen Leitern, z.B.:
 den Adern einer Doppelleitung
 einem gespannten Draht gegenüber der Erde
 den Leiterbahnen auf einer Leiterplatte
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Kondensator als Bauelement
Kondensatoren haben eine gewollte bestimmte Kapazität,
z.B. Plattenkondensator:
C......Kapazität
a......Plattenabstand
C
 . r . A
0
A......Plattenfläche
a
r......Dielektrizitätszahl, abhängig vom Material zwischen
den Platten, z.B. Luft=1
0=8,85 . 10-12 F/m.....Dielektrizitätskonstante
Kenngrößen:
Nennkapazität (IEC-Normreihen)
Auslieferungstoleranz
Nennspannung für Umgebungstemp.<40°C
Verlustfaktor (tan )
IEC-Kapazitäts-Normreihen mit Toleranzfeldern analog
wie beim Widerstand.
Weitere Kennwerte:
Temperaturbeiwert c: C = C .c . 
Selbstentladezeitkonstante s = Ris . C , (1000 – 10000s)
Betriebstemperaturbereich
Brauchbarkeitsdauer ( 8 – 15 Jahre)
Betriebszuverlässigkeit z.B. 100 000 h / 3%
Dauergrenzspannung für Temp.>40°C
Spitzenspannung, zulässige Wechselspannungen
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Internationaler Farbcode:
E6, E12, E24
Wert=
E6,E12,E24 1.-2.Ring
Multiplikator= Toleranz=
3. Ring
4. Ring
Nennspannung
5. Ring
keine
-
-
±20%
5000V
silber
-
x10-² pF
±10%
2000V
gold
-
x10-1 pF
±5%
1000V
schwarz
0
x100 pF
braun
1
x101 pF
±1%
100V
rot
2
x102 pF
±2%
200V
orange
3
x103 pF
300V
gelb
4
x104 pF
400V
grün
5
x105 pF
blau
6
x106 pF
600V
violett
7
x107 pF
700V
grau
8
x108 pF
800V
weiß
9
x109 pF
900V
±0,5%
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500V
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Bauarten von Kondensatoren
Folienkondensatoren:
gewickelte Metallfolien mit Papier-, Kunststoff-Dielektrikum
MP- und MK-Kondensatoren:
Metallschicht auf Papier-, Kunststofffolie aufgedampft
selbstheilend nach elektrischem Durchschlag
Keramikkondensatoren:
keramische Massen als Dielektrikum
1) Präzisionskondensatoren, r=6...450, kleine Verluste
2) große Kapazität mit kleinen Abmessungen,
r=700...50000, hohe Verluste, großer Temp.beiwert
Elektrolytkondensatoren (Elkos):
Aluminium- oder Tantalfolie mit Oxidschicht als Dielektrikum
und Elektrolyt als Gegenelektrode, gewickelt in Al-Becher
hohe Spannungsfestigkeit, hohe Kapazität
Elkos müssen gepolt betrieben werden,
max. 2V Falschpolung zulässig, Explosionsgefahr
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Einstellbare Kondensatoren
Drehkondensatoren: Plattenkondensatoren mit variabler
Fläche, typ. Einstellbereich ca. 0-500pF (Picofarad)
Trimmkondensatoren: Scheibenkondensatoren mit
geringer Kapazität zur Feinjustage
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Kondensator im Gleichstromkreis

R1
I1
I2

0
1


2
S
IC
U0

UC
U2
R2
C



IC=C . UC/t
Strom durch Kondensator:
Der Widerstand des ungeladenen Kondensators ist
Null und des geladenen Kondensators fast unendlich.
IC
100%
Aufladevorgang:
-IC
100%
Entladevorgang:
IC,max=
37%
-IC,max=
=
37%
t
UC
100%
63%
UC,max=
=
0
=
t
UC
100%
UC,0=
37%
=
t
0
= R . C .....Zeitkonstante
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t
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Auflade- und Entladevorgang:
C
Start
entl. laden
Laden
Position
von S
2
2
IC
0
U0/R1 U0/R1.e-t/R1.C
UC
0
WC
0
1
0
C
Start
geladen
entl.
1
U0.(1-e
-t/R1.C
1
)
0
1
2
Entladen
2
U0
U0.e
entl.
2
-U0/R2 -U0/R2.e-t/R2.C
U0
C
-t/R2.C
C.UC2/2
0
0
0
IC
UC
t
IC …….Strom durch den Kondensator C
UC .....Spannung am Kondensator C
WC .....im Kondensator C geladene Energie
U0 ......Spannung der Energiequelle
1=R1.C ...Aufladezeitkonstante
2=R2.C ...Entladezeitkonstante
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Reihen- und Parallelschaltung
Reihenschaltung von Kondensatoren:
1/Cg = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 . . .
C1
C2
C3
C12 = C1 . C2 / (C1 + C2)
C1
C2
Parallelschaltung von Kondensatoren:
C1
C2
Cg = C 1 + C 2 + C 3 + . . .
C3
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1.3.3. Spulen
Induktivität
ΔI
Δt
I
U
t
U
t
Induktivität ist die Eigenschaft, unter dem Einfluss einer
Stromänderung eine Gegenspannung zu induzieren.
L= -U/
ΔI
Δt
L....Induktivität in Henry (H)
U....Selbstinduktionsspannung in Volt (V)
ΔI
Δt ...Stromänderung in (A/s)
Induktivtät besteht immer an einem stromdurchflossenen
Leiter, z.B.:
 einem Stromkabel
 einer Freileitung
 einer Leiterbahn auf einer Leiterplatte
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Spule als Bauelement
Spulen haben eine gewollte bestimmte Induktivität,
z.B. Zylinder- oder Rechteckspule:
L......Induktivität [Henry]
N....Windungszahl
LN
2
A......Spulenquerschnitt [m²]
0.r. A
lm
lm......mittlere Feldlinienlänge [m]
r......Permeabilitätszahl, abhängig vom Material
innerhalb der Spule, z.B. Luft=1
0= 4 . 10-7 H/m.....magnetische Feldkonstante
Spulen werden entweder industriell gefertigt (IECNormreihen) oder auf industriell gefertigte Spulenkerne
gewickelt. Für diese wird ein Induktivitätsfaktor AL
angegeben, womit gilt:
L = N2 . A
Kenngrößen:
L
Nenninduktivität
Auslieferungstoleranz
Nennstrom (von Leiterquerschnitt
bestimmt)
Verlustfaktor (tan )
Wirbelstromverluste
IEC-Induktivitäts-Normreihen mit Toleranzfeldern analog
wie beim Widerstand.
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Bauarten von Spulen
L
L
Luftspulen:
Zylinderspulen, Rechteckspulen, Torodoidspulen,
Flachspulen
Eisenkernspulen:
Blechkerne: isolierte geschichtete Bleche, bis 20 kHz
Hf-Eisenkerne: Eisenpulver-Kunststoff-Gemisch,
Hochfrequenz
Ferritkerne: elektr. nicht leitende Metalloxide, geringe
Verluste, hohe Frequenzen
Formen der Eisenkerne:
U-Kerne, E-Kerne, M-Kerne, Schalenkerne, Stabkerne,
Ringkerne, Gewindekerne
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Spule im Gleichstromkreis
2
R1
I
S
R2
1
IL
UL
U0
L
IF


Spannung an Spule:
UL=-L . IL/t
Der Widerstand der stromlosen Spule ist fast unendlich
und der stromdurchflossenen (verlustfreien) Spule ist Null.
IL
100%
63%
Einschaltvorgang
IL
100%
IL,0=
IL,max=
37%
=
t
UL
100%
UL,0 =
37%
0
Ausschaltvorgang
=
t
- UL
100%
-UL,max=
=
37%
t
=
0
t
= L/R.....Zeitkonstante
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Einschalt- und Ausschaltvorgang:
L
Start
strom
ein
Einschalten
los
Position
offen 2
von S
0
U0
IL
0
0
U0.e
stromdurchflossen
aus
-t/L/R1
(U0/R1).
.(1-e
0
Start
-t/L/R1
0
U0/R1
Ausschalten
L
strom
los
1 geschlossen geschlossen
UL
WL
L
1
2
offen
offen
-Umax -Umax.e-t/L/R2
0
U0/R1
0
(U0/R1).
.e-t/L/R2
)
L.IL2/2
0
UL
IL
t
IL …….Strom durch die Spule L
UL .....Spannung an der Spule L
WL .....in der Spule L geladene Energie
U0 ......Spannung der Energiequelle
1=L/R1 ...Aufladezeitkonstante
2=L/R2 ...Entladezeitkonstante
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Seite 22
Reihen- und Parallelschaltung
Reihenschaltung von Spulen:
Lg = L1 + L2 + L3 . . .
L1
L2
L3
Parallelschaltung von Spulen:
L1
L2
1/Lg = 1/L1 + 1/L2 +1/ L3 + . . .
L3
L1
L12 = L1 . L2 / (L1 + L2)
L2
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Seite 23
2. HALBLEITER BAUELEMENTE
2.1 Halbleiterwerkstoffe






Silizium
Germanium
Selen
Galliumarsenid
Indiumphosphid
Indiumantimonid
Mischkristalle
Anforderungen:
– höchste Reinheit: max. 1 Fremdatom auf 1010 Atome
– Einkristallstruktur
Eigenleitfähigkeit:
(Intrinsic (I) – Leitf.)
spezif. Widerstand:
Silizium: 2x105 cm
Germanium: 40 cm

Jedes Valenzelektron umkreist den eigenen und einen
benachbarten Atomrumpf.
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Seite 24
Elektronenstrom
n-Dotierung
+
U
-
Einbau von 5-wertigen Atomen in 4-wertiges Si-Gitter,
z.B. Phosphor, Arsen, Antimon
Donatoratome
freie Valenzelektronen
Elektronenleitung
(n – Leitung)
n-Silizium ist ein dotierter einkristalliner Halbleiterwerkstoff mit freien negativen Ladungsträgern.
Er ist elektrisch nicht geladen.
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Löcherwanderung
p-Dotierung
+
U
-
Einbau von 3-wertigen Atomen in 4-wertiges Si-Gitter,
z.B. Aluminium, Gallium, Indium
Akzeptoratome
frei bewegliche Löcher
Löcherleitung
(p – Leitung)
p-Silizium ist ein dotierter einkristalliner Halbleiterwerkstoff mit freien positiven Ladungsträgern.
Er ist elektrisch nicht geladen.
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2.2 pn – Übergang
pn – Übergang ohne äußere Spannung:
Raumladungszone
p
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
n
Q
+
-
d
Elektrisches Feld
U
~0,6V
d
Diffusionsspannung: Si ~0,6 bis 0,7V
Ge ~0,3V
Mit höherer Temperatur wird die
Raumladungszone breiter.
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pn – Übergang mit äußerer Spannung:
Minus an p-Zone:
-
+
Raumladungszone
p
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
n
Elektrisches Feld
U
~0,6V
d
Verbreiterung der Raumladungszone bis ihre Spannung
gleich der angelegten Spannung ist.
Die Raumladungszone enthält keine beweglichen Ladungsträger:
der pn-Übergang ist in Sperrrichtung gepolt
Minoritätsträger können die Sperrschicht durchqueren
(Eigenleitfähigkeit)
Jede Raumladungszone oder Sperrschicht hat eine
Kapazität.
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Plus an p-Zone:
+
-
R
Raumladungszone
p
Löcherstrom
-
+
+
n
+
+
+
+
+ Elektronen+ strom
+
U
~0,6V
d
Diffusionsspannungsschwelle
Abbau der durch Ladungsträgerdiffusion entstandenen
Raumladung - der pn-Übergang wird niederohmig.
Die Raumladungszone wird abgebaut:
der pn-Übergang ist in Durchlassrichtung gepolt
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3. HALBLEITERDIODEN
p
Anode
n
Kathode
Die Halbleiterdiode lässt den Strom in einer Richtung
durch und sperrt ihn in der anderen Richtung.
Durchlassrichtung (technisch): Anode zu Kathode
Sperrrichtung (technisch):
Kathode zu Anode
Standardanwendungen:
 Gleichrichter, z.B. Netzgerät, Radiodetektor
 Schalter, z.B. logische Gatter
Spezialdioden:






Leuchtdioden
Zenerdioden (Spannungsstabilisierung)
Kapazitätsdioden (Frequenzabstimmung)
Tunneldioden (Oszillatoren, Verstärker)
PIN-Dioden (HF-Modulation)
Schottky-Dioden (schnelle Schalter)
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3.1 Diodenkennlinien
AP
IF
IF
UF
UF
Gleichstromwiderstand:
RF = UF / IF
, ist vom Arbeitspunkt AP abhängig !
Differentieller Widerstand:
rF = UF / IF
, anderer Wert in jedem Kennlinienpunkt
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3.2 Kennwerte
Germanium Silizium
Selen
Schwell0,3V
0,7V
0,6V
spannung
Durchlass5 bis 100 2 bis 50 5 bis
widerstand
100
RF
Sperr0,1 bis
1 bis
0,1 bis
widerstand
10M
3000M
1M
RR
Max.
ca. 200V ca. 3000V ca. 40V
Sperrspannung
Max.
90°C
200°C
85°C
Sperrschichttemperatur
Gleich98%
99,5%
90%
richter
Wirkungsgrad
Kupferoxydul
0,2V
10 bis 50
50kbis
500k
ca. 6V
50°C
75%
Temperaturverhalten:
Mit steigender Temperatur
 nimmt der Sperrstrom stark zu
 wird der Durchlasswiderstand etwas geringer
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3.3 Bauarten von Dioden
 Flächendioden: meist Si-Dioden
p
p
n
n
Planardiode
Je größer die Sperrschichtfläche, desto größer:
 max. Durchlassstrom
 max. Sperrspannung
zum Beispiel:
 Sperrschichtkapazität
 Spitzendioden: meist Ge-Dioden für HF-Anwendungen
n
p-Zone (sehr klein)
Spitzendioden haben eine extrem kleine
Sperrschichtfläche und daher eine sehr kleine
Sperrschichtkapazität (~0,2pF).
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3.4 Diode als Gleichrichter
Einweggleichrichter
Vierweggleichrichter
Uw ~ 1,2.I- /(CL)=1,2.U- /(RL.CL)
U- ~ 1,18.U1’eff
Uw….Welligkeitsspannung am Ausgang
U- ...Gleichspannung am Ausgang
RL...Lastwiderstand
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Seite 34
3.5 Diode als Schalter
ODER-Verknüpfung
+5V
A
Z
B
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
Z
0
1
1
1
1….5V 1V
0….0V 1V
UND-Verknüpfung
+5V
A
B
Z
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
Z
0
0
0
1
1….5V 1V
0….0V 1V
Schaltzeiten:
Einschaltzeit tfr = 0,5 .... 50 ns
Sperrverzug
trr = 2 .... 200 ns
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3.6. Spezialdioden
Zenerdioden (Z-Dioden)
Z-Dioden werden in Sperrrichtung betrieben und bei
Erreichen der Zenerspannung
niederohmig: Kombination von
Zenereffekt und Lawineneffekt
WICHTIG: Strombegrenzung
Spannungsstabilisierung
Kapazitätsdioden
Durch Spannung steuerbare
Kapazität - Anwendungen:
 Schwingkreisabstimmung
bei Radio- u. TV-Geräten
 Frequenzmodulation
Änderungsbereiche:
3-10pF, 20-50pF, 50-200pF
Tunneldioden
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4. BIPOLARE TRANSISTOREN
4.1. Übersicht – Transistorfamilien
 Bipolare Transistoren
 NPN – Typ
 PNP – Typ
 Unipolare Transistoren
 Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFET)
– P-Kanal-Typ
– N-Kanal-Typ
 MOS- Feldeffekttransistoren (IG-FET)
 Dual-Gate MOS-FET
 Unijunktiontransistoren (UJT)
– Alle 3: selbstsperrend n-Kanal
selbstsperrend p-Kanal
selbstleitend n-Kanal
selbstleitend p-Kanal
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4.2. Funktionsweise bipolarer Transistoren
NPN -Typ
zwei pn-Übergänge:
sehr dünne p-dotierte Basisschicht (B-Pin) zwischen zwei
n-dotierten breiteren Schichten Kollektor (C-Pin) und
Emitter (E-Pin).
Beim PNP-Typ sind die Dotierungen
jeweils vertauscht.
Transistor mit offener Basis:
 zwei Raumladungszonen
sperren Ladungsträgerstrom
 kein Stromfluss
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Sperrschichtmodell der Verstärkung:
Basis-Emitterspannung UBE > Diffusionsspannung (~0,6V):
 Basis-Emitterübergang in Durchlassrichtung gepolt
 Elektronenfluss vom Emitter zur Basis (z.B. I B=1mA)
 dünne Basisschicht wird von Elektronen überschwemmt
(Ladungsträgerinjektion)
 in der in Sperrrichtung gepolten Basis-KollektorRaumladungszone besteht ein hohes elektrisches Feld
 dieses Feld beschleunigt die injizierten Elektronen von
der Basis zum Kollektor (Ladungsträgerfalle)
 hoher Elektronenstrom vom Emitter zum Kollektor
(z.B. IC=100mA)
 Stromverstärkung:
B = IC / IB
typ: B=10-800
Der PNP-Typ verhält sich grundsätzlich wie der NPN-Typ
mit einem Löcherstrom statt einem Elektronenstrom und
daher umgekehrten Spannungs- und Stromrichtungen.
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4.3
Spannungen und Ströme
NPN-Typ:
PNP-Typ:
+7V
IC=10mA
UCB=6,3V
IB=1mA
UCE=7V
UBE=0,7V
-7V
IC=10mA
UCB=-6,3V
IB=1mA
UCE=-7V
UBE=-0,7V
IE=11mA
IE=11mA
0V
0V
Regeln:
 Der Transistor „sieht” alle Spannungen vom Emitter
aus:
UCE = UCB + UBE
IE = IC + IB
Formelzeichen und Werte sind vorzeichenbehaftet:
 Potential vom 1. Index positiver als vom 2. ....+
 Potential vom 1. Index negativer als vom 2. ....Stromwerte werden positiv gezählt, wenn Pfeilrichtung
vom positiveren zum negativeren Potential zeigt.
In Kennlinien und bei Kennwerten werden Strom- und
Spannungswerte als Absolutbeträge angegeben und
gelten somit für NPN- und PNP-Transistoren.
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4.4 Kennlinienfelder
Stromsteuerungskennlinie
IC vs. IB : Beispiel
Messschaltung
Diese Kennlinie gilt nur für obige Messschaltung!!
Gleichstromverstärkung: B= IC / IB
Differentielle (Kleinsignal-) Stromverstärkung:  = IC /IB
Eingangs-/ Ausgangskennlinie
IC vs. UBE : Beispiel
IC = 2mA
ähnlich Diodenkennlinie
UBE = 25mV
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Vierquadranten-Kennlinienfeld (Emitterschaltung)
Ausgang
Eingang
Stromsteuerungs-
Ausgangs-
kennlinienfeld
kennlinienfeld
IB-IC
Eingangskennlinienfeld IB-UBE
IC-UCE
Rückwirkungskennlinienfeld UBE-UCE
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Eingangskennlinienfeld IB-UBE
|IB|
|UCE|=7V
|UCE|=16V
differentieller
Eingangswiderstand:
AP
rBE = UBE /IB
IB
|UBE|
UBE
Ausgangskennlinienfeld IC-UCE
AP
UCE
differentieller
Ausgangswiderstand:
IC
rCE = UCE /IC
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Stromsteuerungskennlinienfeld IC-IB
|IC|
|UCE|=16V
|UCE|=7V
differentieller
Stromverstärkungsfaktor:
IC
AP
 = IC /IB
IC
Gleichstromverstärkung:
IB
 = IC /IB
|IB|
IB
Rückwirkungskennlinienfeld UBE-UCE
AP
UCE
UBE
differentieller
Rückwirkungsfaktor:
D= UBE /UCE
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4.5
Einstellung des Arbeitspunktes (AP)
UB=20V
RC=1k
R1=56k
IB+Iq
IC
IB
UCE
Iq
R2=2,7k
UBE
U’CE , U’BE , I’C , I’B
AP
2 Größen davon frei wählbar
(meist U’CE und I’B)
RC = (UB- U’CE)/I’C
Widerstandsgerade UB , ICo
mit ICo=UB /RC
R1 = (UB –U’BE)/(I’B +Iq)
R2 = U’BE /Iq soll: Iq~2...10.I’B
AP
AP
AP
AP
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4.6
Transistor Kennwerte
Kennwerte geben die Betriebseigenschaften an
Signalkennwerte (arbeitspunktabhängig):
 differentieller Eingangswiderstand:
rBE= UBE /IB= uBE/iB
 differentieller Ausgangswiderstand: rCE= UCE /IC= uCE/iC
 different. Stromverstärkungsfaktor: = IC /IB= iC/iB
 differentieller Rückwirkungsfaktor:
D= UBE /UCE= uBE/uCE
Gleichstromverstärkung: B= IC / IB
meist für verschiedene durch UCE und IC bestimmte AP angegeben
Restströme: kennzeichnen das Sperrverhalten
z.B.: ICES ....Kollektor-Emitter-Reststrom bei angelegter Sperrspannung UCES und kurzgeschlossener Basis
ICBO....Kollektor-Basis-Reststrom bei angelegter Sperrspannung UCBO und offener Basis
Durchbruchspannungen:
immer für bestimmten Stromwert, der Transistor noch
nicht zerstört, angegeben,
z.B. U(BR)CEO, U(BR)CES, U(BR)EBO
Index mit 3 Buchstaben (Restströme, Sperr- u. Durchbruchsp.):
– 1.Buchst.: Elektrode mit pos. Pol der Spannungsquelle
– 2.Buchst.: Elektrode mit neg. Pol der Spannungsquelle
– 3.Buchst.: Anschlussart der 3. Elektrode:
O...offen, S...kurzgeschlossen zu El.d.2.B.
R...ohm. Widerstand zu Elektrode d. 2.Buchst.
V...Vorspannung in Sperrrichtung zu El.d.2.B.
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Sättigungsspannungen (Übersteuerung):
+12V
RL=1k
IC=5mA
IC=11,8mA
UCE>UBE , UCB>0…Normalbetrieb
UBE=0,7V
UCE=7V
UBE=0,9V
UCE=0,2V
UCE=UBE , UCB=0…Übersteuerung
UCE<UBE , UCB<0…Übersteuerung
UCE= UCESat...Sättigungsspannung
C-E Strecke hat kleinsten Widerstand
Übersteuerungszustand, wenn Kollektordiode und
Emitterdiode in Durchlassrichtung betrieben werden
Sperrschichtkapazitäten:
Kollektor-Basis-Kapazität (Emitter offen, UCB = 10 V)
z.B. CCBO = 6 pF
Emitter-Basis-Kapazität (Kollektor offen, UEB = 0,5 V)
z.B. CEBO = 25 pF
Grenzfrequenzen: f=1 , fT=fMess .beifMess , fg=f=
Stromverstärkungsfaktor sinkt mit steigender Frequenz
Schaltzeiten:
Einschaltzeit tein …Zeit, bis IC auf 90% vom Höchstwert
Ausschaltzeit taus …Zeit, bis IC auf 10% vom Höchstwert
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Rauschzahl und Rauschmaß:
Jeder Strom enthält einen Rauschanteil, verursacht
durch unregelmäßige Ladungsträgerbewegungen unter
dem Einfluss der Wärmeschwingungen der Atome.
z.B. Widerstandsrauschen (wie Generator mit Ri):
Leerlauf-Rauschspannung
PrR = 4.k.T.b
UrR = PrR . Ri
Boltzmannkonstante
k=1,38.10-23 W.s/K
absolute Temperatur
T in Kelvin (K)
Frequenzbandbreite
b in Hz
Rauschleistung von Ri
Transistoren erzeugen Rauschleistung im Kristall und
verstärken zusätzlich das Rauschen vom Innenwiderstand
der Eingangssignalspannungsquelle.
Rauschleistung am Ausgang: PrT2 = Pr1 . VP + PrT
Pr1...Rauscheingangsleistung
VP ...Leistungsverstärkung d. Tr
PrT ...Rauschleistung d. Tr
Rauschzahl:
F = PrT2/Pr2 = 1+ PrT /(Pr1 . VP)
Pr2=Pr1.VP...verstärkte
Rauscheingangsleistung
Rauschmaß:
F* = 10.lg F dB
Die Rauschspannung bestimmt die kleinste noch
sinnvoll verstärkbare Signalspannung.
Ersatzrauschleistung: PEr1 = F. Pr1
(fiktive Rauscheingangsleistung für „ rauschfreien“ Transistor)
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Wärmewiderstände:
Rth =
Temperaturdifferenz Sperrschicht – kühlende Umgebung
abgeführte Wärmemenge pro Zeiteinheit
in K/W
Die höchstzulässige Verlustleistung Ptot hängt von der
höchstzulässigen Sperrschichttemperatur Tj und von
der pro Zeiteinheit abgeführten Wärmemenge ab.
Ptot = (Tj –Tx) / Rthg
Tx …Temperatur einer kühlenden Umgebung
Rthg = RthG + RthGK + RthK
RthG ...Wärmewiderstand Sperrschicht – Gehäuse
RthGK ...Wärmewiderstand Gehäuse – Kühlkörper
RthK ...Wärmewiderstand Kühlkörper – umgebende Luft
Transistorverlustleistung:
Ptot = UCE . IC + UBE . IB
Ptot ~ UCE . IC
Verlusthyperbel Ptot
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Seite 49
4.7
Transistor Grenzwerte
Grenzwerte dürfen nicht überschritten werden.
Höchstzulässige Sperrspannungen (Spannungsfestigkeit)
meist angegeben: UCBO , UCEO , UBEO , UCES
Höchstzulässige Ströme
maximaler Dauerkollektorstrom: ICmax
Kollektorspitzenstrom (z.B. für max. 10ms): ICM
maximaler Dauerbasisstrom: IBmax
Höchstzulässige Verlustleistungen
Ptot = PCE +PBE
für bestimmte Umgebungs- u. Gehäusetemperaturen
Höchstzulässige Temperaturen
Sperrschichttemperatur Tj
z.B. bei Si-Transistoren ~200°C,
Ge-Transistoren ~90°C
Lagerungstemperaturbereich
z.B. bei Si-Transistoren –60°C bis +200°C,
Ge-Transistoren -30°C bis +75°C
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4.8 Transistor-Schalterstufen
IC=0mA
UB=+16V
IB=0mA
1) IB=1mA
2) IB=100A
RB

RL=800

UBE=0V
(Eingang)
1)
2)
1)
2)
UBE=1,0V
UBE=0,9V
1)
2)
IC=20mA
IC=18mA
(Ausgang)
RCE=100M
RCE=10
RCE=83
UCE
=16V
UCE
=0,2V
2) UCEsat =1,5V
1)
gesperrter Zustand: IB=0mA, UBE=0V, IC=0mA, UCE=16V
leitender Zustand:
Einschaltzeit
Ausschaltzeit
1) nichtübersteuerter Betrieb:
klein
groß
2) übersteuerter Betrieb:
groß
klein
UCB=0V
2)
1)
leitend
gesperrt
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4.8.1 Logische Gatter
NAND-Gatter
+5V
A
E1
E2
NOR-Gatter
+5V
A
E1
E2
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Seite 52
4.8.2 Schmitt-Trigger
R2
R1
R3
U1
U2
RE
RR2 4
Hysterese:
U2
UAUS
UEIN
U1
Je größer RE , desto größer ist die Hysterese.
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4.8.3 Bistabile Kippstufe (Flip-Flop)
4.8.4 Monostabile Kippstufe (Monoflop)
Einschaltzeit:
T ~ 0,8.(R1+R2).C
Bsp: T~8s
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Seite 54
4.8.5 Astabile Kippschaltung (Multivibrator)
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4.9 Betriebsarten Transistor-Schalterstufen
Nichtübersteuerter Betrieb: UBE<UCE
Übersteuerter Betrieb: UBE>UCE
Übersteuerungsfaktor:
ü
I BX
I B0
mit Ue~UB gilt:
ü  B
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RC
RB
Seite 56
4.10
Schaltzeiten
Einschaltvorgang
tein = td + tr
Einschaltzeit
tein =5...500ns
Verzögerungszeit td
...kürzer, je größer IB1
t r    ln
Anstiegszeit
ü  0,1
ü  0,9
...Einschaltzeitkonstante
(vom Transistortyp abh.)
ü...Übersteuerungsfaktor
Je stärker der Transistor
übersteuert wird,
desto kürzer ist die
Einschaltzeit.
Ausschaltvorgang
Ausschaltzeit
taus = ts + tf
Speicherzeit ts
ts=0 ohne Übersteuerung
Abfallzeit
t f   s  ln
I B 2 / I B 0  0,9
I B 2 / I B 0  0,1
s....Speicherzeitkonstante
IB0...IB an Übersteuerungsgrenze
tf= 40...400ns
t
Je weniger der Transistor
übersteuert wird,
desto kürzer ist die
Ausschaltzeit.
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4.11
Belastbarkeit
W
Die maximale Verlustleistung tritt während
der Schaltvorgänge auf.
Sperrverlustleistung:
PS = UCEmax(~UB) . ICrest(~0)
Durchlassverlustleistung: PD = UCEmin(~UCEsat) . ICmax
Ein- und Ausschaltverlustleistung bei rein ohmscher Last:
PEmax = PAmax = UB .ICmax /4
Mittlere Verlustleistung: Pm 
PE max  t ein  PA max  t aus
T
T...Dauer der Schaltperiode
Pm < Ptot
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4.12 Schalten bei kapazitiver Last
1...große Kondensatoren
2...mittlere Kondensatoren
3...kleine Kondensatoren
PE max = 0,8.UB .IC max
PA max = 0,04.UB .IC max
UCE
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4.13 Schalten bei induktiver Last
1...große Induktivitäten
2...mittlere Induktivitäten
3...kleine Induktivitäten
PE max = 0,04.UB .IC max
PA max = 0,9.UB .IC max
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4.14
Kenngrößen einer Impulsspannung
tr... Anstiegszeit (rise time)
û.... Impulsamplitude
tf... Abfallzeit (fall time)
T.... Impulsperiode
UGr..Grundniveau
tD... Impulsdauer
D…..Dachschräge
tP... Impulspause
D=(û–û’)/û . 100%
Anstiegs- und Abfallzeiten sowie Dachschräge
sollten möglichst klein sein.
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5. Unipolare Transistoren
5.1 Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFET)
n-Kanal-Typ
+12V
+12V
D=Drain
N-Kanal-Typ
UDG
-2V
G=Gate
+
- +
+
p -+
+
+ +
+ p
-
UDS
P-Kanal-Typ
n
-UGS
S=Source
0V
0V
Kennlinienfelder eines n-Kanal JFET
Ausgangs-Kennlinien
ID-UDS
SteuerKennlinien
ID-UGS
Steilheit: S=ID/UGS
diff. Ausg.wid.: rDS=UDS /ID
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Seite 62
JFET als Schalter
JFET als Konstantstromquelle
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Seite 63
JFET als Stellwiderstand
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Seite 64
5.2 MOS-Feldeffekttransistoren (IG-FET)
n-Kanal-MOS-FET selbstsperrend (Anreicherungstyp)
0V
+2V
+12V
- - -- - -
Kennlinienfelder: selbstsperrender n-Kanal-MOS-FET
Kennlinienfelder: selbstleitender n-Kanal-MOS-FET
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Source-Schaltung
+UB
R1
RL
D
Spannungsverstärkung:
VU=S.RL.rDS /(RL+rDS)
MOS-FET: S~5..12 mA/V
rDS~10..50 k
JFET:
S~3..10 mA/V
rDS~80..200 k
G
Eingang
RG
S
Ausgang
diff. Eingangswiderstand:
re= R1||RG||rGS
rGS~1010...1014 
diff. Ausgangswiderstand:
ra= RL.rDS /(RL+rDS)
Eigenschaften von Feldeffekttransistoren:
 nahezu leistungslose Steuerung von ID durch UGS
 extrem hoher Eingangswiderstand
 geringe Eingangskapazität (CGS~2...5 pF)
 sehr kleine Schaltzeiten
 geringe Temperaturabhängigkeit
 geringes Eigenrauschen
 geringe Spannungsfestigkeit (UGsmax~10V, UDsmax~35V)
 hohe Empfindlichkeit gegenüber elektrostatischen
Ladungen – leicht zerstörbar
Schutzmaßnahme: zwei gegeneinander geschaltete
Zenerdioden zwischen Gate und Source
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Leistungs – MOSFET
MOSFET – Leistungsschalter
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6. DIGITALE SCHALTUNGSTECHNIK
6.1
Grundlagen
6.1.1
Analoge und digitale Signale
Analoge Signale dürfen – innerhalb eines zulässigen
Bereiches – jeden beliebigen Wert annehmen
Digitale Signale dürfen nur zwei Zustände annehmen:
logisch 0 .... 0V (Masse)
logisch 1 .... +5V
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6.1.2
Logische Verknüpfungen
UND-Gatter
ODER-Gatter
A = E1  E2
A = E1  E2
A = E1 · E2
A = E1 + E2
NICHT-Gatter
A=E
A = E1 & E2
Wahrheitstabellen:
Schaltzeichen:
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6.1.3
Schaltungsanalyse
Digitalschaltung:
Wahrheitstabelle:
Funktionsgleichung:
A = Q  Z = (X  E2 ) ( E1  Y) = (E1  E2 ) ( E1  E2)
Antivalenz-Verknüpfung , EXKLUSIV-ODER , EXOR , XOR
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Seite 70
6.1.4
Beispiel:
Schaltungssynthese
Paket-Sortieranlage
Paketauswurf (Z=1), wenn:
1) beide Lichtschranken unterbrochen werden
(A=0, B=0 ....Paket zu groß)
2) nur Lichtschranke A unterbrochen wird, nicht jedoch
Lichtschranke B (A=0, B=1....Paketstapel)
4) keine Lichtschranke unterbrochen wird
(A=1, B=1 ....Paket zu klein)
Wahrheitstabelle:
Funktionsgleichung:
Z = (A  B) (A  B)(A  B)
A
B
A
B
AB
AB
Z
Digitalschaltung:
AB
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Seite 71
6.1.5
Schaltungsoptimierung
Intuitiv:
z.B. - Aufschreiben von A und B in der Wahrheitstabelle
- Betrachten von Z
Z=AB
0
0
1
0
Ist praktisch nur bei geringer Variablenzahl möglich !
Mittels Karnaugh-Diagramm:
Z
Wahrheitstabelle
A
0
1
0
1
0
1
1
1
B
Z=AB
Z=B
Z=A
Funktionsgleichung
Z = A B
bzw. Z = A B
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Seite 72
6.1.6
Karnaugh-Diagramm für vier Eingangsgrößen
1) Wahrheitstabelle
2) Karnaugh-Diagramm
3) 1-er Blöcke bilden
- möglichst groß
- nur rechteckförmig
- auch über den Rand
- mit allen 1-ern
Funktionsgleichung
D = X1 X2
C = X1 X3
A = X2 X4
B = X1 X3 X4
Y = (X1 X2) (X1 X3)(X2 X4)(X1 X3 X4)
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6.1.7
Rechenregeln der Schaltalgebra
UND-Verknüpfung
ODER-Verknüpfung
A0=0
A1=A
AA=A
A  A= 0
A0=A
A1=1
AA=A
AA=1
NICHT-Verknüpfung (doppelte Negation)
A = (A)
Kommutativgesetz (Vertauschungsgesetz)
Q=ABC=CBA
Q=ABC=CBA
Assoziativgesetz (Verbindungsgesetz)
Q = A  (B  C) = (A  B)  C
Q = A  (B  C) = (A  B)  C
Distributivgesetz (Verteilungsgesetz)
Q = A  (B  C) = (A  B)  (A  C)
Q = A  (B  C) = (A  B)  (A  C)
A  (A  B) = A
A  (A  B) = A
DeMorgan Gesetze
Q=AB=AB
Q=AB=AB
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6.2
6.2.1
Begriffe der Digitaltechnik
Digitale Schaltzustände
Positive Logik (negative Logik umgekehrt)
Logisch H (high, ein).........> 0,9.UB (UB=Betriebsspannung)
Logisch L (low, aus).......... < 0,08.UB
6.2.2
Störspannungsabstand
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6.2.3
Schaltzeiten / Steuerzeiten
z.B.:
td1...Einschaltverzögerung
td2...Ausschaltverzögerung
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Seite 76
6.2.4
Versorgungsspannung/Leistungsverbrauch
Betriebsspannung:
 Höhe von Logikfamilie abhängig (1...18V, typ. 5V)
 muss auf +-5% genau geregelt werden
Leistungsbedarf:
 Low-Pegel...…typ. 100mW / pro Gatter
 High-Pegel.....typ. 25mW / pro Gatter
Fan-in, Fan-out:
 Fan-in....max. Anzahl Gatter am Eingang
 Fan-out...max. Anzahl Gatter am Ausgang
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Seite 77
6.3
Logik-Familien
6.3.1
DTL-Technik (Diode-Transistor-Logik)
NOR – Gatter (positive Logik)
NAND – Gatter (positive Logik)
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Verknüpfungen mit NOR- und NAND-Gattern
Wired –AND
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DTL–Leistungsgatter mit Eintakt-Ausgang
zur Ansteuerung
von NAND-Gatter
DTL–Leistungsgatter mit Gegentakt-Ausgang
zur Ansteuerung
von NAND- und
NOR-Gatter
Ausgangsbelastung bei DTL-Gatter verschieden:
NAND-Gatter belasten den Ausgang davor bei LOW-Pegel
NOR-Gatter belasten den Ausgang davor bei HIGH-Pegel
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6.3.2
TTL-Technik (Transistor-Transistor-Logik)
High-Power-TTL NAND-Gatter (74H-Serie)
Open
Collector
SN 74H03
Kennzeichen: Multiemittertransitor
TTL-Tristate Schaltung
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Schottky-TTL NAND-Gatter (74S-Serie)
Vorteil:
höhere Geschwindigkeit
Nachteil:
höhere Verlustleistung
Schottky-Familien

Schottky (S)-TTL

AdvancedSchottky (AS)-TTL

FASTSchottky (F)-TTL

Low-PowerSchottky (LS)-TTL

Advanced-LowPower-Schottky
(ALS)-TTL
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6.3.3 ECL–Technik (Emitter-Coupled-Logic)
ECL OR/NOR-Gatter
Stromumschalter mit Emitterkopplung
Ungesättigte Logikschaltung:
 hohe Geschwindigkeit
 wirkt wie Differenzverstärker
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6.3.4 CMOS–Technik (komplementär-symmetrische
Metall-Oxid-Halbleiter Logik)
CMOS NOR-Gatter
T1,T2...p-Kanal-MOS-FET
selbstsperrend
T3,T4...n-Kanal-MOS-FET
selbstsperrend
Standard Logik-Technologie:
 kleine Fläche --- hohe Packungsdichte
 geringe Stromaufnahme --- im Ruhezustand = 0
 große Störsicherheit --- Störabstand der Pegel größer
 hohe Fan-out-Werte --- extrem hochohmige Eingänge
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CMOS Inverter mit Ausgangstreiber
Übertragungskennlinien
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CMOS-Familien

Standard CMOS (4xxx Reihe, mit Puffer 4xxxB)

High-Speed-CMOS / HCMOS
(74HC… , mit Pegelumsetzer 74HCT…)

Advanced CMOS Logic / ACL (74AC… , 74ACT…)

Low Voltage CMOS (74LV… , 74LVT…)
Vergleichstabelle
**) mit Puffer höhere Ströme möglich
Interfaceschaltungen
CMOS-TTL
TTL- CMOS
TTL- HCTMOS
WICHTIG: Unbenutzte Eingänge sind
bei CMOS-NOR Gatter auf LOW-Potential und
bei CMOS-NAND Gatter auf HIGH-Potential zu legen.
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Vergleich ausgewählter Daten:
FACT....Fairchild ACL-Serie
Package Code (Beispiel, herstellerspezifisch)
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6.4
Logikschaltungen
6.4.1
Gatterkombinationen
UND-Verknüpfung mit NAND-Gatter (7400)
ODER-Verknüpfung mit NAND-Gatter (7400)
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Exklusiv-ODER (Antivalenz) mit NAND-Gatter
Exklusiv-NOR (Äquivalenz) mit NOR-Gatter
Schaltungsstruktur wie
oben mit NOR- (7402)
statt NAND-Gatter
(A · B) + (A · B) = Q
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Anschlüsse für Ein- und Ausgänge
Nicht benutzte Eingänge:
 parallel zu benutzten Eingängen schalten
 bei NAND-Gatter über 1k Widerstand an +UB
 bei NOR-Gatter direkt an Masse (0V)
Schmitt Trigger
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Monovibrator
Astabiler Multivibrator
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Start – Stop Oszillator
Taktgenerator mit Schwingquarz
Der 270pF Kondensator verhindert die
Schwingmöglichkeit auf Oberwellen.
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Prellfreier Schalter
Schalterprellen an einem Gatter:
Q
Prellfreier Schalter:
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6.4.2
Flip-Flop Schaltungen
RS-Flip-Flop
RS-NOR Flip-Flop
RS-NAND Flip-Flop
RS-Flip-Flop mit Taktzustandssteuerung
RS-Flip-Flop mit Taktflankensteuerung
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D-Flip-Flop
Taktzustandssteuerung
Taktflankensteuerung
JK-Flip-Flop
JK-Flip-Flop mit Taktflankensteuerung
JK-Master-Slave (MS)-Flip-Flop
Dr. M. Seebacher, 2005, Elektronik und Digitaltechnik (EDT), 3.Jg.
T-Flip-Flop
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6.4.3
Register
Auffangregister (Latch)
Schieberegister
D-MS-Flip-Flops
Umlaufschieberegister (Ringzähler)
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6.4.4
Frequenzteiler und Zähler
Vierstufiger Binäruntersetzer
Frequenzteiler mit ungeradem Verhältnis
1:3 Teiler mit JK-Flip-Flop
1:5 Teiler mit JK-Flip-Flop
Dr. M. Seebacher, 2005, Elektronik und Digitaltechnik (EDT), 3.Jg.
Seite 97
Taktgeber für genauen Sekundentakt
Mehrstelliger Zähler mit Multiplexanzeige
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Seite 98
6.4.5
Multiplexer / Demultiplexer
4 zu 1 Multiplexer
1 zu 4 Demultiplexer
Dr. M. Seebacher, 2005, Elektronik und Digitaltechnik (EDT), 3.Jg.
Seite 99
6.4.6
Speicher
RAM (Random Access Memory)
64x1 Bit RAM
ROM (Read Only Memory)
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6.4.7
Programmable Logic Device (PLD)
Programmierbares UND–ODER-Array (PLA)
Programmable Logic Sequencer (PLS)
Dr. M. Seebacher, 2005, Elektronik und Digitaltechnik (EDT), 3.Jg.
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7. STROMVERSORGUNG
7.1 Aufbau eines linearen Netzteils







U~
Schalter und primäre Sicherung
Netztrafo
Gleichrichter
Stützkondensator
Siebkette
oder  Spannungsregelung
Spannungsstabilisierung
Sekundäre Sicherung
Siebkette und
Spannungsstabilisierung
oder
Spannungsregelung
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U=
Seite 102
7.2
Gleichrichterschaltungen
7.2.1
Gleichrichter mit kapazitiver Belastung
Einweg-Gleichrichterschaltung
UL
~
~
L
~
L
Ausgangsspannung
UL = U- + UW
Gleichspannung
U- ~
~ 1,11.U~eff
Welligkeitsspannung UW ~
~ 1,5.I- /(CL) mit =2fU~
Diodenstrom
ID ~
~ 2,5.I-
; I- = U-/RL
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Vollweg-Gleichrichterschaltung
~
UL
L
L
Ausgangsspannung
UL = U- + UW
Gleichspannung
U- = 1,41.U~eff .cos(/2) ~
~ 1,18.U~eff
Welligkeitsspannung UW ~
~ 1,2.I- /(CL) mit =4fU~
Diodenstrom
ID ~
~ 1,24.I-
Eingangsstrom
I1 ~
~ 1,75.I-
; I- = U-/RL
Dr. M. Seebacher, 2007, Elektronik und Digitaltechnik (EDT), 3.Jg.
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7.2.2
Gleichrichter mit induktiver Belastung
~
UL
~
Ausgangsspannung:
UL = U- + UW
Gleichspannung:
U- ~
~ 0,9 .U~eff
Welligkeitsspannung:
UW ~
~ 1,2 .I- .L
mit =4fU~
Diodenstrom:
ID ~
~ 0,71.I- ; I- = U-/RL
Eingangsstrom:
I1 ~
~ I-
L
Dr. M. Seebacher, 2007, Elektronik und Digitaltechnik (EDT), 3.Jg.
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7.2.3
Brückengleichrichter mit LC-Siebkette
I-
U~
U1-
LS
I-
CL
CS
U2-
RL
Siebfaktor:
s=UW1/UW2
UWx ...Welligkeitsspannungen von Ux
Ux- .... Gleichspannungsanteil von Ux

s ~
~  LS.CS – 1 , wenn RL.CS
»1
UW1 ~
~1,2.U1- /(RL.CL) mit = 4fU~


UW2 = UW1 /s ~
~1,2.U1- /( RL.LS.CL.CS) , wenn  LS.CS
»1
U1- ~
~ 1,18.U~eff
U2-= U1- . RL/(RLS + RL) mit RLS ....ohmscher Anteil von LS
z.B. U~eff=220V, 50Hz ; RL=1k; CL=CS=1000F ; LS=1H
U2-~
~ 1,3mV
~390 ; UW2 ~
~ U1- ~
~260V ; UW1 ~
~0,5V ; s ~
Dr. M. Seebacher, 2007, Elektronik und Digitaltechnik (EDT), 3.Jg.
Seite 106
7.3 Strom- und Spannungsstabilisierung
7.3.1 Konstantquellen
Spannungsquelle mit Innenwiderstand
Ri
UL
Reale Spannungsquelle
L
L
UL
i
Ersatzschaltung
Spannung: UL= U0 – IL.Ri , mit Ri<<RL gilt: UL~ U0 konst.
U0
U0
I

I

Strom: L R  R ,mit Ri>>RL gilt: L
Ri konstant
i
L
Problem: sehr hohe Spannungen erforderlich
(z.B. Ri=100k, IL=100mA …. U0=10kV)
Abhilfe: es genügt, wenn diff. Widerstand ri 
Ersatzschaltung
U L
>>RL
IL
L
einer Stromquelle
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Seite 107
Parallelstabilisierung
Serienstabilisierung
Regelung über RP:
Regelung über RS:
RL größer.....RP kleiner
RL größer.....RS größer
U0 steigt .....RP kleiner
U0 steigt .....RS größer
Kenngrößen der Spannungsstabilisierung
U 0
U a
bei Nennlast
U0
Ua
bei Nennlast
Absoluter Stabilisierungsfaktor:
G
Relativer Stabilisierungsfaktor:
S G
U a
r

Differentieller Innenwiderstand: i
I L
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mit Ua=konst.
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7.3.2 Konstantspannungsquellen
(Parallelstabilisierung)
Zenerdiodenstabilisierung
G = 1 + RV/rZ
ri ~rZ
rZ...differentieller
Widerstand
der Z-Diode
(1...150)
Nur für kleine Leistungen geeignet
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Z-Diode und Quertransistor
G = 1 + RV/ri
ri = rZ/ + rBE/
Für höhere Ausgangsleistungen
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7.3.3 Spannungsquellen mit Serienstabilisierung
Stabilisierung mit Z-Diode und Längstransistor
Ausgangsspannung:
Ua = UZ - UBE
Glättungsfaktor:
G = 1 + R1/rZ
Vorteil: größere Leistungen als bei
einfacher Z-Dioden Stabilisierung
Strom- und Leistungsbegrenzung durch RC :
ICmax ~ ILK = U1/RC , ILK....Kurzschluss-Laststrom
ILmax ~ (U1 - Ua - UCemin) / RC
Ptot ~ IC . UCE
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7.3.4 Stabilisierung mit Spannungsregler-IC
(Serienstabilisierung)
Ladekondensator: CL/µF = 6,5 . Ig0/mA / U/V
Transformator:
US ~ 0,85 . Ug0 = 0,85 (Ua+UD+U/2)
PS ~ 1,4 . Ug0 . Ig0
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Seite 112
Erzeugung von symmetrischen Spannungen
Mit zwei Positiv-Spannungsreglern
Mit einem Positiv- und einem Negativ- Spannungsregler
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Seite 113
7.3.5 Konstantstromquellen
Jede Spannungsquelle kann zur Stromquelle werden!
Stromquelle mit bipolarem Transistor
IL 
U Z  U BE
6,2V

 12,1mA
RE
510
ri  rCE (1 
  RE
rBE  RE
)
Stromquelle mit Feldeffekt-Transistor (J-FET)
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Seite 114
7.4
Spannungsverdopplerschaltungen
7.4.1
Delon-Schaltung
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Seite 115
7.4.2
Villard-Schaltung
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Seite 116

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