1 Gleichstrom 21

1.1 Grundgrößen und Grundbegriffe 21
1.1.1 Elektrische Ladung 21
1.1.2 Elektrischer Strom 21
1.1.3 Elektrische Spannung und Potenzial 22
1.1.4 Elektrischer Widerstand 24
1.1.5 Ohm'sches Gesetz 27
1.1.6 Elektrische Arbeit und Leistung 28

1.2 Zusammengesetzte Widerstände 30
1.2.1 Reihenschaltung von Widerständen und Spannungsteilung 30
1.2.2 Parallelschaltung von Widerständen und Stromteilung 30
1.2.3 Gemischte Schaltung von Widerständen 31
1.2.4 Dreieck-Stern-Umwandlung 32

1.3 Stromkreise und Netzwerke 33
1.3.1 Grundstromkreis 33
1.3.1.1 Darstellung mit Spannungsquelle 33
1.3.1.2 Darstellung mit Stromquelle 34
1.3.1.3 Wirkungsgrad im Grundstromkreis 35
1.3.1.4 Leistungsanpassung 35
1.3.2 Kirchhoff'sche Regeln 36
1.3.3 Berechnung von Netzwerken 37
1.3.3.1 Knotenpunkt- und Maschensatz 37
1.3.3.2 Überlagerungssatz 39
1.3.3.3 Zweipoltheorie 40
1.3.3.4 Maschenstromverfahren 41
1.3.3.5 Knotenspannungsverfahren 41
1.3.4 Belasteter Spannungsteiler 42

1.4 Messung der elektrischen Grundgrößen 43
1.4.1 Messung von Spannung und Strom 43
1.4.2 Messung des Widerstandes 45
1.4.2.1 Direkte Messung 45
1.4.2.2 Wheatstone-Brücke 46
1.4.2.3 Thomson-Brücke 46
1.4.3 Messung der Leistung 47


2 Elektrische und magnetische Felder 49

2.1 Elektrostatisches Feld 49
2.1.1 Elektrische Feldstärke 49
2.1.2 Influenz 50
2.1.3 Verschiebungsdichte und Verschiebungsfluss 50
2.1.4 Dielektrikum 51
2.1.5 Kondensatoren 52
2.1.5.1 Kapazität 52
2.1.5.2 Schaltung von Kondensatoren 52
2.1.5.3 Berechnung der Kapazität von Kondensatoren 54
2.1.5.4 Geschichtetes Dielektrikum 54
2.1.5.5 Ladung und Entladung von Kondensatoren 55
2.1.6 Kräfte im elektrischen Feld 57
2.1.7 Energie im elektrischen Feld 59
2.1.8 Piezoelektrischer Effekt 59
2.1.9 Thermoelektrischer Effekt 61
2.1.10 Lichtelektrischer Effekt 61

2.2 Stationäres elektrisches Strömungsfeld 62
2.2.1 Strömungsfeld 62
2.2.2 Stromdichte 63
2.2.3 Stromdichte und Feldstärke 64
2.2.4 Feldstärke und Potenzial 65

2.3 Magnetisches Feld 66
2.3.1 Magnetische Feldstärke 66
2.3.1.1 Durchflutungssatz 67
2.3.1.2 Gesetz von Biot-Savart 69
2.3.2 Magnetische Flussdichte 70
2.3.3 Magnetischer Fluss und Streuung 71
2.3.4 Permeabilität 72
2.3.5 Magnetismus des Eisens 73
2.3.6 Arten magnetischerWerkstoffe 74
2.3.7 Ohm'sches Gesetz des magnetischen Kreises 76
2.3.8 Eisengefüllte magnetische Kreise 77
2.3.8.1 Unverzweigter magnetischer Kreis ohne Luftspalt 78
2.3.8.2 Zusammengesetzter magnetischer Kreis 79
2.3.8.3 Scherung der Magnetisierungskurve 80
2.3.8.4 Flussdichte bei gegebener Durchflutung 81
2.3.8.5 Verzweigter magnetischer Kreis 81
2.3.9 Induktionsgesetz 82
2.3.9.1 Ruhende Spule und zeitlich veränderliches Magnetfeld 82
2.3.9.2 Ruhendes Magnetfeld und bewegter gerader Leiter 83
2.3.9.3 Lenz'sche Regel 84
2.3.9.4 Prinzip des Gleichstromgenerators 84
2.3.9.5 Wirbelströme 85
2.3.9.6 Skineffekt 86
2.3.10 Selbstinduktion 87
2.3.11 Gegeninduktivität und induktive Kopplung 90

2.4 Kräfte und Energie im Magnetfeld 91
2.4.1 Kraft auf eine bewegte elektrische Ladung 91
2.4.2 Kraft auf geradlinige Stromleiter 91
2.4.3 Kraft zwischen zwei parallelen Stromleitern 92
2.4.4 Prinzip des Gleichstrommotors 93
2.4.5 Energie des magnetischen Feldes 94
2.4.5.1 Energie bei konstanter Permeabilität 94
2.4.5.2 Energie im eisengefüllten Kreis 94
2.4.5.3 Hysteresisarbeit 95
2.4.5.4 Zugkraft von Magneten 96
2.4.5.5 Supraleitende Magnete 96
2.4.6 Schaltvorgänge mit Induktivitäten 97
2.4.7 Hall-Effekt 99
2.4.8 Elektromagnetische Verträglichkeit 101


3 Wechselstrom 102

3.1 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 phasenverschobenerWechselgrößen gleicher Frequenz 104
3.1.5 Mittelwerte sinusförmiger Wechselgrößen 105
3.1.6 Scheitel- und Formfaktor 107

3.2 Widerstände im Wechselstromkreis 109
3.2.1 Wirkwiderstand 109
3.2.2 Induktiver Widerstand 109
3.2.3 Kapazitiver Widerstand 110

3.3 Komplexe Wechselgrößen 112
3.3.1 Grundlagen 112
3.3.2 Arithmetik 113

3.4 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

3.5 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


4 Besondere Wechselstromkreise 134

4.1 Zusammengesetzte Schaltungen 134
4.1.1 Komplexer Spannungs- und Stromteiler 134
4.1.2 Gemischte Schaltungen 136
4.1.2.1 Parallelschaltung mit komplexenWiderständen 136
4.1.2.2 Wechselstromparadoxon 136
4.1.2.3 90_-Schaltung nach Hummel 137
4.1.2.4 RC-Kombination mit Phasendrehung um 90 Grad 138
4.1.2.5 RC-Kombination mit Phasendrehung um 180 Grad 139

4.2 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 RC-Glied als Hochpass 150
4.2.5.2 RC-Glied als Tiefpass 151
4.2.5.3 RC-Kombination als Bandpass 152

4.3 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

4.4 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 164
4.4.8 Kapp-Diagramm 165
4.4.9 Verluste undWirkungsgrad des Transformators 166
4.4.10 Spartransformator 167

4.5 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

4.6 Inversion komplexer Wechselgrößen 174
4.6.1 Inversion eines einzelnen Zeigers 174
4.6.2 Wahl des Maßstabs 176
4.6.3 Inversion von Punkten, Geraden und Kreisen 176
4.6.3.1 Punkt 176
4.6.3.2 Geraden, durch den Nullpunkt laufend 176
4.6.3.3 Geraden, parallel zu einer Achse und nicht durch den Nullpunkt laufend 177
4.6.3.4 Geraden, nicht achsenparallel und nicht durch den Nullpunkt laufend 178
4.6.3.5 Kreis, nicht durch den Nullpunkt laufend 179

4.7 Ortskurven 180
4.7.1 Definition 180
4.7.2 Maßstäbe und Maßteilungen 180
4.7.3 Ortskurven von Grundschaltungen 181
4.7.3.1 L in Reihe mit veränderlichem R 181
4.7.3.2 R und L in Reihe bei variabler Frequenz 182
4.7.3.3 Reihenresonanz bei veränderlicher Frequenz 184
4.7.3.4 Normierte Darstellung der Reihenresonanz 184
4.7.3.5 R und L parallel bei variabler Frequenz 186
4.7.4 Ortskurven gemischter Schaltungen 186
4.7.4.1 Addition eines konstantenWiderstandes 187
4.7.4.2 Nullpunktverschiebung der Ortskurve einer gemischten Schaltung 188
4.7.5 Konstruktion von Ortskurven mittels Wertetabelle 189


5 Signale und Systeme 192

5.1 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

5.2 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 Laplace-Transformation 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
5.2.3.3 Abtasttheorem 216
5.2.3.4 Bandbegrenzung 216

5.3 Elemente der digitalen Signalverarbeitung 218
5.3.1 Diskrete Signale 218
5.3.2 Zeitdiskrete Systeme 219
5.3.3 z-Transformation 222
5.3.4 Zusammenfassendes Beispiel 224


6 Bauelemente der Elektronik 228

6.1 Begriffsbestimmung und Übersicht 228

6.2 Leiterplatten 228
6.2.1 Halbzeuge 228
6.2.2 Entwurf und Herstellung von Leiterplatten 230
6.2.3 Leiterplatten-Montagetechniken 232

6.3 Die internationalen E-Reihen 233

6.4 Widerstände 234
6.4.1 Der Widerstand als Bauelement 234
6.4.2 Festwiderstände 235
6.4.3 Einstellwiderstände 237

6.5 Kondensatoren 237
6.5.1 Kenngrößen 237
6.5.2 Technische Kondensatoren 238
6.5.3 Kondensatoren mit veränderbarer Kapzität 239

6.6 Spulen 240
6.6.1 Kenngrößen 240
6.6.2 Technische Spulen 240

6.7 Physikalische Grundlagen der Halbleiter 241
6.7.1 Reine Halbleiter 241
6.7.2 Dotierte Halbleiter 243
6.7.3 pn-Übergänge 244
6.7.3.1 Wirkprinzip 244
6.7.3.2 Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-Übergangs 246
6.7.3.3 Kleinsignalverhalten des pn-Übergangs 248
6.7.3.4 Schaltverhalten des pn-Übergangs 248
6.7.3.5 Thermisches Verhalten des pn-Übergangs 249
6.7.3.6 Herstellungsverfahren für pn-Übergänge 250

6.8 Halbleiterdioden 251
6.8.1 Gleichrichter- und Schaltdioden 251
6.8.2 PIN- und PSN-Dioden 252
6.8.3 Schottky-Dioden 253
6.8.4 Heterodioden 254
6.8.5 Z-Dioden 255
6.8.6 Tunneldioden 257
6.8.7 Backwarddioden 258
6.8.8 Kapazitätsdioden 259
6.8.9 Spezielle Diodenarten 259

6.9 Bipolare Transistoren 260
6.9.1 Aufbau und Wirkprinzip 260
6.9.2 Grundschaltungen des Transistors 264
6.9.3 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 SteuerbarerWiderstand 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 301
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
6.12.4 Lichtemittierende Fotohalbleiter 312
6.12.4.1 Lumineszenzeffekt in Halbleitern 312
6.12.4.2 Lumineszenzdioden (LED) 313
6.12.4.3 LED-Anzeigesysteme (Display-Bauelemente) 314
6.12.4.4 Halbleiter-Injektionslaser 314
6.12.5 Optoelektronische Koppelelemente 315
6.12.6 Feldeffekt-Anzeigeelemente 315

6.13 Halbleitersensoren 316
6.13.1 Temperatursensoren 316
6.13.1.1 Heißleiter 316
6.13.1.2 Kaltleiter 318
6.13.1.3 Thermoelemente 319
6.13.2 Drucksensoren 321
6.13.2.1 PiezoresistiveWandler 321
6.13.2.2 PiezoelektrischeWandler 322
6.13.3 Magnetfeldsensoren 322
6.13.3.1 Feldplatten 322
6.13.3.2 Hall-Generatoren 323
6.13.3.3 Reed-Kontakte 324
6.13.4 Feuchtesensoren 325
6.13.5 Gassensoren 326
6.13.6 Fotosensoren 327
6.13.7 Auswerteprinzipien und Messschaltungen für Sensoren 327

6.14 Integrierte Schaltungen 328
6.14.1 Übersicht 328
6.14.2 Filmschaltkreise 329
6.14.3 Festkörperschaltkreise 330
6.14.3.1 Grundlagen 330
6.14.3.2 Herstellungszyklen 330
6.14.3.3 Schaltkreistechnologien 331
6.14.3.4 Schaltkreisentwurf 335
6.14.4 Schaltkreisgehäuse 336

6.15 Kühlung von Halbleiterbauelementen 337

6.16 Rauschen elektronischer Bauelemente 339
6.16.1 Grundbeziehungen und Widerstandsrauschen 339
6.16.2 Äquivalenter Rauschwiderstand 340
6.16.3 Rauschzahl und Rauschmaß 340
6.16.4 Rauschen von Feldeffekttransistoren 340
6.16.5 Rauschen bipolarer Transistoren 341


7 Analoge Schaltungen 343

7.1 Begriffsbestimmung und Übersicht 343

7.2 Analysemethoden 345
7.2.1 Vierpolanalyse (Zweitoranalyse) 345
7.2.1.1 Systematik 346
7.2.1.2 Beschreibungsformen 347
7.2.1.3 Zusammenschaltung 350
7.2.1.4 Widerstände und Übertragungsfaktoren 352
7.2.1.5 Wellenbezogene Parameter 354
7.2.2 Knotenspannungsanalyse 356
7.2.3 Computergestützte Netzwerk-Analysen 358

7.3 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-A-Betrieb 378
7.3.6.3 Emitterfolger im Gegentakt-B-Betrieb 380
7.3.6.4 Emitterfolger im Gegentakt-AB-Betrieb 381

7.4 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

7.5 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

7.6 Oszillatoren 405
7.6.1 Begriffsbestimmung und Übersicht 405
7.6.2 RC-Oszillatoren 405
7.6.2.1 Wien-Oszillator 406
7.6.2.2 Wien-Robinson-Oszillator 407
7.6.3 Quarzoszillatoren 408
7.6.3.1 Elektrische Eigenschaften des Quarzes 408
7.6.3.2 Hinweise zu einfachen Oszillatoren 410

7.7 Analog/Digital- und Digital/Analog-Umsetzer 411
7.7.1 Analog/Digital-Umsetzer 412
7.7.1.1 Parallelverfahren 412
7.7.1.2 Wägeverfahren 414
7.7.1.3 Abtast- und Halteschaltung 415
7.7.1.4 Zählverfahren 417
7.7.1.5 Hinweise zu weiteren Umsetzverfahren 419
7.7.2 Digital/Analog-Umsetzer 420
7.7.2.1 Prinzip der Parallelumsetzung 421
7.7.2.2 Umsetzverfahren mit R-2R-Netzwerk 422
7.7.2.3 Analogschalter 423


8 Digitale Schaltungen 425

8.1 Begriffsbestimmung und Übersicht 425

8.2 Grundlagen der Schaltalgebra 427
8.2.1 Logische Funktionen 427
8.2.1.1 Logische Grundfunktionen 428
8.2.1.2 Abgeleitete Logikfunktionen 429
8.2.2 Rechenregeln 430
8.2.3 Minimierung mit Karnaugh-Plan 432

8.3 Logische Grundschaltungen 433
8.3.1 Logische Pegel 434
8.3.2 Integrierte Schaltkreise 435
8.3.2.1 TTL-Schaltkreise 435
8.3.2.2 CMOS-Schaltkreise 443
8.3.2.3 Weitere Standardschaltkreise 447
8.3.2.4 Anwenderspezifische Schaltkreise (ASIC) 447

8.4 Ausgewählte Bausteine für Schaltnetze 450
8.4.1 Komparatoren 450
8.4.2 Multiplexer und Demultiplexer 452
8.4.3 Codeumsetzer 454
8.4.4 Addierer 457

8.5 Elementare Kippschaltungen 461
8.5.1 Begriffsbestimmung und Übersicht 461
8.5.2 Bistabile Kippschaltungen (Flipflop) 462
8.5.2.1 Ungetaktete Flipflop 462
8.5.2.2 Zustandsgesteuerte Einspeicher-Flipflops 465
8.5.2.3 Zustandsgesteuerte Zweispeicher-Flipflops 466
8.5.2.4 Flankengesteuerte Flipflops (edge-triggered bistable) 467
8.5.3 Schmitt-Trigger 469
8.5.3.1 Schmitt-Trigger mit Operationsverstärkern 469
8.5.3.2 Schmitt-Trigger mit digitalen Schaltkreisen 471
8.5.4 Monostabile Kippschaltungen 471
8.5.4.1 Monostabile Kippschaltungen mit Logikgattern 471
8.5.4.2 Integrierte Monoflop-Bausteine 472
8.5.5 Astabile Kippschaltungen 473

8.6 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

8.7 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

8.8 Programmierbare Logikbausteine 505
8.8.1 PAL-Grundstrukturen 506
8.8.2 Reprogrammierbare PLD 508

8.9 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 40 900 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


9 Stromversorgungsschaltungen 517

9.1 Grundfunktionen konventioneller Netzteile 517
9.1.1 Transformation der Netzwechselspannung 518
9.1.2 Gleichrichtung 522
9.1.2.1 Einweggleichrichtung 522
9.1.2.2 Zweiweggleichrichtung 523
9.1.2.3 Gleichrichtung mit Spannungsvervielfachung 525
9.1.3 Glättung und Siebung 527
9.1.3.1 Glättung mit Ladekondensator 527
9.1.3.2 Siebung mit frequenzabhängigen Bauelementen 532

9.2 Spannungsstabilisierung 533
9.2.1 Begriffsbestimmung und Überblick 533
9.2.2 Erzeugung von Referenzspannungen 534
9.2.2.1 Diskrete Schaltungen mit Z-Dioden 534
9.2.2.2 Integrierte Referenzspannungsquellen 536
9.2.3 Stetige Gleichspannungsregelung 538
9.2.3.1 Grundschaltung aus diskreten Bauelementen 538
9.2.3.2 Integrierte Regler mit einstellbarer Spannung 539
9.2.3.3 Integrierte Festspannungsregler 540
9.2.4 Unstetige Regelung mit Schaltregler 541
9.2.4.1 Begriffsbestimmung und Übersicht 541
9.2.4.2 Gleichspannungswandler 543
9.2.4.3 Wandler für Netzbetrieb 547
9.2.4.4 Integrierte Ansteuerschaltungen 552


10 Elektrische Maschinen 554

10.1 Begriffsbestimmung und Übersicht 554
10.1.1 Klassifikation 554
10.1.2 Bauformen 556
10.1.3 Schutzarten 557
10.1.4 Erwärmung und Kühlung 558
10.1.4.1 Erwärmung 558
10.1.4.2 Kühlung 558
10.1.5 Betriebsarten 559
10.1.6 Leistungsschild 560
10.1.7 Wichtige Vorschriften, Normen und Empfehlungen 561

10.2 Gleichstrommaschinen 561
10.2.1 Wirkungsweise 562
10.2.1.1 Mechanischer Aufbau 562
10.2.1.2 Drehmomentenbildung und Drehzahl 563
10.2.1.3 Spannungsinduktion 565
10.2.2 Klassifikation der Bauarten 565
10.2.3 Ankerrückwirkung 567
10.2.4 Betriebsverhalten 569
10.2.4.1 Fremderregter Gleichstrommotor 569
10.2.4.2 Gleichstrom-Nebenschlussmotor 570
10.2.4.3 Gleichstrom-Reihenschlussmotor 571
10.2.5 Drehzahlstellmöglichkeiten 572
10.2.5.1 Ankerwiderstand RA 572
10.2.5.2 Feldschwächung 573
10.2.5.3 Spannungsänderung 574
10.2.5.4 Geregelter Gleichstromantrieb 574
10.2.6 Elektrisches Bremsen 574
10.2.6.1 Nutzbremsung 575
10.2.6.2 Widerstandsbremsung 576
10.2.6.3 Gegenstrombremsung 576

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
10.6.2 Mechanischer Aufbau 638
10.6.3 Betriebsverhalten 638
10.6.4 Steuerung 641
10.6.5 Anwendung 642

10.7 Linearmotoren 642
10.7.1 Wirkungsweise 643
10.7.2 Mechanischer Aufbau 643
10.7.3 Betriebsverhalten 644
10.7.4 Anwendung 645


Abkürzungsverzeichnis zur Elektronik 646


Formelzeichenverzeichnis 650


Literaturverzeichnis 657


Sachwortverzeichnis 667