Elektronik für Ingenieure und Naturwissenschaftler (German Edition)

Dieses Lehrbuch vermittelt die Grundlagen der Elektronik und gibt einen Einblick in Anwendungen aus der Praxis. Es überzeugt durch sein didaktisches Konzept, die klaren Strukturen und die praxisnahen Beispiele. In der 7. Auflage wurden die Texte überarbeitet und aktualisiert sowie einige Kapitel durch neue Inhalte ergänzt. So wurden u.a. Abschnitte über die „Simulation elektronischer Schaltungen mit SPICE“ und die besonders im Praxiseinsatz wichtigen „Kleinsteuerungen“ hinzugefügt. "Es gibt wenige gute Grundlagen für den Elektronikingenieur; dieses Werk sollte man aber in jedem Fall zu seiner Pflichtlektüre machen!" (Elektronik)“ Vorwort zur siebten, aktualisierten und verbesserten Auflage 5 Inhaltsverzeichnis 7 Abkürzungsverzeichnis 19 1 Grundlagen der Elektrotechnik 27 1.1 Physikalische Größen und Einheiten 27 1.2 Grundbegriffe 27 1.3 Elektrische Netze – Kirchhoff'sche Regeln 35 1.4 Grafische Verfahren zur Ermittlung von Strömen und Spannungen 44 1.5 Maschen- und Knotenanalyse 48 1.6 Grundlagen der Wechselstromlehre 65 1.7 Bezeichnung und Messung elektrischer Größen 89 1.8 Grundlagen der Halbleiterphysik 91 1.9 Herstellung kompletter Schaltungen 113 1.10 Weiterführende Literatur 120 2 Passive Bauelemente 121 2.1 Elektronische Bauelemente 121 2.2 Widerstände 129 2.3 Kondensatoren 144 2.4 Induktivitäten 162 2.5 Dioden 172 3 Transistoren 193 3.1 Transistoren 193 3.2 Analoge Grundschaltungen mit bipolaren Transistoren 209 3.3 Feldeffekttransistoren 234 3.4 Schaltungstechnik mit Feldeffekttransistoren 243 3.5 Lineare und nichtlineare Verstärker 257 3.6 Zur Übung 263 3.7 Quarzoszillatoren 264 3.8 Weiterführende Literatur zu Abschn. 3.1 bis Abschn. 3.5 283 4 Hochfrequenz-Verstärker 285 4.1 Anpassung und Reflexion 285 4.2 Transport der Hochfrequenz auf Leitungen 286 4.3 Wellenwiderstand einer Hochfrequenzleitung 288 4.4 Eingangs- und Ausgangswiderstände von HF-Transistoren 289 4.5 Rauschparameter 292 4.6 Darstellung komplexer Größen 294 4.7 Anwendung des Smith-Diagramms 296 4.8 Aufbau von HF-Schaltungen aus fertigen HF-Bauteilen 300 4.9 Weiterführende Literatur 308 5 Bauelemente der Leistungselektronik 309 5.1 Passive Bauelemente 309 5.2 Aktive Bauelemente 323 5.3 Weiterführende Literatur 332 6 Optoelektronik 333 6.1 Einleitung 333 6.2 Radiometrische und fotometrische Größen 334 6.3 Halbleiter-Sender 338 6.4 Displays 355 6.5 Halbleiter-Detektoren 366 6.6 Optokoppler 393 6.7 Lichtwellenleiter 397 6.8 Zur Übung 403 6.9 Weiterführende Literatur 405 7 Sensoren 406 7.1 Grundlagen 406 7.2 Sensoren für die wichtigsten Messgrößen 411 7.3 Werkstoffe und Technologien 419 7.4 Bevorzugte Einsatzgebiete 427 7.5 Weiterführende Literatur 429 8 Analoge integrierte Schaltungen 430 8.1 Herstellung und Technologie 430 8.2 Operationsverstärker 431 8.3 Operationsverstärker mit statischer Beschaltung 450 8.4 Operationsverstärker mit dynamischer Beschaltung 467 8.5 Weitere wichtige integrierte Analogschaltungen 483 8.6 Zur Übung 490 8.7 Weiterführende Literatur 491 9 Digital-Analog (DA)-, Analog-Digital (AD)-Wandler und digitale Filter 492 9.1 Digital-Analog-Wandler (DA-Wandler) 492 9.2 Analog-Digital-Wandler (AD-Wandler) 502 9.3 Digitale Filter 515 9.4 Weiterführende Literatur 527 10 Elektronische Regler 528 10.1 Steuerung und Regelung 528 10.2 Grundlagen 529 10.3 Reglerentwurf 540 10.4 Zur Übung 552 10.5 Weiterführende Literatur 552 11 Grundlagen der digitalen Schaltungstechnik 553 11.1 Zahlensysteme 553 11.2 Kodes 563 11.3 Grundlagen der Boole'schen Algebra 575 11.4 Minimierung nach Karnaugh-Veitch 583 11.5 Zur Übung 594 11.6 Weiterführende Literatur 597 12 Digitale Bauelemente 598 12.1 Logikfamilien 599 12.2 Flip Flops und Zähler 618 12.3 Speicherbauteile und Speicheraufbau 623 12.4 Mikrorechner 631 12.5 Zur Übung 639 12.6 Weiterführende Literatur 640 13 Entwicklung digitaler Schaltungen 641 13.1 Entwicklungsphasen 641 13.2 Pulsfahrplan 647 13.3 Leitungen für digitale Signale 650 13.4 Störfreier Entwurf digitaler Schaltungen (Glitch-Free-Design) 664 13.5 Phase Locked Loop 667 13.6 Zur Übung 678 13.7 Weiterführende Literatur 680 14 ASIC 681 14.1 Übersicht 683 14.2 Programmierbare logische Bauteile (PLD) 687 14.3 Digitale Gate-Arrays 697 14.4 Standard-Zellen-ASIC 703 14.5 Weiterführende Literatur 708 15 Schnittstellen, Bussysteme und Netze 709 15.1 Grundbegriffe der Datenübertragung 710 15.2 Parallele Schnittstellen 716 15.3 Serielle Schnittstellen 721 15.4 Bussysteme 738 15.5 Netze 747 15.6 Ethernet 753 15.7 Weiterführende Literatur 765 16 Speicherprogrammierbare Steuerungen 767 16.1 Einführung 767 16.2 Aufbau und Funktionsweise einer SPS 773 16.3 Befehle einer SPS 776 16.4 Programmierung einer SPS 798 16.5 Kleinsteuerungen 811 16.6 Zur Übung 813 16.7 Weiterführende Literatur 814 16.8 Marken und Warenzeichen 814 17 Spannungsversorgungen 815 17.1 Trafonetzgeräte 815 17.2 Spannungswandler 826 17.3 Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) 838 17.4 Entstörtechnik und Netzfilter 842 17.5 Zur Übung 845 17.6 Weiterführende Literatur 845 18 Lösungen der Übungsaufgaben 847 18.1 Grundlagen der Elektrotechnik 847 18.2 Passive Bauelemente 849 18.3 Aktive Bauelemente 849 18.4 Hochfrequenz (HF)-Verstärker 849 18.5 Bauelemente der Leistungselektronik 850 18.6 Optoelektronik 850 18.7 Sensoren 851 18.8 Analoge integrierte Schaltungen 851 18.9 Digital-Analog- und Analog-Digital-Wandler 852 18.10 Elektronische Regler 852 18.11 Grundlagen der digitalen Schaltungstechnik 854 18.12 Digitale Bauelemente 858 18.13 Entwicklung digitaler Schaltungen 858 18.14 ASIC 861 18.15 Schnittstellen, Bussysteme und Netze 862 18.16 Speicherprogrammierbare Steuerungen 862 18.17 Spannungsversorgung 864 Sachverzeichnis 865 Dieses Lehrbuch vermittelt die Grundlagen der Elektronik und gibt einen Einblick in Anwendungen aus der Praxis. Es überzeugt durch sein didaktisches Konzept, die klaren Strukturen und die praxisnahen Beispiele. In der 7. Auflage wurden die Texte überarbeitet und aktualisiert sowie einige Kapitel durch neue Inhalte ergänzt. So wurden u.a. Abschnitte über die „Simulation elektronischer Schaltungen mit SPICE" und die besonders im Praxiseinsatz wichtigen „Kleinsteuerungen" hinzugefügt. "Es gibt wenige gute Grundlagen für den Elektronikingenieur; dieses Werk sollte man aber in jedem Fall zu seiner Pflichtlektüre machen!" (Elektronik)" Der Inhalt Grundlagen der Elektrotechnik.- Passive Bauelemente.- Aktive Bauelemente.- Hochfrequenz (HF)-Verstärker.- Bauelemente der Leistungselektronik.- Optoelektronik.- Sensoren.- Analoge integrierte Schaltungen.- Digital-Analog- und Analog-Digital-Wandler.- Elektronische Regler.- Grundlagen der digitalen Schaltungstechnik.- Digitale Bauelemente.- Entwicklung digitaler Schaltungen.- ASIC.- Schnittstellen, Bussysteme und Netze.- Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS).- Spannungsversorgungen.- Lösungen der Übungsaufgaben. Die Zielgruppen Studierende der Elektrotechnik und Informationstechnik und Ingenieure in der Praxis. Die Autoren Ekbert Hering war Rektor der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Aalen, lehrte Physik, Informatik und Management und hat sich seit dem Erscheinen des Buches "Physik für Ingenieure" als Autor erfolgreicher Fach-, Sach- und Lehrbücher einen Namen gemacht. Viele seiner Werke gehören mittlerweile zur Standardliteratur von Ingenieuren und Praktikern im Ingenieurbereich. Der Name Hering steht heute für die Fertigkeit, mit Hilfe eines kompetenten Autorenteams Themengebiete vorbildlich strukturiert und praxisnah aufzuarbeiten. Klaus Bressler war in den vergangenen 30 Jahren in der Entwicklung Funknavigation für die zivile Luftfahrt tätig. Dazu gehörten Planung neuer Systeme, Entwicklung von Analogschaltungen, die Integration der Einzelbaugruppen zu einem funktionierenden System und die technische Betreuung der Produktion. Seit 2005 im Ruhestand, arbeitete er als Berater und bis 2011 an Sonderaufgaben bei Thales Air Systems. Jürgen Gutekunst, der Berufseinstieg erfolgte 1984 bei SEL in Zuffenhausen im Bereich der Flugzeugnavigation. Seit 1990 leitet er bei der Fa. Gebr. Heller GmbH in Nürtingen die Hardware-Entwicklung, bevor er 1999 die technische Geschäftsleitung bei der Fa. Murrelektronik in Oppenweiler übernommen hat. Seit 2006 ist er bei der Fa. Balluff GmbH mit dem Auf- und Ausbau des neuen Geschäftsbereiches Networking und Systeme beauftragt und in verschiedenen Arbeitskreisen zum Thema „dezentrale Installationstechnik" tätig. Front Matter....Pages I-XXVI Grundlagen der Elektrotechnik....Pages 1-94 Passive Bauelemente....Pages 95-166 Transistoren....Pages 167-258 Hochfrequenz-Verstärker....Pages 259-282 Bauelemente der Leistungselektronik....Pages 283-306 Optoelektronik....Pages 307-379 Sensoren....Pages 381-404 Analoge integrierte Schaltungen....Pages 405-466 Digital-Analog (DA)-, Analog-Digital (AD)-Wandler und digitale Filter....Pages 467-502 Elektronische Regler....Pages 503-527 Grundlagen der digitalen Schaltungstechnik....Pages 529-573 Digitale Bauelemente....Pages 575-617 Entwicklung digitaler Schaltungen....Pages 619-658 ASIC....Pages 659-686 Schnittstellen, Bussysteme und Netze....Pages 687-744 Speicherprogrammierbare Steuerungen....Pages 745-792 Spannungsversorgungen....Pages 793-824 Lösungen der Übungsaufgaben....Pages 825-842 Back Matter....Pages 843-851 Diese Einführung ist Praxis-Kompendium und zugleich wissenschaftliches Lehrbuch zu allen wichtigen Gebieten der Elektronik. Es überzeugt durch seine klare Strukturierung, sein didaktisches Konzept und zahlreiche praxisnahe Berechnungsbeispiele. Die Autoren spannen den Bogen von den Grundlagen der elektrischen Netzwerke, der Halbleiterphysik und Bauelemente bis zur Digitaltechnik. Für die 6. Auflage wurden die Inhalte aktualisiert und alle Daten auf den neuesten Stand gebracht, u. a. für das Gebiet der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV).