Elektrotechnik für Ingenieure (eBook)

Vorwort 6
Inhaltsverzeichnis 7
1 Grundlagen der Elektrotechnik mit PSPICE 10
1.1 Kurzeinführung in PS PICE 10
1.1.1 Zeichnen einer Schaltung 10
1.1.2 Setzen von Bauelemente-Attributen 11
1.1.3 Simulation von Projekten 12
1.1.4 Auswertung von Simulationen 12
1.2 Simulation von Gleichstromkreisen 13
1.2.1 DC-Main-Sweep-Funktionen 14
1.2.2 Funktionen des PROBE -Fensters 16
1.2.3 DC-Nested-Sweep-Funktionen 18
1.3 Simulation von Wechselstromkreisen 21
1.3.1 Darstellung von Zeitfunktionen 22
1.3.2 Überlagerung von Zeitfunktionen 24
1.3.3 Messung elektrischer Größen 26
1.3.4 AC-Sweep-Funktionen 27
1.3.5 AC-Parametric-Sweep 30
1.3.6 Dreiphasensystem 35
1.3.7 Transformator 36
1.4 Simulation von Schaltvorgängen 38
1.4.1 Auf- und Entladen von RC-Kombinationen 38
1.4.2 Umschalten vorgeladener Kondensatoren 41
1.4.3 Ladungsausgleichsvorgänge 43
1.4.4 Schaltvorgänge in RL-Kombinationen 46
1.4.5 Schaltvorgänge in RLC-Kombinationen 47
1.5 Simulationsbeispiele 49
Simulationsbeispiel 1.1: Netzwerkberechnung 49
Simulationsbeispiel 1.2: Überlagerungssatz und Zweipoltheorie 51
Simulationsbeispiel 1.3: RC-Phasenkette 53
Simulationsbeispiel 1.4: Komplexe Übertragungsfunktion 55
Simulationsbeispiel 1.5: Leistung im Wechselstromkreis 56
Simulationsbeispiel 1.6: Leistungsanpassung im Wechselstromkreis 58
Simulationsbeispiel 1.7: Dreiphasensystem 60
Simulationsbeispiel 1.8: Transformator 63
Simulationsbeispiel 1.9: Umschalten vorgeladener Kondensatoren 64
Simulationsbeispiel 1.10: Spannungsverdoppler 68
Simulationsbeispiel 1.11: Ladungsausgleich 69
Simulationsbeispiel 1.12: Selbstinduktion 71
Simulationsbeispiel 1.13: Induktivitätsbestimmung 73
2 Passive Bauelemente 76
2.1 Klassifikationskriterien 76
2.2 Grundbauelemente 79
2.2.1 Widerstände 79
2.2.1 Widerstände 79
2.2.2 Kondensatoren 83
2.3 Homogene Halbleiter 102
2.3.1 Halbleiter-Übersicht 102
2.3.2 Thermistoren 107
2.3.3 Varistor 111
2.3.4 Fotowiderstand 113
2.3.5 Magnetfeldabhängige Halbleiter 115
2.4 Halbleiter-Dioden 124
2.4.1 pn-Übergang 124
2.4.2 Universaldiode 126
2.4.2 Universaldiode 126
2.4.3 Simulation von Halbleiter-Dioden 128
2.4.4 Gleichrichterdioden 132
2.4.5 Schaltdioden 136
2.4.6 Z-Diode 142
2.4.7 Varaktor-Dioden 146
2.4.8 pin-Diode 148
2.4.9 S CHOTTKY -Diode 148
2.5 Simulationsbeispiele 150
3 Aktive Bauelemente 169
3.1 Eigenschaften 169
3.2 Unipolare Transistoren 170
3.2.1 Sperrschicht-FET 171
3.2.2 MOS-FETs 173
3.2.3 Leistungs-MOS-FETs 176
3.2.4 Kenngrößen von FETs 177
3.2.5 PSPICE-Modelle von Feldeffekttransistoren 178
3.2.6 Elementare Anwendungen von Feldeffekttransistoren 185
3.3 Bipolare Transistoren 191
3.3.1 Aufbau und Wirkungsweise 191
3.3.2 Kennlinienfelder 193
3.3.3 Statische Kenngrößen 194
3.3.4 Dynamische Kenngrößen 196
3.3.5 Arbeitspunkteinstellung 201
3.3.6 Arbeitspunktstabilisierung 202
3.3.7 PSPICE-Modelle von bipolaren Transistoren 206
3.3.8 Frequenzabhängigkeiten 210
3.3.9 Elementare Anwendungen 216
3.4 Thyristoren 226
3.4.1 Aufbau und Wirkungsweise 226
3.4.2 Kennlinie und Kenngrößen 228
3.4.3 PSPICE -Modelldaten 230
3.4.4 Thyristor als Schalter 233
4 Optoelektronische Halbleiterbauelemente 260
4.1 Einteilung optoelektronischer Bauelemente 260
4.2 Strahlungskenngrößen 261
4.2.1 Radiometrische Größen 261
4.2.2 Fotometrische Größen 261
4.3 Fotodetektoren 262
4.3.1 Fotowiderstand 263
4.3.2 Fotodiode 263
4.3.4 Fototransistor 266
4.3.5 Fotothyristor 269
4.4 Fotoaktoren 270
4.4.1 Lumineszenzdiode 270
4.4.2 Optokoppler 273
4.5 Berechnungs- und Simulationsbeispiele 275
5 Operationsverstärker 281
5.1 Grundprinzip eines Operationsverstärkers 281
5.2 Kenngrößen des Operationsverstärkers 283
5.3 Ideales und reales Verhalten eines Operationsverstärkers 291
5.3.1 Ruhestrom-Kompensation 291
5.3.2 Offset-Kompensation 292
5.3.3 Frequenzgang-Korrektur 292
5.4 Grundschaltungen mit OV 294
5.4.1 Invertierender Verstärker 294
5.4.2 Nichtinvertierender Verstärker 295
5.5 Analoge Rechenschaltungen 298
5.5.1 Summenverstärker 298
5.5.2 Differenzverstärker 299
5.5.3 Differenzierer 300
5.5.4 Integrierer 301
5.6 Komparatoren 303
5.7 Konstantstromquellen 306
5.8 Spitzenwertgleichrichter 307
5.9 Aktive Filter 309
5.9.1 Tief- und Hochpässe 309
5.9.2 Bandpassschaltungen 318
5.10 Simulationsbeispiele 326
Anhang 355
A_1: Hinweise zur PSPICE- Evaluationssoftware 355
A_2: Hinweise zur Schreibweise in PSPICE 355
A_3: Häufige Fehlermeldungen von PSPICE 357
A_4: Erstellung einer PSPICE- Netzliste 358
Literaturverzeichnis 359
Sachwortverzeichnis 361

3 Aktive Bauelemente (S. 168)

3.1 Eigenschaften

Aktive Bauelemente sind elementare schaltungstechnische Grundglieder, die in der Lage sind, Signalenergie zu verstärken. In diesem Kapitel werden lediglich diskrete aktive Halbleiter-Bauelemente behandelt. Sie bestehen nur aus einem Funktionselement und werden als Transistor (Transfer resistor) oder als Thyristor (SCR = S ilicon C ontrolled R ectifier) bezeichnet.

Infolge der Existenz von mindestens einer Steuerelektrode verfügen diese Halbleiter-Bauelemente über mindestens drei Anschlüsse. Eine Einteilung ist nach verschiedenen Kriterien möglich, die typische Eigenschaften beschreiben sollen. Dazu zählen u.a.:

? die Grundstruktur (Schichtenfolge)

? die Art des Ladungstransports

? die Dotierung der Halbleiterschichten

? die Anordnung der Halbleiterschichten.

Die hier betrachteten aktiven Bauelemente können in ihrer Grundstruktur über bis zu zwei Funktionszonenübergänge (Transistoren) oder über mindestens drei Funktionszonenübergänge (Thyristoren) verfügen. Am Ladungstransport eines Transistors können nur die Majoritätsladungsträger (unipolar) oder beide Ladungsträgerarten (bipolar) beteiligt sein (siehe Bild 3.2). Danach unterscheidet man zwischen unipolaren und bipolaren Transistoren.

Die Dotierung der Halbleiterschichten bzw. von Halbleiterbereichen kann vom p-Typ oder vom n-Typ sein. Im Zusammenhang mit der Anordnung solcher Bereiche entstehen beim unipolaren Transistor p-leitende oder n-leitende Kanäle und beim bipolaren Transistor pnp- oder npn-Schichtenfolgen. Thyristoren bestehen aus mindestens drei Zonenübergängen, die in der Regel als eine pnpn-Folge in Form eines Vierschichtelementes ausgeführt sind.

Dabei kann ein Zonenübergang durchaus durch einen geeigneten Metall-Halbleiter-Kontakt ersetzt werden. Außerdem können zwei, drei oder alle vier Halbleiterzonen mit Anschlüssen versehen sein. Danach unterscheidet man zwischen Vierschicht-Dioden, Vierschicht-Trioden und Vierschicht-Tetroden. Durch eine Antiparallelschaltung entstehen dann spezielle Bauelemente der Leistungselektronik (vgl. Abschn. 3.4).

3.2 Unipolare Transistoren

Bei unipolaren Transistoren wird der Ladungstransport lediglich durch die Majoritätsladungsträger bestimmt. Die Existenz von Minoritätsladungsträgern beeinflusst das Funktionsprinzip eines Unipolartransistors nicht maßgeblich. Dieses grundlegende Funktionsprinzip beruht auf der Steuerung der Quantität des Ladungstransportes durch ein elektrisches Feld (FET = F ield E ffect T ransistor).

Im Vergleich zu einer Diode, bei der die Strömung senkrecht durch eine Grenzschicht hindurchdringt, fließt hier der Strom parallel zu dieser Schicht. Im Bild 3.4 ist das Modell eines S perrschicht-FET (S-FET oder JFET für J unction-FET) dargestellt. Die Grundstruktur dieses Modells besteht aus einem Halbleiterkanal (hier: n-Kanal), der von einer Schicht des entgegengesetzten Leitungstyps umgeben wird. Der Kanal ist an beiden Enden mit Kontaktierungen versehen, die mit S ource (Quelle) und D rain (Senke) bezeichnet werden.

Ohne den äußeren Steuergürtel ( G ate) würde sich die Anordnung wie ein normaler Halbleiterwiderstand verhalten. Wenn man an die Anschlüsse Drain und Source eine Spannung U DS >, 0 V anlegt, fließt ein Strom I D von Drain nach Source durch den Kanal. Die Steuerung dieses Stromes ist mit der Variation einer Spannung zwischen Gate und Source U GS möglich (Bild 3.5). Mit einer Vergrößerung des negativen Potentials am Gate ( U GS <, ,0 V « ) verbreitert sich die Sperrschicht des pn-Übergangs zwischen Gate und Kanal.