Peter F. Orlowski Praktische Elektronik Analogtechnik und Digitaltechnik für die industrielle Praxis Praktische Elektronik Peter F. Orlowski Praktische Elektronik Analogtechnik und Digitaltechnik für die industrielle Praxis PeterF.Orlowski TechnischeHochschuleMittelhessen Gießen,Deutschland ZusätzlicheMaterialienfindenSieunter:http://www.springer.com/978-3-642-39004-3 ISBN978-3-642-39004-3 ISBN978-3-642-39005-0(eBook) DOI10.1007/978-3-642-39005-0 DieDeutscheNationalbibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschenNationalbibliografie;de- tailliertebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar. SpringerVieweg ©Springer-VerlagBerlinHeidelberg2013 DasWerkeinschließlichallerseinerTeileisturheberrechtlichgeschützt.JedeVerwertung,dienichtaus- drücklichvomUrheberrechtsgesetzzugelassenist,bedarfdervorherigenZustimmungdesVerlags.Dasgilt insbesonderefürVervielfältigungen,Bearbeitungen,Übersetzungen,MikroverfilmungenunddieEinspei- cherungundVerarbeitunginelektronischenSystemen. DieWiedergabe vonGebrauchsnamen,Handelsnamen,Warenbezeichnungenusw.indiesemWerkbe- rechtigtauchohnebesondereKennzeichnungnichtzuderAnnahme,dasssolcheNamenimSinneder Warenzeichen-undMarkenschutz-Gesetzgebungalsfreizubetrachtenwärenunddahervonjedermann benutztwerdendürften. GedrucktaufsäurefreiemundchlorfreigebleichtemPapier. Springer ViewegisteineMarkevonSpringerDE.Springer DEistTeilderFachverlagsgruppeSpringer Science+BusinessMedia www.springer-vieweg.de Vorwort DasvorliegendeBuchisteinanwendungsorientiertesKompendiumderAnalog-undDigi- taltechnikfürStudierendederElektrotechnikunddesMaschinenbaussowiefürIngenieure inderindustriellenPraxis. DasWerkbasiertauflangjährigerindustriellerPraxisinderAnlagenprojektierungund GeräteentwicklungsowiedemVorlesungs-undLaborbetriebimBereichderAngewandten ElektronikalsauchderMess-undRegeltechnik. EshatdieZielsetzung,BasiswissenderElektronikzusammenmitdenzugehörigenma- thematischenGrundlagenkompaktundstetsanpraxisnahenBeispielenorientiertzuver- mitteln. IndenKapitelnderAnalogtechnikwerdenvornehmlichSchaltungenmitOperations- verstärkernundihreAnwendungenbehandelt,ergänztdurchmess-undregeltechnische ApplikationenausverschiedenenBereichenderAutomatisierungstechnik.Voraussetzung fürdenSchaltungsentwurfsindlediglichdieGrundkenntnissederElektrotechnik. DieKapitelderDigitaltechnikbefassensichvornehmlichmitSchaltungenderCMOS- TechnikundderenzahlreicheAnwendungenausderindustriellenPraxis. ImletztenKapitelisteineEinführungindieSPS-Programmierungdargestellt,dieauf demGrundwissenderDigitaltechnikbasiert. ZudenverschiedenenSchaltungensinddiejeweiligenindustriellenAnwendungsgebie- teangegeben. DiewichtigstenanalogenunddigitalenDatenblättersowieVideosmitLaborversuchen sindvonderHomepagedesAutorsabrufbar: prof-orlowski.jimdo.com ImAnhangfindensichdieLaborversuchedargestelltsowiePrüfungsaufgabenundLö- sungshinweise. Linden,Sommer2013 PeterF.Orlowski V Inhaltsverzeichnis 1 GrundzügederAnalogtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 GrößenundEinheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 GrundlegendeBauelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 GesetzeelekrischerNetzwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.4 Wechselspannungsnetzwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.5 Ausgleichsvorgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.5.1 Carson-Laplace-Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.5.2 Gleichstromschaltvorgänge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.5.3 Wechselstromschaltvorgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2 OperationsverstärkerGrundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.1 IdealerundrealerOP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.2 Grundschaltungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2.1 Inverter,Summierer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.2.2 Differenzbildner(Differenzverstärker) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.2.3 Signumschalter,Spannungsfolger. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.2.4 Integrierer,Differenzierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.2.5 PI-undPID-Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.2.6 PassiveFilter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.2.7 AktiveFilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.3 Optimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 2.3.1 Frequenzkorrektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 2.3.2 Offsetabgleich. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 2.3.3 VariableVerstärkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3 SpezielleAnalogschaltungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.1 Logarithmierer,Exponentialglied . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.2 Multiplizierer,Dividierer,Potenzfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.3 Funktionsgeneratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3.4 Komparatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.5 Analogschalter,Analogspeicher. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 VII VIII Inhaltsverzeichnis 3.6 Betragsbildner,U/I-undI/U-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 3.7 U/f-undf/U-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 3.8 Interface-Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 3.9 StörquelleninAnalogschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 4 Mess-undRegeltechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 4.1 Messwerterfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 4.1.1 Drehzahlmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 4.1.2 Strommessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 4.1.3 Druck-undZugkraftmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 4.1.4 Temperaturmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 4.1.5 AnalogerDurchmesserrechner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 4.1.6 Abbremsautomatik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 4.2 KonstanterundNetzteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 4.3 RegelungelektrischerAntriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 4.3.1 ReglerundStrecken. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 4.3.2 Sollwertgeber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 5 GrundzügederDigitaltechnik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 5.1 Grundverknüpfungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 5.2 LogischeOperationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 5.3 VereinfachungboolescherFunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 5.3.1 Funktionen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 5.3.2 Veitch-Diagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 5.3.3 MinimalformeinerFunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 5.3.4 Umcodierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 5.4 Nicht-boolescheAlgebra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 5.4.1 Schwellwertlogik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 5.4.2 Majoritätsschaltglieder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 6 IntegrierteDigitalbausteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 6.1 ForderungenanDigitalschaltkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 6.2 SchaltkreisfamilienTTLundCMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 6.3 HandhabungvonCMOS-Schaltkreisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 7 CMOS-Grundschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 7.1 Speicher. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 7.1.1 RS-Flip-Flop. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 7.1.2 JK-Flip-Flop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 7.1.3 D-Flip-Flop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 7.2 ZählerundKomparatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 7.2.1 BCD-Zähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 7.2.2 Binär-Zähler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 Inhaltsverzeichnis IX 7.2.3 1-aus-10-Zähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 7.3 Frequenzteiler,Frequenzverdoppler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 7.4 Oszillatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 7.5 Verzögerer,Verlängerer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 7.6 Blocker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 7.7 Addierer,Subtrahierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 7.8 Multiplizierer,Dividierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 7.9 Interface-Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 8 SpezielleCMOS-Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 8.1 RichtungserfassungbeiImpulsgebern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 8.2 Paritätsprüfung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 8.3 Warnblinkschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 8.4 Ampelschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 8.5 ElektrohydraulischePositionierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 8.6 Ablaufsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 8.7 Frequenzdifferenzbildung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 8.8 Frequenzsynthesizer,Frequenzgenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 9 DigitaleMesswerterfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 9.1 LängungsmessungvonStoffbahnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 9.2 Durchmessererfassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 9.3 Banddickenmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 9.4 Planheitsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 9.5 Drehzahl-undGeschwindigkeitsmessung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 9.6 Weg-,Winkel-,Positionsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 9.7 Fahrkurvenrechner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 10 SPS-Automatisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 10.1 SPS-Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 10.1.1 DatentypenundOperationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 10.1.2 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 10.1.3 Darstellung,Programmierung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 10.2 Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 10.2.1 EinfacherMischvorgang. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 10.2.2 AutomatischeStern-Dreieck-Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 10.2.3 Torsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 10.2.4 Ampelsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 10.2.5 Ablaufsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 10.2.6 RegelungmitPID-Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 X Inhaltsverzeichnis 11 Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 11.1 Schnittstellen-undBussysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 11.2 LaborversuchInverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 11.3 LaborversuchBandpass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 11.4 LaborversuchAmpelschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 11.5 Klausur-bzw.Prüfungsfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 11.6 Lösungshinweisezu11.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 Grundzüge der Analogtechnik 1 1.1 GrößenundEinheiten ZumVerständnisphysikalischerVorgängeistesvorteilhaft,dieihnenzugrundeliegenden GesetzmäßigkeitendurchGleichungenzubeschreiben.InsolchenGleichungenstehendie BuchstabenfürSymbolederphysikalischenGrößen,gebildet ausdemProduktausZah- lenwertundEinheit. DieEinheitenphysikalischerGrößensindunteranderemiminternationalenEinheiten- system(SI-System)festgelegt.FürdieBeschreibungderEigenschaftenelektrotechnischer GrößenwieLadung,Strom,Induktivitätusw.geltendieinTab.1.1angegebenenDefinitio- nen. Tab.1.1 WichtigeelektrischeGrößeundEinheiten Größe Einheit Zeichen Abgeleitete Basis-SI-Einheiten SI-Einheiten Frequenz Hertz Hz s−1 Kraft Newton N J/m m⋅kg⋅s−2 Druck Pascal[N3] Pa N/m2 m−1⋅kg⋅s−2 Energie,Arbeit,Wärmemenge Joule J N⋅n;Ws m2⋅kg⋅s−2 Leistung Watt W J/s;VA m2⋅kg⋅s−3 ElektrischeLadung Coulomb C A⋅s ElektrischeSpannung(elektrische Volt V W/A m2⋅kg⋅s−3⋅A−1 Potenzialdifferenz) ElektrischeKapazität Farad F C/V m−2⋅kg−1⋅s4⋅A2 ElektrischerWiderstand Ohm Ω V/A m2⋅kg⋅s−3⋅A−2 ElektrischerLeitwert Siemens S 1/Ω m−2⋅kg−1⋅s3⋅A2 MagnetischerFluss Weber Wb V⋅s m2⋅kg⋅s−2⋅A−1 MagnetischeFlussdichte,Induktion Tesla T Wb/m2 kg⋅s−2⋅A−1 Induktivität Henry H Wb/A m2⋅kg⋅s−2⋅A−2 P.F.Orlowski,PraktischeElektronik,DOI10.1007/978-3-642-39005-0_1, 1 ©Springer-VerlagBerlinHeidelberg2013