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Analogtechnik in Theorie und Praxis Grundlagen der Elektronik mit vielen Schaltungsbeispielen und praktischen Tipps Mit seinem vorliegenden Werk möchte der Autor dem Einsteiger in die analoge Elektronik helfen, sich im Dschungel der oft verwirrenden Fachbegriffe zurecht zu finden, ohne ihn dabei mit abschreckenden Formeln zu verwirren. In der Absicht, dem Leser eine möglichst breite Themenpalette darzubieten, hat er auf allzu tiefschürfende Erläuterungen verzichtet und sich auf das Wesentliche konzentriert, wobei er es sich natürlich nicht nehmen ließ, seine Lieblingsthemen, Messtechnik und Musikelektronik mit Operationsverstärkern, in den Vordergrund zu stellen. Der Autor zeigt (nachdem er die Funktionsweise der bekanntesten elektronischen Bauelemente erklärt hat), dass sich hinter vielen komplexen Schaltungen immer wieder dieselben Grundelemente verbergen und verdeutlicht anhand zahlreicher Beispiele, wie man durch geschickte Kombination solcher „Module“ nahezu alle an die analoge Messtechnik gestellten Anforderungen erfüllen kann (Stichwort „Signalkonditionierung“), was besonders für Anwender von Mikrocontrollern im Bereich von Umweltmessungen interessant sein dürfte. Die zahlreichen Anekdoten aus der Zeit, in welcher sich der Autor selbst noch an die „Geheimnisse“ der Elektronik herantastete, sind der Beweis dafür, dass es sich hier in erster Linie nicht um ein mit Fachchinesisch und Formeln vollgestopftes Lehrbuch handelt, sondern um einen leichten und mit Humor gewürzten Überblick über die Themen, über die ein Newcomer Bescheid wissen sollte. Das Buch, das sich stellenweise fast wie ein Roman liest, wird abgerundet durch wertvolle, auf praktischen Erfahrungen basierende Tipps. Erfahrungen, die der Autor beim Ätzen von Platinen, beim Herstellen von Frontplatten und beim Bau von Gehäusen im Laufe der Zeit gesammelt hat. Kurzum: Ein Buch, das nicht nur Kenntnisse vermittelt, sondern den Leser auch zum Entwickeln eigener Schaltungen inspiriert.
Kurt Diedrich Nach seinem Abitur entschied sich der 1948 in Saarbrücken geborene Autor zunächst für ein GeologieStudium, das er mit Erfolg abschloss. In den Achtziger-Jahren war er fester Mitarbeiter des ElektorTeams und hat seitdem zahlreiche Fachbücher veröffentlicht. Danach war er für verschiedene IT-Firmen als Handbuch-Autor tätig und arbeitet heute als freiberuflicher Fachjournalist.
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Analogtechnik in Theorie und Praxis • Kurt Diedrich
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Analogtechnik in Theorie und Praxis Grundlagen der Elektronik mit vielen Schaltungsbeispielen und praktischen Tipps
Kurt Diedrich
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10-02-2021 13:49
Analogtechnik in Theorie und Praxis Eine Einführung in die Grundlagen der Elektronik mit ausführlichen Hintergrundinformationen, zahlreichen Schaltungsbeispielen und praktischen Tipps
● Kurt Diedrich
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● Satz und Aufmachung: Jack Jamar Graphic Design | Maastricht (NL)
Druck: Ipskamp Printing, Enschede (NL)
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ISBN 978-3-89576-425-7 Ebook ISBN 978-3-89576-426-4 Epub
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Inhalt
Inhalt Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Kapitel 1 ● Was brauchen wir? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Stromversorgung . . . . . . . . . Breadboard . . . . . . . . . . . . . Volt- und Amperemeter . . . . Verstärker und Lautsprecher . Oszilloskop . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Lötkolben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Werkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Bauteile: Vorrat oder „on demand“? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Kapitel 2 ● Was ist eigentlich Strom? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Wissenswertes über Strom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Kapitel 3 ● Bauelemente der Elektronik: Widerstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Was sind Widerstände? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wozu braucht man Widerstände? . . . . . . . . . . . . Das Ohmsche Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Der Spannungsteiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Das Potentiometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Serien- und Parallelschaltung von Widerständen .
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23 30
35 40 42 Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Kapitel 4 ● Bauelemente der Elektronik: Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Aufbau und Schaltsymbole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verhalten von Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirkungsweise des Kondensators am Membranmodell . Verhalten des Kondensators bei Gleichstrom . . . . . . . . Verhalten des Kondensators bei Wechselstrom . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Laden und Entladen eines Kondensators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Parallel- und Reihenschaltung von Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Ein wenig Physik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Übungsaufgaben: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Kapitel 5 ● Bauelemente der Elektronik: Spulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Meine erste Schaltung: Der Detektor-Empfänger . Spulen in Relais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Drosselspulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transformatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Analogtechnik in Theorie und Praxis
Kapitel 6 ● Bauelemente der Elektronik: Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . Brückengleichrichter . . . . . . . . Ein erstes Projekt: Netzteil . . . Transistoren . . . . . . . . . . . . . Von der Röhre zum Transistor . Integrierte Schaltkreise . . . . .
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Kapitel 7 ● Wechselspannung - Wechselstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Interpretation von Zeitdiagrammen . . . Schall und Strom . . . . . . . . . . . . . . . . Was ist Klang? Ein wenig Signaltheorie . Hochfrequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wechselspannung und Kondensator . . .
. 95 100 102 107 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 . . . .
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Kapitel 8 ● Oszillatoren mit Transistoren: Die „Klassiker“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Sperrschwinger . . . Colpitts-Oszillator . . Hartley-Oszillator . . Meißner-Oszillator . Multivibrator . . . . . Doppel-T-Oszillator .
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Kapitel 9 ● Ein kurzes Opamp-Intermezzo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 Impedanzwandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 Kapitel 10 ● Oszillatoren mit Operationsverstärkern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Wienbrücken-Oszillator . . . . . . . . . . . . . . . . Oszillatoren mit Integratoren . . . . . . . . . . . . Einfacher, aber präziser Sägezahn-Oszillator . Dreieck-Oszillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rechteckgenerator mit NAND-Gatter . . . . . . Integrierter Oszillator XR 2206 . . . . . . . . . .
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Kapitel 11 ● Wichtige analoge Grundschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 Analog-Elektronik: Quo vadis? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Heutige Aufgaben analoger Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . Elektronik in der Messtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gain und Offset am Beispiel eines Thermometers . . . . . . . . Weitere Module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Differenzverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messgleichrichter bzw. Einweg-Präzisionsgleichrichter . . . . Differenzverstärker und Präzisionsgleichrichter am Beispiel eines induktiven Wegaufnehmers . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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146 146 147 148 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
Inhalt
Metallsuchgerät . . . . . . . . . . . . . Komparator und Trigger . . . . . . . Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hochempfindlicher Metalldetektor
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Kapitel ● 12 Praktische Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 State Variable Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24dB-Moog-Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schaltungstest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stückliste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . OTAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spannungsgesteuertes Tiefpass-Filter mit OTAs . Sallen-Key Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Audio-Filter mit Sallen-Key-Bandpass . . . . . . . . ELF-Empfänger mit 36-dB-Sallen-Key-Tiefpass . Phaser (Allpass) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauvorschlag für einen Funktionsgenerator . . . . VCA mit OTAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rauschgenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . NF-Verstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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178 181 185 189 189 190 192 192 194 201 205 211 213 214
Kapitel 13 Von analog zu digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 Was ist „digital“? . . . . . . . . . Verarbeitung binärer Zahlen . Digitale Schaltungsbeispiele . Komplexe digitale ICs . . . . . .
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Kapitel 14 Tipps und Tricks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 Platinen selber machen . . . . . . . . . . . . . . . . Platinen bestücken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Platinen testen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tipps und Tricks zur Bauteildimensionierung . Frontplatten herstellen . . . . . . . . . . . . . . . . Gehäuse selber bauen . . . . . . . . . . . . . . . .
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236 243 247 248 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
Schlusswort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
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Analogtechnik in Theorie und Praxis
Einleitung Die Elektor-Bücher der Reihe „…gar nicht schwer“ erfreuen sich bereits seit Jahrzehnten großer Beliebtheit, da sie zu allen wichtigen Themen der Elektronik wertvolle Hinweise, interessante Schaltungen und Hintergrundinformationen liefern. Spezielle Bücher also – für ganz bestimmte, typische Anwendungen. Was noch fehlt, ist eine Zusammenfassung, das heißt, ein Buch, das sich mit den allgemeinen Grundlagen der gesamten Elektronik und mit der dahinter stehenden Physik beschäftigt, ohne dabei allzu trocken und theoretisch zu wirken. Wer meine Bücher kennt, weiß, dass dies auch beim vorliegenden Buch kein leeres Versprechen ist: Ich habe mich der Elektronik nicht wie ein Ingenieurstudent genähert, sondern als wissbegieriger, zwölfjähriger Junge, der sich in den Kopf gesetzt hatte, einen funktionierenden Detektor-Empfänger zu bauen und dem kein Erwachsener aus der Verwandtschaft dabei helfen konnte. Die damals erhältlichen Elektronik-Fachbücher für Jugendliche waren, rein didaktisch betrachtet und vorsichtig ausgedrückt, eher unzureichend, weil sie komplexe Zusammenhänge (für meine Begriffe damals) oft auf dem Niveau einer Uni-Vorlesung erklärten. Dies hatte einerseits zur Folge, dass ich mir all mein Wissen über Elektronik sehr mühsam durch Versuch und Irrtum zusammentragen musste und zweitens den Wunsch verspürte, einmal verständlichere Elektronikbücher zu schreiben, wenn ich erwachsen bin. Aufgrund der Tatsache, dass Kinder in den frühen Sechzigerjahren den letzten Jahrhunderts nicht mit hohen Taschengeld-Zuwendungen gesegnet waren, verfügte ich über so gut wie keine Messinstrumente wie zum Beispiel ein Voltmeter oder all die vielen anderen Dinge, die man zum vernünftigen Betreiben des Hobbys „Elektronik“ benötigt. Den Ladezustand von 9-V-Batterien überprüfte ich grundsätzlich dadurch, dass ich die Pole mit meiner Zungenspitze berührte. So lange es dabei kribbelte, waren sie noch nicht leer. Das Vorhandensein von Hochspannung in alten Röhrenradios, ich schäme mich fast, dies zu schreiben, habe ich getestet, indem ich die Leitungen am Netzteil mit eine Schraubenzieher kurzgeschlossen habe. Wenn es ordentlich knallte und funkte, war ausreichend Spannung vorhanden. Noch Jahre später zierten schwarz verbrannte, im Elektroschweißverfahren eingebrannte Kerben mein entsprechendes Werkzeug. Vor solch einem unvernünftigen Handeln kann ich heute jeden Leser nur warnen und dringend dazu raten, von Anfang an ordentliche Messinstrumente zu verwenden, die zum Glück heute recht günstig angeboten werden. Immerhin besaß ich schon sehr früh einen 30-Watt-Elektroniklötkolben von Ersa, mit dem ich meine ersten Bauteile miteinander verband - damals noch auf Lötösenleisten, denn Lochrasterplatinen gab es noch nicht für den Hobbybereich.
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Einleitung
Da ich mich schon früh für elektronische Musik interessierte, begann ich irgendwann mit dem Bau von Transistor-Tongeneratoren und - Klangfiltern. Mangels Oszilloskop benutze ich die NF-Verstärker alter Radios zum Funktionstest und natürlich auch zum Hörbarmachen der Töne, so dass ich schon bald in der Lage war, aufgrund meiner Erfahrung am Klang eines Tones zu beurteilen, ob eine Schaltung gut funktionierte oder nicht. Ich war zum Beispiel imstande, anhand eines 50-Hz-Netzbrumms deutlich zu erkennen, ob es sich um ein am NF-Eingang eingefangenes Signal aus der Umgebung oder um ein defektes Netzteil handelt, und auch anhand bestimmter Geräusche vermochte ich irgendwann zu beurteilen, ob ein Wackelkontakt oder eine kalte Lötstelle den Lärm verursachten. Auch, ob es sich um ein reines Sinus-, Rechteck- oder Sägezahnsignal handelt, konnte ich nach einer gewissen Zeit rein akustisch mit etwas Übung durchaus feststellen. Ich habe mich der Elektronik auf andere Weise genähert als jemand, der das Fach studiert: Mit mehr Gefühl und Intuition, eine Methode, die mir auch während meiner Tätigkeit im Elektor-Labor in den Achtziger-Jahren durchaus zugutekam: Wo meine Ingenieurskollegen oft sehr lange rechneten, um dann irgendwann die vermeintlich richtigen Bauteilwerte zu bestimmen, gelang es mir oft mit etwas Bauch- und Fingerspitzengefühl, eine Schaltung durch Probieren relativ schnell zum Leben zu erwecken. Das ist keine Hexerei, sondern lediglich das Ergebnis eines jahrelangen, intuitiven Einarbeitens in die Elektronik aufgrund eigener Erfahrungen, ohne Formeln und unter Verwendung der Ohren als Messinstrument. Doch keine Angst: Natürlich werden Sie in diesem Buch nicht lernen, wie man die Spannung einer Batterie mit der Zunge prüft oder wie man am Funkenregen eines künstlich erzeugten Kurzschlusses Rückschlüsse auf die Höhe einer Spannung ziehen kann. Nein – alles geht mit rechten Dingen zu, und sogar ein paar wichtige Formeln werde ich Ihnen nicht ersparen können, denn ich habe alle Kenntnisse, die mir zu Beginn fehlten, nachträglich erworben. Dennoch möchte ich mit diesem Buch auch ein ganz klein wenig an meine ersten Elektronik-Erfahrungen anknüpfen und Ihnen etwas von dem Geist vermitteln, der mich auf meinem Weg in und durch die Elektronik stets begleitet hat: Den Lauf des Stroms durch Leitungen und Bauteile spürbar und intuitiv mit (fast) allen Sinnen zu erfassen.
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Analogtechnik in Theorie und Praxis
Kapitel 1 ● Was brauchen wir? Stromversorgung Zum Glück müssen wir uns im Zeitalter der Halbleitertechnik nicht mehr mit unhandlichen Röhren beschäftigen. Die Vorläufer unserer heutigen Transistoren arbeiteten zumeist mit Gleichspannungen bis zu 300 Volt, so dass die dafür erforderlichen Netzteile mit ihren mächtigen Trafos nicht nur sehr klobig, sondern oft auch lebensgefährlich waren, wenn man ihnen zu nahe kam. Viele kleine Elektronikgeräte wie Fernbedienungen, Leitungsfinder, Wetterstationen oder Ultraschall-Entfernungsmesser werden heute mit zwei bis drei Microzellen des Typs AAA (Triple A) betrieben. Wer sich jedoch in die Geheimnisse der Elektronik vertiefen und dabei auch Experimente und praktische Übungen durchführen möchte, wird mit solchen Batterien oder Akkus nicht sehr weit kommen, weil sie schnell erschöpft sind. Ideal wäre ein Netzteil, das zum Beispiel die benötigten Spannungen dauerhaft zur Verfügung stellt. Bevor ich Ihnen jedoch eine entsprechende Bauanleitung präsentiere, halte ich es für ratsam, sich erst einmal ein paar Grundkenntnisse anzueignen, damit Sie auch die Funktionsweise eines Netzteils verstehen. Aus diesem Grunde werden wir für unsere ersten Experimente ebenfalls Batterien bzw. Akkus mit 1,5 V verwenden. Doch nach dem Motto: „Viel hilft viel“, begnügen wir uns nicht mit den kleinen AAA-Zellen, sondern verwenden die etwas dickeren Exemplare (Mignon- oder AA-Zelle) und schalten gleich mehrere davon in Serie, so dass sich die Spannung erhöht. Im Elektronik-Fachhandel gibt es spezielle Batteriehalter, in die gleich sechs dieser Exemplare hineinpassen, so dass wir insgesamt eine Spannung von 9 V erhalten. Diese Spannung wird zwar auch von einer kleineren Standard-Blockbatterie geliefert, doch im Gegensatz zu dieser hat unsere Power-Station wesentlich mehr Energie, so dass es wesentlich länger dauert, bis die Batterien bzw. die Akkus (ich empfehle NiMH-Akkus) leer sind. Die Anschlüsse an diesen Batteriekästen entsprechen denjenigen einer 9-VBlockbatterie, so dass wir die Spannung mit einem im Handel erhältlichen Batterieclip abgreifen und unserer Experimentier-Schaltung zuführen können (Bild 1.1).
Bild 1.1. Ein Batteriehalter mit 6 Mignon-Zellen von jeweils 1,5 V garantiert eine lang anhaltende 9-V-Versorgung unserer Experimente.
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Kapitel 1 ● Was brauchen wir?
Breadboard Das Steckbrett, auch Breadboard genannt, hat sich bereits seit mehreren Jahrzehnten als sehr praktisch erwiesen, wenn es ums Experimentieren und Ausprobieren von Schaltungen geht. Der Handel bietet solche Boards bereits zu relativ günstigen Preisen an, doch hier ist Vorsicht geboten, wenn es um die Qualität geht. Ich hatte einmal das Pech, ein Board zu erwischen, bei dem die Kontakte so tief angeordnet waren, dass die in das Board gesteckten Chips immer wieder von selbst nach oben herausrutschten. Manche dieser Boards sind auch sehr intolerant gegenüber verschiedenen Draht-Durchmessern, so dass es oft unmöglich ist, die Anschlussdrähte von Kondensatoren in die entsprechenden Löcher zu stecken. Kritisch wird es auch bei Trimmpotis mit ihren flachen, verbreiterten Anschlüssen. Hier empfiehlt es sich, kleine Anschlussdrähte an die Pins der Trimmer zu löten. Mit etwas Glück lassen sich im Handel jedoch auch Trimmpotis mit passenden Anschlüssen finden. Zur Verbindung der auf dem Board eingesteckten Bauteile ist handelsüblicher Klingeldraht aus dem Baumarkt recht gut geeignet. Am besten legt man sich bereits vorher einen gewissen Vorrat an Verbindungsdrähten unterschiedlicher Länge an, wobei man an beiden Enden jeweils etwa 5 mm der Isolation entfernt. Bild 1.2 zeigt ein Beispiel eines bestückten Boards. Wer die perfekte Lösung bevorzugt und über handwerkliche Fähigkeiten verfügt, kann das Board auf ein etwas größeres Holzbrett montieren und an der Vorderund Rückseite entsprechende Aluplatten zur Aufnahme von Potis und Anschlussbuchsen montieren. Das in Bild 1.3 gezeigte Modell hat sich im Praxistest seit langem gut bewährt.
Bild 1.2. Beispiel für ein bestücktes Breadboard. Der rechte Bildteil zeigt, wie die einzelnen Kontakte intern miteinander verbunden sind. Die Anordnung der Verbindungen ist speziell auf den Einsatz von integrierten Schaltungen ausgelegt. Der Schaltungsaufbau ist nur ein Beispiel und hat keine Funktion.
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Analogtechnik in Theorie und Praxis
Bild 1.3. Breadborard „de Luxe“ mit Erweiterung: Am hinteren Ende befinden sich die Buchsen zum Anschluss der Spannungsversorgung. Die Potis, Schalter und Buchsen auf der Frontseite können individuell verwendet werden und stehen über Lüsterklemmen (Baumarkt) mit dem Breadboard un Verbindung.
Bild 1.4: Seitenansicht des Boards aus Bild 1.3: Von l. n. r.: Potis, Alu-Profil, Lüsterklemmen, Breadboard, Lüsterklemmen, Alu-Profil, Anschlussbuchsen (Spannungsversorgung) für Bananenstecker. Alu-Profil und Breadboard werden mit M3-Schrauben befestigt. Die Lüsterklemmen lassen sich recht gut mit Heißkleber auf der Holzplatte montieren. Unter der Platte können Sie zusätzlich noch Gehäusefüße aus Hartgummi anbringen.
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Kapitel 1 ● Was brauchen wir?
Die in Bild 1.3 und Bild 1.4 gezeigte Anordnung besteht aus einem Holzbrett (z.B. 16 mm Multiplex), das genügend Platz für das Breadboard, die Lüsterklemmen und zwei Alu-Winkelschienen (z.B. 3 x 4 cm) bietet. Die Alu-Schienen dienen der Aufnahme der Buchsen und Potis. Sie lassen sich gut sägen, feilen und bohren und sind im Baumarkt in allen Größen erhältlich. Auch das Holzbrett kann man sich kostengünstig in fast jedem Baumarkt passend sägen lassen. Sicherheitshinweis: Versuchen Sie nicht, Aluleisten mit einem elektrisch betriebenen,
rotierenden Schleifstein zu bearbeiten. Das Aluminium haftet am Schleifstein und reißt Ihnen dadurch das Werkstück aus den Händen, was zu Verletzungen führen kann.
Volt- und Amperemeter Zu den unentbehrlichen Utensilien des Elektronikers gehört ohne Zweifel auch ein Instrument zur Anzeige von Strom und Spannung. Bereits vor einigen Jahrzehnten wurden die damals üblichen analogen Zeigerinstrumente zum größten Teil durch Digitalvoltmeter ersetzt. Aufgrund ihres extrem hohen Eingangswiderstandes verfälschen diese Messinstrumente nicht das Messergebnis und zeigen je nach Messbereich Spannungen bis zur dritten Stelle hinter dem Komma an. Komfortable, moderne Messgeräte dieser Art wählen sogar automatisch den richtigen Messbereich und sind in der Lage, Kapazitäten und Widerstandswerte zu bestimmen. Ganz wichtig ist auch, dass es eine Möglichkeit der Wahl zwischen Gleich- und Wechselspannung gibt. Die Preisskala solcher Instrumente ist nach oben hin quasi offen, doch für den Anfang genügt auch ein preisgünstiges Gerät. Ich habe zum Beispiel als Zweit-Instrument vor ein paar Jahren bei einem der großen deutschen Lebensmittel-Discounter ein Digitalvoltmeter (DVM) für 12 Euro erstanden. Natürlich ist es nicht so komfortabel wie mein teures Instrument, aber ich bin dennoch sehr zufrieden damit. Wenn Sie sich das Digitalvoltmeter zulegen, das Ihrem Budget entspricht, können Sie daher auch bei einem preisgünstigen Exemplar normalerweise nichts falsch machen, zumindest nicht bei den in diesem Buch beschriebenen Experimenten. Das DVM sollte auf jeden Fall Wechsel- und Gleichspannungen bis ca. 20 Volt und Wechsel- und Gleichströme von 2 Ampere messen können. Zeiger-Instrument
Auf Zeigerinstrumenten lassen sich Ströme und Spannungen zwar nicht so genau ablesen, aber sie haben den unschätzbaren Vorteil, dass man den Trend einer Spannung deutlicher erkennt. Statt wild flimmernder Zahlenwerte sieht man stets einen einzigen, still stehenden oder sich bewegenden Zeiger und kann intuitiv feststellen, ob die Spannung relativ stabil ist oder ob sie steigt oder fällt. Das bringt bei manchen Messungen unschätzbare Vorteile. Mit Hilfe der Halbleitertechnik sind heute auch Zeigerinstrumente mit hohem Eingangswiderstand erhältlich, so dass die einst so begehrten und teuren „Röhrenvoltmeter“ zum Glück der Vergangenheit angehören. Dank moderner Digitaltechnik bietet der Handel daher heute noch Zeigerinstrumente zur Messung von Strom und Spannung zu relativ günstigen Preisen an, so dass ich diese ebenfalls zum Experimentieren mit den in diesem Buch beschriebenen Schaltungen empfehlen kann.
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Analogtechnik in Theorie und Praxis
Verstärker und Lautsprecher Da es in diesem Buch auch um Schaltungen geht, die Töne erzeugen und beeinflussen, müssen wir natürlich in der Lage sein, diese auch hörbar zu machen. Daher benötigen wir einen Verstärker. Es wäre sicher etwas übertrieben, zu diesem Zweck gleich den 100-Watt-Verstärker der Wohnzimmer-Stereoanlage mitsamt seiner teuren Boxen zu missbrauchen. Früher hat ein altes Radio mit eingebautem Lautsprecher und einer Verstärker-Eingangsbuchse gute Dienste geleistet, aber wo findet man solch ein „antikes“ Stück heute noch? Zum Glück gibt es im Versandhandel entsprechende Verstärker-Module für ein paar Euro, an die man nur noch eine kleine Lautsprecherbox anschließen muss. Auch Boxen aus dem Elektronikmarkt mit eingebautem Verstärker zum Anschluss an einen PC leisten gute Dienste. Hier sollte man jedoch darauf achten, dass man keinen teuren Subwoofer mit bezahlt, denn den brauchen wir nicht. Eigentlich brauchen wir auch keinen Stereo-Verstärker, aber PC-Boxen sind nun mal nur als Stereo-Version erhältlich. Wie man die Eingänge dieser Verstärker genau an die betreffende Schaltung anschließt, erfahren Sie in den betreffenden Kapiteln. Wichtig ist vor allem, dass Sie zwecks Schonung der Nerven Ihrer Familienmitglieder und Nachbarn Ihre ersten elektronisch selbst erzeugten Töne nicht allzu laut erschallen lassen sollten, denn es ist, und das hat schon Wilhelm Busch erkannt, eine bekannte Tatsache, dass die Geräusche, die man begeistert selbst erzeugt, von anderen nicht unbedingt in gleichem Maße geschätzt werden.
Oszilloskop Es klingt unglaublich, aber das von mir im Jahre 1987 erworbene Oszilloskop einer bekannten Firma, das zu den ersten Speicheroszilloskopen auf dem Markt zählte, funktioniert nach 33 Jahren immer noch tadellos und leistet mir bis heute in meinem kleinen Heimlabor unschätzbare Dienste. Seit ich ein Oszilloskop besitze, kann ich mir nicht mehr vorstellen, wie ich ohne dieses Messinstrument mein Elektronik-Hobby überhaupt betreiben konnte. Ich verwende es oft sogar als Messinstrument für Gleichspannungen. Vor allem aber ist es sehr nützlich, um periodische Wechselspannungen zu überprüfen, und zwar im Hinblick auf die Wellenform, die Amplitude und den Offset, was besonders wichtig ist, wenn man sich mit Schaltungen aus dem Bereich der Musikelektronik beschäftigt. Zum Sichtbarmachen hochkomplexer und hochfrequenter digitaler Computersignale ist solch ein einfaches Gerät natürlich nicht geeignet, aber da wir uns damit in diesem Buch auch nicht beschäftigen werden, genügt ein einfaches Oszilloskop, das Frequenzen im Audiobereich anzeigt, vollständig, das Frequenzen im Audiobereich anzeigt. Eine Möglichkeit zur Speicherung der Signale wäre wünschenswert, ist aber nicht Bedingung. Vor einigen Jahren wurden die alten Röhrenoszilloskope durch digitale Varianten abgelöst, so dass die einst schweren Geräte inzwischen sehr handlich und leicht geworden sind. Der Handel bietet eine breite Vielfalt der verschiedensten Oszilloskope an, so dass ich an dieser Stelle nicht weiter auf die einzelnen Qualitätsunterschiede eingehen möchte. Auch ein altes, gebrauchtes und damit günstiges Röhrenoszilloskop kann heute, wie schon erwähnt, noch gute Dienste leisten. Sollten Sie also in der glücklichen Lage sein, über ein entsprechendes Budget für Ihr Hobby zu verfügen, so rate ich ihnen ganz einfach dazu, sich das Oszilloskop zuzulegen, das Ihren preislichen Vorstellungen am nächsten kommt.
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Kapitel 1 ● Was brauchen wir?
Lötkolben Ohne Löten kommt kein Elektroniker aus. Die Frage ist nur, ob es sich bei dem dazu benötigten Werkzeug um einen Lötkolben oder um eine Lötstation handeln soll. Für Servicetechniker, die bei ihren Kunden Reparaturen durchführen, ist wahrscheinlich der leicht transportierbare Einzel-Lötkolben das geeignete Instrument. Wer wie ein Hobby-Elektroniker jedoch stets zuhause in einem eigens dafür eingerichteten Raum lötet, ist mit einer Lötstation auf jeden Fall besser bedient, da diese abgesehen von der Transportierbarkeit einige Vorteile gegenüber dem Lötkolben aufweist: Der Lötkolben ist vom Netz galvanisch getrennt, was in puncto Sicherheit wesentliche Vorteile bringt, falls doch einmal wider Erwarten die Lötspitze mit der Versorgungsspannung in Berührung kommen sollte. Ein weiterer Vorteil besteht in der Tatsache, dass das Zuleitungskabel zwischen Station und Kolben wesentlich dünner und flexibler sein kann, als dies bei einem 230-V-Lötkolben der Fall ist. Lötstationen bieten oft auch mehrere Lötspitzen für verschiedene Zwecke an, stellen sich automatisch auf die vorgegebene Temperatur ein und bieten die Möglichkeit, verschiedene Temperaturen für unterschiedliche Löt-Bedingungen einzustellen, was besonders beim Wechsel zwischen bleihaltigem und bleifreiem Lötzinn eine Rolle spielt. Wie man richtig lötet, möchte ich an dieser Stelle nicht erklären, da dies den Rahmen dieses Buches überschreiten würde und es dazu mittlerweile auch genügend Tutorials im Internet gibt. Was die Art des verwendeten Lötzinns angeht: Bleihaltigem Lötzinn gebe ich persönlich nach wie vor den Vorzug, da es sich nach meiner subjektiven Empfindung leichter verarbeiten lässt und außerdem schönere, glänzende Lötstellen erzeugt, denen man sofort ansieht, ob sie gelungen sind oder nicht. Bei bleifreiem Lötzinn hatte ich stets das Gefühl, es handele sich um „kalte Lötstellen“, also um Lötstellen, die durch eine matte Oberfläche gekennzeichnet sind und keinen richtigen Kontakt herstellen, weil der Lötkolben nicht heiß genug war oder zu früh von der Lötstelle entfernt wurde. Doch das ist letztlich Geschmacks- und Gewöhnungssache, und wer mit bleifreiem Lötzinn zurechtkommen sollte, dem will ich es auch nicht ausreden. Leider darf innerhalb der EU seit Anfang 2020 kein bleihaltiges Lötzinn mehr an Privatkunden verkauft werden, doch zum Glück ist es noch per Internet über Bezugsquellen aus China erhältlich. Oft kommt es vor, dass man falsch eingelötete Bauteile wieder auslöten muss. Das geht oft nur dann, wenn zuvor das Lötzinn wieder entfernt wurde. Das funktioniert nach meiner persönlichen Erfahrung am besten mit Lötsauglitze, die man mit dem Lötkolben gegen die Lötstelle drückt. Ist das Lötzinn heiß und flüssig, so wird es durch den Kapillareffekt normalerweise restlos von der Litze aufgesaugt. Doch Vorsicht: Die Hitze breitet sich sehr schnell entlang der unverbrauchten Litze aus, und nicht selten habe ich mir dabei Brandblasen an den Fingern eingehandelt, weil ich zu bequem war, zu einer Zange zu greifen. Entlötlitze gibt es, auf Rollen aufgewickelt, recht günstig im Fachhandel.
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Analogtechnik in Theorie und Praxis
Lötstationen sind in großer Vielfalt im Fachhandel erhältlich, so dass sich jeder HobbyElektroniker nach Budget und Geschmack das passende Exemplar aussuchen kann. Ich arbeite übrigens noch mit einer Station eines führenden Herstellers aus den AchtzigerJahren, die bis vor kurzem tadellos funktionierte und für die immer noch Lötspitzen in unterschiedlicher Form angeboten werden. Als sie neulich ihren Geist aufgab, habe ich mir das gleiche (gebrauchte) Exemplar noch einmal über ebay bestellt, weil es solche hervorragend verarbeiteten Produkte heute nicht mehr gibt. Nach meiner Erfahrung eignen sich zum Löten integrierter Schaltungen (bzw. deren Fassungen) spezielle Bleistift-Lötspitzen, die ihrem Namen alle Ehre machen, da sie an ihrem Ende wie ein spitzer, dünner Bleistift geformt sind. Natürlich ist in jeder Lötstation an der dazugehörigen Lötkolben-Ablage auch ein kleiner Schwamm montiert, der beim Betrieb der Station stets gut befeuchtet werden muss und an dem der Lötkolben möglichst oft abgestreift werden soll, damit sich kein Zunder an der Spitze ansammelt und die Lötstelle verunreinigt. Gesundheitstipp
Dass Lötdämpfe nicht gerade gesund sind, kann sich jeder denken. Aus diesem Grund habe ich mir aus dem Lüfter eines alten PCs eine Absaugvorrichtung gebaut. Montieren Sie den Lüfter vertikal auf eine kleine Holzplatte, versorgen Sie ihn mit einer Gleichspannung von 12 Volt und stellen Sie ihn so auf, dass er die Lötdämpfe von der Lötstelle weg saugt. Die Dämpfe verteilen sich dann zwar hinter dem Lüfter im Raum, aber das ist immer noch weniger schädlich, als wenn Sie diese direkt einatmen.
Werkzeuge Natürlich benötigt man zum Zusammenbau elektronischer Schaltungen auch andere Werkzeuge als zum Errichten einer Gartenlaube. Wichtig sind vor allem eine kleine Flachzange und ein ebenso kleiner Seitenschneider. Auch mehrere Schraubendreher in verschiedener Größe können nicht schaden, wobei sowohl Kreuz- als auch Schlitzschraubendreher dienlich sein können. Ihre Größe sollte einen Bereich überstreichen, der sowohl winzigen Trimmpotis als auch größeren Befestigungsschrauben in Gehäusen gerecht wird. Ich habe mir zusätzlich einen Satz Steckschlüssel zum Festschrauben von Poti-Befestigungsmuttern auf Frontplatten zugelegt. Wer einmal versucht hat, diese Muttern mit einer Kombizange fest zu drehen, weiß, wie leicht man dabei abrutscht und dabei die mühsam hergestellte Frontplatte zerkratzen kann. Sicher gibt es noch mehr Werkzeuge, die beim Herstellen einer elektronischen Schaltung hilfreich sein können (zum Beispiel eine Pinzette und eine Lupe). Jeder wird im Laufe der Zeit selber herausfinden, was er zusätzlich benötigt; die Zahl der angebotenen Spezialwerkzeuge ist, wie ein Blick in die einschlägigen Kataloge der Versandhändler beweist, nahezu unbegrenzt.
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Kapitel 1 ● Was brauchen wir?
Wer über einen entsprechenden Raum verfügt und auch die Gehäuse für seine elektronischen Geräte selber baut, benötigt natürlich noch wesentlich mehr Werkzeuge, deren Aufzählung an dieser Stelle jedoch zu weit führen würde. Jeder erfahrene Hobby-Handwerker wird selber wissen, was er braucht und daher auch in jedem gut sortierten Baumarkt das passende Werkzeug und Material finden.
Bauteile: Vorrat oder „on demand“? Die Vielfalt der im Handel erhältlichen Elektronikbauteile ist unüberschaubar, und daher ist es so gut wie unmöglich, alles, was man je benötigen könnte, auf Vorrat im Hause zu haben. Dennoch kann es sehr praktisch sein, sich zumindest von den Bauelementen, die man häufiger benötigt, einen kleinen Vorrat anzulegen. Nichts ist schließlich ärgerlicher, als wenn man kurz vor der Vollendung einer Schaltung feststellt, dass ein ganz bestimmter Kondensator oder Widerstand fehlt und man auch in der Kramkiste für gebrauchte Bauteile nichts Passendes findet. Nicht jeder wohnt in der Nähe eines Elektronikladens, und so kann es Tage dauern, bis das ersehnte Teil dann endlich per Paketbote ankommt. Jeder hat im Bereich der Elektronik sein ganz bestimmtes Interessengebiet wie zum Beispiel Audioverstärker, Musikelektronik, Messtechnik oder Schaltungen mit Mikrocontrollern und Peripherie. Daher weiß jeder auch selbst am besten, welche Teile er am häufigsten benötigt, und im Laufe der Zeit lässt sich dieser Vorrat natürlich auch ganz allmählich erweitern, ohne den Geldbeutel allzu sehr zu belasten. Ich habe mir im Laufe vieler Jahre ganz langsam einen beträchtlichen Vorrat an allen gängigen Kondensator- und Widerstandswerten angelegt. Doch damit nicht genug: Alle gängigen Poti- und Trimmpoti-Ausführungen bilden ebenfalls einen Teil meines Vorrats. Hinzu kommen diverse Leuchtdioden, Drehknöpfe, Drehschalter, Chips, Schrauben, Platinen und vieles mehr, so dass ich, wenn ich den Bau einer neuen Schaltung plane, meistens nichts bestellen muss. All diese Teile sind gut sortiert und beschriftet in sehr vielen verschiedenen Klarsicht-Schubladenmagazinen untergebracht, die eine große Wand meines Heim-Labors zieren. Natürlich genügt für den Anfang erst einmal ein einziges Schubladenmagazin, in welchem Sie die von Ihnen benötigten Bauteile unterbringen können. Wenn Sie Ihr Hobby jedoch über einen längeren Zeitraum intensiver betreiben, werden Sie schon sehr bald den Wunsch verspüren, ihre Bauteile-Sammlung zu erweitern.
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● Index
Index A A/D-Wandler 93 Amperemeter 13 Antenne 61 Ätzen 239 B Bandpass 169 Batterie 22 Bauteile-Dimensionierung 150 BC547 123 Binärzähler 232 Breadboard 11 Brückengleichrichter 77 C CD4066 143 Clipping 133 CMOS 141 Colpitts-Oszillator 119 D Darlington-Schaltung 90 Detektor-Empfänger 61 Differenzverstärker 151 Digital 221 Dioden 72 Doppel-T-Oszillator 126 Drehkondensator 63 Drosselspulen 68 E Einweg-Präzisionsgleichrichter 152 Entladekurve 57 Equalizer 200 Erdmagnetfeldes 174 Fensterkomparator 167 EXNOR-Gatter 224 F Ferritkern 119 Flip-Flop 229 Frontplatten 250 FTT 106 H Hartley-Oszillator 120 Hochglanzfolie 252 I Impedanzwandler 134 Integrierte Schaltkreise 90 Integrierter Oszillator 145 Invertierender Verstärker 131 K Kammfilter 204 Klang 102
Komparator 166 Kondensatoren 50 Kopfhörer 64 L Ladezeit 56 Leiterbahndichte 238 Leiterbahnkurzschlüsse 247 LM386 218 Logikgatter 223 Longitudinalwelle 101 M Membranmodell 50 Messtechnik 147 Metalldetektor 172 MIDI-Technik 233 Modulations-Oszillator 208 Moog-Filter 181 Multivibrator 123 N NAND-Gatter 143 Netzteil 78 NF-Verstärker 214 NPN-Transistoren 87 NTC-Widerstand 149 O Offset 100 Ohmsche Gesetz 30 Opamp 129 Operationsverstärker 91 Oszilloskop 14 P Phasenlage 105 Phaser 201 Präzisionsgleichrichter 152 R Rauschgenerator 213 RC-Tiefpass 112 Rechtecksignal 104 Relais 66 Resonanzfrequenz 63 Röhre 84 RS-Flip-Flop 230 Rückkopplung 122 S Sägezahn-Oszillator 139 Sallen-Key-Filter 192 Schall und Strom 100 Schmitt-Trigger 168 Sendefrequenz 64 Serien- und Parallelschaltung 42
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Analogtechnik in Theorie und Praxis
Signaltheorie 102 Spannungsstabilisatoren 92 Spannungsteiler 35 Sperrschwinger 115 Sprachregelung 42 Sprint-Layout 236 Spulen 66 State Variable Filter 178 Strom 19 T Tiefpass 110 Trafo-Theorie 70 Transformatoren 69 Transistor 86 W Wassermodells 43 Wechselstrom 53 Widerstände 26 Wienbrücken-Oszillator 136 Z Zeitdiagrammen 95 Zink-Kohle-Batterie 24
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books
Analogtechnik in Theorie und Praxis Grundlagen der Elektronik mit vielen Schaltungsbeispielen und praktischen Tipps Mit seinem vorliegenden Werk möchte der Autor dem Einsteiger in die analoge Elektronik helfen, sich im Dschungel der oft verwirrenden Fachbegriffe zurecht zu finden, ohne ihn dabei mit abschreckenden Formeln zu verwirren. In der Absicht, dem Leser eine möglichst breite Themenpalette darzubieten, hat er auf allzu tiefschürfende Erläuterungen verzichtet und sich auf das Wesentliche konzentriert, wobei er es sich natürlich nicht nehmen ließ, seine Lieblingsthemen, Messtechnik und Musikelektronik mit Operationsverstärkern, in den Vordergrund zu stellen. Der Autor zeigt (nachdem er die Funktionsweise der bekanntesten elektronischen Bauelemente erklärt hat), dass sich hinter vielen komplexen Schaltungen immer wieder dieselben Grundelemente verbergen und verdeutlicht anhand zahlreicher Beispiele, wie man durch geschickte Kombination solcher „Module“ nahezu alle an die analoge Messtechnik gestellten Anforderungen erfüllen kann (Stichwort „Signalkonditionierung“), was besonders für Anwender von Mikrocontrollern im Bereich von Umweltmessungen interessant sein dürfte. Die zahlreichen Anekdoten aus der Zeit, in welcher sich der Autor selbst noch an die „Geheimnisse“ der Elektronik herantastete, sind der Beweis dafür, dass es sich hier in erster Linie nicht um ein mit Fachchinesisch und Formeln vollgestopftes Lehrbuch handelt, sondern um einen leichten und mit Humor gewürzten Überblick über die Themen, über die ein Newcomer Bescheid wissen sollte. Das Buch, das sich stellenweise fast wie ein Roman liest, wird abgerundet durch wertvolle, auf praktischen Erfahrungen basierende Tipps. Erfahrungen, die der Autor beim Ätzen von Platinen, beim Herstellen von Frontplatten und beim Bau von Gehäusen im Laufe der Zeit gesammelt hat. Kurzum: Ein Buch, das nicht nur Kenntnisse vermittelt, sondern den Leser auch zum Entwickeln eigener Schaltungen inspiriert.
Kurt Diedrich Nach seinem Abitur entschied sich der 1948 in Saarbrücken geborene Autor zunächst für ein GeologieStudium, das er mit Erfolg abschloss. In den Achtziger-Jahren war er fester Mitarbeiter des ElektorTeams und hat seitdem zahlreiche Fachbücher veröffentlicht. Danach war er für verschiedene IT-Firmen als Handbuch-Autor tätig und arbeitet heute als freiberuflicher Fachjournalist.
Elektor Verlag GmbH www.elektor.de
Analogtechnik in Theorie und Praxis • Kurt Diedrich
books
Analogtechnik in Theorie und Praxis Grundlagen der Elektronik mit vielen Schaltungsbeispielen und praktischen Tipps
Kurt Diedrich
20.147-EIM-Analogtechnik-Cover.indd Alle pagina's
10-02-2021 13:49