Lernpaket Elektronische Schaltungen
Grundlagen, Simulation, Praxis
Vorwort
Die Entwicklung elektronischer Schaltungen ist ein komplexes Gebiet.
Nicht immer funktioniert alles beim ersten Versuch so, wie man es
geplant hatte. Oft trifft man auf Probleme und Überraschungen, und
häufig ist es gar nicht so einfach, das Verhalten einer Schaltung
nachzuvollziehen.
Zunächst muss man eine gewisse Anzahl häufig verwendeter
Grundschaltungen kennen und ihr Verhalten möglichst genau verstehen.
Dann kann fast jede komplexe Aufgabe in kleinere Blöcke aufgelöst und
aus wenigen angepassten Grundschaltungen zusammengesetzt werden. Auch
in fremden Schaltungen erkennt man dann bekannte Grundmuster und
versteht die Gesamtfunktion.
Eine große Hilfe bieten Simulationsprogramme. Die meisten beruhen auf
SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis). Die
Software wurde ab 1973 an der University of California in
Berkeley entwickelt und ist seitdem immer weiter verbessert worden.
Hier wird die kostenlose Version LTspice von Linear Technology (jetzt
Analog Devices) eingesetzt. Die Firma pflegt die Software auch aus der
Motivation heraus, die eigenen integrierten Schaltkreise vor allem im
Bereich der Schaltregler vorzustellen. Das führt zu einer hohen
Qualität und Zuverlässigkeit.
Die Schaltungssimulation ist im Laufe der Jahre immer beliebter
geworden. Manch einer hat sogar geglaubt, wenn eine Schaltung
erfolgreich simuliert wurde, sei die ganze Arbeit schon getan. Aber das
kann sich als Irrtum erweisen, wenn sich die real aufgebaute Schaltung
dann doch anders verhält als gedacht. Es kann an äußeren Einflüssen
liegen, die man nicht bedacht hat, oder die nicht simuliert werden
können. Oder es liegt an den Spice-Modellen einzelner Bauteile, die die
Realität nicht vollständig beschreiben. Allgemein muss man vorsichtig
bleiben und darf nicht blind darauf vertrauen, dass die Simulation die
Realität vollständig abbilden kann.
Ob und wie eine Simulation sinnvoll eingesetzt werden kann, hängt von
der Aufgabe ab. Manche Schaltungen sind so einfach und problemlos, dass
man die Bauteile mit ein paar überschlägigen Kopfrechnungen bestimmen
kann. Man hat dann auch eine Vorstellung von den erlaubten Toleranzen.
Eine Relais-Schaltstufe mit einem bipolaren Transistor soll von einem
Mikrocontroller angesteuert werden. Wie groß sollte der Basiswiderstand
gewählt werden? Ob man hier 1 kΩ oder 10 kΩ oder noch viel mehr
einsetzt, ist oft völlig egal, dann nimmt man einfach einen mittleren
Wert und fertig.
Es gibt aber auch Aufgaben, die einen erheblichen Rechenaufwand
erfordern. Wenn man zum Beispiel ein Bandpassfilter mit ganz bestimmten
Eigenschaften bauen will, kann es sinnvoll sein, die Schaltung in der
Simulation zu entwerfen und die geeigneten Bauteile nach einer groben
Vorabschätzung durch Versuche zu ermitteln. Manch eine Aufgabe wird
dann lösbar, selbst wenn man die theoretischen Grundlagen nicht
vollständig im Griff hat.
Und dann gibt es auch Schaltungen, die lassen sich kaum vollständig
simulieren. Ein Beispiel kann ein einfacher Empfänger sein, vielleicht
ein Kurzwellen-Audion mit nur einem Transistor. Eine Simulation könnte
vielleicht einige Teilaspekte wie die Entdämpfung oder die Demodulation
beleuchten. Aber in der Realität treffen so viele Einflüsse auf die
Schaltung, dass man sie kaum realistisch beschreiben kann. Dabei geht
es um die Frequenzstabilität, die je nach Aufbau unter Handkapazitäten
leiden kann, oder um Störpegel und die Frequenzbelegung durch weitere
Stationen oder um Amplitudenschwankungen oder selektives Fading. Am
Ende helfen nur praktische Versuche und die Optimierung am realen
Aufbau.
In diesem Paket sollen Grundlagen vermittelt werden, indem der
sinnvolle Umgang mit der Simulation und auch der praktische Aufbau und
Test von Schaltungen vorgestellt wird. Entscheidend ist der kritische
Vergleich zwischen Simulation und Realität. Und immer wenn sich
deutliche Unterschiede zeigen, sollen die Ursachen gesucht werden. Das
Ziel soll jedenfalls sein, dass man nach der sorgfältigen Bearbeitung
aller vorgestellten Schaltungen auch eigene Projekte entwickeln kann.
Die Simulationssoftware kann kostenlos auf der Seite von Analog Devices
geladen werden. Die verwendeten LTspice-Schaltbilder findet man auf der
Franzis-Homepage und im Elektronik-Labor des Autors. Es wird
empfohlen, alle vorgestellten Simulationen durchzuführen und nach
Möglichkeit auch veränderte Parameter oder Direktiven zu testen.
Außerdem sollten die simulierten Schaltungen auch real aufgebaut und
getestet werden. Bei der Arbeit mit den vorgeschlagenen Schaltungen
kommen dann sicherlich auch Ideen, was man noch anders machen könnte,
seien es veränderte Dimensionierungen oder auch ganz neue Entwürfe. Die
erfolgreiche Umsetzung eigener Ideen muss nicht immer einfach sein.
Aber wenn es dann funktioniert, ist das Erfolgserlebnis groß.
Ich wünsche maximalen Erfolg!
Ihr Burkhard Kainka
Download: LTspiceSchaltungen.zip
Inhalt
1 LTspice Bauteile und Kommandos 9
2 Ein Signalgenerator 12
2.1 Phasenschieber-Sinusgenerator 13
2.2 Amplitudenbegrenzung 16
2.3 Sinusgenerator mit einem MOSFET 18
2.4 Eine Pufferstufe 20
3 Der Transistor in Emitterschaltung 24
3.1 Stromverstärkung 25
3.2 Ein Signalverstärker 27
3.3 Übersteuerung 29
3.4 Arbeitspunkt-Stabilisierung 31
3.5 Kollektor-Basis-Gegenkopplung 33
3.6 Radio-NF-Verstärkerstufe 36
3.7 Ultraschall-Vorverstärker 38
4 Kennlinien und Temperaturabhängigkeit 40
4.1 Die NPN-Übertragungskennlinie 41
4.2 Dioden-Kennlinie 42
4.3 Temperaturabhängigkeit 43
4.4 Der BE-Durchbruch 45
4.5 Darlington-Schaltung 47
4.6 LED als Lichtsensor 49
5 Stromspiegel-Anwendungen 52
5.1 Der NPN-Stromspiegel 53
5.2 Temperaturdifferenzen 53
5.3 Stromspiegel als Signalverstärker 55
5.4 Einfacher Rechteckgenerator 56
6 Feldeffekt-Transistoren 58
6.1 NMOS-Kennlinie 59
6.2 NMOS-Signalverstärker 61
6.4 NMOS-Rechteckgenerator 63
6.5 NMOS-Schaltstufe 65
6.6 Der JFET 67
6.6 JFET-Signalverstärker 68
6.6 JFET-Sourcefolger 71
7 Mehrstufige Verstärker 74
7.1 Zwei Stufen 75
7.2 Drei Stufen 77
7.3 Ein Ringoszillator 81
7.4 Eine JFET-Eingangsstufe 83
7.5 Differenzverstärker 84
7.6 Einfacher LC-Oszillator 86
7.7 Gegentaktverstärker 88
7.8 Der Audioverstärker LM386 92
8 Integrierte Schaltungen 94
8.1 Präzisionstimer NE555 95
8.2 Rechteckgenerator 96
8.3 Symmetrischer Signalgenerator 97
8.4 Operationsverstärker 100
8.4 Ein Bandpassfilter 102
8.5 Wien-Brücken-Oszillator 105
8.6 Ein Tiefpassfilter 108
8.7 Gefilterte Signale 109
9 Der Zweiton-Gong 114
9.1 Die analoge Gong-Schaltung 115
9.2 Die Ladeschaltung 118
9.3 Der Tongenerator 120
9.4 Die Mikrocontroller-Alternative 128
