Lernpaket Elektronische Schaltungen
Grundlagen, Simulation, Praxis    


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https://www.amazon.de/FRANZIS-67164-Elektronische-Schaltungen-120-seitigem/dp/B0B3MHB38P


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


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