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Methodisch modern und studentenfreundlich wird das Grundwissen der
Elektrotechnik vermittelt.
Der Leser erhalt zahlreiche Hilfen, die den Lernprozess
erleichtern. Lernziele, Zusammenfassungen, Beispiele und Ubungen
mit Losungen erlauben eine optimale und selbststandige Ubungs- und
Prufungsvorbereitung. Daruber hinaus werden die modernen
Computerprogramme MATLAB und Multisim systematisch
einbezogen.
"
Als Arbeitsbuch erganzt dieses Werk ideal das Lehrbuch
Elektrotechnik 2 des Autors im gleichen Verlag. Um die Lerninhalte
sicher einsetzen zu koennen, sind die UEbungen notwendig, die zur
Vertiefung der Fahigkeiten und zur schnellen und sicheren
Bearbeitung der Aufgaben dienen. Die abgedruckten Loesungen sollen
lediglich zur Kontrolle der eigenen Fertigkeiten dienen.
Als Repetitorium ergAnzt dieses Werk ideal die beiden LehrbA1/4cher
des Autors im gleichen Verlag. Das Konzept unterscheidet sich
wesentlich von anderen Aufgabensammlungen; der einfA1/4hrende Teil
Repetitorium dient als Grundlage zur Vorbereitung auf die
PrA1/4fung. Die wesentlichen Lern-Inhalte sind hier zusammengefaAt.
Das Werk eignet sich auch fA1/4r Ingenieure der Praxis, um
Wissensinhalte rasch nachschlagen zu kAnnen. Um die Lerninhalte
sicher einsetzen zu kAnnen, sind die Aoebungen notwendig, die in
den ergAnzenden ArbeitsbA1/4chern verfA1/4gbar sind.
Als Arbeitsbuch ergAnzt dieses Werk ideal das Lehrbuch
Elektrotechnik 1 (ISBN 3-540-55753-9) des Autors im gleichen
Verlag. Um die Lerninhalte sicher einsetzen zu kAnnen, sind die
Aoebungen notwendig, die zur Vertiefung der FAhigkeiten und zur
schnellen und sicheren Bearbeitung der Aufgaben dienen. Die
abgedruckten LAsungen sollen lediglich zur Kontrolle der eigenen
Fertigkeiten dienen.
Die 2-bandige Einfuhrung prasentiert die Elektrotechnik als ein
Gesamtgebiet, das nach einheitlichen Prinzipien beschrieben werden
kann. Band 1 umfasst stationare Vorgange in elektrischen Netzwerken
und die Grundgesetze elektromagnetischer Felder:
Gleichstromnetzwerke, elektrische Erscheinungen in Leitern und
Nichtleitern, Magnetismus, elektromagnetische Induktion, Krafte und
Energiewandlung. Konzipiert fur Bachelor-Studierende, bietet das
Lehrbuch eine klare Struktur und Didaktik: mit Lernzielen,
Merksatzen, Loesungsstrategien und Kontrollfragen.
Der vorliegende Gesamttext entstand aus dem Anliegen,
Informatikern, aber auch Ingenieuren und Wissenschaftlern, die
keinen unmittelbaren Bezug zur Elektrotechnik/Elektronik hatten,
eine angemessene Einfuhrung in Schwer punkte dieses Fachgebietes zu
geben. Die Notwendigkeit durfte unbestrit ten sein, nicht zuletzt
ist gerade der Computer ein uberzeugendes Produkt der
elektronischen Industrie selbst. Auch fur die Einbindung des
Rechners uber Sensoren und Aktoren in die technische Umwelt oder in
Kommunikati onsnetze sind elektronische Grundkenntnisse fur jeden
Informatiker hochst nutzlich. Dies ist einer der Grunde, der eine
Einfuhrung "Elektrotechnik/Elektronik" in den einschlagigen
Ausbildungsempfehlungen vorsieht. Die Zielstellung be dingt von
Anfang an eine Stoflbeschrankung auf wirkliche Grundkenntnis se,
die mit minimalen Mathematikkenntnissen auskommen und dafur mehr
Wert auf die anschauliche Darstellung legen. Haufiger Bezug auf uns
taglich umgebende elektrotechnische Erscheinungen soll den Leser
uber Stofiklippen hinweghelfen und ein Gefuhl dafur vermitteln, was
sich z.B. hinter Begriffen wie analoge und digitale
Signalverarbeitung und -ubertragung, Wellenaus breitung u.a.
verbirgt. Der gesamte Stoff wurde auf zwei Bande verteilt: Der
erste Band enthalt hauptsachlich die elektrotechnischen
Grundbegriffe und Phanomene, die Grundlagen der Netzwerke
(Stromkreise) und ihrer Netzwerkelemente, Wechselstromnetzwerke
(als Grundlage einer allgemein zeitveranderlichen
Signalubertragung), einen kurzen Abriss der Signal- und
Systembegriffe so wie eine phanomenologische Einfuhrung in das
elektromagnetische Feld (das in konzentrierter Form z.B. in den
Grundelementen auftritt). Der vorliegende zweite Band umfasst die
Grundlagen der Elektronik und insbesondere der Digitaltechnik."
Die aktualisierte und erweiterte dritte Auflage berucksichtigt
typische Netzwerkelemente und Analyseverfahren. Behandelt werden
auch Maschenstrom- und Knotenspannungsanalyse,
Kleinsignalbetrachtung, nichtlineare Vierpole,
Operationsverstarkernetze und Mehrpole, die Netzwerkorientierung
des Drehstromabschnittes und die Verbindung zwischen
Wechselstromverhalten eines Netzwerkes und dem Ubergangsverhalten.
Somit liegt eine geschlossene Betrachtung von Netzwerken im
Frequenz- und Zeitbereich vor.
Der vorliegende Gesamttext entstand aus dem Anliegen,
Informatikern, aber auch Ingenieuren und Wissenschaftlern, die
keinen Bezug zur Elektrotech nik/Elektronik hatten, eine
angemessene Einfiihrung in Schwerpunkte dieses Fachgebietes zu
geben. Die Notwendigkeit diirfte unbestritten sein, nicht zu letzt
ist gerade der Computer ein iiberzeugendes Produkt der
elektronischen Industrie selbst. Auch fiir die Einbindung des
Rechners iiber Sensoren und Aktoren in die technische Umwelt oder
in Kommunikationsnetze sind elek tronische Grundkenntnisse fiir
jeden Informatiker hochst niitzlich. Dies ist einer der Griinde,
weshalb Einfiihrung in die Elektrotechnik/Elek tronik in den
einschHigigen Ausbildungsempfehlungen vorgesehen ist. Die
Zielstellung bedingt von Anfang an eine Stoffbeschriinkung auf
wirkliche Grundkenntnisse, die mit minimalen Mathematikkenntnissen
auskommen und dafiir'mehr Wert auf die anschauliche Darstellung
legen. Hiiufiger Be zug auf uns tiiglich umgebende
elektrotechnische Erscheinungen solI den Leser iiber Stofiklippen
hinweghelfen und ein Gefiihl dafiir vermitteln, was sich z.B.
hinter Begriffen wie analoge und digit ale Signalverarbeitung und
-iibertragung, Wellenausbreitung u.a. verbirgt. Der gesamte Stoff
wurde auf zwei Biinde verteilt: Der vorliegende erste Band enthiilt
hauptsiichlich die elektrotechnischen Grundbegriffe und Phiinomene,
die Grundlagen der Netzwerke (Stromkreise) und ihrer
Netzwerkelemente, Wechselstromnetzwerke (als Grundlage einer
allgemein zeitveriinderlichen Signaliibertragung), einen kurzen
AbriB der Signal-. und Systembegriffe so wie eine
phiinomenologische Einfiihrung in das elektromagnetische Feld (das
auftritt). in konzentrierter Form z.B. in den Grundelementen Der
folgende Band umfaBt die typischen Eigenschaften der wichtigsten
Halb leiterbauelemente, analoge und vor allem digit ale Schaltungen
und Schalt kreise, digit ale Systeme sowie Signalverarbeitung in
solchen System und die Signaliibertragung zwischen Systemen."
Halbleiterbauelemente sind heute fur die Informationstechnik mit
ihren Teilbereichen Informationsverarbeitung, -ubertra- gung,
-erfassung und -wiedergabe zur wichtigsten Grundlage geworden, ohne
die eine moderne Elektronik und deren viel- faltige Anwendungen in
der Volkswirtschaft undenkbar waren. 1m Teilgebiet
Informationserfassung und -wiedergabe spielt die Anwendung
elektrooptischer Wirkprinzipien schon seit lan- gem eine gewichtige
Rolle, die durch die Konzeption optoelek- tronischer
Halbleiterbauelemente wie Lumineszenz- und Laser- dioden,
Anzeigeeinheiten, die vielfaltigen Formen der Fotode- tektoren und
Bildaufnahmeelemente noch zusehends an Bedeutung wuchs. Zu einer
volligen Neubewertung optoelektronischer Halbleiterbauelemente
fuhrte der Vorschlag M. Borners im Jahre 1966, Informationen durch
Glasfasern zu ubertragen. Seitdem hat sich das Gebiet der optischen
Nachrichtentechnik - fast als logische Fortsetzung der
Hochfrequenz- und Mikro- wellentechnik - sehr sturmisch entwickelt
und ist mit solchen stichworten wie Glasfasertechnik, integriertes
digitales Nachrichtensystem und Kabelfernsehen derzeit im Begriff.
seine Moglichkeiten auch dem Laien zu vergegenstandlichen. Das
vorliegende Studienskriptum versucht, die Wirkprinzipien,
Eigenschaften und Anwendungsmoglichkeiten der typischen opto-
elektronischen Halbleiterbauelemente ubersichtsartig und aus
einheitlicher Sicht darzustellen. Es entstammt Teilen einer
Einfuhrungsvorlesung uber Halbleiterbauelemente fur Elektro-
techniker in den unteren Ausbildungssemestern. So sollte es fur
Studenten mit einigen physikalischen und elektronischen Kenntnissen
verstandlich sein. Eine umfassende Darstellung des Gesamtgebietes
wurde diese Zielsetzung sicher verfehlen. Zusatzliche Literatur -
meist mit Obersichtscharakter bzw. Quellenzitate am Ende eines
jeden Abschnittes - ermoglicht ein tieferes Eindringen. Sie ist in
jedem FaIle erforderlich, - will der Leser spater selbst an den vie
len noeh offenen Fra- gestellungen gerade dieses Gebietes
mitarbeiten.
Die Transistortechnik ist eines jener Gebiete, auf dem in den
letzten Jahren ganz erhebliche Fortschritte technischer und
wirtschaftlicher Art gemacht werden konnten. An dieser Entwicklung
hat die Transistormesstechnik, die sich mit den Verfahren zur
Bestimmung der Kennwerte und Kenngrossen des Transistors be
schaftigt, in ganz entscheidendem Masse Anteil. Eine geschlossene
Darstellung der vielfaltigen Messverfahren erscheint deshalb zum
gegenwartigen Zeitpunkt als gerechtfertigt. Die Entstehung einer
"Transistormesstechnik" hat verschiedene Ursachen: Der Transistor
muss, seiner Funktionsweise entsprechend, durch mehr Kennwerte
beschrieben werden als die in dieser Hinsicht wesentlich
angenehmere Elektronen rohre. Die Kennwerte hangen zudem von einer
ganzen Reihe von Parametern wie Frequenz, Arbeitspunkt, Temperatur
ab, die es dem Hersteller aus wirtschaftlichen Grunden versagen,
auch nur annahernd ausreichendes Datenmaterial fur die vielen
Anwendungsbereiche bereitzustellen. Auch die relativ leicht
eintretende Gefahr der Uberlastung des Transistors zwingt den
Hersteller, eine grossere Anzahl von Kenn werten und
Sicherheitsgrenzen anzugeben, die durchweg auf experimentellem Wege
kontrolliert werden. Schliesslich veranlassten - vor allem in der
ersten Entwicklungs phase - die grossen, heute durch die
Planartechnologie eingeengten Streuungen der Kenngrossen einen
hohen messtechnischen Aufwand seitens des Herstellers, um dem
Anwender einigermassen vertretbare Streugrenzen herausmessen zu
konnen. Gegenstand der Transistormesstechnik sind nicht die
grundsatzlichen schwach stromtechnischen Messverfahren schlechthin,
sondern ihre Anpassung und An wendung auf den Transistor unter
Beachtung seiner Besonderheiten. Die Fulle der bekannt gewordenen
Verfahren versagte es von vornherein, uber das zum Ver standnis
grundsatzlich Notwendige hinauszugehen, und die vielen Schaltungs
auslegungen im Detail zu analysieren. Diese Kurzung durfte
zugunsten einer uber sichtlicheren Darstellung vertretbar sein."
Als vor nunmehr rd. 15 Jahren das Transistorprinzip bekannt wurde,
ahnte wohl niemand die technische Tragweite dieser Entdeckung. In
der Zwischenzeit stiegen die Produktions- zahlen dieser Bauelemente
von Jahr zu Jahr. Allein in. r apan erwartete man fur 1964 etwa 300
Millionen Transistoren. Das ist um so bemerkenswerter, als der
Transistor von Anfang an keine sehr gunstige Startbasis hatte, denn
die ersten Spitzentransistoren waren keine besonders zuverlassigen
Bauelemente. In der Zwischenzeit wurde und wird noch in vielen
Laboratorien unentwegt gearbeitet, um aus dem "aus der Physik der
Dreckeffekte" hervor_ gegangenen Bauelement ein solches ho her
Zuverlassigkeit und moeglichst flexibler elektrischer Eigenschaften
zu erhalten. Daruber hinaus wurde der Transistor zum Keim einer
neuen Technik, der Mikroelektronik, die zweifelsohne das Geprage
der Schaltungstechnik in nicht allzu ferner Zeit verschieben wird.
Die in der Vergangenheit durchlaufene Entwicklung des Transistors
geschah in starkem Masse unter Beibehaltung des
Minoritatssteuerprinzips und ist durch die Etappen: Fluchen-
transistor mit homogener Basis, Drift-, Mesa-, Epitaxial-und Plan
ar transistor gekennzeich- net. Es kann bereits heute als
wahrscheinlich gelten, dass diese Konstruktionen gewisse Voll-
kommenheit besitzen und die Grenzen der Entwicklung abzusehen sind,
falls nicht bisher unbekannte Effekte Verlagerungen bringen. Gewiss
werden sich durch Anwendung neuer Materialien und sonstige
Verbesserungen neue Typen mit besseren Kennwerten und Eigen-
schaften herstellen lassen, doch an der prinzipiellen Wirkungsweise
wird sich wenig andern.
MOS-Transistoren haben seit ihrem Aufkommen in den 60er Jahren die
Ent wicklung der Mikroelektronik auf das Nachhaltigste beeinfluBt:
Dank einer Reihe von Vorziigen gegeniiber dem Bipolartransistor
erlauben sie heute Inte grationsgrade im VLSI- und ULSI-Bereich,
die mit anderen Halbleiterbauele menten nicht erreichbar sind. Aber
auch als Leistungsbauelemente konnten sie sich - nach anfanglichen
Schwierigkeiten - schlieBlich iiberzeugend durchsetzen. Diese
Bedeutung war Grund genug, dem MOS-Transistor einen eigenen Band
der Reihe "Halb leiter-Elektronik" zu widmen. Das Buch beginnt mit
einer einfUhrend-zusammenfassenden Betrachtung der MOS-Kapazitat
als Grundlage des MOS Transistors. Der Schwerpunkt des Buches liegt
auf der Modellierung des MOS-Transistors unter verschieden sten
Gesichtspunkten: Gleichstrommodelle der unterschiedlichsten MOSFET
Arten, Einbezug verschiedener physik ali scher Effekte,
Submikrometermo delle, Modellierung fUr unterschiedliche
Betriebsbedingungen; Modelle fUr das Wechselstrom- und
Impulsverhalten; Modellierung fUr die Schaltungs simulation. Ein
weiterer Teil ist den unterschiedlichen Transistorbauformen und
Technologieaspekten gewidmet: CMOS-, SOI-Strukturen, Speicher-FET's
und Leistungselemente. Das Buch wendet sich an drei
Leserkategorien: Ingenieure und Naturwis senschaftler in der
Halbleiterentwicklung, Schaltungsentwerfer und Studenten der
Elektrotechnik und Physik mit Interesse am MOSFET und seinen Anwen
dungen. Dabei wurde versucht, sowohl einfUhrende als auch
Fortschritts aspekte zu beriicksichtigen. Vorausgesetzt werden
lediglich Halbleitergrund kenntnisse, wie sie beispielsweise durch
den Band 1 dieser Reihe ausreichend geboten werden. Mein Dank gilt
insbesondere den Herausgebern der Reihe, den Herren Prof. Dr. W.
Heywang und Prof. Dr. R. Miiller fUr fordernde Diskussionen zu
diesem Projekt, vor aHem aber auch fUr die geduldige Nachsicht, daB
das Manuskript nicht so rasch abgeschlossen werden konnte, wie
urspriinglich geplant."
Die dreibandige Einfuhrung hilft, die Elektrotechnik als ein
Gesamtgebiet zu begreifen, das nach einheitlichen Prinzipien
beschrieben werden kann. Band 3 erweitert die Netzwerkkenntnisse
auf zeitveranderliche Vorgange, von denen die Wechselstromtechnik
als wichtige technische Grundlage der Elektrotechnik dient, aber
auch die Grundlage ist, mit der durch Transformationen (Fourier-,
Laplace-) das Netzwerk schliesslich in die abstraktere
Systemauffassung bis hin zu zeitkontinuierlichen Systemen ubergeht.
Sie sind als Grundlage der digitalen Signalverarbeitung
unverzichtbar. Die Grundkenntnisse dafur werden geboten.
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