Elektrotechnik für Informatiker

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1 Reinhold Paul Elektrotechnik für Informatiker mit MATLAB und Multisim Teubner B. G. Teubner Stuttgart. Leipzig. Wiesbaden

2 Inhalt Hinweise zur Arbeit mit dem Lehrbuch. Studienmethodik Schaltungsvariable und Netzwerkelemente Physikalische Größen und Einheitensysteme Elektrische Grundgrößen und Kirchhoffsche Gesetze Elektrische Ladung Elektrisches Feld. elektrische Feldstärke. elektrische Spannung Elektrische Feldstärke. elektrische Spannung. Potential Maschensatz Elektrischer Strom. Stromdichte Elektrische Stromstärke. Stromdichte Knotensatz Energie. Arbeit und Leistung im Stromkreis Energie. Arbeit. Leistung Energie und Leistung am Zweipol. Wirkungsgrad Lemorientierungen zu Abschnitt 1... Wiederholungsfragen zu Abschnitt Einfache Stromkreise. Bau- und Netzwerkelemente Unabhängige Spannungs- und Stromquellen Widerstand. resistiver Zweipol Linearer Widerstand. Ohmsches Gesetz Nichtlineare resistive Zweipole Kondensator, kapazitiver Zweipol Kondensatorprinzip Das Netzwerkelement kapazitiver Zweipol. Zusammenschaltungen Nichtlinearer kapazitiver Zweipol Spule, induktiver Zweipol Spulenprinzip Das Netzwerkelement induktiver Zweipol. Zusammenschaltungen Spule als Bauelement Nichtlinearer induktiver Zweipol Gegeninduktion, magnetisch verkoppelte Spulen Mehrpolelemente Gesteuerte Quellen Passive Mehrpole Lernorientierungen zu Abschnitt Wiederholungsfragen zu Abschnitt

3 12 Inhalt 3 Analyse elektrischer Netzwerke Zusammenspiel aktiver-passiver Zweipol. Grundstromkreis Reale unabhängige Quellen. Ersatzschaltungen des aktiven Zweipols Der Grundstromkreis Nichtlineare Zweipole im Grundstromkreis Grafische Behandlung des nichtlinearen Grundstromkreises Analytische und numerische Lösungsverfahren Grundstromkreis im Kleinsignalbetrieb Zweipoltheorie Überlagerungssatz Allgemeine Netzwerkanalyse Zweigstromanalyse Maschenstromanalyse Knotenspannungsanalyse Lernorientierungen zu Abschnitt Wiederholungsfragen zu Abschnitt Netzwerke bei harmonischer Erregung. Wechselstromschaltungen Kenngrößen harmonischer Zeitfunktionen Mittelwerte periodischer Größen Addition und Subtraktion von Sinusgrößen Sinusgrößen an Netzwerkgrundelementen Grundbeziehungen Zusammenschaltung von Grundelementen Netzwerkanalyse im Frequenzbereich, Transformation in die komplexe Ebene Eigenschaften komplexer Größen, Rechenoperationen Beziehungen zwischen Sinus- und Zeigergrößen Differentiation und Integration rotierender Zeiger Widerstandsoperator, Leitwertoperator Zusammenfassung: Netzwerkanalyse im Frequenzbereich, Frequenzgang Darstellung von Netzwerkeigenschaften, Netzwerke bei veränderlicher Frequenz Zeigerdarstellung, Zeigerbild Bode-Diagramm Ortskurven Leistung und Energie im Wechselstromkreis Leistungsbegriffe Leistungsanpassung Typische Wechselstromschaltungen Lineare Vierpole Vierpolgleichungen, Vierpolbeschreibungen Vierpolersatzschaltungen Vierpol in der Schaltung, Vierpolzusammenschaltungen

4 Inhalt Resonanzkreise Vierpole mit Filtereigenschaften Tiefpässe, Hochpässe Bandpassschaltungen, Bandsperrenschaltungen Besondere Wechselstromschaltungen Übertrager, Transformator Ausgleichsvorgänge Schaltvorgänge im Zeitbereich Netzwerke mit einem Energiespeicher Netzwerke mit einem Energiespeicher und beliebiger Erregerfunktion Netzwerke mit zwei Energiespeichern Lernorientierungen zu Abschnitt Wiederholungsfragen zu Abschnitt Netzwerke bei beliebiger Erregung. Signale und Systeme Allgemeine Netzwerkerregung, Signalbegriff Testsignale Periodische Signale, Fourierreihe Aperiodische Signale, Fourier-Transformation Laplace-Transformation, Ausgleichsvorgänge im Frequenzbereich Definition der Laplace-Transformation, Beziehung zur Fourier-Transformation Laplace-Transformation des Netzwerkes in den Bildbereich Übertragungseigenschaften von zeitkontinuierlichen Systemen und ihre Beschreibungen Zeitkontinuierliche Systeme und ihre Netzwerkdifferentialgleichung Beschreibung des Übertragungsverhaltens durch Antwortfunktionen Die Übertragungsfunktionen des Eingangs-Ausgangsverhaltens im Bildbereich Eigenschaften und Darstellungen der Übertragungsfunktion Zeitdiskrete Signale und Systeme Zeitdiskrete Signale, Abtastung Z-Transformation Fourier-Transformation zeitdiskreter Signale Zeitdiskrete Systeme Differenzengleichung Impuls- und Sprungantwort Übertragungsfunktion, Frequenzgang Pole, Nullstellen Z-Übertragungsfunktion, Frequenzgang Strukturen zeitdiskreter Systeme Digitale Simulation analoger Systeme Lernorientierungen zu Abschnitt Wiederholungsfragen zu Abschnitt

5 14 Inhalt 6 Das elektromagnetische Feld Feldbegriff Elektrisches Feld Elektrisches Feld und Potential Elektrostatisches Feld, Feld im Nichtleiter Elektrische Feldstärke, Verschiebungsflussdichte im elektrostatischen Feld Kondensator C Kraftwirkung und Energie des elektrostatischen Feldes Elektrisches Feld im Leiter, Strömungsfeld Elektrische Feldstärke, Stromdichte Widerstand R Leitungsmechanismen im Festkörper Leitungsmechanismen im Vakuum und in Gasen Leitungsmechanismen in Flüssigkeiten und Elektrolyten Energieumsatz im Strömungsfeld Magnetisches Feld, Verknüpfung zwischen elektrischem und magnetischem Feld Feldgrößen des Magnetfeldes, Durchflutungsgesetz Materie im Magnetfeld Integralgrößen des magnetischen Feldes, magnetischer Kreis Spule, Induktivität L Induktionsgesetz. Verkopplung magnetischer und elektrischer Größen Kraftwirkung und Energie des Magnetfeldes Magnetische Energie Elektromagnetische Felder und Wellen Maxwellsche Gleichungen Einteilung elektromagnetischer Felder Elektromagnetische Wellen Lernorientierungen zu Abschnitt Wiederholungsfragen zu Abschnitt Anhang A Übungsaufgaben und Lösungen A 1 Übungsaufgaben A 2 Lösungen Anhang B Computerbeispiele Übersicht der Multisim- und MATLAB-Beispiele B 1 Beispiele unter Verwendung von Multisim 2001/Electronics Workbench B 2 Beispiele unter Verwendung von MATLAB Literaturverzeichnis Sachverzeichnis