Arbeitshilfen und. technische Studium. Formeln fur das. Wolfgang Boge. Band 4 Elektrotechnik I Elektronik I Digitaltechnik. 4., Oberarbeitete Auflage

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1 Wolfgang Boge Arbeitshilfen und Formeln fur das technische Studium Band 4 Elektrotechnik I Elektronik I Digitaltechnik 4., Oberarbeitete Auflage Erarbeitet von Peter Franke und Dieter Lachmann Mit Ober 500 Bildern Friedr. Vieweg & Sohn Braunschweig/wiesbaden

2 Arbeitshilfen und Formeln fur das technische Studium werden herausgegeben von Wolfgang B6ge. Band 4 wurde bis zur 3. Auflage herausgegeben von Alfred B6ge. Autoren des Bandes 4: Peter Franke und Dieter Lachmann 1. Auflage , durchgesehene A uflage , tiberarbeitete und erweiterte Auflage , tiberarbeitete Auflage 1993 Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der Verlagsgruppe Bertelsmann International. Aile Rechte varbehalten Friedr. Vieweg & Sahn VerlagsgeseUschaft mbh, BraunschweiglWiesbaden, 1993 Das Werk einschlieblich auer seiner Teile ist urheberrechtlich geschiitzt. Jede Verwertung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fallen bedarf deshalb der varherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages. Satz: Vieweg, Braunschweig Umschlaggestaltung: Peter Marys, Salzhemmendarf Gedruckt auf saurefreiem Papier ISBN ISBN (ebook) DOI /

3 Vorwort zur 4. Auflage Fur wen undwozu Was wird erreicht undwie Fur Klausuren gerade richtig Gesetzliche Einheiten Brucke von einer Schulform zur folgenden Anderung der 3. Auf/age Anderung der 4. Auf/age 1m vorliegenden Band 4 der "Arbeitshilfen" finden die Studierenden an Fachschulen Fachhochschulen Fachoberschulen Fachgymnasien Berufsaufbauschulen die zum Losen von Aufgaben aus dem Fach Grundlagen der Elektrotechnik I Elektronik erforderlichen GraBengleichungen Erlauterungen einzelner GraBen Regeln, Verfahren und Anwendungen Arbeitsplane Stoffwerte, technische Oaten und Tabel/en oiagramme und Kennlinien Schaltzeichen Beispiele Neben dem Grundlagenband 1 erfassen weitere Bande die Unterrichtsinhalte der Ausbildungsschwerpunkte Konstruktion (Band 2) und Fertigung (Band 3). Mit den "Arbeitshilfen" wird Zeit gespart fiir das Erarbeiten des Losungsweges der Aufgaben: das ausfuhrliche Sachwortverzeichnis fuhrt zur gesuchten GroBe die zugeharige Tafel enthalt die GraBengleichungen in zweckmabiger Form mit einem Blick ist der Anwendungsbereich erfabbar die zusatzlichen Erlauterungen sichern die richtige Anwendl,mg Hinweise auf andere Tafeln vervol/standigen den Uberblick Umfang, Schwerpunktbildung und Ordnung des Stoffes bringen den Studierenden die zulassige und wiinschenswerte Hilfe fur schriftliche Priifungen. Selbstverstandlich werden nur die gesetzlichen Einheiten und die Einheiten des Internationalen Einheitensystems (SI-Einheiten) verwendet. Herausgeber und Autoren sind bestrebt, aile Bande didaktisch und methodisch so anzulegen, dab sie fur aile Schulformen der Sekundarstufe II mit technischen Lehrinhalten und fur die anschliebenden Studiengange echte Arbeitshilfen sind. Neu aufgenommen wurden die Abschnitte: Elektrische Maschinen und Antriebe, Elektronik und Grundlagen der Digitaltechnik Aile Abschnitte wurden iiberarbeitet. Dabei konnten viele Anregungen und Verbesserungsvorschlage beriicksichtigt werden. Auch fur die folgenden Auflagen bitte ich Lehrer und Studierende, mir mit kritischen Anregungen zu helfen, das Werk noch weiter zu verbessern. Braunschweig, im Februar 1993 Wolfgang 8dge

4 IV Inhaltsverzeichnis Benutzen Sie auch das ausfuhrliche Sachwortverzeichnis (S. 212) Nonnen, Schaltzeichen 1 Normen und VDE-Bestimmungen Konstanten und hiiufig benotigte StofTwerte Einheiten SI-Basiseinheiten Vorsatze flir dezimale Teile und Vielfache von Einheiten Codiertes Herstellungsdatum auf Kondensatoren und Widerstiinden Nennwertreihen fiir Widerstiinde und Kondensatoren Schaltzeichen Strom, Spannung, Schaltungsarten Leiter, Leitungen, Leitungsverbindungen Schaltgiieder, Sicherungen, Ableiter Stromversorgung, Maschinen Widerstiinde Drosselspulen, Wicklungen, Transformatoren Relais, SchUtze, elektromechanische und elektromagnetische Antriebe Kondensatoren Halbleiter-Bauelemente MeBtechnik, Ubertragungstechnik Biniire Elemente, Informationsverarbeitung Elementare passive Zweipole 7 Widerstand R Leitungswiderstand Temperaturabhiingigkeit des Widerstandes Frequenzabhiingigkeit des Widerstandes Nichtlinearer Widerstand Wertkennzeichnung von Widerstiinden Leiterwerkstoffe Zuliissige Dauerbelastung von isolierten Leitungen bei Umgebungstemperaturen bis 30 C Zuliissige Belastbarkeit von Leitungen bei erhohter Umgebungstemperatur Widerstands- und Heizleiterlegierungen Isolierstoffe... 20

5 I nhaltsverzeichnis V 8 Induktivitiit Induktivitiit von parallelen Leitern und Luftspulen Induktivitiit von Spulen mit Eisenkern Drosselspule Transformator Magnetisierungskennlinien Wickeldraht-Tabelle flir Runddriihte aus Kupfer Ummagnetisierungsverluste von Elektroblechen Kernbleche und Wicklungsdaten von Kleintransformatoren Kapazitiit Kapazitiit von Leitern und Kondensatoren Temperaturabhiingigkeit der Kapazitiit Kondensatorverluste Wertkennzeichnung von Kondensatoren Dielektrizitiitszahl, Durchschlagfeldstiirke, Verlustfaktor Keramikkondensatoren Glimmer-, Glas- und Kunststoffolienkondensatoren Aluminium-Elektrolytkondensatoren Magnetisches und elektrisches Feld 10 Magnetisches Feld GraBen des homogenen magnetischen Feldes Spannungserzeugung Kraftwirkung Richtungsregeln FeldgraBen gestreckter Leiter Elektrisches Feld GraBen des homogenen elektrostatischen Feldes Schaltungen von Kondensatoren Formale Analogien zwischen den Feldgro8en... 49

6 VI I nhaltsverzeichnis Halbleiterbauelemente 13 Wirmeableitung bei HaIbleiterbauteilen Wlirmemenge SO 13.2 Wlirmewiderstand und KUblung HaIbleiterdioden Dioden zum Gleichrichten und Schalten KenngrOBen von Siliziumdioden Dioden im Schaltbetrieb Z-Dioden Kenndaten und Kennlinien einer Si-Diode Kenndaten und Kennlinien von Leistungs-Z-Dioden lansistoren Bipolare Transistoren Kennlinien und KenngroBen bipolarer Transistoren Der Transistor als Vierpol Feldeffekttransistoren (FET) Der Sperrschicht-FET Isolierschicht-FET Kenndaten und Kennlinien eines NPN-Transistors Kenndaten und Kennlinien eines Feldeffekttransistors Operationsverstiirker Kennwerte und Betriebsarten des Operationsverstiirkers (OP) Idealer und realer OP Invertierender Verstiirker Nichtinvertierender Verstlirker Kenndaten und Anschliisse eines Standard-Operationsverstiirkers Thyristoren Grundschaltung und Kenndaten Ausgewiihlte Thyristorbauelemente Schaltungslehre 18 Gleichstrom Ohmsches Gesetz, nichtverzweigter Stromkreis Kirchhoffsche Siitze Ersatzschaltungen des Generators... 87

7 I nhaltsverzeichnis VII 18.4 Parallelschaltung von Widerstiinden Parallelschaltung von Quellen Reihenschaltung von Widerstiinden Belasteter Spannungsteiler Reihenschaltung von Quellen MeBschaltungen Indirekte Widerstandsbestimmung MeBbereichserweiterung bei Spannungs- und Strommessern Lineare und nichtlineare Widerstiinde im Stromkreis Stern- und Dreieckschaltung Briickenschaltung Verzweigte line are Netze mit mehreren Quellen Berechnung mit Knotenpunkt-Satz und Maschen-Satz Berechnung mit Uberlagerungsverfahren Berechnung dutch Umwandlung in eine Ersatz-Spannungsquelle Elektrische Leistung Elektrische Energie Schaltvorgiinge bei Kapazitiiten und Induktivitiiten Exponentialfunktionen Schalten von Kapazitiiten Schalten von Induktivitiiten Wechselstrom Kennwerte von WechselgroBen Fourier-Reihen Passive Wechselstrom-Zweipole an sinusformiger Wechselspannung Reihenschaltung von Widerstiinden Parallelschaltung von Widerstiinden Umwandlung passiver Wechselstrom-Zweipole in gleichwertige Schaltungen Stern- und Dreieckschaltung Briickenschaltung Frequenzunabhiingiger Spannungsteiler Schwingkreise ReihenresonanzlSpannungsresonanz ParallelresonanzlStromresonanz Freie Schwingungen Blindwiderstand-Frequenz-Diagramm ("Hf-Tapete") Ubertragungsfaktor, UbertragungsmaB, Pegel Blindleistungskompensation Drehstrom Komplexe Rechnung Begriffe und Rechenregeln Komplexe Darstellung sinusformiger WechselgroBen Komplexe Widerstiinde zusammengesetzter Schaltungen Elektrische Antriebe, Elektromotoren Grundlagen Leistung, Drehmoment, Wirkungsgrad Wichtige Elektromotoren im Uberblick Angaben des Leistungsschildes (Auswahl) AnschluBkennzeichnungen elektrischer Maschinen Drehrichtung elektrischer Motoren Stellglieder fur elektrische Antriebe

8 VIII I nhaltsverzeichnis Drehstrom-Asynchronmotoren Drehfeld M1>giichkeiten der Drehzahlsteuerung Der Drehstrom-Asynchronmotor mit KurzschluBlliufer Betriebsverhalten und Kennlinien Ausgewiihlte AnlaBverfahren Drehzahlumschaltung mit Dahlanderschaltung Der Drehstrom-Asynchronmotor mit Schleifringliiufer Betriebsverhalten und Kennlinien Schieifringiiiufer und Anlasser Stromrichtergespeiste Drehstrom-Asynchronmaschinen Ausgewiihlte Stromrichter Gleichstrommotoren ' Aufbau von G1eichstrommaschinen Der NebenschluBmotor Der ReihenschluBmotor Der DoppelschluBmotor (Kompoundmotor) Stromrichterbetrieb von Gleichstrommotoren Netzgeftihrte Stromrichter StromrichterschaItungen Motoren am Einphasennetz Der Kondensatormotor Der Universalmotor Der Drehstrom-Asynchronmotor in Steinmetzschaltung Sonderformen von Elektromotoren Der Schrittmotor Elektronik Belastbarkeit und Kiihlung von Halbleiterbauelementen Ungesteuerte Gleichrichterschaltungen (Stromrichter) Einpuls-Mittelpunktschaltung mit reiner Wirklast Einpuls-Mittelpunktschaltung mit Wirklast und kapazitiver Last Kennwerte ungesteuerter Gleichrichterschaltungen..., Siebschaltungen Stabilisierungsschaltungen...,...,...,..., Spannungsstabilisation mit Z-Diode...,...,...,.,',..., Spannungsstabilisierung mit Z-Diode und Reihentransistor,.. ".,..., Transistorschaltungen...,...,...,...,.., Arbeitspunkteinstellung..., Arbeitspunktstabilisierung...,...,...,.,...,... " Transistor-Grundschaltungen.,...,..,..., Dimensionierung eines einstufigen Wechselspannungsverstarkers in Emitterschaltung...,..., lfet-verstarker-grundschaltungen.. "...,..,...,...,.. " Einstufiger Wechselspannungsverstarker mit lfet in Sourceschaltung OP-Grundschaltungen... "... "..,..,...,..., Differenzverstiirker (Subtrahierer).,...,.. "...,.,...,...,' SummierversUirker (Addierer),...,...,...,..., Differenzierer...,... "...,..., Integrierer,.,... "...,...,...,... "...,",..., Schalten mit Thryristoren.,...,...,,...,...,.,, Phasenanschnittsteuerung... ".. ".. "..,...,... "

9 IX Grundlagen der Digitaltechnik 22 Zahlensysteme Analoge und digitale GroBen Logische Zustlinde und Pegel Darstellung relevanter Zahlensysteme Umwandlung von Zahlensystemen Rechnen mit Dualzahlen Codierung und Codes Auswahl binlirer Codes zum Zlihlen und Rechnen Der ASCII-Code Logische SchaltgJieder Die logischen Grundfunktionen Erweiterte Grundfunktionen Verkniipfungsschaltungen aus NAND- und NOR-Elementen Analyse logischer Schaltungen Schaltalgebra Regeln und Gesetze der Schaltalgebra Synthese logischer Schaltungen Minimierung logischer Schaltungen Sequentielle logische Schaltungen Bistabile Elemente (Flipflops) Bistabile Elemente im Dualzlihler, Frequenzteiler und Schieberegister Schaltkreisfamilien Allgemeine Hinweise TIL-Schaltungen CMOS-Schaltungen Auswahl integrierter Logikbausteine Sachwortverzeichnis

10 x Beispiele und Arbeitsplane zur Schaltungslehre Gleichstrom Parallelschaltung von zwei Quellen mit ungleicher Quellenspannung Belasteter Spannungsteiler Lineare und nichtlineare Widerstande im Stromkreis: Reihenschaitung Parallelschaltung Gemischte Schaltung Gesamtwiderstand eines verzweigten Netzwerkes (Dreieck-Stern-Umwandlung) Verzweigte lineare Netze mit mehreren Quellen: Berechnung mit Knotenpunkt-Satz und Maschen-Satz Berechnung mit Uberlagerungsverfahren Berechnung durch Umwandlung in eine Ersatz-Spannungsquelle Anzugsverzogerung eines Relais Stromrilckgang in einer kurzgeschlossenen Spule Wechselstrom Umwandlung passiver Wechselstrom-Zweipole in gleichwertige Schaltungen: Umwandlung einer Reihenschaltung in eine gleichwertige Parallelschaltung Umwandlung einer Parallelschaltung in eine gleichwertige Reihenschaltung Umwandlung einer Sternschaltung in eine gleichwertige Dreieckschaltung Unsymmetrischer Verbraucher in Sternschaltung am Vierleiter-Drehstromnetz Komplexe Berechnung eines verzweigten Stromkreises Elektrische Antriebe, Elektromotoren Drehstrom-Schleifringlaufermotor mit AnlaBwiderstanden Gleichstrom-NebenschluBmotor Schrittmotor Zweistrang-Schrittmotor mit zweipoligem Laufer in bipolarer Schaltung Elektronik Belastbarkeit und Kilhlung von Halbleiterbauelementen: Belastbarkeit einer Siliziumdiode Kilhlflachenberechnung filr eine Z-Diode Spannungsstabilisation mit Z-Diode Transistorschaltungen: Dimensionierung cines einstufigen Wechselspannungsverstarkers in Emitterschaltung Sourceschaltung mit JFET

11 XI Operationsverstarker: Briickenschaltung mit Differenzverstarker Summierverstarker Differenzierer-Schaltung Integrierer-Schaltung 'Phasenanschnittsteuerung: Effektivwerte bei Phasenanschnittsteuerung mit Triac Grundlagen der Digitaltechnik Zahlensysteme: Umwandlung von Zahlensystemen Rechnen mit Dualzahlen Logische Schaltungen: Analyse eines Schaltnetzes Synthese einer logischen Schaltung Minimierung einer logischen Schaltung