Einführung in die Elektrotechnik Elektronik

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1 Einführung in die Elektrotechnik Elektronik Prof. Dr. sc. techn. Horst Elschner Prof. Dr.-Ing. habil. Albrecht Möschwitzer 2., bearbeitete Auflage 3 VEB VERLAG TECHNIK BERLIN

2 Inhaltsverzeichnis Die wichtigsten Formelzeichen Grundbegriffe elektrischer Schaltungen Physikalische Größen und Maßeinheiten Maßeinheiten Größengleichungen Schreibweise der verwendeten elektrotechnischen Größen Elektrische Ladung Grundlagen Kräfte zwischen Ladungen Kraft und elektrische Feldstärke Elektrischer Strom Wirkungen des elektrischen Stromes Elektrische Stromstärke Leiter, Halbleiter und Nichtleiter Erstes Kirchhoffsches Gesetz (Knotensatz) Anwendung des ersten Kirchhoffschen Gesetzes auf Bauelemente bzw. Netzwerke Elektrisches Potential und Spannung Definition von Potential und Spannung Zweites Kirchhoffsches Gesetz (Maschensatz) Ideale Spannungs- bzw. Stromquellen Widerstand Definition des Widerstandes Ohmsche Widerstände Grundlagen Bauformen ohmscher Widerstände Temperaturabhängigkeit ohmscher Widerstände Nichtlineare Widerstände Kondensator Grundlagen Bauformen von Kondensatoren Spule Induktionsgesetz und Maschensatz Induktivität Ersatzschaltbilder aktiver Bauelemente Spannungs- und Stromquellenersatzschaltbilder aktiver Zweipole Ersatzschaltbilder mit gesteuerten Quellen 64

3 8 Inhaltsverzeichnis Schaltungsberechnung mit den Kirchhoffschen Gesetzen Reihen- und Parallelschaltung gleichartiger Bauelemente Überblick über Verfahren der Schaltungsberechnung Leistung und Energie Energieerhaltungssatz in Schaltungen Leistung und Energie bei Bauelementen Resistive Schaltungen Grundstromkreis Spannungsteilung mit linearen Widerständen Stromteilung mit linearen Widerständen Überlagerungssatz Zweipol-Ersatzschaltungen Zweipol-Ersatzschaltungen linearer Widerstände Ersatzschaltungen für lineare aktive Zweipole Reihen- und Parallelschaltung von Spannungsquellen Satz von Helmholtz Lösungsverfahren für Schaltungen mit nichtlinearen Bauelementen Wechselstromschaltungen Grundbegriffe sinusförmiger Zeitfunktionen Wechselstromverhalten linearer Bauelemente Wechselstromverhalten von ÄLC-Schaltungen - ein Überblick Addition sinusförmiger Zeitfunktionen gleicher Frequenz und einige Schlußfolgerungen Differentialgleichungen als Berechnungsgrundlage Berechnung von Wechselstromschaltungen im stationären Zustand Eigenschaften komplexer Größen Darstellung komplexer Zahlen Rechenoperationen bei komplexen Zahlen bzw. Größen Netzwerkanalyse mittels komplexer Rechnung * Funktionaltransformation * Komplexe Dgln. bzw. Integro-Dgln Einführung des komplexen Widerstandes Netzwerkberechnung mit komplexen Knoten- und Maschengleichungen sowie Strom-Spannungs-Relationen Netzwerkberechnung mit vereinfachten Methoden Zeigerbilder und Ortskurven Grundregeln für Zeigerbilder * Inversion von Zeigern Ortskurven und ihre Inversion Leistung und Arbeit Grundlagen Leistung bei R, L und C Wirk- und Blindspannungen bzw. -ströme 125

4 Inhaltsverzeichnis Spezielle Wechselstromschaltungen Schaltungen mit Tief- bzw. Hochpaßverhalten Resonanzkreise (Bandpässe bzw. -sperren) Frequenzunabhängiger Spannungsteiler Wechselstrom-Brückenschaltungen * Kleinsignalverhalten von Schaltungen Vierpole Widerstands-, Leitwert- und Hybridparameter Vierpolarten * Wellenparameter Vierpol-Ersatzschaltungen Dreiphasen-Wechselstrom (Drehstrom) Einführung Netze mit Sternschaltung des Generators Netze mit Dreieckschaltung des Generators Leistung in Dreiphasen-Systemen Einige Beispiele zum Drehstrom-Vierleiternetz Schaltungen bei mehrwelliger Erregung Analyse linearer Netzwerke bei mehrwelliger Erregung Fourierreihendarstellung periodischer Zeitfunktionen Kenngrößen mehrwelliger Zeitfunktionen Schaltungen bei beliebiger Erregung Schaltvorgänge Schaltverhalten von R, L und C Schaltvorgänge in linearen Schaltungen Netzwerke mit einem Energiespeicher bei konstanter Erregungsfunktion * Netzwerke mit einem Energiespeicher bei beliebiger Erregungsfunktion Netzwerke mit zwei Energiespeichern * Übertragungsfunktion eines linearen Systems Grundlagen Übertragungsfunktion linearer elektrischer Netzwerke Analyse des dynamischen Verhaltens nichtlinearer Schaltungen Übersicht über die Schaltungsberechnung Analogien zwischen elektrischen und nichtelektrischen Systemen Einführung Thermisch-elektrische Analogien Thermische Knoten- und Maschengleichungen Thermische Widerstände Übersicht und Beispiele Mechanisch-elektrische Analogien Mechanisch-translatorische Systeme Mechanisch-rotatorische Systeme Weitere Analogien 184

5 10 Inhaltsverzeichnis 6. Elektrische Felder und Stromflußmechanismen Grundgleichungen elektromagnetischer Felder Kontinuitätsgleichung für den Stromfluß Elektrische Feldgrößen an Grenzflächen Einteilung von Feldtypen Elektrische Spannung und Potential Elektrostatische Felder Feldberechnung bei vorgegebener Ladungsverteilung Grenzfläche Leiter-Nichtleiter Kapazitätsberechnung Spezielle stationäre Strömungsfelder Strömungsfeld Widerstandsberechnung Analogie zwischen elektrostatischem Feld und Strömungsfeld Energie und Kraft im elektrischen Feld Energiedichte und Energie Kraft auf Ladungen Kraft an Grenzflächen Dielektrikum-Leiter Kraft an der Grenzfläche zweier Dielektrika * Kraft auf elektrische Dipole Elektrische Polarisation Allgemeines zum Stromfluß Stromfluß in Halbleitern Energetische Verteilung der Ladungsträger in Eigen- und Störstellenhalbleitern Feldstrom Feld- und Diffusionsstrom * Konvektions- und Verschiebungsstrom Eindimensionale Kontinuitätsgleichungen Eindimensionale phänomenologische Grundgleichungen Stromfluß in Metallen Stromfluß in isolierenden Festkörpern Stromfluß in ionisierten Gasen Stromfluß im Vakuum Stromfluß in Flüssigkeiten - elektrochemische Prozesse Grundlagen Mechanismus der Stromleitung Spannungen zwischen Elektroden und Elektrolyt StofFtransport Überblick über technische Anwendungen mit Elektroenergieverbrauch Elektrochemische Spannungsquellen Korrosion und Korrosionsschutz Magnetische und elektromagnetische Felder Grundlagen der Berechnung magnetischer Feldgrößen Magnetischer Fluß und Spannungsabfall 229

6 Inhaltsverzeichnis Magnetische Eigenschaften von Materialien Grafische Analyse ferromagnetischer Kreise * Bewegte Koordinatensysteme Lorentzkraft Induktionsgesetz sowie technische Anwendungen Grundlagen Induktion von Wirbelströmen in massivem Leitermaterial Einführung in die Spannungsinduktion in elektrischen Generatoren Selbst- und Gegeninduktion Transformator Idealer Transformator Verhalten technischer Transformatoren Anwendungen und Bauformen von Transformatoren Weitere Anwendungen des Induktionsgesetzes Energiedichte und Energie des magnetischen Feldes Kräfte in magnetischen Feldern Kraft auf bewegte Ladungen Kraft auf Ströme bzw. stromdurchflossene Leiter Grundlagen Anwendungen des elektrodynamischen Kraftgesetzes Kraft an Grenzflächen zwischen Stoffen unterschiedlicher Permeabilität Grundlagen Anwendungen ungepolter Kraftwirkungen Anwendungen gepolter Kraftwirkungen (Vormagnetisierung) * Kraft auf magnetische Dipole * Maxwellsche Gleichungen in Differentialform Feld- und Stromverdrängung bei schnellen Stromänderungen in massiven Leitern (Skineffekt) Wellenausbreitung Bauelemente und einfache Schaltungen der Elektronik Widerstände Lineare Widerstände Temperatur- und spannungsabhängige Widerstände Kondensatoren (Kapazitäten) Spulen (Induktivitäten) und Übertrager Halbleiterdioden Herstellungsverfahren und Bauformen Richtdioden Z-Dioden Varaktordioden (Kapazitätsdioden) Schaltdioden Bipolartransistoren Herstellungsverfahren, Bauformen Wirkungsweise der Bipolartransistoren sowie Stromverstärkungen Strom-Spannungs-Kennlinien Bipolartransistoren als Kleinsignalverstärker Bipolartransistor als Schalter 292

7 12 Inhaltsverzeichnis 8.6. Feldeffekttransistoren Funktionsprinzipien Sperrschicht-Feldeffekttransistoren MOS-Feldeffekttransistoren (MOSFET) Feldeffekttransistoren als Verstärker MOS-Feldeffekttransistoren als Schalter Thyristoren Optoelektronische Bauelemente Fotowiderstände Fotodioden und -transistoren Lichtemitterdioden, Displays Optoelektronische Koppler sowie Reflexkoppler Flüssigkristalldisplays Kontakte und Relais Technologie elektronischer Schaltungen Monolithisch integrierte Schaltkreise Hybridschaltkreise Gedruckte Schaltungen (bestückte Leiterplatten) Elektronische Systeme Analogschaltungen Vergleich analoger und digitaler Signale Allgemeines zu Verstärkern Überblick über die Eigenschaften von Verstärkern Spannungsverstärkung, Frequenzverhalten sowie weitere Kenngrößen Rückkopplung * Einige Grundschaltungen der Analogtechnik mit Bipolartransistoren Operationsverstärker Einführung Kenngrößen realer Operationsverstärker Anwendungen des OV Weitere Analogschaltungen Digitalschaltungen Einführung Grundlagen der binären Digitaltechnik Informationsdarstellung in der binären Digitaltechnik Grundzüge der Schaltalgebra Arithmetik mit Binärzahlen (Dualzahlen) Kombinatorische Grundschaltungen mit Feldeffekt- und Bipolartransistoren MOS-Technik CMOS-Technik TTL-Technik ECL-Technik Kipp- und Speicherschaltungen Speicherelemente (Flipflops) Monostabiler Multivibrator (Monoflop) 342

8 Inhaltsverzeichnis Astabile Vibratoren Schmitt-Trigger Komplexe Digitalschaltungen Dekoder Rechenschaltungen (Adder) Register/Speicher Schieberegister Zähler und Teiler D/A- und A/D-Konverter Mikrorechner Allgemeiner Systemaufbau und Anwendung Funktionsprinzip eines Mikroprozessors Anwendung eines Mikroprozessorschaltkreises in einer einfachen Mikrorechnerschaltung (Hardwareentwurf) Programmierung des Mikrorechners (Softwareentwurf) Standard- und Kundenschaltkreise Elektrische Energietechnik Anlagen zur Erzeugung, Übertragung und Nutzung von Elektroenergie Erzeugung von Elektroenergie Übertragung und Verteilung von Elektroenergie Bestandteile von Elektroenergieanlagen Personen-und Anlagenschutz in Niederspannungsanlagen Umformung elektrischer Energie Überblick Bauelemente der Stromrichtertechnik Stromrichterschaltungen Wechselstromsteller mit einem Triac Gleichrichterschaltungen Gleichstromsteller als Beispiel eines selbstgeführten Stromrichters Wechsel- bzw. Drehstromsteller Elektrische Maschinen und Antriebe Aufbau von Antrieben Bewegungsgleichung für Antriebe Übersicht über die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien von Arbeitsmaschinen Übersicht über ausgewählte Eigenschaften elektrischer Maschinen Kennzeichnung und Auswahl von Elektromotoren Gleichstrommaschinen Aufbau und Wirkungsweise Anwendungen Synchronmaschinen Drehstrom-Synchrongenerator Drehstrom-Synchronmotoren Asynchronmaschinen Drehstrom-Asynchronmotoren Wechselstrom- (Einphasen-) Asynchronmotoren Wechselstrom-Kommutatormaschinen Drehstrom-Kommutatormaschinen 394

9 14 Inhaltsverzeichnis Weitere Typen rotierender elektrischer Maschinen Rotatorische Schrittmotoren Linearmotoren Elektrotechnologie Elektrische Meßtechnik Grundbegriffe Allgemeine Eigenschaften von Meßverfahren Elektrische Meßgeräte Nichtelektronische analoge Meßgeräte Elektronische Meßgeräte Elektrische Messung elektrischer Größen Strom-, Spannungs- und Leistungsmessung Messung weiterer elektrischer Größen Elektrische Messung nichtelektrischer Größen Grundlagen Elektrische Messung mechanischer Größen Elektrische Messung thermischer Größen Elektrische Messung optischer Größen Weitere Probleme der elektrischen Meßtechnik Automatisierungstechnik Einige Grundbegriffe Steuerung Regelung Prinzip der Regelung Grundstruktur eines Regelkreises Benennung von Regelungen Vergleich elektrischer und nichtelektrischer Regelungen * Beschreibung von Regelungen im Zeit- und Frequenzbereich Zuverlässigkeit Ausfallrate Zuverlässigkeitsfunktion (Überlebenswahrscheinlichkeit) Mittlere Lebensdauer Ausfall eines Systems mit n Komponenten Maßnahmen zur Vermeidung von Ausfällen Hinweis auf weiterführende Untersuchungen 428 Anhang AI 430 A 1.1. Definition der Basiseinheiten 430 A 1.2. Definition der ergänzenden SI-Einheiten 430 A 1.3. Abgeleitete SI-Einheiten mit selbständigem Namen 431

10 Inhaltsverzeichnis 15 A 1.4. Sl-fremde Einheiten 431 A 1.5. Weitere Größenarten 433 A Verhältnisgrößen 433 A Logarithmierte Verhältnisgrößen 433 A Größen der Informationstheorie 434 Anhang A A 2.1. Knotenspannungsanalyse 435 A 2.2. Maschenstromanalyse 437 A 2.3. Weitere Gleichungssysteme für die Netzwerkanalyse 438 Anhang A3 439 A 3.1. Herstellerangaben zu elektronischen Bauelementen 439 A 3.2. Darstellung elektrotechnischer Einrichtungen bzw. Anlagen 439 Literaturverzeichnis 440 Sachwörterverzeichnis 443