1.7 Grundbegriffe des Drehstroms

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1 1. Grundlagen der Elektrotechnik 1.7 Grundbegriffe des Drehstroms Der Name Drehstrom ist allgemein üblich für einen Dreiphasen-Wechselstrom (bzw. eine Dreiphasen-Wechselspannung) und deutet an, dass mit einem solchen Strom in elektrischen Maschinen ein Drehfeld erzeugt werden kann Erzeugung einer Dreiphasen-Wechselspannung Wird eine Spule (Leiterschleife) mit gleichförmiger Geschwindigkeit in einem homogenen Magnetfeld gedreht, so entsteht in ihr eine sinusförmige Wechselspannung (vgl. Kap ; Bild 1.86). Verbindet man drei um 120 gegeneinander versetzte Spulen starr miteinander und dreht diese Anordnung gleichförmig in einem homogenen Magnetfeld, so entsteht in jeder der drei Spulen eine sinusförmige Wechselspannung. Da die drei um 120 räumlich versetzten Spulen die einzelnen Stellungen im Magnetfeld zeitlich nacheinander durchlaufen, ergeben sich in den drei Spulen drei Wechselspannungen, die um 120 zeitlich gegeneinander verschoben sind. Bild 1.99: Entstehung einer Dreiphasen-Wechselspannung Als Dreiphasen-Wechselspannung bezeichnet man ein System von drei Wechselspannungen, die gegeneinander um 120 phasenverschoben sind. Die Darstellung von Dreiphasen-Wechselspannungen kann mit den gleichen Mitteln erfolgen wie bei jeder Wechselspannung. Die Phasenverschiebung ist in beiden Darstellungen sehr deutlich zu erkennen. Bild 1.100: Zeiger- und Liniendiagramm einer Dreiphasen-Wechselspannung 88

2 Grundbegriffe des Drehstroms Verkettung Die drei um 120 gegeneinander versetzten Spulen bezeichnet man als Stränge mit den Buchstaben U, V und W. Die Anfänge der Stränge tragen die Bezeichnungen U1, V1, W1, die Enden U2, V2, W2. In einem Drehstromgenerator sind diese drei Stränge völlig gleich ausgeführt, sodass in jeder Strangwicklung die gleiche Spannung entsteht. Betrachtet man die Größe dieser drei um 120 gegeneinander phasenverschobenen Spannungen an einem konkreten Beispiel (Bild 1.102), so erkennt man, dass ihre Summe in jedem Augenblick gleich null ist. In dem Augenblick, in dem u 1 seinen positiven Maximalwert durchläuft, haben u 2 und u 3 die Größe des halben Maximalwertes, sind dabei jedoch negativ, denn es ist: u 1 u 2 u 3 = 300 V (150 V) (150 V) = 0 Wird an jeden der drei Stränge ein ohmscher Widerstand (z. B. von 100 Ω) angeschlossen, so ergeben sich drei gleich große Wechselströme (i 1, i 2, i 3 ), die mit den Wechselspannungen (u 1, u 2, u 3 ) in Phase sind. Es ist also: i 1 i 2 i 3 = 3A (1,5 A) (1,5 A) = 0 Dieser Zusammenhang, der schon im Liniendiagramm deutlich wird, kann durch die Schaltungsdarstellung vollkommen einsichtig gemacht werden. Man erkennt, dass die Summe der Ströme, die in den von U2, V2 und W2 kommenden Leitungen fließen, gleich null ist. Diese drei Leitungen könnten also zu einer einzigen Leitung zusammengefasst werden. Dadurch ergibt sich aus den drei getrennten Stromkreisen der einzelnen Stränge ein einziges System, in dem die drei Stromkreise miteinander verkettet sind. Bild 1.101: Bezeichnung der Stranganschlüsse Bild 1.102: Summe der Spannungen Bild 1.103: Strangströme Unter Verkettung versteht man die Zusammenschaltung der drei Stränge einer Dreiphasen- Wechselspannung zu einem gemeinsamen System. Bild 1.104: Schaltungsdarstellung 89

3 2. Elektronische Bauelemente und ihre Grundschaltungen 6. Begründen Sie, warum Eintaktendstufen im A-Betrieb nicht für große Ausgangsleistungen verwendet werden. 7. Warum werden Leistungs-Endstufen im AB-Betrieb zur Verstärkung eines Wechselsignals mit mindestens zwei Transistoren aufgebaut? 8. Aus welchem Grund werden bei Leistungshalbleitern im Allgemeinen Kühlkörper verwendet? 9. Was sind Komplementärtransistoren? 10. Wie ist ein Darlington-Transistor aufgebaut? Welche besonderen Eigenschaften hat er? 11. Welche physikalische Einheit besitzt der Wärmewiderstand R th? Welche physikalische Eigenschaft wird durch R th beschrieben? 12. Ein Leistungstransistor mit einer Verlustleistung P V = 60 W darf eine maximale Sperrschichttemperatur von 160 C erreichen. Sein Wärmewiderstand R thg beträgt 0,6 K/W. Bei einer Umgebungstemperatur von 40 C wird er mit einer Isolierscheibe auf ein Kühlblech montiert. Der Wärmewiderstand der Isolierscheibe beträgt R thg/k = 0,4 K/W. a) Aus welchem Grund wird zwischen Transistorgehäuse und Kühlkörper eine Isolierung vorgenommen? b) Bestimmen Sie den Wärmewiderstand des verwendeten Kühlkörpers. 13. Erklären Sie bei einer symmetrisch aufgebauten Differenzverstärkerstufe den Unterschied zwischen Gleichtaktbetrieb und Differenzbetrieb. 14. Welche Größenordnungen haben in der Praxis die Gleichtaktverstärkung und die Differenzverstärkung? 15. Was versteht man unter der Gleichtaktunterdrückung? 2.7 Integrierte Bauelemente Integrierte Bauelemente (IC: Integrated Circuit) stellen eine Zusammenschaltung einer großen Anzahl aktiver und passiver Bauelemente auf einem einzigen Halbleiterchip in einem Gehäuse dar (monolithisch integrierte Schaltung). Mit der IC-Technologie ist es möglich, leistungsfähige elektronische Schaltungen auf kleinstem Raum zu realisieren. Durch den Einsatz moderner Integrationstechniken können mehrere Millionen einzelner Bauelemente auf einem Halbleiterchip mit wenigen Quadratmillimetern Grundfläche untergebracht werden. Die Anzahl der von den verschiedensten Herstellern entwickelten und angebotenen ICs ist unüberschaubar. Eine Gruppierung ist durch die Einteilung in analoge, digitale und hybride ICs möglich. Hybrid-ICs enthalten sowohl analoge als auch digitale Funktionen. Aufgrund des komplexen Aufbaus mancher moderner ICs ist eine eindeutige Trennung dieser Gruppen allerdings nicht immer möglich, da einzelne Funktionen auf den Datenblättern lediglich als Blöcke dargestellt werden, ohne dass man Kenntnis über die tatsächliche technische Realisierung hat. Aufgrund der hohen Integrationsdichte und den damit verbundenen Entwicklungs- und Produktionskosten werden heute nicht mehr für jeden Anwendungszweck entsprechende ICs angefertigt. Stattdessen werden möglichst universell einsetzbare Bausteine entwickelt, deren gewünschte Funktion dann mithilfe weniger externer Bauteile eingestellt werden kann. 264

4 Integrierte Bauelemente Operationsverstärker Von allen auf dem Markt befindlichen ICs mit analogen Funktionen ist der sogenannte Operationsverstärker (OA: Operational Amplifier; alternative Kurzbezeichnung: OP) am weitesten verbreitet. Aufgrund seiner Eigenschaften ist er als Gleich- und Wechselspannungsverstärker, Filter, Generator, Regler oder Schalter universell einsetzbar. Der Operationsverstärker ist ein universell einsetzbarer Spannungsverstärker. Trotz seines umfangreichen und komplexen inneren Aufbaus kann er als ein elektronisches Bauelement betrachtet werden. Der OP wird in verschiedenen Gehäuseformen angeboten (z. B. Metall- oder Dual-In-Line). In den Datenblättern werden diese Gehäuse mit allen vorhandenen Anschlüssen dargestellt; hier kann man unter anderem die jeweilige Anschaltung der Stromversorgung entnehmen. Diese Anschlüsse werden aus Gründen der Übersichtlichkeit in Schaltplänen aber nur bei Bedarf dargestellt. Bild 2.104: Gehäuseformen und Anschlussbelegung eines OP Bild 2.105: Nullspannungsabgleich Die Anschlüsse mit der Bezeichnung Offsetkomp dienen dazu, mit einer geeigneten Beschaltung Abweichungen vom gewünschten Verhalten verursacht durch kleinste, fertigungstechnisch bedingte Unsymmetrien im inneren Schaltungsaufbau zu kompensieren. Das Schaltzeichen des Operationsverstärkers beinhaltet hingegen nur die Signaleingänge und den Ausgang. In den Datenblättern und Schaltungsunterlagen der Hersteller findet man fast ausschließlich die nicht genormte Darstellung (Bild 2.106). Bild 2.106: genormtes (a) und nicht genormtes (b) Schaltzeichen des OP Aufbau und Arbeitsweise Im Wesentlichen besteht die Innenschaltung eines Operationsverstärkers aus drei Funktionseinheiten: einem Differenzverstärker als Eingangsstufe, einem Spannungsverstärker und einem Leistungsverstärker als Ausgangsstufe. Bild 2.107: Funktionseinheiten des OP 265

5 6. Schutzmaßnahmen gegen gefährliche Körperströme Aufgaben 1. Welche Größen sind bei einem Körperstrom für die Gefährdung des Menschen von Bedeutung? 2. Bei welcher Einwirkzeit kann ein Körperstrom von 50 ma (100 ma, 200 ma) eine tödliche Gefahr bedeuten? 3. Erklären Sie den Begriff Berührungsspannung. 4. Geben Sie die Berührungsspannung an, die einen Menschen gefährden kann. 5. Geben Sie an, in welchen Situationen der Bilder AF eine gefährliche Berührungsspannung auftritt: a) bei offenem und b) bei geschlossenem Schalter Q1. 6. Worin unterscheiden sich a) das TT-System vom IT-System und b) das TN-S-System vom TN-C-System? 7. Welche Faktoren haben einen Einfluss auf den Körperwiderstand eines Menschen? 440

6 6. Schutzmaßnahmen gegen gefährliche Körperströme Schutzarten elektrischer Betriebsmittel Elektrische Betriebsmittel werden in einem Gehäuse untergebracht, um den Benutzer des Betriebsmittels vor Spannung führenden oder umlaufenden Teilen zu schützen (Berührungs- und Fremdkörperschutz), das Betriebsmittel vor dem Eindringen von festen Körpern oder Staub und vor Wasser zu schützen (Wasserschutz). Beide Schutzarten werden gemäß VDE DIN 0470, Teil 1, durch die Buchstabenkombination IP (International Protection), gefolgt von einer zweistelligen Kennziffer angegeben. Die erste Ziffer (0 bis 6) bezeichnet hierbei den Berührungs- und Fremdkörperschutz, die zweite Ziffer (0 bis 8) den Wasserschutz. Je nach Gehäuse ergibt sich eine unterschiedliche Schutzwirkung, die unter anderem mit definierten Prüfsonden festgestellt wurde und der man dann einen jeweiligen Schutzgrad zugeordnet hat. Mit der Angabe des Schutzgrads auf dem Gehäuse bzw. auf dem Typenschild garantiert der Hersteller, dass sein Produkt die jeweiligen Anforderungen erfüllt. Kennziffer Bedeutung Erläuterung 0 Kein Schutz kein Schutz von Personen gegen zufälliges Berühren unter Spannung stehender oder sich bewegender Teile kein Schutz eines Betriebsmittels gegen Eindringen von festen Fremdkörpern 1 Schutz gegen geschützt gegen den Zugang zu gefährlichen Teilen mit dem Fremdkörper Handrücken 50 mm Die Zugangssonde (Kugel 50 mm) muss ausreichend Abstand von gefährlichen Teilen haben. Die Objektsonde, Kugel 50 mm Durchmesser, darf nicht voll eindringen. 2 Schutz gegen geschützt gegen den Zugang zu gefährlichen Teilen mit einem Fremdkörper Finger 12,5 mm Der gegliederte Prüffinger (12 mm Durchmesser und 80 mm Länge) muss ausreichend Abstand von gefährlichen Teilen haben. 3 Schutz gegen geschützt gegen den Zugang zu gefährlichen Teilen mit einem Fremdkörper Werkzeug 2,5 mm Die Zugangssonde ( 2,5 mm) darf nicht eindringen. 4 Schutz gegen geschützt gegen den Zugang zu gefährlichen Teilen mit einem Fremdkörper Draht 1mm Die Zugangssonde ( 1,0 mm) darf nicht eindringen. 5 Schutz gegen geschützt gegen den Zugang zu gefährlichen Teilen mit einem Staubablage- Draht rung Die Zugangssonde ( 1,0 mm) darf nicht eindringen. Das Eindringen von Staub wird nicht vollständig verhindert, aber er darf nicht in einer solchen Menge eindringen, dass das zufriedenstellende Arbeiten des Geräts oder die Sicherheit beeinträchtigt wird. 6 Schutz gegen geschützt gegen den Zugang zu gefährlichen Teilen mit einem Staubeintritt Draht Staubdicht Die Zugangssonde ( 1,0 mm) darf nicht eindringen. Kein Eindringen von Staub möglich. Bild 6.16: Schutzgrade des Berührungs- und Fremdkörperschutzes 442

7 Schutzmaßnahmen gegen gefährliche Körperströme 6.4 Kennziffer Bedeutung Erläuterung 0 Kein Schutz Kein besonderer Schutz 1 Schutz gegen Wassertropfen, die senkrecht fallen, dürfen keine schädliche senkrecht Wirkung haben. fallendes Tropfwasser 2 Schutz gegen Senkrecht fallende Tropfen dürfen keine schädliche Wirkung ha- Tropfwasser, ben, wenn das Gehäuse um einen Winkel von 15 beiderseits (bis zu 15 der Senkrechten geneigt ist. Neigung) 3 Schutz gegen Wasser, das in einem beliebigen Winkel bis 60 beiderseits der Sprühwasser Senkrechten gesprüht wird, darf keine schädliche Wirkung haben. 4 Schutz gegen Wasser, das aus allen Richtungen gegen das Gehäuse spritzt, Spritzwasser darf keine schädliche Wirkung haben. 5 Schutz gegen Ein Wasserstrahl aus einer Düse, der aus allen Richtungen ge- Strahlwasser gen das Betriebsmittel gerichtet wird, darf keine schädliche Wirkung haben. 6 Schutz gegen Wasser, das aus jeder Richtung als starker Strahl gegen das starkes Gehäuse gerichtet ist, darf keine schädliche Wirkung haben. Strahlwasser 7 Schutz beim Wasser darf nicht in schädlichen Mengen eindringen, wenn das zeitweiligen Betriebsmittel unter genormten Druck- und Zeitbedingungen in Untertauchen Wasser eingetaucht wird. 8 Schutz beim Wasser darf nicht in schädlichen Mengen eindringen, wenn das dauernden Betriebsmittel dauernd unter Wasser getaucht wird unter Bedin- Untertauchen gungen, die der Hersteller angibt. Bild 6.17: Schutzgrade des Wasserschutzes Der erforderliche Schutzgrad richtet sich nach den am Einsatzort herrschenden Bedingungen. Werden Anforderungen nur an eine Art des Schutzes gestellt, so wird die nicht benötigte Kennziffer durch den Buchstaben X ersetzt. Beispiele: IP 44 bedeutet: Schutz gegen Fremdkörper und Gegenstände, die größer als 1 mm Durchmesser sind, und Schutz gegen Spritzwasser aus allen Richtungen IPX5 bedeutet: Keine Angabe zum Berühr- oder Fremdkörperschutz; Schutz gegen Strahlwasser Aufgaben 1. Aus welchen Gründen werden elektrische Betriebsmittel in einem Gehäuse untergebracht? 2. Welche Schutzarten unterscheidet man? 3. Welche Informationen kann man der Kennzeichnung IP 54 entnehmen? 443

8 Computer-Hardware Barcodeleser Ein Barcodeleser ist ein optisches Gerät, das mithilfe eines Laserstrahls Barcodes (siehe Kap ) lesen und interpretieren kann. Der Laserstrahl wird auf das Papier gerichtet und erfasst die Codierung. Die vertikalen Balken des Codes reflektieren den Strahl anders als das Papier, auf dem sie aufgebracht sind. Das reflektierte Signal wird mithilfe lichtempfindlicher Bauelemente aufgenommen und die Muster aus hellen und dunklen (oder farbigen) Stellen in digitale Signale umgesetzt, die dann unabhängig von der Leserichtung von einem Rechner korrekt weiterverarbeitet werden können. Bild 8.69: Barcodeleser Neben dem Barcode wer- Bild 8.70: Beispiel für einen QR-Code den zunehmend auch sogenannte 2-D-Codes eingesetzt. Diese lassen sich mit jedem Smartphone über die eingebaute Kamera und eine entsprechenden App lesen und werden auch als QR-Codes (QR: Quick Response) bezeichnet. Ein solcher Code kann beispielsweise eine Internetadresse enthalten, die dann direkt mit dem Smartphone anwählbar ist Scanner (Scanner) Ein Scanner (Abtaster) ist ein optisches Eingabegerät, mit dem es möglich ist, Texte und Abbildungen von einer gedruckten Vorlage zur Weiterverarbeitung in einen Rechner zu übernehmen. Beim Scannen wird die Vorlage zeilenweise von einer Lichtquelle beleuchtet. Dieses Licht wird in Abhängigkeit der Farbgestaltung der Vorlage unterschiedlich reflektiert und von lichtempfindlichen Sensoren aufgenommen. Eingesetzt werden sogenannte CCDs (Charged Coupled Devices) oder CMOS-Elemente (Complementary Metal Oxid Semiconductor). Als Lichtquellen werden heute LEDs (Kap ) verwendet, die wesentlich energieeffizienter arbeiten als die früher eingesetzten Kaltlichtröhren (CCFL: Cold Cathode Fluorescent Lamp). Um eingescannte Texte mit einem handelsüblichen Textverarbeitungsprogramm weiterverarbeiten zu können, muss eine Umwandlung der alphanumerischen Zeichen und Satzzeichen in editierbare Textzeichen erfolgen. 569