Informationstechnik und Telekommunikationstechnik

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1 EUROPA-FACHBUCHREIHE für elektrotechnische und elektronische Berufe Informationstechnik und Telekommunikationstechnik 5. Auflage Herausgegeben von Horst Jansen VERLAG EUROPA-LEHRMITTEL Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG Düsselberger Straße Haan-Gruiten Europa-Nr.: 36217

2 Autoren der Informations- und Telekommunikationstechnik: Ralf Hoheisel Studienrat Wunstorf Horst Jansen Studiendirektor a. D. Hemmingen Reiner Kochanke Studienrat Wunstorf Dr. Bernd Lübben Studiendirektor a. D. Hannover Eckart Meyke Oberstudienrat Nordstemmen Manfred Raschke Oberstudienrat a. D. Garbsen Lektorat: Horst Jansen Bildbearbeitung: Zeichenbüro des Verlages Europa-Lehrmittel GmbH & Co. KG, Ostfildern Das vorliegende Buch wurde auf der Grundlage der aktuellen amtlichen Rechtschreibregeln erstellt. 5. Auflage 2010 Druck Alle Drucke derselben Auflage sind parallel einsetzbar, da sie bis auf die Behebung von Druckfehlern untereinander unverändert sind. ISBN Alle Rechte vorbehalten. Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der gesetzlich geregelten Fälle muss vom Verlag schriftlich genehmigt werden by Verlag Europa-Lehrmittel, Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG, Haan-Gruiten Umschlaggestaltung: Michael M. Kappenstein, Frankfurt a. M. Satz: Satz+Layout Werkstatt Kluth GmbH, Erftstadt Druck: Media-Print Informationstechnologie GmbH, Paderborn

3 Vorwort Durch die schnellen Fortschritte in der Informationstechnik und deren Anwendungen in der Telekommunikationstechnik gelten diese als Schlüsseltechnologien für die weitere wirtschaftliche Entwicklung Europas auf dem Weg in die Informationsgesellschaft. Dieser Wandel betrifft insbesondere die Ausbildungsinhalte, sowie die Arbeits- und Lernfelder der entsprechenden Berufe und daraus folgend die Weiterentwicklung der Fachbücher. Das vorliegende Fachbuch zur Informationstechnik und Telekommunikationstechnik trägt dieser Entwicklung Rechnung und ist in erster Linie für die Ausbildung in den informationstechnischen und telekommunikationstechnischen Berufen bestimmt. Die Grundlagen sind die auf Bundesebene gültigen Rahmenlehrpläne für diese Berufe. Die inhaltliche Konzeption dieses Buches wurde so angelegt, dass es auch über den Berufsschulunterricht hinaus als Fachinformation verwendet werden kann. In Meisterkursen, an Berufsfach- und Fachschulen oder auch Fachhochschulen, wo Inhalte der Informationstechnik und Telekommunikationstechnik gelehrt werden, ist es sowohl zur elementaren Einführung als auch themenbegleitend anwendbar. Auf die Beachtung der gültigen Normen für Fachbegriffe, Bezeichnungen, Schaltzeichen und grafische Darstellungen wurde besonderer Wert gelegt. Die dargestellten Sachverhalte wurden so in Wort und Bild beschrieben, dass sie auch im Selbststudium erarbeitet werden können. Das betrifft insbesondere diejenigen Themen, die je nach Schülerniveau in diesem Umfang nicht im Unterricht behandelt werden können. In dieser Auflage wurde das Kapitel Arbeitsplatzrechner entsprechend der technischen Entwicklung fortgeschrieben. Die Korrekturen in den anderen Kapiteln beziehen sich im Wesentlichen auf Verbesserungen in der Darstellung. Das Buch vermittelt nicht nur den erforderlichen Überblick, sondern ermöglicht auch mithilfe konkreter Beispiele eine Vertiefung des Wissens. Im Vordergrund steht dabei der Einblick in die Grundprinzipien und Verfahren der Informationstechnik und Telekommunikationstechnik. Erst dieser ermöglicht ein notwendiges Systemdenken und die geforderte Fachkompetenz. Mit dem umfangreichen Bildmaterial wird in diesem Buch versucht, komplexe Zusammenhänge zu veranschaulichen. Die Autoren und der Verlag sind allen Anwendern dieses Fachbuches für Hinweise und Anregungen dankbar, die die zukünftige Weiterentwicklung dieses Buches unterstützen. Schreiben Sie unter Sommer 2010 Die Verfasser 3

4 Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen Informationsübertragung und Energieversorgung Elektrischer Stromkreis Elektrische Größen Ohmsches Gesetz Arbeit, Leistung und Wirkungsgrad Reihenschaltung Spannungsquellen-Ersatzschaltung Parallelschaltung Spannungsteiler und Brückenschaltung Anpassung Übertragen von Spannungen, Stromstärken und Widerstandswerten Gabelschaltung Betriebsspannungsversorgung Sinus- und nichtsinusförmige Spannungen Bausteine zur Signalverarbeitung Kondensator Spule Tiefpass, Hochpass, Bandpass Resonanzkreise Bandfilter Transistor Operationsverstärker Optoelektronik Allgemeines zur Optoelektronik Empfänger-Bauelemente Emitter-Bauelemente Installation elektrischer Betriebsmittel Erzeugung und Verteilung elektrischer Energie Dokumentationsunterlagen für die Elektroinstallation Schutzmaßnahmen Bemessung von Leitungen und Sicherungen Prüfen von Schutzmaßnahmen Projekt: Installation einer Energieversorgung für 24 PCs Digitaltechnik Einführung in die Digitaltechnik Kombinatorische Elemente UND-Element ODER-Element NICHT-Element NAND-Element NOR-Element Schaltalgebra Rechenregeln Gesetz von De Morgan Anwendungsbeispiele Zahlensysteme Dezimalsystem Dualsystem Oktal- und Sedezimalsystem Umwandlung: Dezimalzahlen in Dualzahlen Rechnen mit Dualzahlen Binärcodes BCD-Code Gewichtete Codes Ungewichtete Codes Fehlererkennende Codes Grundlegende Schaltnetze Addierer Arithmetisch-Logische- Einheit (ALU) Äquivalenz-Element Pseudotetradenerkenner Zahlenkomparator Bustreiber, 3-state-Treiber Codierer Dezimal-BCD(8421)-Codierer BCD(8421)-Dezimal-Codierer Binär-Gray-Codierer Multiplexer, Demultiplexer Multiplexer (MUX) Demultiplexer (DMUX) Bistabile Elemente, Flipflops RS-Flipflop D-Flipflop Einflankengesteuerte Flipflops Umwandlung von Flipflops Zweispeicher-Flipflops Codeumsetzer Zählschaltungen Asynchron-Zähler Synchron-Zähler Register Schieberegister

5 Parallel-Seriell-Umsetzer Seriell-Parallel-Umsetzer Scrambler, Descrambler Rechenwerke Serielles Addierwerk Serielles Subtrahierwerk Serielles Multiplizierwerk Paralleler Addierer Paralleler Addierer/Subtrahierer Digital-Analog-Umsetzer DA-Umsetzer mit gestuften Widerständen DA-Umsetzer mit Widerstandskettenleiter Analog-Digital-Umsetzer AD-Umsetzer mit Widerstandsnetzwerk AD-Umsetzer nach dem Sägezahnverfahren AD-Umsetzer nach dem Wägeverfahren AD-Umsetzer nach dem Parallelverfahren AD-Umsetzer durch Delta-Modulation Halbleiterspeicher Lesespeicher (ROM) Schreib-Lese-Speicher (RAM) Programmierbare Logik (PLA) Frei programmierbare Logik (FPLA) Der Mikroprozessor Programm Prinzip eines Mikroprozessor- Systems Aufbau eines Mikroprozessors Endgeräte mit Mikroprozessoren Mikrocontroller Grundlagen der Programmierung Arbeitsplatzrechner Allgemeines Möglichkeiten der Vernetzung Aufbau eines Arbeitsplatzrechners PC-Gehäuseformen Stationäre Geräte Mobile Geräte Aufbau eines Arbeitsplatzrechners Prozessor (CPU) Hauptplatine (Motherboard, Mainboard) Kenngrößen Zwischenspeicher (Cache) Chipsatz Arbeitsspeicher Interne Bussysteme Eingabe und Ausgabe Tastatur Maus Periphere Schnittstellen Grafikkarten Monitore Möglichkeiten der Eingabe- Ausgabe-Kommunikation Massenspeicher Magnetische Aufzeichnungssysteme Optische Aufzeichnungssysteme Übertragungsnetze WAN Übertragungstechnik Informationstechnische Grundlagen Übertragungsverfahren Übertragungswege Signalarten Elektroakustik Leitungsgebundene Signalübertragung Übertragungskabel mit Kupferadern Lichtwellenleiterkabel (LWL-Kabel) Kabelnetzaufbau Grundgrößen einer Leitung Dämpfung auf Leitungen Pegel Übertragungsstörungen Mehrfachausnutzung von Übertragungswegen Verfahren zur Mehrfachausnutzung Modulationsverfahren Modulationsarten bei Sinusschwingungen Modulationsarten bei Pulsfolgen Frequenz-Multiplexverfahren Wellenlängen-Multiplexverfahren WDM Digitale Modulationsverfahren mit sinusförmigem Träger

6 4.3.8 Digitaler Teilnehmeranschluss ADSL Zeitmultiplex-Verfahren PCM PCM-Messtechnik Datenübertragung in der Synchronen Digitalen Hierarchie SDH Datenkommunikation mit dem Asynchronen Transfer- Modus ATM Integriertes Datennetz Asynchroner Transfer-Modus ATM ATM-Schichtenmodell ATM-Netze und Netzzugänge ATM-Vermittlungstechnik Datenkommunikation mithilfe der Internet-Protokolle IP OSI-Referenzmodell und seine Protokolle TCP/IP-Referenzmodell und OSI Internet-Transport-Protokoll TCP TCP-Segment-Header Das Internet Header des IP-Protokolls IP-Adressen Domaine Name System DNS Frame Relay Telefonieren über das Internet Voice over IP Telefonieren im Festnetz Telefonieren über Datennetze mit VoIP Telefon-Anschluss am Internet Netzübergänge Internet Festnetz Routing im Teilnehmerbereich Protokolle der Internet-Telefonie VoIP Verbindungssteuerung mit SIP Weltweit gültige Telefonnummern Internet-Protokoll, IPv Netzknoten Netzaufbau Grundverbindungen in Telekommunikationsnetzen Aufbau des Orts- und Fernwahlnetzes Leitweglenkung Koppeltechnik Prinzip der Koppeltechnik Begriffe der Koppeltechnik Gruppierungen von Koppelanordnungen Zwischenleitungsanordnung Richtung des Verbindungsaufbaus Identifizieren, Wegesuche Steuervorgänge beim Verbindungsaufbau Vermittlungstechnik Anschlussteil Digitales Raum-Koppelvielfach, Prinzip Zeit-Koppelvielfach, Prinzip Vermittlungsstelle, System EWSD Vermittlungsstelle, System Telekommunikationsanlagen (TK-Anlangen) Beispiel 1: TK-Anlage Hicom Beispiel 2: TK-Anlage System 12B Mobile Kommunikation Funknetz D Bündelfunk Lokale Netzwerke Rechnerkommunikation Grundlagen der lokalen Netze Serverbasierte Netzwerke Peer-to-Peer-Netzwerke Netz-Topologien Bus-Topologie Stern-Topologie Ring-Topologie Baum-Topologie Vermaschte Topologie Zell-Topologie Das OSI-Modell Datenübertragung im OSI-Modell Schichten L1 bis L3 des OSI-Modells Standardisierung der lokalen Netzwerke Übertragungsmedien Koaxial-Kabel Twisted-Pair-Kabel Lichtwellenleiter (LWL) Netzwerkaufbau Das Ethernet Twisted-Pair-Ethernet Ethernet mit Lichtwellenleiter- Verkabelung

7 6.5.4 Token-Ring Netze mit Lichtwellenleiter FDDI Token-Bus Netzkopplungen Repeater Hub Brücke (Bridge) Switch Router Drahtlose Netzwerke Frequenzbereiche Funk-Übertragungsverfahren Betriebsarten Bluetooth Speichernetzwerke Direkt Attached Storage DAS RAID-Systeme Network Attached Storage NAS Storage Area Network SAN Strukturierte Verkabelung Primärbereich Sekundärbereich Tertiärbereich Melde- und Signaltechnik Uhrenanlagen Gefahrenmeldeanlagen Überfallmelder Brandmelder Einbruchmelder Signalgeber Einbruchmelderzentralen IT-Systeme - Endgeräte und Netz-Zugänge IT-Netzkonzept ISDN Endgeräte im ISDN-Konzept Anlagen- und Mehrgeräte- Anschluss Endgeräte-Anpassungen ISDN-Endgeräte Schnittstellen des ISDN-Basisanschlusses Schaltungsanalyse ISDN- Endgerät Signalanalyse Datenanalyse Funktionsanalyse Protokoll-Messtechnik Installationen beim Teilnehmer ISDN-Basisanschluss- Installationen TK-Anlagen-Installationen Installationskontrollen des Netzbetreibers Strukturierte In-House- Verkabelungen Marketingkonzept IT-Wettbewerb Deregulierung staatlicher Monopole Liberalisierung des deutschen TK-Marktes Wettbewerb laut TKG Wettbewerbskontrolle laut TKG Rechtsgrundlagen zur Telekommunikation Kundenschutz im Telekommunikationsmarkt Kundenschutz bei Online- Kommunikation Alternative Konzepte für die letzte Meile Wettbewerb im Bereich der Zugangsnetze Drahtgebundene Zugangsnetze Drahtlose Zugangsnetze IP-gestützte Zugangsnetze Grundfunktion Netz-Zugang IT-Basisdienst Sprachkommunikation Schaltungsanalyse eines Telefons Signalisierungsverfahren für POTS Telefone mit Zusatzeinrichtungen Telekommunikationsanschlusseinheit (TAE) DECT-Telefone Sachwortverzeichnis Glossar der Abkürzungen

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9 1 Grundlagen 1.1 Informationsübertragung und Energieversorgung Die Telephonie (das Fernsprechen) ist die Kunst, mit Hilfe der Elektrizität in die Ferne sprechen zu können. Dieselbe ist eng verwandt mit der elektrischen Telegraphie. Während aber letzere dem Grossverkehr, ja dem Weltverkehr dient, macht sich die Telephonie dem Kleinverkehr in vielen Beziehungen nutzbar..., so in einem Taschenbuch der Elektrizität aus dem Jahre Es geht damals wie heute darum, Informationen zwischen den angeschlossenen Teilnehmern über ein weltweites Fernmeldenetz auszutauschen. Dazu erwerben die Benutzer Zugangsberechtigungen. Sie bezahlen die kommunikationstechnischen Dienstleistungen nach vertraglich festgelegten Tarifen. Außerdem bezahlt der Benutzer seinen Anteil an der notwendigen elektrischen Stromversorgung. Bild 1: Multimedialer Informationsaustausch über IT/TK-Netze Bild 1 verknüpft die Telekommunikationstechnik mit der Informationstechnik in der Benutzer-Anwendung Net Meeting. Zwei Multimedia-PCs kommunizieren gleichzeitig über eine Sprachverbindung und über eine Datenverbindung. Sie tauschen sich verbal über Headsets (Mikrofon M und Fernhörer F) aus und arbeiten parallel dazu über Tastatur und Bildschirm gemeinsam an einem Text. Die Signale der Tastatur-Eingabe und die Signale für die Bildschirmausgabe werden als digitale 1-0- Folgen erzeugt und miteinander verknüpft. Gleichzeitig wird das örtliche Bildschirm-Signal zum entfernten Teilnehmer übertragen und dort in einem zweiten Bildfenster als Dialog dargestellt. Das Mikrofon erzeugt aus akustischen Sprachsignalen elektrische Spannungswerte, die in ihrem Wert und in ihrer Frequenz der eingegebenen Sprache folgen. Sie werden über einen Analog-Digital-Umsetzer ebenfalls als 1-0-Folge codiert und digital übertragen. In der Gegenstelle entsteht aus der ankommenden 1-0-Folge wieder ein analoges elektrisches Signal, das über den Wandler-Prozess im Fernhörer für den Gesprächspartner verständlich wird. Sämtliche Geräte in diesem Kommunikationsprozess sind mit elektrischer Energie zu versorgen. IT/-TK-Geräte und -Anlagen benötigen dazu Gleichspannungen und Gleichströme. Alle Installationen beim Kunden müssen fachgerecht sein. Gefährdungen sind durch Schutzeinrichtungen auszuschließen (VDE 0100). Zwischen dem häuslichen Versorgungsnetz und den Kommunikationsnetzen kann es zu unerwünschten Wechselwirkungen kommen. Daher müssen auch die Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV-Gesetz) erfüllt werden. Hierbei kommt den Elektroberufen mit ihrer Qualifikation zur Elektrofachkraft besondere Bedeutung zu. Typisch für die Lern- und Arbeitsfelder der IT/TK-Berufe ist das sorgfältige Installieren, Warten und Ändern an Breitband- und Funknetzen in Verbindung mit den Energienetzen, damit kein unerwünschtes Stören oder Mithören entstehen kann. Aufgabe: Beschreiben Sie (Bild 1) weitere Anwendungen zur Informations- und Telekommunikationstechnik. 9

10 Die aktuellen Informations- und Telekommunikationstechnologien (IT + TK ITK-Branche) gelten als technische Kernbereiche des Dienstleistungssektors. Mit ihrer Hilfe soll sich unsere Gesellschaft zur Informations- und Wissensgesellschaft entwickeln. Das gilt für die Elektrotechnik von Anfang an: erste Telegrafie-Anwendungen um 1840 dienten der Informationsübertragung durch zeitcodiertes Ein- und Ausschalten von Stromkreisen im Sinne des Fernmeldens und die ersten elektrotechnischen Berufe entstanden in der Fernmeldetechnik. Kein Wunder, dass ständig erweiterte Bezeichnungen wie Nachrichtentechnik, Übertragungs- und Vermittlungstechnik, Kommunikationssysteme und -netze, Kommunikations- und Sicherheitstechnik, Informationstechnik und Telekommunikationstechnik diese Wachstumsbranche umschreiben. Nachrichtentechnik versteht sich als Mensch-zu-Mensch-Kommunikation bzw. als Mensch-zu-Maschine-Kommunikation. Informationstechnik versteht sich als Maschine-zu-Maschine-Kommunikation bzw. als Maschine-zu-Mensch-Kommunikation. Das Telefon mit der Sprachsignalübertragung im analogen Basisband ist das klassische Endgerät der Fernmeldetechnik. Daten lassen sich als codierte Tonfolge im Sprachband von 300 Hz bis 3400 Hz übertragen. Moderne Modem-Technologien erlauben Datenübertragungsraten bis zu 56 kbit/s an der analogen Schnittstelle im Teilnehmeranschlussbereich. Alle anderen Netzebenen sind in Deutschland seit 1996 vollständig digitalisiert. Und seit 2002 gibt es mehr Mobilfunk-Teilnehmer als Festnetz-Teilnehmer. Die IT/TK-Netze entwickeln sich nun weiter zu integrierten IP-Netzen (IP: Internet Protocol). Als Überblickswissen (Bild 1) lassen sich IT/TK-Anwendungen über ITK-Inhalte (Content) strukturieren. Da alle Inhalte im Netz digitalisiert werden, interessiert sich der ITK-Netzprozess (Switching, Routing) nur für den Ziel- und Zeitbezug der Datenmengen. Aus der Sicht des Anwenders bestimmen die Eigenschaften seines ITK-Systems (Terminal) die Möglichkeiten zur Telekommunikation. Bild 1: Systeme, Netzprozesse und Inhalte der Informations- und Telekommunikationstechnik (Überblicksstruktur) 10

11 Allerdings: Ohne elektrische Energieversorgung funktioniert nichts. Wohl dem, der ein drahtgebundenes Standard-Telefon mit Fernspeisung aus dem Netzknoten besitzt. Wehe, wenn beim Handy der Akku-Zustand nur noch letzte Warnzeichen abgibt. Viele Endgeräte lassen sich nur noch über Akkus betreiben. Andere benötigen ein (ganz bestimmtes) externes Netzgerät (Steckernetzgerät). Es ist auffällig, wie viele externe Netzgeräte inzwischen in einem Normalhaushalt notwendig sind. Zählen Sie doch mal durch... und notieren Sie den jeweiligen Leistungsbedarf... Und wenn ein Fehltritt passiert und die Anschlussleitung daneben liegt? Gehäuse von Festwert- Steckernetzgeräten sind aus Kunststoff und aus gutem Grunde verschweißt. Also muss ein Ersatzteil her. Suchen Sie es im Internet... Oder hat es ein Kunde sehr eilig? Dann muss ein geeignetes Universal-Netzgerät mit einstellbarer Ausgangsspannung (Bilder 1, 3, 5) die lange Lieferzeit überbrücken. Ausgehend vom Schaltzeichen eines einstellbaren Netzgerätes (Bild 1) interessieren die möglichen Eingangs- und Ausgangsgrößen. So darf die Netzspannung von 230 V um ± 10 % schwanken. Ein Mindmap (Bild 2) hilft bei der Arbeitsplanung. Das Leistungsschild (Bild 3) gilt als Dokument über die Eigenschaften des Netzgerätes. Wesentlich sind dabei die Hinweise zur Elektrosicherheit und zum Einsatzbereich. Über das Systemverhalten eines Gerätes geben Datenblätter Auskunft. Hier interessiert das Verhalten bei Netzspannungsschwankungen und bei Laständerungen. Und schließlich sollte auch ein Schaltplan (Bild 5) zur Geräte-Dokumentation gehören, um im Falle eines Fehlers an gezielten Stellen messen zu können. Und wenn alles nicht hilft: Fachgerechte Entsorgung bedeutet, dass Elektroschrott an besonders ausgewiesenen Stellen gesammelt wird. Arbeitsauftrag: Informieren Sie sich über die Eigenschaften eines verfügbaren Steckernetzgerätes. Erläutern Sie alle Angaben auf dem Leistungsschild. Messen Sie, wenn möglich, die Leistungsaufnahme bei Leerlauf und bei Belastung. Schätzen Sie ab, welche Stand-By-Werte in o. a. Normalhaushalt zusammenkommen. Machen Sie Vorschläge zur Verbesserung der Energieeffizienz von Steckernetzgeräten. Suchen Sie im Internet nach geeigneten Produkten mit besserem Wirkungsgrad. Bild 1: Schaltzeichen des einstellbaren Netzgerätes Bild 2: Mindmap zur Geräte-Prüfung Bild 3: Leistungsschild eines Netzgerätes Elektrische Energieversorgungsnetze (DIN IEC 38) Netzsollspannung: 230 V/50 Hz Spannungsquelle Netzgespeiste Stromversorgung (W zu ; P zu ) Anwendungsfall Steckernetzgerät Stromquelle Betriebsfall Belastete Spannungsquelle Anschlussbedingungen für Lastwiderstände (W ab ; P ab ) Möglicher Betriebsspannungsbereich, Betriebssollspannung Externe Stromversorgung für IT-/TK-Geräte Bild 4: Systemverhalten eines Netzgerätes Hinweis: Es gibt inzwischen Schaltnetzteile in Steckerform mit Wirkungsgraden besser als 75 %. Bild 5: Schaltplan des Netzgerätes (von Bild 3) 11

12 1.2 Elektrischer Stromkreis Ohne elektrische Energie ist eine Übertragung von Informationen nicht möglich! Allen Verfahren zur Bereitstellung elektrischer Energie ist gemeinsam, dass es sich um die Umwandlung einer anderen Energieform in elektrische Energie handelt: Chemische Energie in elektrische Energie in Batterien für Kleinverbraucher, z. B. Armbanduhr, Laptop, Handy. Lichtenergie in elektrische Energie in Solarzellen, z. B. Taschenrechner. Windenergie in elektrische Energie in Windkrafträdern. Wärmeenergie in elektrische Energie in Wärmekraftwerken z. B. Kohle-, Öl-, Gas- und Kernkraftwerke. Die in Kraftwerken durch Umwandlung bereitgestellte elektrische Energie wird über ein großes Verteilernetz an die Verbraucher herangeführt. Je nach der Höhe der elektrischen Spannung, mit der die Energie transportiert wird, unterscheidet man Höchstspannungsfernleitungen mit 400 kv oder 230 kv (kilo Volt) Hochspannungsfernleitungen mit 110 kv Mittelspannungsortsleitungen mit 20 kv oder 10 kv Niederspannungs-Verbraucherzuleitungen mit 400 V/230 V Bild 1: Schematische Darstellung der Energieversorgung (U: Umspanner, Umformer) In Umspannstationen werden die Spannungen auf die jeweils erforderlichen Werte transformiert. Da dies nur mit Wechselspannung möglich ist, wird diese Spannungsart mit einer Frequenz von f = 50 Hz (Hertz, Schwingungen je Sekunde) in Deutschland fast überall benutzt. Ausnahmen bilden beispielsweise die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung zur Übertragung sehr großer Leistungen über große Entfernungen mit 1500 kv (z. B. Verbundnetz Ostund Westeuropa), der Telefon-Fernmeldebereich mit 48 V/60 V Gleichspannung und der Fahrbetrieb der Deutschen Bahn mit 15 kv Wechselspannung mit der Frequenz von f = 16 2 / 3 Hz. Das Prinzip der Leitungsführung der Energieversorgung im Niederspannungsnetz (z. B. für Wohnhäuser) zeigt Bild 2. Die Leiter L1, L2 und L3 führen gegeneinander jeweils die Spannung von 400 V, gegen den gemeinsamen Neutralleiter jeweils die Bild 2: Energieversorgung im Niederspannungsnetz 12

13 Spannung von 230 V. Der Anschluss von 230-V- Steckdosen erfolgt von L1, L2 oder L3 und vom Neutralleiter N an die stromführenden Kontakte. Die Schutzkontakte werden immer mit dem grün-gelben Schutzleiter PE (Protection Earth: Schutzerde) verbunden. Es gibt Stromnetze, in denen der Neutralleiter N und die Schutzerde PE miteinander zum PEN-Leiter verbunden sind, der dann auch in der Farbe grün-gelb verlegt werden muss Elektrische Größen Elektrische Betriebsmittel bestehen aus einer Vielzahl von Stromkreisen. Bild 1 zeigt einen Stromlaufplan, der einen einfachen Stromkreis darstellt. Der Kreis besteht aus einer Energiequelle U, die auch als Spannungs- oder Stromquelle bezeichnet wird, einem Schalter S und einem elektrischen Widerstand R (Resistor: Widerstand). Verbunden sind die Bestandteile des Kreises mit einem elektrischen Leiter. Spannung U Die Energiequelle liefert die Spannung U (U: Ursache). Sie entsteht durch die Trennung von elektrischen Ladungen. Negative Ladungen (Elektronen) werden von positiven Ladungen (Atomkerne) getrennt. Bei dieser Trennung muss Arbeit (Energie) aufgewendet werden, da die Anziehungskräfte zwischen den beiden unterschiedlichen Ladungen überwunden werden müssen. Dies gilt für alle elektrischen Energiequellen, wie z.b. Batterien, Akkumulatoren, Netzgeräte und Generatoren. Durch die Ladungstrennung entsteht ein Minuspol mit Elektronenüberschuss und ein Pluspol mit Elektronenmangel. Zwischen den beiden Polen herrscht einen elektrische Spannung. Sie entsteht durch das Ausgleichsbestreben der unterschiedlichen elektrischen Ladungen. Bild 1: Elektrischer Stromkreis Bild 2: Zeitlicher Verlauf verschiedener Spannungsarten Die elektrische Spannung hat das Formelzeichen U. Der Spannungswert wird in Volt (V) gemessen: [U] = V. Die eckigen Klammern bedeuten: Einheit von. Beispiel: U = 3 V Bild 2 zeigt verschiedene Spannungsarten, die in der Informations- und Telekommunikationstechnik eine große Rolle spielen. Die Gleichspannung dient als Betriebsspannung für elektronische Geräte. Sie wird aus der sinusförmigen Wechselspannung erzeugt, die das Niederspannungsnetz liefert. Wichtige Kennwerte einer Wechselspannung sind: Die Spitzenspannung U max, auch Amplitude genannt. Die Effektivspannung U, die 70,7 % von U max beträgt. Die Periodendauer T als Zeit für eine volle Schwingung. Die Frequenz f als Kehrwert der Schwingungsdauer: f = 1/T. Die Frequenz mit der Einheit Hertz (Hz) gibt die Anzahl der Schwingungen je Sekunde an. Die rechteckförmige Pulsspannung wird in der digitalen Signalverarbeitung eingesetzt. Aus dem dargestellten Verlauf der Pulsspannung lassen sich zwei unterschiedliche Informationen ablesen: Spannung vorhanden (z. B. 5 V) und Spannung nicht vorhanden (0 V). Die Pulsspannung stellt ein binäres Signal dar. 13

14 Stromstärke I Wird der Schalter S des Stromkreises (Bild 1, Seite 13) geschlossen, werden sich die Elektronen vom Minuspol (Elektronenüberschuss) der Energiequelle über den Schalter und dem Widerstand R zum Pluspol (Elektronenmangel) bewegen. Die Bewegung von Ladungen bezeichnet man als einen elektrischen Strom. Die elektrische Spannung bewirkt den Strom. Die Stromstärke hat das Formelzeichen I (I: Intensität = Stärke). Die Einheit der Stromstärke ist das Ampere (A). Beispiel: I = 1,5 A Widerstand R Der Widerstand im Stromlaufplan (Bild 1, Seite 13) bestimmt neben der elektrischen Spannung die Stromstärke im Stromkreis. Der elektrische Widerstand hat das Formelzeichen R, sein Widerstandswert wird in Ohm (O) gemessen. Beispiel: R = 12 O Folgende Größen bestimmen den Widerstandswert: Spezifischer Widerstandswert Der spezifische Widerstandswert ist der Widerstandswert eines Materials von l = 1 m Länge und A = 1 mm 2 Querschnittsfläche bei der Temperatur von h = 20 C. Der spezifische Widerstandswert hat das Formelzeichen ρ (rho). Sein Wert wird in O mm 2 gemessen. m Länge l Je größer die Länge eines Widerstandsdrahtes ist, desto größer ist der Widerstandswert: R ~ l. Bild 1: Abmaße zur Berechnung von Widerstandswerten Querschnittsfläche A Je größer die Querschnittsfäche A eines Widerstandsmaterials ist, desto geringer ist sein Widerstandswert: R ~ l/a. Daraus ergibt sich der Widerstandswert eines Leiters: l R = ρ A R = Ω Der Wert eines Widerstandes wird auf dem Bauteil durch Farbringe gekennzeichnet (Bild 2). Temperatur Für die meisten Widerstandsmaterialien gilt, dass ihr Widerstandswert mit zunehmender Temperatur auch zunimmt (positiver Temperaturkoeffizient). Widerstände aus Materialien, bei denen der Widerstandswert mit zunehmender Temperatur besonders stark zunimmt, werden als PTC-Widerstände (Positiver-Temperatur-Coeffizient a) bezeichnet (Bild 1, Seite 15). Bild 2: Kennzeichnung von Widerständen 14

15 Widerstände aus Materialien, bei denen der Widerstandswert mit zunehmender Temperatur stark abnimmt, werden als NTC-Widerstände (Negativer-Temperatur-Coeffizient a) bezeichnet. Leiter, Nichtleiter, Halbleiter Der elektrische Energietransport in metallischen Leitern erfolgt durch Elektronen, die im Metall frei beweglich sind. Sie werden freie Elektronen genannt. Aufgrund ihrer elektrischen Leitfähigkeit werden drei Arten von Leitern unterschieden: Leiter: Dies sind Stoffe, die sehr viele freie Ladungsträger (Elektronen oder Ionen) haben, sodass sie als elektrische Leiter bezeichnet werden: z. B. Silber, Kupfer, Aluminium, aber auch Elektrolyte als Flüssigkeiten. Nichtleiter: Dies sind Stoffe, die aufgrund ihrer sehr niedrigen Anzahl freier elektrischer Ladungsträger eine so geringe Leitfähigkeit haben, dass sie als Nichtleiter oder Isolatoren bezeichnet werden: z. B. Glas, Keramik, Kunststoffe. Halbleiter: Dies sind Stoffe, deren elektrische Leitfähigkeit zwischen derjenigen der Leiter und der Nichtleiter liegt: z. B. Germanium, Silizium. Der Widerstandswert der Halbleiter nimmt mit steigender Temperatur stärker ab als bei üblichen Leitern. Bild 1: Schaltzeichen und Kennlinie eines Heißleiters und eines Kaltleiters Bild 2: Messschaltung zum Ohmschen Gesetz Ohmsches Gesetz Das Ohmsche Gesetz beschreibt den Zusammenhang der elektrischen Größen Spannung, Stromstärke und Widerstandswert. Bild 2 zeigt die Schaltung, mit der das Ohmsche Gesetz messtechnisch ermittelt werden kann. Die Messschaltung besteht aus einer Energiequelle mit einstellbaren Spannungswerten, die das Spannungsmessgerät anzeigt. Der Wert des Widerstandes R ist ebenfalls einstellbar. Das Strommessgerät zeigt die Stärke des Stromes an, der durch den Widerstand R fließt. Wird der Widerstandswert konstant gehalten und der Spannungswert verändert, steigt die Stromstärke linear an (Bild 3). Bild 3: Abhängigkeit der Stromstärke von der Spannung für Widerstände mit unterschiedlichen Werten Bei konstantem Widerstandswert verhält sich die Stromstärke I proportional zur Spannung U: I ~ U Wird der Spannungswert auf einen festen Wert eingestellt und der Widerstandswert verändert, ergibt sich ein Stromverlauf, wie er in Bild 4 dargestellt ist. Die Stromstärke verhält sich im umgekehrten Verhältnis zum Widerstand. Bild 4: Abhängigkeit der Stromstärke vom Widerstand für U = konstant 15

16 Bei konstanter Spannung verhält sich die Stromstärke I umgekehrt proportional zum Widerstandswert R: I ~ 1/R Die beiden Abhängigkeiten lassen sich zu einer Gleichung, dem Ohmschen Gesetz, zusammenfassen Arbeit, Leistung und Wirkungsgrad Unter dem Einfluss der elektrischen Spannung werden in einem geschlossenen Stromkreis Elektronen (negative Ladungsträger) bewegt. Es fließt ein Strom. Da sich Ladungen bewegen, wird eine elektrische Arbeit verrichtet. Sie lässt sich mit der nebenstehenden Formel bestimmen: Die elektrische Leistung P (engl. Power) ist die auf die Zeit bezogene Arbeit, in der sie verrichtet wird. Wenn ein Gerät eingeschaltet wird, so wird ihm eine elektrische Leistung P zu zugeführt. Ein Anteil dieser zugeführten Leistung wird für die gewünschte Wirkung als P ab an das Gerät abgegeben. Der Rest der Leistung geht als Verlustleistung P v in Form von Wärme verloren. Als Wirkungsgrad (eta) eines Gerätes bezeichnet man das Verhältnis der an das Gerät abgegebenen Nutzleistung P ab zu der zugeführten Gesamtleistung P zu. n = P Pab zu U V I = I = = A R Ω W = U I t W = V A s = Ws W: elektrische Arbeit (engl. work) P W = = U I t P = V A = W Bild 1: Leistungsverhältnisse an einem elektrischen Gerät Da die zugeführte Leistung wegen der Verluste immer größer ist als die abgegebene, ist der Wirkungsgrad n immer kleiner als 1 bzw. < 100 %. Aufgaben: Elektrische Grundgrößen 1. Wie hoch ist die Stromaufnahme eines Druckers, der an der Netzspannung U = 230 V die elektrische Leistung von P = 20 W umsetzt? Welchen Widerstandswert stellt er dar? 2. Welche Widerstandswerte haben die Glühlampen mit folgenden Angaben: 230 V/100 W; 230 V/60 W; 12 V/40 W und 6 V/3 W? 3. Ein Stromkreis ist für U = 230 V durch eine 6-A-Sicherung geschützt. Welchen Widerstandswert müssen die angeschlossenen Geräte mindestens haben? 4. Welche Leistung wird in einem Bildschirm in Licht umgesetzt, wenn der Wirkungsgrad = 0,24 und die aufgenommene Leistung P zu = 100 W beträgt? Reihenschaltung Soll eine Signallampe mit der Lampenspannung U L = 6 V an einer Energiequelle (Batterie) mit der angegebenen Betriebsspannung U b = 12 V betrieben werden, so muss in diesem Stromkreis die Differenzspannung von U V = 6 V an einem Vorwiderstand R V in Verlustwärme oder in einer zweiten Lampe in Lichtenergie umgesetzt werden. Am Vorwiderstand wird dies als ein Spannungsfall U V an R V bezeichnet. Für Berechnungen kann die Signallampe als Arbeitswiderstand R a (hier der Glüh- Bild 2: Anschluss einer Glühlampe mit einem Vorwiderstand 16

17 faden) gekennzeichnet werden. Da in einer Reihenschaltung der Strom nur einen nicht unterbrochenen Pfad hat, ist die Stromstärke in allen Punkten des Stromkreises gleich groß. In einer Reihenschaltung ist die Stromstärke in allen Punkten gleich groß. Von der Energiequelle aus werden alle Spannungsfälle einer Reihenschaltung von Bauteilen in derselben Richtung addiert. In einem Stromkreis hat dann die Quellenspannung U b die entgegengesetzte Spannungsrichtung zu der an den Bauteilen. Damit muss die Quellenspannung, oder bei mehreren Quellen in Reihenschaltung die Quellenspannungen, denselben Wert wie die Summe der Bauteilspannungsfälle haben (Bild 2). Bild 1: Reihenschaltung von Vor- und Lampenwiderstand U b = U b1 + U b2 = U 1 + U 2 + U 3 Maschenregel: In einem geschlossenen Stromkreis ist die Summe aller Spannungen 0 V In einer Reihenschaltung werden die Widerstandswerte wie die Spannungen zum Gesamtwiderstand R g addiert. Bild 2: Maschenregel: U 1 + U 2 + U 3 U b1 U b2 = 0 V U g = U 1 + U U n R g = R 1 + R R n Spannungsquellen-Ersatzschaltung Die Spannungsquellen-Ersatzschaltung geht von einer idealen Energiequelle aus, die eine konstante Quellenspannung U 0 hat. Da diese Spannung an den Klemmen einer in der Praxis genutzten Energiequelle als Klemmenspannung U nur ohne Belastung durch ein angeschlossenes Gerät messbar ist, nennt man sie die Leerlaufspannung U 0. In jeder Spannungsquelle befindet sich zwischen den Anschlussklemmen ein Leiter (z. B. Elektrolyt oder Draht), der als Innenwiderstand R i bezeichnet wird und mit der Spannungsquelle eine Reihenschaltung bildet. Diese Schaltung heißt Spannungsquellen- Ersatzschaltung. Bei Anschluss eines Arbeitswiderstandes R a oder eines Gerätes fließt ein Strom, so dass auch an dem Innenwiderstand R i eine Spannung U i entsteht. Da diese durch die Richtung des Stromes der Quellenspannung U 0 engegengerichtet ist, verringert sie die Klemmenspannung U: U = U 0 I R i = U 0 U i Bild 3: Spannungsquellen-Ersatzschaltung Bild 4: Spannungsquellen-Ersatzschaltung mit Lastwiderstand R a 17

18 Wird der Wert des Arbeitswiderstandes R a geringer, so steigt die Stromstärke und auch die Spannung U i an R i, womit die Klemmenspannung U um diesen Betrag geringer wird. Werden die Anschlussklemmen der Spannungsquelle kurzgeschlossen, so sind R a = 0 Ω und U = 0 V. Durch die dann fließende Kurzschlussstromstärke I K wird der Spannungsfall U i genau so groß wie die Quellenspannung U 0 : I k U0 = Ri = U R I i 0 K Die Quellenspannung U 0, der Innenwiderstandswert R i und die Kurzschlussstromstärke I k heißen Kennwerte einer Energiequelle. Bild 1: Abhängigkeit der Klemmenspannung U von der Stromentnahme an einer Energiequelle Wird eine höhere Betriebsspannung benötigt, so kann man Energiequellen in Reihenschaltung betreiben. Dabei werden die Quellenspannungen und die Innenwiderstandswerte zu Gesamtwerten addiert Parallelschaltung Eine Parallelschaltung liegt dann vor, wenn alle angeschlossenen Geräte an eine Energiequelle angeschlossen sind. Dies ist bei allen Hausinstallationen der Fall. Die Geräte einer Rechenanlage, wie PC, Drucker und Scanner, liegen alle an einer Betriebsspannung von 230 V. Bild 2 zeigt die Parallelschaltung von zwei Widerständen. Der Gesamtstrom I g verzweigt sich im Punkt A in die Teilströme I 1, I 2, im Punkt B fließen die Teilströme wieder zusammen. Knotenpunktregel: In jedem Stromverzweigungspunkt ist die Summe aller Ströme 0 A oder: die Summe der zufließenden Ströme ist gleich der Summe der abfließenden Ströme. Bild 2: Parallelschaltung von zwei Widerständen I g = I 1 + I 2 + I n Der Ersatzwiderstand R P der Parallelschaltung berechnet sich nach der Gleichung: = + + RP R1 R2 Rn Für zwei parallelgeschaltete Widerstände ergibt sich die Gleichung: R P R R = R + R Bild 3: Unbelasteter Spannungsteiler 18

19 1.2.7 Spannungsteiler und Brückenschaltung Zu den Gruppenschaltungen von Widerständen gehören der Spannungsteiler und die Brückenschaltung. Der Spannungsteiler ist eine Reihenschaltung von Widerständen, da die Gesamtspannung U durch diese Widerstände im Verhältnis ihrer Widerstandswerte aufgeteilt wird. Damit besteht die Möglichkeit eine bestimmte Teilspannung an einem Widerstand abzugreifen. Ohne die Zuschaltung eines Widerstandes oder Gerätes an eine Teilspannung nennt man diese Schaltung einen unbelasteten Spannungsteiler (Bild 3, Seite 18). Bild 1: Belasteter Spannungsteiler An einem unbelasteten Spannungsteiler verhalten sich die Spannungen wie die zugehörigen Widerstandswerte. U1 U2 U1 I = = = R R U R R 1 2 Schaltet man einen Arbeitswiderstand R a an einen Teilwiderstand R 1 oder R 2, so heißt diese Schaltung belasteter Spannungsteiler (Bild 1). Zur Berechnung wird zuerst der Widerstand R P der Parallelschaltung aus R 2 und R a berechnet und dann der Gesamtwiderstand R G der Reihenschaltung von R 1 und R P. Daraus ergibt sich z. B.: U 2 RP = U R + R 1 P Die Stabilität der Lastspannung U 2 ist umso größer, je weniger die Laststromstärke I L die Gesamtstromstärke I g verändert, d. h. je größer der Widerstandswert von R L gegenüber dem von R 2 ist. Werden R 1 und R 2 als Stellwiderstand (Potentiometer) ausgeführt, so ist die Ausgangsspannung U 2 verstellbar (z. B. Lautstärkeeinstellung). Bild 2 zeigt den Stromlaufplan einer Brückenschaltung. Der Widerstand R ist in der Schaltung als Stellwiderstand ausgeführt. Der Schleifer teilt den Widerstand R auf in die Teilwiderstände R 3 und R 4. Das Spannungsmessgerät zwischen den Punkten C und D hat einen sehr hochohmigen Innenwiderstand. Es fließt nur ein vernachlässigbarer Strom über das Instrument. Sind die Widerstände so dimensioniert, dass der Spannungsfall U 2 am Widerstand R 2 den gleichen Wert hat wie der Spannungsfall U 4 am Teilwiderstand R 4, zeigt das Instrument den Spannungswert null an. Das nebenstehende Rechenbeispiel soll dies zeigen: Bild 2: Brückenschaltung Die Brückenschaltung nach Bild 2 ist wie folgt dimensioniert: R 1 = 100 O, R 2 = 200 O. Das Potentiometer mit dem Widerstandswert R = 1,5 ko ist so eingestellt, dass R 3 = 500 O und R 4 = 1 ko betragen. Die Betriebsspannung beträgt U = 12 V. U 12 V I12 = = = 40 ma R1+ R2 300 Ω U 12 V I34 = = = 8 ma R3 + R4 15, kω U2 = I12 R2 = 40 ma 200 Ω = 8 V U = I R = 8 ma 1kΩ= 8 V Die Maschenregel liefert das folgende Ergebnis: U4 U2 + UCD = 0 V UCD = U2 U4 = 8V 8V = 0V U CD 19

20 Zeigt ein in den Brückenzweig geschaltetes Messgerät die Spannung U CD = 0 V an, so nennt man diese Schaltung eine abgeglichene Brückenschaltung. Dies ist immer dann der Fall, wenn die bedingung R 1 /R 2 = R 3 /R 4 erfüllt ist. In den anderen Fällen ist die Brücke nicht abgeglichen. Durch den Stellwiderstand R ergibt sich eine Abgleichmöglichkeit der Brückenschaltung. Ist der Stellwiderstand geeicht, der Widerstand R 2 fest eingebaut und der Widerstand R 1 auswechselbar, so lässt sich dessen Wert bestimmen. Das Potentiometer wird dazu so verstellt, dass die Spannung U CD = 0 V anzeigt. An einer Skala lässt sich der unbekannte Wert des Widerstandes R 1 ablesen (Wheatstone sche Messbrücke). Aufgaben: Widerstandsschaltungen 1. Beschreiben Sie den Zusammenhang zwischen den Teilspannungen und der Gesamtspannung in einer Reihenschaltung von Widerständen. 2. Wie verhalten sich in einer Parallelschaltung die Teilstromstärken und die Widerstandswerte zueinander? 3. Eine Spannungsquelle hat im unbelasteten Betriebsfall eine Spannung von 24 V. Der Innenwiderstand hat den Wert R i = 0,2. Berechnen Sie die Kurzschlussstromstärke. 4. Die Länge einer Leitung soll mit einer Messbrücke bestimmt werden. Dazu wird das Leitungsende kurzgeschlossen. Der Abgleichwiderstand wird durch den Schleifer in R 1 = 200 und in R 2 = 300 geteilt. Der Widerstand R 3 hat den Wert 100. Der Leitungsdurchmesser beträgt d = 0,5 mm. Der spezifische Widerstand der Kupferadern beträgt = 0,00178 mm 2 /m. Bild 1: Bestimmung der Leitungslänge Anpassung Bei der Belastung von Energiequellen, dazu gehören auch Signalgeneratoren, können drei verschiedenen Belastungsarten kommen, die unterschiedliche Wirkungen haben. Entscheidend ist dabei das Verhältnis des Innenwiderstandes R i zum Lastwiderstand R a. Der Arbeitswiderstand kann ein elektrisches Gerät oder aber auch ein Messgerät sein. R a < R i : Am Arbeitswiderstand wird eine hohe Spannung wirksam. Es liegt eine Spannungsanpassung vor. Spannungsanpassung: Eine hohe und weitgehend stabile Spannung am Arbeitswiderstand R a (oder einem Gerät) erhält man, wenn der Arbeitswiderstandswert R a sehr groß gegenüber dem Innenwiderstandswert R i ist: Bild 2: Spannungsquellen-Ersatzschaltung mit angeschlossenem Arbeitswiderstand R a Für die Spannungsanpassung gilt: R a 10 R i Die Spannungsanpassung wird überwiegend in der Netzversorgung der Energie-Versorgungs-Unternehmen (EVU) und bei Netzgeräten angewendet, um die Versorgungsspannung möglichst stabil zu halten. R a > R i : Am Arbeitswiderstand wird eine hohe Stromstärke wirksam. Es liegt eine Stromanpassung vor. Bild 3: Spannungsanpassung 20