Elektrotechnik und Elektronik

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1 Elektrotechnik und Elektronik für Maschinenbauer und Verfahrenstechniker Von Prof. Dr.-Ing. Rudolf Busch Universität Gesamthochschule Essen 2., überarbeitete Auflage Mit 471 Bildern und 132 Übungsaufgaben mit Lösungen B. G. Teubner Stuttgart 1996

2 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Busch, Rudolf: Elektrotechnik und Elektronik : für Maschinenbauer und Verfahrenstechniker ; mit 132 Übungsaufgaben mit Lösungen / von Rudolf Busch. - 2., überarb. Auf!. - Stuttgart : Teubner, 1996 ISBN DOI / ISBN (ebook) Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jeder Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes i~t ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt besonders für Vervielfliltigungen, Ubersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. B. G. Teubner Stuttgart 1994 Softcover reprint ofthe hardcover 2nd edition 1994 Gesamtherstellung: Präzis-Druck GmbH, Karlsruhe Einbandgestaltung: Peter Pfitz, Stuttgart

3 Wenn Du ein Schiff bauen willst, dann trommle nicht Männer zusammen, um Holz zu beschaffen, Aufträge zu vergeben oder Arbeit zu verteilen, sondern lehre sie die Sehnsucht nach dem weiten, endlosen Meer. Antoine de Saint - Exupery Vorwort Das vorliegende Buch ist aus Vorlesungen entstanden, die ich über viele Jahre hinweg für Studierende der Ingenieurwissenschaften in nichtelektrotechnischen Studienrichtungen an der Technischen Universität "Otto von Guericke" Magdeburg gehalten habe und seit 1991 an der Universität GH Essen durchführe. Es gehört zu den wichtigen Erfahrungen meiner Lehrtätigkeit, daß es den Lernenden, die keinen elektrotechnischen Beruf ausüben oder ausüben wollen, sich jedoch mit Elektrotechnik und Elektronik befassen müssen, häufig sehr schwerfällt, sich in der Gedankenwelt der Elektrizitätslehre zurechtzufinden. Allzu oft treten dann Mißerfolg und Resignation ein und die Studierenden sind froh, wenn endlich die Elektrotechnikprüfung abgelegt und dieses Fach "überstanden" ist. Von dem vermittelten Stoff bleiben bei ihnen oft nur einige wenige Begriffe oder diffuse Vorstellungen im Gedächtnis, mit denen sie in ihrer Ingenieurpraxis wenig anzufangen wissen. Nach meiner Überzeugung kann man dem entgegenwirken, wenn das in sogenannten "Nebenfächern" oft praktizierte "black-box-denken" verlassen und mehr danach gefragt wird, was sich in der "box" verbirgt, welche grundlegenden phy sikalischen Zusammenhänge dort existieren, d.h., wenn man sich darum bemüht, die Erscheinungen wirklich zu verstehen. Denn nur mit dem, was man begriffen hat, kann man erfolgreich arbeiten, beispielsweise weitergehende Studien durchführen oder Schlußfolgerungen für das eigene Fachgebiet ziehen. Allein auf der Basis soliden Grundlagenwissens wird man ein guter Spezialist in der Praxis. Es gibt für mich keinen erkennbaren Grund, hier das "Nebenfach" (ich gebrauche dieses Wort ungern) auszuschließen, weil es nicht nur Bestandteil des Studiums, sondern ohne Zweifel auch der Praxis ist, was in besonderem Maße für die Elektrotechnik zutrifft, der man in Wissenschaft und Technik auf Schritt und Tritt begegnet.

4 IV Vorwort Das vorliegende Buch habe ich mit dem Ziel geschrieben, auch den diesem Fachgebiet ferner stehenden Studierenden, Ingenieuren und anderen Interessierten die physikalischen Zusammenhänge in der Elektrizitätslehre und in deren wichtigsten Anwendungsgebieten deutlich zu machen. Dabei war ich stets bemüht, von einfachen, der Leserin oder dem Leser oft aus eigener Erfahrung bekannten Phänomenen auszugehen und darauf Schritt für Schritt aufbauend zu komplizierteren Zusammenhängen zu führen. Dieser Orientierung habe ich u.a. dadurch Rechnung getragen, daß die Behandlung der Felder an den Anfang des Lehrbuches gestellt wurde. Aus ihnen lassen sich die technischen Grundlagen der Elektrotechnik anschaulich ableiten. Bei der Darlegung der Anwendungen war ich darüber hinaus bestrebt, auch modernste Entwicklungen einzubeziehen. Das Buch wendet sich an alle, für die in Studium oder Beruf Kenntnisse der Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik sowie ihrer Anwendungen notwendig sind. Der Stoff entspricht etwa den Anforderungen, die heute an eine moderne Ingenieurausbildung, bei der Elektrotechnik nicht das Hauptfach bildet, gestellt werden. Das Buch ist auch für Studierende der Elektrotechnik in den Anfangssemestern geeignet. Vorkenntnisse in Physik und Mathematik sind im Rahmen dessen wünschenswert, was in natur- und ingenieurwissenschaftlichen Studienrichtungen an Universitäten, Technischen Hochschulen und Fachhochschulen im ersten Studienjahr geboten wird. Die den Hauptabschnitten nachgestellten Übungsaufgaben sind bezüglich ihres Schwierigkeitsgrades dem Leserkreis angemessen. Ihre Lösungen werden am Ende des Buches angegeben. Sie sollen dazu dienen, den Stoff zu vertiefen und die Kenntnisse zu erweitern. Bei meinem wissenschaftlichen Mitarbeiter, Herrn Dipl.-Ing. Sven Hilfert, möchte ich mich für die wertvolle Hilfe bei der computergestützten Erstellung der Bilder und beim Durchrechnen der Übungsaufgaben bedanken. Weiterhin gilt mein Dank Herrn Dr. Jens Schlembach vom Teubner-Verlag für die gute Zusammenarbeit, den im Text genannten Firmen für die Überlassung von Bildmaterial und meinen ehemaligen Magdeburger Kollegen für die Beisteuerung einiger Übungsaufgaben. Schließlich bedanke ich mich bei meiner Frau Ingrid für viele Hinweise und tatkräftige Unterstützung beim Korrekturlesen. Essen, im Frühjahr 1994 Rudolf Busch

5 VOlWOrt zur 2. Auflage Die erste Auflage dieses Lehrbuches hat eine gute Aufnahme gefunden, so daß sich schon nach relativ kurzer Zeit eine zweite Auflage erforderlich machte. Ich habe sie zum Anlaß genommen, den Text einer vollständigen Überarbeitung zu unterziehen. Außerdem erfolgte die Korrektur einiger Druckfehler sowie kleinerer Fehler in den zeichnerischen Darstellungen. An verschiedenen Stellen wurde die Darbietung des Stoffes präzisiert und klarer gestaltet. Statistische Angaben habe ich auf den neuesten Stand gebracht. In den Abschnitt "Elektrische Meßtechnik" sind die Festlegungen der im Januar 1995 erschienenen Neuausgabe der Norm DIN 1319 "Grundlagen der Meßtechnik. Teil 1: Grundbegriffe" eingearbeitet worden. Weiterhin habe ich versucht, durch eine größere Zahl von fett oder kursiv gedruckten Hervorhebungen und durch die Unterlegung wichtiger Gleichungen und Merksätze den Text noch besser zu strukturieren und dadurch übersichtlicher zu machen. Zu Dank bin ich meinem Mitarbeiter, Herrn Dipl.-Ing. Sven Hilfert sowie meiner Frau verpflichtet. Beide haben mich bei der Vorbereitung dieser zweiten Auflage wiederum mit Engagement unterstützt. Essen, im Februar 1996 Rudolf Busch

6 Inhalfsverzeiclmis Teil A: Gnmdlagen der Elektroteclmik 1 Das elektrische Feld Feldbegriff. Darstellung von Feldern Das stationäre elektrische Strömungsfeld Ladung. Strom. Stromdichte Potential. Spannung. Feldstärke Elektrischer Widerstand. Ohmsches Gesetz Der elektrische Stromkreis Die Gesetze von Kirchhoff Das elektrostatische Feld Entwicklung aus dem Strömungsfeld Kenngrößen des elektrostatischen Feldes Kapazität. Kondensatoren Kondensatorstrom Energie und Kräfte im elektrostatischen Feld Übungsaufgaben Das magnetische Feld Magnetische Erscheinungen Magnetische Kenngrößen Magnetischer Fluß und magnetische Flußdichte Durchflutung. Magnetische Spannung. Magnetischer Widerstand Die magnetische Feldstärke Das Durchflutungsgesetz Materie im Magnetfeld Die Permeabilität. Einteilung der Stoffe Hystereseschleife und Magnetisierungskurve Das Induktionsgesetz Grundlagen. Der Versuch von Faraday Anwendungen des Induktionsgesetzes Selbst- und Gegeninduktion Selbstinduktion Gegeninduktion Energie und Kräfte im magnetischen Feld Energieinhalt des Magnetfeldes Kraftwirkungen im magnetischen Feld Kräfte an Grenzflächen Kräfte auf stromdurchflossene Leiter Die aus den Feldern abgeleiteten elektrotechnischen Bauelemente Übungsaufgaben... 79

7 VIII Inhaltsverzeichnis 3 Feldtheorie Verschiebungsstrom. Erweitertes Durchflutungsgesetz Erweitertes Induktionsgesetz Quellenlose Felder und Quellenfelder Systematik der Felder Berechmmg von Stromkreisen bei Gleichstrom Der unverzweigte Gleichstromkreis Der elektrische Widerstand Lineare und nichtlineare Widerstände Energie und Leistung im Gleichstromkreis , Der Grundstromkreis Leistungsumsatz im Stromkreis..., Der verzweigte Gleichstromkreis Vereinfachung von Widerstandsnetzwerken Teilerregeln Die Stromteilerregel..., Die Spannungsteilerregel..., Berechnung verzweigter Stromkreise mittels der Gesetze von Kirchhoff Übungsaufgaben..., Berechnung von Stromkreisen bei Wechselstrom Erzeugung von Wechselstrom. Bestimmungsgrößen Kenngrößen Zeitliche Mittelwerte Zählpfeile Darstellung sinusförmiger elektrischer Größen im Zeigerdiagramm Spannungs- und Stromzeiger bei den Grundschaltelementen..., Zeigerdiagramme bei gemischten Wechsel strom schaltungen..., Reihenschaltung von Kondensator und Widerstand..., Parallelschaltung von Spule und Widerstand Gemischte Schaltung Die komplexe Darstellung von Zeigern..., Komplexe Zeiger der Grundschaltelemente Komplexer Widerstand und komplexer Leitwert Komplexer Widerstand Komplexer Leitwert..., Wirk- und Blindkomponenten von Spannung und Strom Wechselstromleistung Drehstrom (Dreiphasenwechselstrom) Erzeugung von Drehstrom , Die Verkettung des Drehstromsystems Spannungen und Ströme im symmetrischen Drehstromsystem Drehstromleistung Übungsaufgaben

8 Inhaltsverzeichnis IX 6 Ausgleichsvorgänge in Stromkreisen Die Schaltgesetze Aufladung eines Kondensators Kurzschluß einer stromdurchflossenen Spule Entladung eines Kondensators in einem Reihenschwingkreis Schlußbemerkungen Übungsaufgaben Teil B: AnwendWlgen der Elektrotechnik 7 Elektronik Einleitende Bemerkungen Physikalische Grundlagen Eigenleitung Störstellenleitung Eigen- und Störstellenleitung im Bändermodell Der pn-übergang Elektronische Bauelemente Halbleiterwiderstände Halbleiterdioden Transistoren Der Bipolartransistor Der Feldeffekttransistor Vergleich der Transistortypen Thyristoren üptoelektronische Bauelemente Lichtempfangende Bauelemente Lichtaussendende Bauelemente Andere optoelektronische Bauelemente Schaltungen mit elektronischen Bauelementen Gleichrichter Die idealisierte Diode Einphasengleichrichter Drehstromgleichrichter Gesteuerte Gleichrichter Einpulsschaltung und Steuerprinzip Gesteuerte Einphasengleichrichter Gesteuerte Drehstrombrücken TransistorschaItungen Betriebsarten des Transistors Transistor als Verstärker Transistor als Schalter

9 X Inhaltsverzeichnis 7.5 Grundzüge der elektronischen Digitaltechnik Analoge und digitale Größen und Signale Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandler Verknüpfungsschaltungen Elektronische Steuerungen Mikroelektronik Schaltungsintegration Schaltkreisfamilien Mikroprozessoren und Mikrorechner Komponenten des Mikrorechnersystems Mikrorechner als Prozeßrechner Weitere Ergebnisse der Mikrorechentechnik Übungsaufgaben Elektrische Maschinen und Antriebe Einleitung Die Gleichstrommaschine Aufbau und Funktionsprinzip Erregung der Gleichstrommaschine Der Gleichstromnebenschlußmotor Ersatzschaltbild und Kennlinien DrehzahlsteIlung Anlassen und Bremsen Der Gleichstromreihenschlußmotor Der Transformator Grundsätzlicher Aufbau und Funktionsprinzip Der ideale Transformator Definition und Ersatzschaltbild Induzierte Spannung und Klemmenspannung Zeigerdiagramme und Wirkungsweise Widerstandstransformation Der technische Transformator Ersatzschaltbild Spezielle Betriebsfalle Betriebsverhalten Drehstromtransformatoren Spezielle Transformatortypen Rotierende Drehstrommaschinen Das Drehfeld Arten von Drehfeldmaschinen

10 Inhaltsverzeichnis XI Der Drehstromasynchronmotor Aufbau Ersatzschaltbild Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinie DrehzahlsteIlung Anlassen von Asynchronmotoren Die Synchronmaschine Ersatzschaltbild Betrieb am starren Drehstromnetz Inselbetrieb des Synchrongenerators Elektrische Antriebstechnik Mechanische Struktur elektrischer Antriebe Grundgesetze elektrischer Antriebe Die Bewegungsgleichung Stabilität stationärer Arbeitspunkte Wellenlast bei Übertragungsgliedern Betriebsarten elektrischer Maschinen Motorwicklungserwärmung Nennbetriebsarten Motorauswahl Ein- und Mehrquadrantenantriebe Regelung elektrischer Antriebe Stromrichter der Antriebstechnik Ergänzende Bemerkungen Übungsaufgaben Elektrische Energieversorgung Einleitung Überblick zu Kraftwerken Elektrotechnische Komponenten eines Kraftwerkes Übertragungssysteme für elektrische Energie Drehstromnetze Spannungsebenen Drehstromleitungen Die Leitungsgleichungen Übertragung auf Hoch- und Höchstspannungsleitungen (Fernübertragung) Übertragung auf Mittel- und Niederspannungsleitungen Praktische Ausführung von Drehstromleitungen Netzgestaltung Sternpunktbehandlung in Drehstromnetzen Netzstrukturen

11 XII Inhaltsverzeichnis 9.6 Schaltanlagen Arten von Schaltanlagen Schaltgeräte der elektrischen Energietechnik Schalten von Wechselstrom Niederspannungsschaltgeräte Schaltgeräte für Spannungen> 1000 V Hochleistungssicherungen Praktische Ausführung von Schaltanlagen Personenschutz in Niederspannungsnetzen Gefährdung des Menschen Schutz maßnahmen Übungsaufgaben Elektrische Meßtechnik Einleitung Grundlegende Begriffe der elektrischen Meßtechnik Elektrische Meßwerke Drehspulmeßwerk Dreheisenmeßwerk Elektrodynamisches Meßwerk Induktionsmeßwerk Meßgeräte Vielfachmesser Elektronenstrahloszilloskope Registriergeräte Zähimeßgeräte Meßverfahren für elektrische Größen Messung von Strom und Spannung Messung von Widerständen und Impedanzen Messung der elektrischen Leistung Zeit- und Frequenzmessung Elektrische Messung nichtelektrischer Größen Allgemeines Messung von Wegen und Winkeln Messung von Kräften und Momenten Drehzahlmessung Temperaturmessung Störbeeinflussung von Meßkreisen Übungsaufgaben Lösungen der Übungsaufgaben Literaturverzeichnis Sachwortverzeichnis