Fachkunde Industrieelektronik und Informationstechnik

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1 EUROPA-FACHBUCHREIHE für elektrotechnische und elektronische Berufe Fachkunde Industrieelektronik und Informationstechnik Geräte- und Systemtechnik mit Automatisierungstechnik 11. überarbeitete und erweiterte Auflage Bearbeitet von Lehrern und Ingenieuren an beruflichen Schulen, Hochschulen und Produktionsstätten (siehe Rückseite) Ihre Meinung interessiert uns! Teilen Sie uns Ihre Verbesserungsvorschläge, Ihre Kritik aber auch Ihre Zustimmung zum Buch mit. Schreiben Sie uns an die -Adresse: Die Autoren und der Verlag Europa-Lehrmittel Winter 2013 VERLAG EUROPA-LEHRMITTEL Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG Düsselberger Straße Haan-Gruiten Europa-Nr.: 32319

2 2 Autoren der Fachkunde Industrieelektronik und Informationstechnik Günther Buchholz Dipl.-Ing. (FH), Oberstudienrat Stuttgart Oliver Gomber Dipl.-Ing., Studiendirektor Freiburg Bernhard Grimm Oberstudienrat Sindelfingen, Leonberg Gregor Häberle Dr.-Ing., Abteilungsleiter Tettnang Jörg A. Oestreich Dipl.-Ing., StR Schwäbisch Hall Werner Philipp Dipl.-Ing., Oberstudienrat Heilbronn Bernd Schiemann Dipl.-Ing. Durbach Albrecht Schilling Dipl.-Ing. (FH), Oberstudienrat Sindelfingen Dietmar Schmid Dr.-Ing., Professor Essingen Bildentwürfe: Die Autoren Fotos: Autoren und Firmen (Verzeichnis der Firmen und Dienststellen Seite 672) Bildbearbeitung: Zeichenbüro des Verlags Europa-Lehrmittel GmbH & Co. KG, Ostfildern Lektorat und Leitung des Arbeitskreises: Bernd Schiemann Warenzeichen: Windows ist ein eingetragenes Warenzeichen der Microsoft Corporation (Nachdruck der Box Shots von Microsoft-Produkten mit freundlicher Erlaubnis der Microsoft-Corporation) INTEL ist ein eingetragenes Warenzeichen der INTEL-Corporation Alle anderen Produkte, Warenzeichen, Schriftarten, Firmennamen und Logos sind Eigentum oder eingetragene Warenzeichen ihrer jeweiligen Eigentümer Diesem Buch wurden die neuesten Ausgaben der DIN-Blätter und der VDE-Bestimmungen zugrunde gelegt. Verbindlich sind jedoch nur die DIN-Blätter und VDE-Bestimmungen selbst. Die DIN-Blätter können von der Beuth-Verlag GmbH, Burggrafenstraße 6, Berlin, und Kamekestraße 2 8, Köln, bezogen werden. Die VDE-Bestimmungen sind bei der VDE-Verlag GmbH, Bismarckstraße 33, Berlin, erhältlich. 11. Auflage 2013 Druck Alle Drucke derselben Auflage sind parallel einsetzbar, da sie bis auf die Behebung von Druck fehlern 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. Umschlaggestaltung: Idee: Bernd Schiemann, Umsetzung: Atelier PmbH, Battenberg unter Verwendung eines Fotos der Dr. Fritz Faulhaber GmbH by Verlag Europa-Lehrmittel, Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG, Haan-Gruiten Satz: Lithotronic Media GmbH, Dreieich; Grafische Produktionen Neumann, Rimpar Druck: B.O.S.S Druck GmbH, Goch

3 Was fange ich mit dem Buch an? Neues. 3 Liebe Leserin und lieber Leser, Sie haben die neue Fachkunde Industrieelektronik und Informationstechnik vor sich liegen. In diesem Lehr buch finden Sie alles, was zur Ausbildung und Weiterbildung in entsprechenden Lernfeldberufen verwendet wird. Welche Ziele kann ich mithilfe dieses Buchs erreichen? Das Buch vermittelt Wissen, Fähigkeiten und Fertigkeiten, soll neugierig auf Neues machen, damit zum Lernen anregen und so eigene Kompetenzen wie Handlungskompetenz, Fachkompetenz sowie Methodenkompetenz stärken. Neu bearbeitete Inhalte im Buch sind Erweiterung der PC-Messtechnik mit LabVIEW, Frequenzumrichter Zusammenhang zwischen Spannung und Frequenz, Auswahl eines Frequenzumrichters, Parametrieren von Frequenzumrichtern, Neue Betriebsmittelkennzeichnung, Lexikon Deutsch-Englisch. Sie haben Lernfeldunterricht und bearbeiten eine Lernsituation. Wie kann Ihnen dieses Buch dabei helfen? Ein ausführliches Sachwortverzeichnis erleichtert das Finden technischer Begriffe, auch auf Englisch. Physikalische und technische Sachverhalte werden durch viele anschauliche Bilder und Tabellen ergänzt und erklärt. Passend eingefügte Schaltpläne fördern die Fähigkeit zur Analyse auch komplexer Systeme. Wichtige Formeln mit Formelzeichenerklärungen und vielen Beispielrechnungen fördern und festigen das Verständnis. Merksätze fassen wichtige Sachverhalte kurz zusammen. Eine kleine Übersicht auf der nächsten Seite soll Ihnen helfen, Beispiele aus ausgewählten Kapiteln Lernsituationen zuzuordnen.

4 4 Hinweise zu Lernfeldern LF Lernfelder des ersten Ausbildungsjahres für alle Berufe 1 LF/ Zeitvor- Lernfeldinhalte Beispiele, Kapitel Jahr gabe in h 1/1 80 Elektrotechnische Systeme analysieren und El. Grundgrößen 1.2 Funktionen prüfen Grundschaltungen 1.3 Wirtschaftliche Vorgänge /1 80 Elektrotechnische Installationen planen und ausführen Installationsschaltungen 1.10 Sicherheitsbestimmungen /1 80 Steuerungen analysieren und anpassen Steuerungsarten 5.2 Digitaltechnik 3.4 4/1 80 Informationstechnische Systeme bereitstellen Systemanalyse Betriebssysteme von PC 4.5 Hardware 4.3, 4.6, 4.7 Lernfelder der Fachstufen GS mit Systemelektroniker und AT 5/2 GS 60 Elektroenergieversorgung für Geräte und Systeme Gefahren des el. Stromes realisieren und deren Sicherheit gewährleisten Schutzmaßnahmen /2 AT 60 Elektroenergieversorgung und Sicherheit von Gefahren des el. Stromes Betriebsmitteln gewährleisten Schutzmaßnahmen /2 GS 80 Elektronische Baugruppen von Geräten Widerstandsarten konzipieren, herstellen und prüfen Halbleiter 1.9 Messtechnik /2 AT 80 Anlagen analysieren und deren Sicherheit prüfen MSR-Technik 5 Schnittstellen /2 GS 80 Baugruppen hard- und softwareseitig konfigurieren Mikrocontroller PLD 3.3 SPS /2 AT 80 Steuerungen für automatisierte Anlagen Feldbusse programmieren und realisieren Programmierung 4.9 Gebäudeleittechnik EIB /2 GS 60 Geräte herstellen und prüfen AD-DA-Umsetzer 3.4 Kleinmotoren /2 AT 60 Antriebssysteme auswählen und integrieren Stromrichter Handhabungsautomaten 6.5 9/3 GS 100 Geräte und Systeme in Stand halten Schaltungsanalyse Entsorgung /3 AT 100 Steuerungssysteme und Kommunikationssysteme Datennetze, Topologien 4.8 integrieren Echtzeitfähigkeit /3 GS 80 Fertigungsanlagen einrichten Steuerungsarten Steuerungen 5.2.2, 5.2.3, /3 AT 100 Automatisierungssysteme in Betrieb nehmen und Parametrierung von FU übergeben 11/3 GS 100 Prüfsysteme einrichten und anwenden Diagnosewerkzeuge, Debugger Bussysteme /3 AT 80 Automatisierungssysteme in Stand halten und Reglereinstellungen optimieren LabView /4 GS 80 Geräte und Systeme planen und realisieren Schutzleiter Kosten-Nutzenbetrachtung /4 AT 60 Automatisierungssysteme planen Pflichtenheft Recycling /4 GS 60 Fertigungs- und Prüfsysteme in Stand halten Soll-Ist-Vergleich /4 AT 80 Automatisierungssysteme realisieren Programmimplementierung Elektronikerberufe mit Lernfeldern: Automatisierungstechnik AT; Energie- und Gebäudetechnik BT; Betriebstechnik BT; Gebäude- und Infrastruktursysteme GI; Maschinen- und Antriebstechnik MA; Geräte und Systeme GS und System elek tro niker im Handwerk.

5 Vorwort zur 11. Auflage 5 Das Buch Fachkunde Industrieelektronik- und Informationstechnik ist ein Lehrbuch für die Erstausbildung in den Berufen Elektroniker/in Geräte- und Systeme, sowie für die Systemelektroniker/in und Systeminformatiker, Elektroniker/in für Automatisierungstechnik. Auch für den Unterricht an Informationstechnischen Gymnasien, Fachgymnasien, Fachoberschulen und Berufsoberschulen wird das Buch empfohlen. Als grundlegende Einführung in das gesamte Fachgebiet ist dieses Buch gleichzeitig nützlich für Schüler an Berufskollegs und Studierende an Fachschulen, Berufsakademien und Fachhochschulen. Besonderer Wert wurde darauf gelegt, Funktionszusammenhänge und Funktionsabläufe durch zahlreiche mehrfarbige Bilder, Diagramme und Tabellen zu veranschaulichen. Neu: Funktionale Sicherheit von Maschinen, PIC-Mikrocontroller, Whiteboard, AS-i-Interface safety at work, PROFIsafe, Programmieren mit Visual C#, Näherungsschalter, bibliotheksfähige SPS-Bausteine, Mensch-Maschine-Schnittstellen, Aufbau eines Meldesystems, CodeSys, Schaltregler für Festspannungen, Schaltungen von Sonnenkollektoren. Projektaufgaben: Einrichten eines WLAN, Positionieraufgabe Projekt: Temperaturerfassung für einen Motorprüfstand Inhalte auf einen Blick: Physikalische Größen Elektrotechnische Größen Grundschaltungen Leistung, Arbeit, Wärme Spannungserzeuger Wechselspannung und Wechselstrom Spannung und elektrisches Feld Strom und Magnetfeld Halbleiter Schaltungstechnik und Funktionsanalyse Werkstoffe und Leitungen Blindwiderstände an Wechselspannung RC-Schaltungen und RL-Schaltungen Schwingkreise Leistungen bei Wechselstrom Transformatoren Weitere elektrische Bauelemente Laser Elektronische Schaltungen mit Strom versorgen Verstärker Generatoren und Kippschaltungen Messgeräte Schutzmaßnahmen Unterzweig Einführung in die Digitaltechnik Sequenzielle Digitaltechnik Anwendungen der Digitaltechnik DA-Umsetzter und AD-Umsetzer Elektronisches Messen Steuerungstechnik Fernwirktechnik Regelungstechnik Grundlagen Anwendungen der Grundlagen Digitaltechnik Messen, Steuern, Regeln Wirtschaftliche Vorgänge Umwelttechnik Leistungselektronik Datentechnik Betrieb und Umfeld Geschäftsprozesse Verkaufsprozesse Beschaffungsprozesse Kundenberatung und Service Umweltrecht Umwelthaftung Belastung durch elektrotechnische Produkte Umgang mit Abfall Elektromagnetische Verträglichkeit Alternative Energieversorgung Stromversorgung Bemessung von Leitungen Elektrische Antriebssysteme auswählen und integrieren Steuerung und Regelung elektrischer Antriebe Handhabungssysteme Digitale Bildverarbeitung Aufbau und Betrieb eines PC-Systems Merkmale und Arten von Computeranlagen Mikrocomputer Systementwicklung Betriebssysteme von Computern Speicher Dateneingabe und Datenausgabe Datenübertragung Programmieren mit Programmiersprachen Datenbank, Tabellenkalkulation Datensicherung und Datenschutz

6 6 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Titel....1 Autoren...2 Wer arbeitet mit dem Buch?....3 Lernfeldbezug....4 Vorwort....5 Inhaltsverzeichnis Grundlagen 1.1 Physikalische Größen Kraftfelder Masse und Kraft Basisgrößen, Einheiten und abgeleitete Einheiten Kraft als Beispiel eines Vektors Arbeit Energie Elektrotechnische Grundgrößen Ladung Spannung Elektrischer Strom Elektrischer Widerstand Ohm sches Gesetz Widerstand und Temperatur Stromdichte Bauformen der Widerstände Festwiderstände Veränderbare Widerstände Heißleiterwiderstände NTC Kaltleiterwiderstände PTC Spannungsabhängige Widerstände VDR Gefahren des elektrischen Stromes Überstrom-Schutzeinrichtungen Grundschaltungen Bezugspfeile Reihenschaltung Parallelschaltung Gemischte Schaltungen Spannungsteiler Messbereichserweiterung bei Strommessern Widerstandsbestimmung durch Strom- und Spannungsmessung Leistung, Arbeit, Wärme Elektrische Leistung Elektrische Arbeit Mechanische Leistung Wirkungsgrad Temperatur und Wärme Wärmeübertragung Leistungshyperbel Spannungserzeuger Arten der Spannungserzeugung Belasteter Spannungserzeuger Anpassung Schaltungen von Spannungserzeugern Ersatzspannungsquelle und Ersatzstromquelle Wechselspannung und Wechselstrom Spannung und elektrisches Feld Elektrisches Feld Kondensator Schaltungen von Kondensatoren Kondensator im Gleichstromkreis Bauformen der Kondensatoren Strom und Magnetfeld Magnetisches Feld Elektromagnetische Baugruppen Elektromagnete Relais Strom im Magnetfeld Induktion Spule im Gleichstromkreis Bauformen der Spulen Halbleiter Kristallaufbau Eigenleitung Störstellenleitung Halbleiterdioden Sperrschicht Sperrschichtkapazität Rückwärtsrichtung und Vorwärtsrichtung Elektrischer Durchbruch Bauformen von Halbleiterdioden Fotodioden, Fotowiderstände und Fotoelemente Leuchtdioden und Optokoppler Arbeitspunkt Schaltungstechnik und Funktionsanalyse Dokumente der Elektrotechnik Betriebsmittelkennzeichnung nach DIN EN Schaltungen mit Installationsschaltern Schaltfunktion Schützschaltungen Schaltungen mit Zeitschaltern Werkstoffe Atommodell Periodensystem Chemische Bindungen Säuren, Basen, Salze Elektrochemie Stromleitung in Flüssigkeiten Elektrolytische Elemente Akkumulatoren Korrosion Leiterwerkstoffe und Kontaktwerkstoffe Leitungen der Kommunikationstechnik Lote und Flussmittel Isolierstoffe Anwendungen der Grundlagen 2.1 Blindwiderstände an Wechselspannung Wechselstromwiderstand des Kondensators Wechselstromwiderstand der Spule Schaltungen von nicht gekoppelten Spulen RC-Schaltungen und RL-Schaltungen Reihenschaltung aus Wirkwiderstand und Blindwiderstand 123

7 Inhaltsverzeichnis Parallelschaltung aus Wirkwiderstand und Blindwiderstand Verluste im Kondensator Verluste in der Spule Impulsverformung Siebschaltungen Mechanische Bandfilter Schwingkreise Reihenschwingkreis Parallelschwingkreis Resonanzfrequenz Bandbreite und Güte Leistungen bei Wechselstrom Wirkleistung Blindleistung, Scheinleistung Leistungsdreieck Leistungsfaktor Leistungen bei Dreiphasenwechselspannung Entstehung des Drehstromes Sternschaltung Dreieckschaltung Ermittlung der Leistung Kompensation von Blindwiderständen Transformatoren Wirkungsweise und Begriffe Aufbau von Transformatoren Idealer Transformator Realer Transformator im Leerlauf Realer Transformator unter Last Besondere Transformatoren Weitere elektronische Bauelemente Besondere Halbleiterdioden Z-Dioden Schottkydioden Bipolare Transistoren Unipolare Transistoren (FET) IGBT Thyristoren Integrierte Schaltungen (IC) Elektronenröhren Gasentladungsröhren Strahlungsgesteuerte Röhren Laser Elektronische Schaltungen mit Strom versorgen Netzanschlussgerät Gleichrichter Gleichrichterschaltungen Gleichrichter mit einstellbarer Spannung Glättung der gleichgerichteten Spannung Stabilisieren Stabilisierungsfaktor Lineare Spannungsregler Lineare Spannungsregler-IC Projektaufgabe Netzteil Verstärker Grundbegriffe Verstärker mit bipolaren Transistoren Verstärkergrundschaltungen Arbeitspunkt Emitterschaltung Kopplung mehrstufiger Verstärker Gegenkopplung Gegentaktschaltungen Verstärker mit Feldeffekttransistoren Verstärker für den D-Betrieb Operationsverstärker Eigenschaften Schaltungsaufbau Betriebsverhalten Grundschaltungen Treiberverstärker Generatoren und Kippschaltungen Sinusgeneratoren Sägezahngenerator Elektronische Schalter Bistabile Kippschaltung Zeitgeberbaustein NE Monostabile Kippschaltung Astabile Kippschaltung (Rechteckgenerator) Schwellwertschalter Messgeräte Zeigermessgeräte Digitalmultimeter Oszilloskop Analog-Oszilloskop Digitales Speicheroszilloskop DSO Scopemeter Logikanalysatoren PC-Messtechnik Simulationssysteme Schutzmaßnahmen Sicherheitsbestimmungen Schutzarten elektrischer Betriebsmittel Systemunabhängige Schutzmaßnahmen Systemabhängige Schutzmaßnahmen Funktionale Sicherheit von Maschinen Prüfung von Schutzmaßnahmen Wiederholungsprüfungen an technischen Geräten Digitaltechnik 3.1 Einführung in die Digitaltechnik Dualcode Binäre Elemente Grundlagen der Schaltalgebra Analyse und Synthese von Schaltungen Binäre Elemente mit besonderen Ausgängen Digitale Schaltkreise Daten von binären Elementen Karnaugh-Diagramm Binärcodes BCD-Codes Gray-Code Strichcodes (Barcodes) Flächencodes Codeleser Darstellung von alphanumerischen Zeichen Anwendung Codeumsetzer Sequenzielle Digitaltechnik (Schaltwerke) Binärspeicher 274

8 8 Inhaltsverzeichnis Asynchrone Flipflops Synchrone Flipflops Monoflops und Verzögerungselemente Asynchrone Zähler Synchrone Zähler Wertetabelle und Zeitablaufdiagramm Schaltfunktionen aus Wertetabelle Zähler mit T-Flipflops Zähldekaden Schieberegister Zähler mit Codeumsetzer Teilerschaltungen Projektaufgabe Signalanlage Anwendungen der Digitaltechnik Programmierbare Logikelemente Programmierung und Aufbau PAL-Schaltkreise Schaltkreise mit zwei programmierbaren Feldern PAL-Schaltkreis als PROM EPLD-Logikschaltkreis EP ISP-Bauelemente Fehler erkennen DA-Umsetzer und AD-Umsetzer Digital-Analog-Umsetzer Analog-Digital-Umsetzer Momentanwert-AD-Umsetzer Integrierende AD-Umsetzer Datentechnik 4.1 Aufbau und Betrieb eines PC-Systems Bestandteile eines PC-Systems Externe Schnittstellen am PC Tastatur des PC Inbetriebnahme eines PC PC-Systembus Arten und Strukturen von Computeranlagen Merkmale der Leistungsfähigkeit Arten von Computern Client-Server-Systeme Aufgabenbereiche von Computern Mikrocomputer Aufbau eines Mikrocomputers Wirkungsweise von Mikroprozessoren Mikroprozessorfamilie X Weitere Mikroprozessoren Speicherverwaltungen Adressierungsarten FIFO-Speicherverwaltung Stack-Speicherverwaltung Virtuelle Speicherverwaltung EA-Elemente Parallele EA-Elemente Serielle EA-Elemente Mikrocontroller Allgemeines Mikrocontroller-Familie 805XX AVR- Mikrocontroller Systementwicklung Systemanalyse, Aufgabenanalyse Programmentwicklung CPU-Programmierung mit Hochsprachen Programmierung von Mikrocontrollern Programmierung mit Assemblersprache Programmierung von Mikrocontrollern mit C PIC-Mikrocontroller Betriebssysteme von Computern Aufgaben von Betriebssystemen und Überblick BIOS und UEFI Befehlszeilenkommandos Windows anwenden Arbeitsfläche (Desktop) Installation von Anwendersoftware Dateiverwaltung Konfigurieren von Windows Linux anwenden Installation von Linux Festplatten und Partitionen Speicher RAM ROM Speicheradressierung Datenzugriff Festplattenspeicher Halbleiterlaufwerke Optische Speicher Speicher für Backup Chipkarten RFID-Transponder Dateneingabe und Datenausgabe Eingabegeräte Tastaturen Dateneingabe am Bildschirm Digitalisierer (Digitizer) Scanner Ausgabegeräte Drucker (Bildschirme und) Displays Whiteboard Schnittstellen für Eingabegeräte und Ausgabegeräte Aufgaben und Art der Schnittstellen Serielle Schnittstellen Datenübertragung Verhalten von Leitungen bei hoher Frequenz Modulation und Demodulation Analoge Modulation und Demodulation Digitale Modulation und Demodulation Demodulation Multiplexverfahren Zeitmultiplexverfahren Weitere Multiplexverfahren Datennetze Begriffe zu Datennetzen Netztopologien und Zugriffsverfahren Übertragungsgeschwindigkeiten Ethernet LAN CAN-Bus AS-i-Feldbus PROFIBUS, PROFIBUS DP PROFINET PROFIsafe Datenübertragung im Telekommunikationsnetz 414

9 Inhaltsverzeichnis Digital Subscriber Line DSL Gebäudeleittechnik und Gebäudesystemtechnik Internet Aufbau des Internet Internet-Zugangsarten Kommunikationsprotokolle WLAN einrichten PowerLine Communication Lernen mit Moodle Programmieren mit Programmiersprachen Begriffe des Programmierens Programmieren in Visual Basic Allgemeines Projekte, Formeln, Module Vereinbarungen Strukturierte Anweisungen Textfenster, Check-Kästchen, Buttons Combo-Box Menüleisten Operatoren und mathematische Funktionen Programmieren in Visual C# Prinzipieller Programmaufbau Vereinbarungen Methoden für die Eingabe und die Ausgabe Operatoren und Ausdrücke Bedingte Anweisungen Inkrementoperatoren und Dekrementoperatoren Iterationsanweisungen Datenbank, Tabellenkalkulation Datenbanksystem Access Tabellenkalkulation Präsentationsprogramm PowerPoint Datensicherung und Datenschutz Maßnahmen zur Datensicherung Maßnahmen gegen unbefugte Nutzung Schutz vor Computerviren Gesetzlicher Datenschutz Messen, Steuern, Regeln 5.1 Elektronisches Messen Arten von Sensoren Sensoren mit Widerstandsänderung Induktive Sensoren Kapazitive Sensoren Aktive Sensoren Näherungsschalter Messwertgeber für elektrische Größen (Messumformer) Störungen in Messleitungen Lichtschranken Bestimmungen für Messeinrichtungen Steuerungstechnik Steuerungsarten Binäre Steuerungen GRAFCET GRAFCET-Struktur Schritte Aktionen Transitionen und Ablaufstrukturen Digitale Steuerungen (Beispiele) Speicherprogrammierbare Steuerungen SPS Aufbau und Funktionsweise Projekt Programmstruktur Programmiersprachen SPS-Programmerstellung Ansteuerung der SPS Programmieren in AWL und KOP Programmieren von Zeitfunktionen Zähler in SPS Ablaufsprache Ablaufsteuerung mit S7-Graph Bibliotheksfähige SPS-Bausteine Strukturierter Text ST Zustandsgraph Dokumentation von SPS-Programmen Sicherheits-SPS Mensch-Maschine-Schnittstellen Aufbau eines Meldesystems CodeSys Kleinsteuerungen (Steuerrelais) Fernwirktechnik Regelungstechnik Grundbegriffe Regelungsarten Regelkreisglieder Regler Digitale Regelungstechnik Digitalisierung und Signalabtastung Regelalgorithmus Regelkreise (Beispiele) Regelung von P-Strecken Regelung von I-Strecken Einstellen eines Reglers Selbstoptimierende Regler Leistungselektronik 6.1 Stromversorgung Geräte mit elektrischer Energie versorgen Leistungsgrenzen am öffentlichen Netz Gesteuerte Gleichrichter und Gleichstromsteller Wechselrichter Durchflusswandler und Sperrwandler Schaltregler Spezielle lineare Spannungsregler Schaltregler für Festspannungen SSV-Systeme Bemessung von Leitungen Leitungen der Energietechnik Allgemeine Grundsätze Mindestquerschnitte Strombelastbarkeit Spannungsfall Überlastschutz und Kurzschlussschutz Elektrische Antriebssysteme auswählen und integrieren Drehbewegungen Kennlinien von Arbeitsmaschinen Kennwerte von Elektromotoren Drehfeldmaschinen 579

10 10 Inhaltsverzeichnis Synchronmotoren Schrittmotoren Elektronikmotor Asynchronmotor (Induktionsmotor) Stromwendermotoren Linearantriebe Motoren in vier Quadranten betreiben Steuerung und Regelung elektrischer Antriebe Maschinensicherheit Drehzahlsteuerung Universalmotor Drehzahlsteuerung beim fremderregten Gleichstrommotor Gleichstromsteller mit H-Brücke Asynchronmotoren steuern Motorschutzgeräte Motorschutz auswählen Anlassen von Kurzschlussläufermotoren (Ständeranlassverfahren) Drehzahl mit Frequenzrichter steuern Frequenzumrichter mit Zwischenkreis Pulsweitenmodulation (PWM) Zusammenhang zwischen Spannung und Frequenz Kurzschlussläufermotoren am Frequenzumrichter betreiben Frequenzumrichter auswählen Positionieraufgabe Frequenzumrichter anschließen Servomotoren Anforderungen an Servomotoren Servomotoren im Antriebssystem Messsysteme auswählen Achsmechanik einstellen Maßbezug herstellen Achsen positionieren Synchronisieren mehrerer Achsen Elektronisches Nockenschaltwerk Handhabungssysteme Einteilung Kinematischer Aufbau eines Roboters Programmieren von Robotern Sensorführung von Robotern Digitale Bildverarbeitung Umwelttechnik 7.1 Umweltrecht Umwelthaftung Belastung durch elektrotechnische Produkte Umgang mit Abfall Begriffe der Abfallwirtschaft Träger der Entsorgung Betriebsbeauftragte Elektromagnetische Verträglichkeit EMV Bedeutung der EMV Störungen durch elektrische Felder Störungen durch elektromagnetische Felder Alternative Energieversorgung Solartechnik Solarthermie Fotovoltaik Windkraftanlagen Brennstoffzelle Wirtschaftliche Vorgänge 8.1 Betrieb und Umfeld Geschäftsprozesse Verkaufsprozesse Verkaufskalkulation Erstellung eines Angebots Verträge Rechnungsstellung Beschaffungsprozesse Kundenberatung und Service Umgang mit Kunden Kundenservice Kundenbindung Beschwerdemanagement (Reklamationen) Konformitätserklärung Qualitätsmanagement Projekt-Aufgabe Anhang 10.1 Größen und Einheiten Mathematische Begriffe und Basiseinheiten Vorsätze, Größen und Einheiten der IT-Technik Wichtige Normen Web-Adressen (Auswahl) Verzeichnis der Firmen und Dienststellen Softwareverzeichnis Literaturverzeichnis CD-Inhalt Sachwortverzeichnis Formelzeichen dieses Buches U2 Indizes und Zeichen für Formelzeichen U3 dieses Buches

11 1.1.2 Masse und Kraft 11 1 Grundlagen 1.1 Physikalische Größen Zur Beschreibung der elektrotechnischen Vorgänge sind physikalische Begriffe unentbehrlich Kraftfelder Auf einen Körper kann durch unmittelbare Be rührung eine Wirkung ausgeübt werden, z. B. eine Kraft. Die Wirkung kann aber oft auch aus der Ferne erfolgen, z. B. durch die Anziehungskraft der Erde auf eine Weltraumstation (Bild 1). Ohne diese An zie hungskraft würde die Weltraumstation mit gleich bleibender Geschwindigkeit in den Weltraum fliegen. Massen von Körpern üben aufeinander eine An ziehungskraft aus, die auch aus der Ferne wirkt. Diese Anziehungskraft ist umso größer, je größer die Massen sind und je kleiner ihr Abstand voneinander ist. Bei kleinen Massen ist diese An ziehungs kraft sehr klein, bei großen Massen, z. B. Himmels körpern, aber recht groß. Tritt eine Wirkung aus der Ferne ein, so sagt man, dass ein Feld zwischen der Ursache der Wirkung und dem Körper ist. Ist mit der Wirkung eine Kraft verbunden, so spricht man von einem Kraftfeld. Jeder Raum ist von Feldern erfüllt. Bekannt ist das Schwerefeld der Erde. Es bewirkt, dass es sehr schwierig ist, die Erde und ihre Um gebung zu verlassen. Bild 1: Weltraumstation Mir im All, im Schwerefeld der Erde F G = m g Bild 2: Kraftmessung Masse und Kraft F G F G Á 25 N m =2,5 kg ullstein bild 2,5 kg Die Angabe der Masse eines Körpers gibt Auskunft darüber, ob es leicht oder schwer ist, den Körper in Bewegung zu versetzen oder die Bewegung des Körpers hinsichtlich des Betrags oder hinsichtlich der Richtung zu ändern. Die Masse ist unabhängig von Ort und Umgebung. Die Einheit der Masse ist das Kilogramm mit dem Einheitenzeichen kg. In der Nähe von elektrischen Leitungen tritt ein elek t risches Feld auf (Abschnitt 1.7). In der Nähe von Magneten ist ein magnetisches Feld wirksam (Abschnitt 1.8). Sich rasch ändernde elektrische bzw. magnetische Felder sind immer miteinander ver knüpft. Man nennt sie deshalb elektromagnetische Felder. Bei der Weltraumstation in Bild 1 sind gleichzeitig mehrere elektromagnetische Felder wirksam. Die verschiedenen Antennen empfangen Felder oder strahlen sie ab. Die Flä chen mit Solarzellen 1 nehmen die elektro magne tischen Felder der Lichtstrahlung auf und ver sor gen den Satelliten mit elektrischem Strom. Außer dem sind Schwerefelder wirksam, vor allem das Schwerefeld der Erde wirksam. 1 lat. sol = Sonne 2 Sir Isaac Newton, engl. Physiker, 1643 bis 1727 Die Masse eines Körpers ist an jedem Punkt der Erde und außerhalb der Erde gleich groß. Ihre Messung erfolgt auf einer Bal kenwaage durch Vergleich mit geeichten Massen. Infolge des Schwerefeldes der Erde wirkt auf jede Masse auf der Erde oder nahe der Erde eine Kraft. Diese Gewichtskraft kann mit einem Kraftmesser gemessen werden. Beim Kraftmesser tritt unter der Wirkung der Kraft eine Verformung ein, deren Größe ein Maß für die Kraft ist (Bild 2). Die Einheit der Kraft ist das Newton 2 mit dem Einheiten - zeichen N. Ein Körper mit der Masse 1 kg wiegt auf der Erde etwa 10 N.

12 Basisgrößen, Einheiten und abgeleitete Einheiten Basisgrößen, Einheiten und abgeleitete Einheiten Physikalische Größen sind messbare Eigenschaften von Körpern, physikalischen Zuständen oder physikalischen Vorgängen, z. B. Masse, Länge, Zeit, Kraft, Geschwindigkeit, Stromstärke, Spannung und Widerstand. Jeder spezielle Wert einer Größe kann durch das Produkt von Zahlenwert und Einheit angegeben werden, z. B. zu 10 kg. Der spezielle Wert einer Größe wird Größenwert und in der Messtechnik Messwert genannt. Formelzeichen dienen zur Abkürzung von Größen, insbesondere bei Berechnungen. Man verwendet als Formelzeichen Buchstaben des lateinischen oder des griechischen Alphabets. Formel zeichen werden in diesem Buch kursiv (schräg) gedruckt. Physikalische Größen, aus denen die anderen Größen abgeleitet werden können, nennt man Basis größen (Tabelle 1). Vektoren sind Größen, zu denen eine Rich tung ge hört, z. B. ist die Kraft ein Vektor. Formeln sind kurzgefasste Anweisungen, wie ein Größenwert zu berechnen ist. Wegen ihres Gleichheitszeichens spricht man auch von Größen gleichungen. Mithilfe der Berechnungsformel kann man meist auch die Einheit des berechneten Ergebnisses erhalten. BEISPIEL 1: GESCHWINDIGKEIT BERECHNEN Für eine gleichbleibende Geschwindigkeit gilt obenstehende Formel. Wie groß ist die Geschwindigkeit eines Autos, das in 10 s eine Strecke von 180 m zurücklegt? Lösung: s 180 m v 18 3,6 km/h 64,8 km/h t 10 s Einheiten Die meisten physikalischen Größen haben Einheiten. Die Einheit ist oft aus einem Fremdwort entstanden, z. B. Meter vom griechischen Wort für Messen. Oft sind aber Einheiten auch zu Ehren von Wissenschaftlern benannt, z. B. das Ampere (nach 1 André Marie Ampère, franz. Physiker, 1775 bis 1836). Einheiten der Basisgrößen sind die Basiseinheiten (Tabelle 1). Einheitenzeichen sind die Abkürzungen für die Einheiten. Einheitenzeichen werden im Ge gensatz zu den Formelzeichen aufrecht gedruckt. 1 Charles A. de Coulomb, franz. Physiker (1736 bis 1806); 2 Heinrich R. Hertz, deutscher Physiker, 1857 bis 1894; 3 Alessandro G. Volta, ital. Physiker, 1745 bis 1827; 4 Georg Simon Ohm, dt. Physiker, 1789 bis 1854; 5 James Watt, schottischer Erfinder, 1736 bis 1819; 6 Michael Faraday, engl. Physiker, 1791 bis 1867; 7 Joseph Henry, amerik. Physiker, 1797 bis F G g F G g m Gewichtskraft; Fallbeschleunigung, Ortsfaktor; An der Erdoberfläche ist g 9,81 N/kg 10 N/kg. Tabelle 1: Basisgrößen Größe m v s t v s t Masse; Geschwindigkeit zurückgelegte Strecke Zeit für das Zurücklegen der Strecke Tabelle 2: Abgeleitete Einheiten (Beispiele) Einheiten und Einheiten- besond. Ein- Einheitenzeichen der Basisgröße heitenname zeichen Amperesekunde A s Coulomb 1 C Je Sekunde 1/s Hertz 2 Hz Meterquadrat m m m 2 Formel- Basis- Einheitenzeichen einheit zeichen Länge Meter m Masse m Kilogramm kg Zeit t Sekunde s Stromstärke Û Ampere A Temperatur T Kelvin K Lichtstärke Û V Candela cd Abgeleitete Einheiten sind aus Basiseinheiten zu sam mengesetzt oder auch aus anderen, abgeleiteten Einheiten. Oft haben derartige abgeleitete Ein heiten einen besonderen Einheitennamen (Tabelle 2). Auch die besonderen Einheitennamen haben genormte Einheitenzeichen. Einheiten namen erinnern an Wissenschaftler und ermöglichen eine kurze Schreibweise der Größe. Es ist zulässig, die besonderen Einheitennamen als Einheiten zu bezeichnen. Einheiten mit besonderem Einheitennamen sind z. B. die in der Elektrotechnik häufigen Volt 3 (V), Ohm 4 (Ø), Watt 5 (W), Farad 6 (F) und Henry 7 (H). Die abgeleitete Einheit einer Größe erhält man, durch Einsetzen der Einheiten in die Berechnungsformel. Dafür gibt es die Schreibweise mit eckigen Klammern. Namensgeber wichtiger Einheiten: 1 André Marie Ampère, franz. Physiker (1775 bis 1836) 2 Charles A. de Coulomb, franz. Physiker (1736 bis 1806)

13 1.1.5 Arbeit 13 BEISPIEL 1: GESCHWINDIGKEITSBERRECHNUNG Die Geschwindigkeit v berechnet man aus der Strecke s und der Zeit t mit der Formel v s /t. Zu berechnen ist [v] (sprich: Einheit von v ). Lösung: s [s] m v (sprich: daraus folgt) [v] t [t] s Vorsätze geben bei sehr kleinen oder sehr großen Zah lenwerten die Zehnerpotenz an, mit welcher der Zahlenwert einer Größe malzunehmen ist (Tabelle 1). Die Zehnerpotenzen der Zahlenwerte von Größen schreibt man als Vorsatzzeichen der Einheitenzeichen Kraft als Beispiel eines Vektors Ein beweglicher Körper kann durch eine Kraft beschleunigt werden, also seine Geschwindigkeit ändern. Als Beschleunigung bezeichnet man den Quotienten aus Geschwindigkeitsänderung durch den Zeitabschnitt, in dem diese Änderung erfolgt. Je größer bei einer Masse die Beschleunigung ist, desto größer ist die auf die Masse wirkende Kraft. Man bezeichnet diesen Zusammenhang als Grundgesetz der Mechanik. Darstellung von Kräften. Die Kraft ist ein Vektor, t der durch den Pfeil F (sprich: Vektor F ) dargestellt t wird (Bild 1). Die Länge des Pfeils gibt F F (sprich: Betrag des Vektors F ) an, die Pfeil richtung gibt die Wir kungsrichtung. Bei der Addition hängt man die Kraft vektoren unter Berücksich tigung ihrer Rich tung aneinander (siehe Mathe matik für Elektroni ker, Ausgabe I). Vektoren werden geometrisch addiert oder geometrisch sub trahiert. a Δ v Δ t F F r F R F G a Δ v Δt [a] (m/s)/s m/s 2 W F s s F ƒ Beschleunigung; Geschwindigkeitsänderung (Δ griech. Großbuchstabe Delta); Zeitabschnitt Kraft; Bild 1: Kräfte bei einem Schlepplift m W F s s fi Weg F Zugkraft F s Kraft in Wegrichtung F G Gewichtskraft F R Reibkraft F r resultierender Kraftvektor aus F R und F G ; F R =-F F m a [F ] kg m/s 2 N W F s cos fi [W ] N m Nm J Masse Arbeit Kraft in Wegrich tung Weg t Winkel zwischen F t und F s Tabelle 1: Vorsätze und Vorsatzzeichen F s Faktor Vorsatz Vorsatz- Faktor Vorsatz Vorsatzzeichen zeichen Arbeit Eine Arbeit wird aufgewendet, wenn infolge einer Kraft ein Wegstück zurückgelegt wird, z. B. von einem Hubstapler gegen die Gewichtskraft der Last. Der Größenwert der mechanischen Arbeit ist also das Produkt aus Kraft und Weg. Die Einheit der Arbeit ist das Newtonmeter (Nm) mit dem besonderen Einheitennamen Joule 1 (J). Liegen Kraft und Weg nicht auf derselben Geraden, so wird zur Berechnung der Arbeit nur die Teilkraft in Wegrichtung berücksichtigt (Bild 1). 1 James P. Joule, engl. Physiker, 1818 bis Yotta Y Zetta Z Exa E Peta P Tera T 10 9 Giga G 10 6 Mega M 10 3 Kilo k 10 2 Hekto h 10 1 Deka da 10 1 Dezi d 10 2 Zenti c 10 3 Milli m 10 6 Mikro μ 10 9 Nano n Piko p Femto f Atto a Zepto z Yokto y

14 Energie Energie Die Fähigkeit zum Verrichten einer Arbeit nennt man Arbeitsvermögen oder Energie. Die Energie hat dasselbe Formelzeichen und dieselbe Einheit wie die Arbeit. Arbeit und Energie stellen also dieselbe physikalische Größe dar. Jedoch drückt der Be griff Arbeit den Vorgang aus, der Begriff Energie dagegen den Zustand eines Körpers oder eines Sys tems aus mehreren Körpern. Meist ändert sich die Energie durch Arbeitsaufwand (Bild1). Die beim Heben einer Last aufgewendete Arbeit steckt nach dem Heben in der Last. Diese Arbeit kann wieder frei ge setzt werden, wenn die Last gesenkt wird, z. B. bei einem Baukran. Dann kann elektrische Energie ans Netz zurückgeliefert werden. Energie ist Arbeitsvermögen. Arbeit bewirkt Ener gieänderung. Außer der mechanischen Energie gibt es weitere Energiearten. In brennbaren Stoffen ist chemische Energie gespeichert. Diese lässt sich durch Ver bren nung in Wärmeenergie umwandeln. Die in Atom ker nen gespeicherte Energie nennt man Kern energie oder auch Atomenergie. Die von der Sonne als Wärmestrahlung oder als Lichtstrahlung ausgesandte Energie nennt man Sonnenenergie. Energie lässt sich nicht erzeugen, sondern nur umwandeln. Potenzielle Energie oder Energie der Lage (Bild 1) ist die in einem System gespeicherte Energie, z. B. in einer Masse, die sich im Schwerefeld der Erde befindet. Potenzielle Energie 1 bedeutet hier das in Lage 1 gespeicherte Arbeitsvermögen gegenüber einer Lage 0 (Bezugslage). Für die Größe der potenziellen Energie ist also vor allem die Bezugslage (Aus gangslage) maßgebend. BEISPIEL 1: BERECHNEN DER POTENZIELLEN ENERGIE In einem Stausee, 600 m über dem Turbinenhaus befinden sich 10 6 m 3 Wasser (Dichte 10 3 kg/m 3 ). Wie groß ist die potenzielle Energie gegenüber der Lage des Turbinen hauses? Lösung: 10 3 kg 10 N W p m g Δh 10 6 m m m 3 kg Nm Nm 6 TJ 1 lat. potentia Vermögen, Macht Lage 0 verrichtet Arbeit F G Gewichtskraft Bild 1: Änderung der Energie durch Arbeit W p potenzielle Energie Δh m Masse W k g Schwerebeschleu - nigung (g 10 N/kg) v WIEDERHOLUNG UND VERTIEFUNG F G potenzielle Energie W p Lage 1 W p = F G #h W p m g Δh W k 1 2 m v 2 [W p ] Nm J [W k ] Nm J F G #h Höhendifferenz kinetische Energie Geschwindigkeit Die potenzielle Energie gegenüber der Bezugslage ist so groß wie die erforderliche Arbeit zur Bewegung der Masse aus der Bezugslage in die neue Lage. Potenzielle Energie kann auch anders gespeichert werden, z. B. in einer gespannten Feder. Kinetische Energie ist in einer bewegten Masse gespeichert. Die kinetische Energie ist unabhängig von einer Bezugslage. Sie hängt nur von der Masse und von deren Geschwindigkeit ab. Wenn einem Körper oder einem System keine Arbeit zugeführt wird, so kann die kinetische Energie des Körpers oder des Systems höchstens so groß werden wie seine potenzielle Energie ist, z. B. beim Fall aus einer bestimmten Höhe. 1. Welche physikalischen Größen können in einem Raum ohne Materie vorhanden sein? 2. Nennen Sie drei Kraftfelder. 3. Auf eine Masse von kg wirkt eine Kraft von 1000 N. Wie groß ist die Beschleunigung? 4. Erklären Sie den Begriff Vektor. 5. Worin liegt der Unterschied zwischen Arbeit und Ener gie? 6. Wie heißen die beiden Arten der mechanischen Energie?

15 1.2.2 Spannung Elektrotechnische Grundgrößen Ladung Jeder Körper ist im normalen Zustand elektrisch neutral. Durch Reiben des Körpers kann dieser Zustand geändert werden. Der Ladungszustand ist aus dem Aufbau der Stoffe erklärbar. Reibt man einen Polystyrolstab mit einem Woll tuch und bringt ihn in die Nähe von Papier schnit zeln (Bild 1), so werden diese angezogen. Für diese Kräfte sind elektrische Ladungen verantwortlich. Stäbe aus Isolierstoffen, wie z. B. Acryl glas, Polystyrol, die man mit einem Wolltuch reibt, üben wegen der Ladungen aufeinander Abstoßungskräfte (Bild 2) oder Anzie hungs kräfte (Bild 3) aus. Gleichartige Ladungen stoßen sich ab, un gleichartige Ladungen ziehen sich an. Die Ladung des Acrylglasstabes bezeichnet man als positive Ladung (Plusladung), die Ladung des Polystyrolstabes als negative Ladung (Minusladung). Ladungen üben Kräfte aufeinander aus (Bild 4). Enthält der Kern eines Atoms so viele Protonen, wie Elektronen um den Kern kreisen, so ist das Atom elektrisch neutral (Bild 5). Nach außen tritt keine elektrische Ladung in Erscheinung. Kreisen dagegen um den Atomkern mehr oder weniger Elektronen als Protonen im Kern vorhanden sind, so ist das Atom im ersten Fall negativ, im zweiten Fall positiv geladen. Man nennt es Ion 1. Die elektrische Ladung Q ist von der Stromstärke und von der Zeit abhängig. Sie hat die Einheit Ampere sekunde (As) mit dem besonderen Einheiten namen Coulomb 2 (C). Jedes Elektron ist negativ geladen, jedes Proton ist positiv geladen. Beide tragen die kleinste Ladung, die Elementarladung. Die Elementarladung eines Elektrons beträgt 0, C, die Ele mentarladung eines Protons beträgt 0, C Spannung Zwischen verschiedenartigen Ladungen wirkt eine Anziehungskraft. Werden verschiedenartige Ladun gen voneinander entfernt, so muss gegen die An ziehungskraft eine Arbeit verrichtet werden. Diese Arbeit ist nun als Energie zwischen den Ladungen gespeichert. Dadurch besteht zwischen den La dungen eine Spannung. 1 griech. ion wandernd; 2 Coulomb, franz. Physiker, 1736 bis 1806 Papierschnipsel Abstoßung + + Bild 4: Ladungswirkungen a) Atommodell b) vereinfachte Darstellung Kern Polystyrolstab Bild 1: Anziehung von Teilchen durch Ladungen Polystyrolstab Abstoßung Bild 2: Abstoßung gleichartiger Ladungen Acrylglasstab Anziehung Bild 3: Anziehung ungleichartiger Ladungen Elektron + Bild 5: Aufbau eines Wasserstoffatoms Bei Û const. und mit Anfangsladung: ΔQ Û Δt Polystyrolstab Polystyrolstab Anziehung Kern Elektron Bei Û const. und ohne Anfangsladung: Q Û t ΔQ Ladungszunahme; Q Ladung Û konstante Stromstärke; t Zeit Δt Zeitabschnitt; Δ (griech. Großbuchstabe Delta) Zeichen für Differenz

16 Elektrischer Strom Die elektrische Spannung ist die zur Ladungs trennung aufgewendete Arbeit je Ladung. Elektrische Spannung entsteht durch Trennung von La dungen. Je höher die erzeugte Spannung ist, desto größer ist das Bestreben der Ladungen sich auszugleichen (Bild 1). Elektrische Spannung ist also auch das Ausgleichsbestreben von Ladun gen. Die elektrische Spannung (Formel zeichen U ) misst man mit dem Spannungsmesser (Bild 2). Zur Messung der Spannung wird der Spannungs messer an die Anschlüsse des Erzeugers oder Verbrauchers geschaltet. Einheit der elektrischen Spannung U ist das Volt 1 (V). Im Schalt zeichen des Spannungsmessers steht V. [U ] V ([U ] sprich: Einheit von U ). Die Ladungstrennung und damit die Spannungserzeugung kann auf verschiedene Arten geschehen (Abschnitt 1.5). Bei einem Spannungserzeuger liegt die Spannung zwischen zwei Anschlüssen. Man nennt derartige Einrichtungen mit zwei Anschlüssen einen Zweipol. Die Pole eines Spannungserzeugers sind der Pluspol ( ) und der Minuspol ( ). Der Pluspol ist ge kenn zeichnet durch Elektronenmangel, der Minus pol durch Elektronenüberschuss. Man unterscheidet Gleichspannung, Wechselspannung und Misch spannung. Die Spannungsart und die Polung der Spannung lassen sich z. B. mit einer Glimmlampe feststellen. In einer an Gleichspannung liegenden Glimmlampe leuchtet der negative Pol. Bei Wech selspannung zeigen beide Pole ein Flimmern. Potenzial nennt man eine auf einen Bezugspunkt b e zogene Spannung, z. B. die Spannung gegen Erde. Spannung kann als Differenz zweier Poten ziale aufgefasst werden. Eine Spannung besteht so wohl zwischen positiven und negativen Potenzialen wie auch zwischen gleichartigen, aber verschieden starken Potenzialen Elektrischer Strom Die Spannung ist die Ursache für den elektrischen Strom. Elektrischer Strom fließt nur im geschlossenen Stromkreis. Der Stromkreis besteht aus dem Er zeuger, dem Verbraucher und der Leitung zwi - schen Erzeuger und Verbraucher (Bild 3). Mit dem Schal ter kann man den Stromkreis öffnen und schlie ßen. [U ] N m J V As C U W Q U Spannung; W Arbeit; Q Ladung G + Spannung null Erzeuger - + G - U Strom V Bild 2: Spannungsmessung Spannung niedrig Glühlampe Spannungserzeuger Spannungserzeuger Spannungsmesser Verbraucher Strom Bild 3: Elektrischer Stromkreis V Verbraucher 1 V U 1 Verbraucher 2 Schalter Spannung hoch Bild 1: Spannung durch Ladungstrennung 1 Volta, ital. Physiker, 1745 bis 1827 Zeichen für "betätigt" Schalter Der elektrische Strom hat verschiedene Wirkungen (Tabelle 1, folgende Seite). Die Wärmewirkung und die Magnet wirkung treten bei elektrischem Strom immer auf. Lichtwirkung, chemische Wir kung und Wir kungen auf Lebewesen treten nur in be stimmten Fällen auf. U 2

17 1.2.3 Elektrischer Strom 17 Tabelle 1: Stromwirkungen Wärmewirkung Magnetwirkung Lichtwirkung Chemische Wirkung Wirkung auf Lebewesen immer immer in Gasen, in in leitenden bei Menschen vorhanden vorhanden manchen Halbleitern Flüssigkeiten und Tieren Strom Heizung, Relaisspule, Glimmlampe, LED, Ladevorgang bei Unfälle, Lötkolben, Türöffner Leuchtstofflampe Akkumulatoren, Herzschrittmacher Schmelzsicherung belastete Elemente Metalle besitzen Elektronen, die im Inneren des Metalls frei beweglich sind. Man bezeichnet diese als freie Elektronen. Sie bewegen sich von der Stelle mit Elektronenüberschuss zur Stelle mit Elektro nenmangel. + G - Erzeuger technische Stromrichtung Elektronenstrom Glühlampe Die gerichtete Bewegung von Elektronen nennt man elektrischen Strom. Bild 1: Stromrichtung Die Entstehung der freien Elektronen ist in der Dichte der Atome in Metallen begründet. Dadurch ist es möglich, dass ein Elektron auf der Außenschale eines Atoms genauso weit vom Kern des Nachbaratoms entfernt sein kann wie vom eigenen Atomkern. Die Anziehungskräfte beider Kerne he ben sich auf und das Elektron ist frei beweglich. Gute Leiter, wie z. B. Kupfer oder Silber, haben etwa gleich viele freie Elektronen wie Atome. Der Spannungserzeuger übt eine Kraft auf die freien Elektronen aus. Diese Krafteinwirkung breitet sich nach dem Schließen eines Stromkreises fast mit Lichtgeschwindigkeit aus. Die Elektronen im Leiter bewegen sich dagegen mit sehr kleiner Geschwindigkeit (nur wenige mm/s). Der Grund da für sind die als Hindernis wirkenden Atomrümpfe des Leiters. Bei der Festlegung der Richtung des elektrischen Stromes ging man von der Bewegungsrichtung positiver Ionen in Flüssig keiten aus (Bild 1) G - Erzeuger Bild 2: Strommessung A Strommesser V Verbraucher Die elektrische Stromstärke (Formelzeichen Û) misst man mit dem Strommesser (Bild 2). Die Einheit der elektrischen Stromstärke Û ist das Ampere (A). Im Schaltzeichen des Strommessers steht A. Die Elektronen bewegen sich entgegengesetzt zur Stromrichtung. Zur Messung der Stromstärke wird der Strommesser in den Stromkreis geschaltet.

18 Elektrischer Widerstand Bei Gleichstrom bleibt der Strom bei gleicher Spannung konstant (Tabelle 1). Die Elektronen fließen im Verbraucher vom Minuspol zum Pluspol. Das Kurzzeichen für Gleichstrom ist DC (von Direct Current Einrichtungsstrom). Gleichstrom ist elektrischer Strom, der dauernd in gleicher Richtung und gleicher Stärke fließt. Bei Wechselstrom ändern die Elektronen ständig ihre Richtung. Das Kurzzeichen für Wech sel strom ist AC (von Alternating Current abwechselnder Strom). Wechselstrom ist elektrischer Strom, der ständig seine Richtung und Stärke ändert. Ein gleichgerichteter Wechselstrom enthält Gleichstrom und Wechselstrom. Man nennt ihn Mischstrom. Das Kurzzeichen für Mischstrom ist UC (von Universal Current allgemeiner Strom). Tabelle 1: Stromarten Bezeichnung Gleichstrom DC Zeichen oder Wechselstrom AC Zeichen $ Mischstrom UC Stromstärke i Stromstärke i Kennlinie Fläche Q = t Zeit t Zeit t Gleichstromanteil (Mittelwert) Mischstrom ist Gleichstrom mit überlagertem Wechselstrom. Zeichen $ Stromstärke i Ionenstrom ist die Ionenbewegung in Flüssigkeiten oder Gasen. Ein positives Ion ist ein Atom oder Molekül, dem ein oder mehrere Elektronen fehlen. Ein negatives Ion ist ein Atom oder Molekül, das ein oder mehrere Elektronen zu viel hat. Ladungsträgerbeweglichkeit. Die Bewegung der La dungsträger (Driftgeschwindigkeit, von to drift abtreiben) im Strom kreis unter Einwirkung eines elektrischen Feldes (Ab schnitt 1.7) in oder ge gen die Richtung der elektri schen Feldlinien ist vom Leiterwerkstoff und von der elektrischen Feldstärke abhängig. Unter der Be weg lichkeit der La dungs träger versteht man das Ver hältnis Drift geschwin digkeit zu elektrischer Feldstärke. BEISPIEL 1: DRIFTGESCHWINDIGKEIT BERECHNEN Bei einer Halbleiterstrecke beträgt die elektrische Feld stärke 50 V/mm, die Ladungsträgerbeweglichkeit 0,39 m 2 /(Vs). Wie groß ist die Driftgeschwindigkeit? Lösung: v 0,39 m b 2 kv v b E 50 19,5 E Vs m km s Bei Elektronen ist der Betrag der Beweglichkeit in Metallen 0,004 4 m 2 /(Vs), in Halbleitern 0,01 m 2 /(Vs) bis 1 m 2 /(Vs). Die Beweglichkeit der Ladungsträger in Metallen ist infolge der großen Zahl freier Elekt ronen wesentlich kleiner als bei Halbleitern, weil die vielen Ladungsträger einander mehr hemmen, als wenn es nur wenige Ladungsträger wären. m s m [b] 2 V V s m b v E 1 Georg Simon Ohm, deutscher Physiker, 1789 bis Werner von Siemens, deutscher Erfinder, 1816 bis 1892 Zeit t BEISPIEL 2: LEITWERT BERECHNEN Ein Widerstand beträgt 2 Ø. Wie groß ist der Leitwert? Lösung: R G 1 Ladungsträgerbeweglichkeit Driftgeschwindigkeit elektrische Feldstärke G R Ø 0,5 S b E v Elektrischer Widerstand Die Werkstoffe setzen dem elektrischen Strom ei nen verschieden großen Widerstand entgegen. Der Widerstand, auch Resistanz genannt (Formelzeichen R), hat die Einheit Ohm 1 (Ø), [R] Ø. Den Kehrwert des Widerstandes nennt man Leit wert. Der Leitwert (Formelzeichen G) hat die Einheit Siemens 2 (S), [G] S.

19 1.2.5 Ohm sches Gesetz 19 Leiterwiderstand Der Widerstand eines Leiters hängt von der Länge, vom Querschnitt und vom Leiterwerkstoff ab. Ein Kupferdraht von 1 m Länge und 1 mm 2 Querschnitt hat z. B. mehr freie Elektronen als ein Eisen draht gleicher Abmessung. 1 1 [R] Ø [G ] S œ 1 R G 1 R œ R A A Der spezifische 1 Widerstand œ gibt den Widerstand eines Leiters von 1 m Länge und 1 mm 2 Querschnitt an. Der spezifische Widerstand von Drähten hat die Einheit Ø mm 2 /m. Bei Isolierstoffen und Halbleiter werk stoffen wird die Einheit Ø cm 2 /cm Ø cm verwendet. Dann gibt der spezifische Widerstand an, wie groß der Widerstand eines Würfels von 1 cm Kantenlänge ist. Der spezifische Widerstand œ wird meist für 20 C angegeben. Oft wird mit der Leitfähigkeit statt mit dem spezifischen Widerstand gerechnet. Die Leit fähigkeit ist der Kehrwert des spezifischen Wider standes œ. Die Namensgeber für die Einheiten Ohm und Siemens sind deutsche Wissenschaftler (Tabelle 1). Die Leitfähigkeit ist der Kehrwert des spezifischen Widerstandes œ. BEISPIEL 1: DRAHTWIDERSTAND BERECHNEN Ein Drahtwiderstand besteht aus 1,806 m Manganin draht mit einem Querschnitt von 0, mm 2. Berechnen Sie den Widerstand. Leitfähigkeit von Mangan (Mn): 2,3 Lösung: 1,806 m R A m 100 Ø 2,3 0, mm 2 Ø mm Ohm sches Gesetz m Ø mm 2 R Widerstand (Resistanz) G Leitwert Leitfähigkeit ( griech. Kleinbuchstabe Gamma) œ spezifischer Widerstand (œ griech. Kleinbuchstabe Rho) Länge des Leiters A Querschnitt des Leiters Tabelle 1: Wissenschaftler ullstein bild Granger Collection ullstein bild Granger Collection Ü 100 ma für R 1 =100Q für R 2 =200Q 10 V 20 U Bild 1: Û als Funktion von U beim linearen Widerstand 1 lat. specificus arteigen Ohm, Georg Simon, , geb. in Erlangen, Realschullehrer und Gymnasiallehrer für Mathematik, später Professor für Physik in Nürnberg und München. Er fand 1826 heraus, dass Stromstärke und Spannung im elektrischen Leiter proportional sind Û ~ U. Siemens, Werner von, , geb. in Lenthe, militärische Inge nieur - schule, Unternehmer. Begründer des Galvanisierens, Ent wickler der elektronischen Lokomotive, Erbauer der ersten Dynamomaschine. Engagierte sich politisch und sozial für das Wohl der Arbeiterklasse. Stellt man an einem Schiebewiderstand einen festen Wi derstandswert ein, schließt ihn an einen Span nungs er zeuger mit veränderbarer Span nung an und er höht die Spannung von 0 V ausgehend, so nehmen die Span nung und die Stromstärke im gleichen Ver hältnis zu. Bei konstantem Widerstand nimmt die Stromstärke linear mit der Spannung zu. Zeichnet man Û in Ab hängigkeit von U auf, so erhält man eine Gerade (Bild 1). Wenn Û U (sprich: Û ist proportional U) ist, so spricht man von einem linearen Widerstand. Die Gerade verläuft umso steiler, je kleiner der Wider stand ist. Mit zunehmendem Widerstand nimmt also die Stromstärke ab.

20 Widerstand und Temperatur Bei konstanter Spannung nimmt die Stromstärke im umgekehrten Verhältnis zum Widerstand ab. Zeich net man Û in Abhängigkeit von R auf, so erhält man eine Hyperbel (Bild 1). Û 1/R (sprich: Û ist umgekehrt proportional zu R). Das Ohm sche Gesetz drückt den Zusammenhang von Stromstärke, Spannung und Widerstand aus. [Û] [ U] V A [ R] Ø Δ ñ ñ 2 ñ 1 R 2 R 1 ΔR Û U R ΔR å R 1 Δñ R 2 R 1 (1 å Δñ) BEISPIEL 1: STROMSTÄRKE BERECHNEN Welche Stromstärke hat eine Glühlampe mit einem Widerstand von 12 Ø, die an 6 V angeschlossen ist? Lösung: Û U_ R 6 V 12 Ø 0,5 A Widerstand und Temperatur Der Widerstand der Leiterwerkstoffe ist von der Temperatur abhängig. Kohle und die meisten Halbleiter leiten in heißem Zustand besser als in kaltem Zustand. Diese Stoffe nennt man deshalb auch Heißleiter. Wenige Halbleiterstoffe, z. B. Bariumtitanat, leiten dagegen in kaltem Zustand besser. Man nennt sie Kaltleiter. Ihr Widerstand nimmt bei Temperaturerhöhung zu. Auch der Wider stand von Metallen nimmt mit Temperatur erhöhung zu. Der Widerstand von Heißleitern, z. B. Kohle, nimmt bei Temperaturerhöhung ab. Der Temperatur koeffizient å gibt die relative Widerstands änderung je Grad an (Tabelle 1). Man nennt ihn auch Temperaturbeiwert. Der Temperaturkoeffizient gibt an, um wie viel Ohm der Widerstand 1 Ø bei 1 K Temperatur erhöhung größer oder kleiner wird. Kelvin 1 (K) ist die Einheit des Temperaturunterschieds, gemessen in der Celsiusskala oder in der Kelvinskala. Der Temperaturkoeffizient von Heißleitern ist negativ, da ihr Widerstand mit zunehmender Temperatur abnimmt. Der Tempera tur koeffi zient von Kaltleitern ist positiv, da ihr Wider stand mit zunehmender Temperatur zunimmt. Die Widerstandsänderung bei Erwärmung ist vom Kaltwiderstand, dem Temperaturkoeffizienten und der Übertemperatur abhängig. Bei Abkühlung von Leitern nimmt ihr Widerstand ab. Bei sehr tiefen Temperaturen haben einige Stoffe keinen Widerstand mehr. Sie sind supraleitend geworden. Û Stromstärke U Spannung R Widerstand Δñ Temperaturunterschied (ñ griech. Kleinbuchstabe Theta) ñ 1 Anfangstemperatur ñ 2 Endtemperatur ΔR Widerstandsänderung (Δ griech. Großbuchstabe Delta; Zeichen für Differenz) å Temperaturkoeffizient (å griech. Kleinbuchstabe Alpha) R 1 Widerstand bei Temperatur ñ 1 R 2 Widerstand bei Temperatur ñ 2 Ü 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0 für U 1 = 6 V für U 2 = 12 V U 1 < U R Bild 1: Û als Funktion von R beim linearen Widerstand Tabelle 1: Temperaturkoeffizient å in 1/K Kupfer 3, Nickelin 0, Aluminium 3, Manganin 0, Die Werte gelten für eine Temperaturerhöhung ab 20 C. BEISPIEL 2: WIDERSTANDSÄNDERUNG BERECHNEN Welche Widerstandsänderung erfährt ein Kupferdraht mit R Ø, wenn die Temperatur sich um Δñ 100 K ändert? Lösung ΔR å R 1 Δñ 3, K Ø 100 K 39 Ø 1 Lord Kelvin, Conrad, engl. Physiker, vor Erhebung in den Adelsstand William Thomson, 1824 bis 1907