5 Inhaltsverzeichnis 1 Wechselstromkreis n 1.1 Sinusförmige Spannungen und Ströme 11 1.1.1 Magnetfeldgrößen 11 1.1.2 Erzeugung sinusförmiger Spannungen 16 Aufgaben zu 1.1.1 und 1.1.2 21 1.1.3 Darstellungsmöglichkeiten und Kenngrößen 22 Aufgaben zu 1.1.3 26 1.1.4 Effektivwerte 27 Aufgaben zu 1.1.4 28 1.2 Spule an Wechselspannung 29 1.2.1 Induktivität der Spule 29 Aufgaben zu 1.2.1 32 1.2.2 Widerstand der Spule 32 1.2.3 Leistungen bei Spulen 36 Aufgaben zu 1.2.2 und 1.2.3 38 1.3 Schaltungen mit Spulen und Wirkwiderständen 38 1.3.1 Reihenschaltung 38 Aufgaben zu 1.3.1 42 1.3.2 Parallelschaltung 42 1.3.3 Verluste bei der Spule 44 Aufgaben zu 1.3.2 und 1.3.3 45 1.4 Kondensatoren 45 1.4.1 Kapazität des Kondensators 46 Aufgaben zu 1.4.1 51 1.4.2 Kenngrößen und Bauformen von Kondensatoren 52 1.4.3 Strom- und Spannungsverlauf beim Kondensator 54 Aufgaben zu 1.4.2 und 1.4.3 57 1.4.4 Widerstand des Kondensators 57 1.4.5 Leistung beim Kondensator 59 Aufgaben zu 1.4.5 60 1.5 Schaltungen mit Kondensatoren und Wirkwiderständen 60 1.5.1 Reihenschaltung 60 1.5.2 Parallelschaltung 61 1.5.3 Verluste des Kondensators 62 Aufgaben zu 1.5 62 1.6 Schaltungen mit Spulen, Kondensatoren und Wirkwiderständen 63 1.6.1 Reihenschaltung 63 1.6.2 Parallelschaltung 65 1.6.3 Kompensation 67 Aufgaben zu 1.6.1 bis 1.6.3 69 1.6.4 Schwingkreis 70 1.6.5 Messung von Induktivitäten und Kapazitäten 73 Aufgaben zu 1.6.4 74 2 Dreiphasenwechselstrom (Drehstrom) 75 2.1 Erzeugung phasenverschobener Spannungen 75 2.2 Belastetes Drehstromnetz 78 2.2.1 Sternschaltung 78 2.2.2 Dreieckschaltung 79 2.2.3 Vergleich zwischen Stern- und Dreieckschaltung 80 2.2.4 Unsymmetrische Belastung 81 Aufgaben zu 2 81 3 Transformatoren 83 3.1 Einphasentransformatoren 83 3.1.1 Aufbau und Wirkungsweise 83 3.1.2 Übersetzungsverhältnis der Spannungen 84 3.1.3 Übersetzungsverhältnis der Ströme. 85 Aufgaben zu 3.1 86 3.2 Transformatoren bei verschiedenen Belastungen 86 3.2.1 Leerlauf 86 3.2.2 Kurzschluß 87 3.2.3 Belastung mit Wirk- und Blindwiderständen 90 Aufgaben zu 3.2 91 3.3 Kleintransformatoren 91 3.3.1 Aufbau, Kerne, Wicklungen 91 3.3.2 Verhalten bei Kurzschluß 94 3.3.3 Besondere Kleintransformatoren... 94 3.3.3.1 Sicherheits- oder Schutztransformatoren 94 3.3.3.2 Netzanschlußtransformatoren 95 Aufgaben zu 3.3 95 http://d-nb.info/890240167
6 3.4 Streufeldtransformatoren 95 3.5 Spartransformatoren 96 Aufgaben zu 3.4 und 3.5 97 3.6 Meßwandler 97 3.6.1 Spannungswandler 97 3.6.2 Stromwandler 98 Aufgaben zu 3.6 99 3.7 Drehstromtransformatoren 99 3.7.1 Aufbau, Schaltgruppen, Wicklungen. 100 3.7.2 Kühlung und Schutzeinrichtung 103 3.7.3 Parallelschaltung von Transformatoren 104 3.7.4 Wirkungsgrad von Transformatoren. 104 3.7.5 Leistungsschild von Transformatoren 105 Aufgaben zu 3.7 105 4 Umlaufende elektrische Maschinen 107 4.1 Elektrotechnische Grundlagen 107 4.1.1 Kräfte im Magnetfeld 107 4.1.2 Induktion der Bewegung 110 4.1.3 Wirbelströme 112 Aufgaben zu 4.1 112 4.2 Mechanische Grundlagen 113 4.2.1 Drehzahlmessung 113 4.2.2 Messung des Drehmomentes 113 4.2.3 Zusammenhang zwischen Drehzahl, Drehmoment und Leistung 116 Aufgaben zu 4.2 117 4.3 Asynchronmotoren 117 4.3.1 Wirkungsweise von Drehstrom- Asynchronmotoren 117 4.3.1.1 Drehfeld des Drehstrom- Asynchronmotors 118 4.3.1.2 Entstehung des Drehmomentes in Drehstrom-Asynchronmotoren 120 Aufgaben zu 4.3.1 123 4.3.2 Drehstrom-Asynchronmotor mit Käfigläufer 123 4.3.2.1 Technischer Aufbau eines Käfigläufermotors 123 4.3.2.2 Betriebsverhalten des Käfigläufermotors 124 4.3.2.3 Käfigläufermotoren mit Stromverdrängungsläufer 125 Aufgaben zu 4.3.2.1 bis 4.3.2.3 127 4.3.2.4 Anlaßverfahren bei Käfigläufermotoren 127 Aufgaben zu 4.3.2.4 130 4.3.3 Drehstrom-Asynchronmotor mit Schleifringläufer 130 4.3.3.1 Aufbau des Schleifringläufermotors.. 130 4.3.3.2 Betriebsverhalten des Schleifringläufermotors 131 Aufgaben zu 4.3.3 133 4.3.4 Drehzahländerung bei Drehstrom- Asynchronmotoren 133 4.3.4.1 Polumschaltung 133 4.3.4.2 Drehzahlsteuerung über die Frequenz 134 4.3.4.3 Schlupfsteuerung bei Schleifringläufermotoren 135 4.3.4.4 Drehzahlsteuerung durch Spannungssteuerung 135 Aufgaben zu 4.3.4 135 4.3.5 Wechselstrom-Asynchronmotoren... 136 4.3.5.1 Wirkungsweise von Wechselstrom- Asynchronmotoren 136 4.3.5.2 Wechselstrommotor ohne Hilfsphase 138 4.3.5.3 Wechselstrommotor mit Hilfsphase.. 138 Aufgaben zu 4.3.5.1 bis 4.3.5.3 140 4.3.5.4 Drehstrom-Asynchronmotoren an einphasiger Wechselspannung (Steinmetzschaltung) 140 4.3.5.5 Spaltpolmotor 140 4.3.6 Linearmotor 141 Aufgaben zu 4.3.5.4 bis 4.3.6 143 4.4 Synchronmaschinen 143 4.4.1 Synchrongenerator 143 4.4.2 Technische Ausführungen von Synchrongeneratoren 147 Aufgaben zu 4.4.1 und 4.4.2 150 4.4.3 Synchronmotoren 150 Aufgaben zu 4.4.3 153 4.5 Stromwendermasch inen 154 4.5.1 Gleichstromgeneratoren 154 4.5.1.1 Wi rku ngsweise von Gleichstromgeneratoren 154 Aufgaben zu 4.5.1.1 158 4.5.1.2 Betriebsverhalten und Schaltungen.. 158 Aufgaben zu 4.5.1.2 162 4.5.2 Gleichstrommotoren 162 4.5.2.1 Wirkungsweise von Gleichstrommotoren 162 Aufgaben zu 4.5.2.1 164 4.5.2.2 Schaltungen - Betriebsverhalten... 165 Aufgaben zu 4.5.2.2 169 4.5.3 Wechselstrom-Kollektormaschinen.. 169 4.5.4 Drehstrom-Stromwendermaschinen. 173 Aufgaben zu 4.5.3 und 4.5.4 174 4.6 Bremsen von Elektromotoren 174 Aufgaben zu 4.6 175
7 4.7 Maschinensätze 175 4.7.1 Motorgenerator 175 4.7.2 Asynchrone Frequenzumformer 176 Aufgaben zu 4.7 177 4.8 Elektromotorische Antriebe 177 4.8.1 Zusammenhang zwischen Abmessungen, Gewicht, Leistung, Drehmoment und Drehzahl von elektrischen Maschinen 177 4.8.2 Normung und Typisierung 177 4.8.3 Bauformen 178 4.8.4 Schutzarten 178 4.8.5 Betriebsarten 180 Aufgaben zu 4.8.1 bis 4.8.5 182 4.8.6 Kühlung 182 4.8.7 Isolation 183 4.8.8 Motorschutz 183 4.8.9 Übertragung der Motorleistung 184 4.8.10 Auswahl der Maschinen 186 4.9 Wartung der Maschinen 186 Aufgaben zu 4.8.6 bis 4.9 186 5 Schutzmaßnahmen 187 5.1 Übersicht über die Gefahren des elektrischen Stromes 187 5.2 VDE-Bestimmungen 188 5.3 Begriffe und Definitionen zu den Schutzmaßnahmen 188 Aufgaben zu 5.1 bis 5.3 190 5.4 Schutzmaßnahmen - Schutz gegen gefährliche Körperströme 190 5.4.1 Schutzmaßnahmen ohne besonderen Schutzleiter 191 5.4.1.1 Schutzisolierung 191 5.4.1.2 Schutz durch nichtleitende Räume... 191 5.4.1.3 Schutzkleinspannung 192 5.4.1.4 Funktionskleinspannung 193 5.4.1.5 Schutztrennung 194 Aufgaben zu 5.4.1 194 5.4.2 Schutzmaßnahmen mit besonderem Schutzleiter 195 5.4.2.1 Schutzmaßnahmen im TN-Netz... 195 5.4.2.2 Schutzmaßnahmen im TT-Netz 200 5.4.2.3 Schutzmaßnahmen im IT-Netz 200 5.4.2.4 Schutz durch Fehlerstrom- Schutzeinrichtung 201 5.4.2.5 Schutz durch Fehlerspannungs- Schutzeinrichtung 204 Aufgaben zu 5.4.2 205 5.5 Prüfung der Schutzmaßnahmen 205 5.5.1 Messung des Isolationswiderstandes 205 5.5.2 Messung des Erdungswiderstandes. 207 5.5.3 Messung der Schleifenimpedanz 208 5.5.4 Prüfung der Schutzeinrichtungen 209 Aufgaben zu 5.5 209 6 Elektrische Anlagen 211 6.1 Elektrizitätsversorgung über das Hoch- und Mittelspannungsnetz 211 Aufgaben zu 6.1 214 6.2 Niederspannungsnetz 215 6.2.1 Netzstationen 215 6.2.2 Netzarten 215 6.2.3 Netzaufbau und Energieübertragung 217 6.2.4 Hausanschluß 220 6.2.5 Stromkreise in Verbraucheranlagen 222 Aufgaben zu 6.2 223 6.3 Schalt- und Verteileranlagen 224 6.3.1 Trenn-und Lastschalter 224 6.3.2 Leistungsschalter 225 6.3.3 Leitungsschutzeinrichtungen 226 6.3.4 Geräteschutzeinrichtungen 227 Aufgaben zu 6.3.1 bis 6.3.4 227 6.3.5 Messung elektrischer Größen in elektrischen Anlagen 228 6.3.6 Betriebsstätten und Anlagen besonderer Art 232 6.3.7 Energieverluste in elektrischen Anlagen 233 6.3.8 Kompensationseinrichtungen in Verbraucheranlagen 234 Aufgaben zu 6.3.5 bis 6.3.8 236 6.4 Hausleittechnik 236 6.5 Licht- und Beleuchtungstechnik 238 6.5.1 Lichttechnische Begriffe, Größen und Einheiten 238 Aufgaben zu 6.5.1 242 6.5.2 Anforderungen an eine gute Beleuchtung 242 Aufgaben zu 6.5.2 244 6.5.3 Lichtquellen 245 Aufgaben zu 6.5.3 247 6.5.4 Leuchten 248 6.5.5 Planung und Berechnung einer einfachen Beleuchtungsanlage 248 Aufgaben zu 6.5.4 und 6.5.5 250 6.5.6 Sicherheitsbeleuchtung 250 Aufgaben zu 6.5.6 250
8 6.6 Haustechnik 251 6.6.1 Nahrungszubereitung 251 6.6.2 Kühlen und Gefrieren 252 6.6.3 Waschen, Spülen und Raumpflege.. 254 6.6.4 Warmwasserversorgung 255 6.6.5 Raumheizung, Lüftung und Klimatisierung 256 6.6.6 Funkentstörung 259 6.6.7 Reparatur elektrischer Geräte 260 6.6.8 Blitzschutz 261 Aufgaben zu 6.6.6 bis 6.6.8 263 6.6.9 Kommunikationstechnik 264 6.6.9.1 Antennenanlagen für den terrestrischen Rundfunkempfang 264 6.6.9.2 Satelliten-Rundfunkempfang 268 6.6.9.3 Breitband-Kommunikationsnetze 270 Aufgaben zu 6.6.9 271 7 Leistungselektronik 273 7.1 Gleichrichterschaltungen 273 7.1.1 Grundsätzlicher Aufbau 273 7.1.2 Einwegschaltungen 274 7.1.3 Zweiwegschaltungen 277 7.1.4 Glättungs- und Siebschaltungen 279 7.1.5 Auswahlgesichtspunkte für Gleichrichterdioden 280 7.1.6 Schutzbeschaltung der Gleichrichterdioden 280 Aufgaben zu 7.1 281 7.2 Transistoren 282 7.2.1 Bipolare Transistoren 282 7.2.1.1 Aufbau des bipolaren Transistors... 282 7.2.1.2 Wirkungsweise und Kennlinien des bipolaren Transistors 282 7.2.1.3 Erzeugung der Basisvorspannung und Festlegung der Arbeitspunkte... 286 7.2.1.4 Bipolarer Transistor als Schalter 288 Aufgaben zu 7.2.1.1 bis 7.2.1.4 288 7.2.1.5 Bipolarer Transistor als Verstärker.. 288 7.2.1.6 Wechselspannungsverstärker 290 7.2.1.7 Gleichspannungsverstärker 292 7.2.1.8 Differenzverstärker 292 7.2.1.9 Transistor-Grundschaltungen 294 7.2.1.10 Gegenkopplung 296 Aufgaben zu 7.2.1.5 bis 7.2.1.10 298 7.2.2 Feldeffekttransistoren (Unipolare Transistoren) 298 7.2.2.1 Sperrsch icht-feldeffekttransistoren (J-FET, PN-FET) 298 7.2.2.2 Isolierschicht-Feldeffekttransistor (IG-FET) 301 Aufgaben zu 7.2.2 305 7.2.3 Leistungstransistoren 305 Aufgaben zu 7.2.3 309 7.3 Magnetfeldabhängige und optoelektronische Bauelemente 309 7.4 Integrierte Schaltungen 312 Aufgaben zu 7.3 und 7.4 313 7.5 Stabilisierungsschaltungen 314 7.5.1 Spannungsstabilisierung mit Z-Diode 314 7.5.2 Spannungsstabilisierung mit Längstransistor 315 Aufgaben zu 7.5 317 7.6 Thyristoren 318 7.6.1 Thyristordiode und Diac 318 7.6.2 Thyristordiode 320 7.6.3 Zündgeneratoren 323 7.6.4 Schutz von Thyristoren 324 Aufgaben zu 7.6 325 7.7 Thyristor im Gleichstromkreis 325 7.8 Thyristor im Wechselstromkreis 327 7.9 Wechselstromumrichter 332 7.10 Netzgeräte 334 7.11 Stromrichterantriebe 335 7.12 Bezeichnungsschema für Halbleiterbauelemente 337 Aufgaben zu 7.7 bis 7.12 337 8 Digitaltechnik 339 8.1 Digitale Grundschaltungen 339 8.2 Schaltungsalgebra 341 8.2.1 Grundregeln der Schaltungsalgebra. 341 8.2.2 Analyse von Schaltwerken 342 8.2.3 Synthese von Schaltwerken 343 8.2.4 Vereinfachung von Schaltwerken 343 Aufgaben zu 8.1 und 8.2 344 8.3 Kippstufen 345 8.3.1 Bistabile Kippstufe (Flipflop) 345 8.3.2 Monostabile Kippstufen (Monoflop).. 348 8.3.3 Astabile Kippstufe 349 8.3.4 Schmitt-Trigger 350 Aufgaben zu 8.3 351 8.4 Codewandler 351 8.4.1 Codes 351 8.4.2 Codierer 352
9 8.5 Schaltungen mit Flipflops 354 8.5.1 Teilerschaltungen 354 8.5.2 Zählerschaltungen 355 8.5.3 Schieberegister 357 8.6 Signalumwandlung 360 8.6.1 Analog-Digital-Wandler 360 8.6.2 Digital-Analog-Wandler 361 Aufgaben zu 8.4 bis 8.6 361 9 Automatisierungstechnik 363 9.1 Aufgaben und Grundbegriffe automatisierter Prozesse 363 9.2 Unterschied zwischen Steuern und Regeln 364 Aufgaben zu 9.1 und 9.2 366 9.3 Steuerungstechnik 366 9.3.1 Übersicht über Steuerungen 366 Aufgaben zu 9.3.1 370 9.3.2 Sensoren in der Steuerungstechnik.. 370 9.3.2.1 Übersicht über Entwicklungstendenzen 370 9.3.2.2 Temperatursensoren 371 9.3.2.3 Druck- und Kraftsensoren 373 Aufgaben zu 9.3.2.1 bis 9.3.2.3 375 9.3.2.4 Durchfluß- und Geschwindigkeitssensoren 376 9.3.2.5 Positionssensoren 376 9.3.2.6 Füllstandssensoren 377 9.3.2.7 Feuchtigkeitssensoren 378 9.3.2.8 Gassensoren 379 Aufgaben zu 9.3.2.4 bis 9.3.2.8 379 9.3.3 Stellglieder 380 9.3.4 Steuerbare Geräte 382 9.3.5 Beispiele verbindungsprogrammierter Steuerungen 382 Aufgaben zu 9.3.3 bis 9.3.5 383 9.4 Speicherprogrammierte Steuerungen 384 9.4.1 Aufbau eines Mikrocomputers 384 9.4.2 Aufbau und Adressierung von Speichern 386 9.4.3 Halbleiterspeicher 387 9.4.4 Wirkungsweise des Mikrocomputers 388 9.4.5 Programmierung des Mikrocomputers 390 9.4.6 Aufbau und Funktion von Schnittstellen 393 9.4.7 Vernetzungen von Automatisierungsgeräten 395 9.5 Aufbau von speicherprogrammierten Steuerungen 397 9.5.1 Programmieren von speicherprogrammierten Steuerungen 398 9.5.2 Erstellen von Programmen 399 9.5.3 Sicherheitstechnische Betrachtungen 402 9.5.4 Beispiele für speicherprogrammierte Steuerungen 403 Aufgaben zu 9.4 und 9.5 407 9.6 Regelungstechnik 408 9.6.1 Regelkreis 408 9.6.2 Regelstrecken 409 Aufgaben zu 9.6.1 und 9.6.2 412 9.6.3 Benennungsweise von Reglern 412 9.6.4 Analoge Regler 412 9.6.4.1 Stetige Regler 412 9.6.4.2 Unstetige Regler 415 9.6.5 Schaltzeichen und Blockschaltbilder der Regelungstechnik 417 Aufgaben zu 9.6.3 bis 9.6.5 418 9.6.6 Digitale Regler 418 9.6.6.1 Grundsätzliche Arbeitsweise und Einteilung 418 9.6.6.2 Beispiele digitaler Regler 419 Aufgaben zu 9.6.6 420