Reinhold Paul Elektrotechnik für Informatiker mit MATLAB und Multisim Teubner B. G. Teubner Stuttgart. Leipzig. Wiesbaden
Inhalt Hinweise zur Arbeit mit dem Lehrbuch. Studienmethodik... 7 1 Schaltungsvariable und Netzwerkelemente... 1.1 Physikalische Größen und Einheitensysteme... 18 1.2 Elektrische Grundgrößen und Kirchhoffsche Gesetze... 21 1.2.1 Elektrische Ladung... 21 1.2.2 Elektrisches Feld. elektrische Feldstärke. elektrische Spannung... 24 1.2.2.1 Elektrische Feldstärke. elektrische Spannung. Potential... 24 1.2.2.2 Maschensatz... 29 1.2.3 Elektrischer Strom. Stromdichte... 31 1.2.3.1 Elektrische Stromstärke. Stromdichte... 32 1.2.3.2 Knotensatz... 39 1.3 Energie. Arbeit und Leistung im Stromkreis... 42 1.3.1 Energie. Arbeit. Leistung... 42 1.3.2 Energie und Leistung am Zweipol. Wirkungsgrad... 44 Lemorientierungen zu Abschnitt 1... Wiederholungsfragen zu Abschnitt 1... 2 Einfache Stromkreise. Bau- und Netzwerkelemente... 49 2.1 Unabhängige Spannungs- und Stromquellen... 52 2.2 Widerstand. resistiver Zweipol... 55 2.2.1 Linearer Widerstand. Ohmsches Gesetz... 56 2.2.2 Nichtlineare resistive Zweipole... 62 2.3 Kondensator, kapazitiver Zweipol... 67 2.3.1 Kondensatorprinzip... 67 2.3.2 Das Netzwerkelement kapazitiver Zweipol. Zusammenschaltungen... 70 2.3.3 Nichtlinearer kapazitiver Zweipol... 78 2.4 Spule, induktiver Zweipol... 79 2.4.1 Spulenprinzip... 79 2.4.2 Das Netzwerkelement induktiver Zweipol. Zusammenschaltungen... 83 2.4.3 Spule als Bauelement... 86 2.4.4 Nichtlinearer induktiver Zweipol... 88 2.4.5 Gegeninduktion, magnetisch verkoppelte Spulen... 89 2.5 Mehrpolelemente... 92 2.5.1 Gesteuerte Quellen... 92 2.5.2 Passive Mehrpole... 100 Lernorientierungen zu Abschnitt 2... 101 Wiederholungsfragen zu Abschnitt 2... 102 15 46 47
12 Inhalt 3 Analyse elektrischer Netzwerke... 104 3.1 Zusammenspiel aktiver-passiver Zweipol. Grundstromkreis... 104 3.1.1 Reale unabhängige Quellen. Ersatzschaltungen des aktiven Zweipols... 104 3.1.2 Der Grundstromkreis... 108 3.1.3 Nichtlineare Zweipole im Grundstromkreis... 111 3.1.4 Grafische Behandlung des nichtlinearen Grundstromkreises... 113 3.1.5 Analytische und numerische Lösungsverfahren... 117 3.1.6 Grundstromkreis im Kleinsignalbetrieb... 119 3.2 Zweipoltheorie... 121 3.3 Überlagerungssatz... 123 3.4 Allgemeine Netzwerkanalyse... 124 3.4.1 Zweigstromanalyse... 127 3.4.2 Maschenstromanalyse... 128 3.4.3 Knotenspannungsanalyse... 132 Lernorientierungen zu Abschnitt 3... 138 Wiederholungsfragen zu Abschnitt 3... 139 4 Netzwerke bei harmonischer Erregung. Wechselstromschaltungen... 141 4.1 4.1.1 4.1.2 4.2 Kenngrößen harmonischer Zeitfunktionen... 141 Mittelwerte periodischer Größen... 143 Addition und Subtraktion von Sinusgrößen... 149 Sinusgrößen an Netzwerkgrundelementen... 150 4.2.1 Grundbeziehungen... 150 4.2.2 Zusammenschaltung von Grundelementen... 153 4.3 Netzwerkanalyse im Frequenzbereich, Transformation in die komplexe Ebene. 155 4.3.1 Eigenschaften komplexer Größen, Rechenoperationen... 156 4.3.2 Beziehungen zwischen Sinus- und Zeigergrößen... 158 4.3.3 Differentiation und Integration rotierender Zeiger... 161 4.3.4 Widerstandsoperator, Leitwertoperator... 161 4.3.5 4.4 Zusammenfassung: Netzwerkanalyse im Frequenzbereich, Frequenzgang... 171 Darstellung von Netzwerkeigenschaften, Netzwerke bei veränderlicher Frequenz... 178 4.4.1 Zeigerdarstellung, Zeigerbild... 178 4.4.2 Bode-Diagramm... 181 4.4.3 Ortskurven... 187 4.5 Leistung und Energie im Wechselstromkreis... 189 4.5.1 Leistungsbegriffe... 189 4.5.2 Leistungsanpassung... 194 4.6 Typische Wechselstromschaltungen... 195 4.6.1 Lineare Vierpole... 196 4.6.1.1 Vierpolgleichungen, Vierpolbeschreibungen... 197 4.6.1.2 Vierpolersatzschaltungen... 202 4.6.1.3 Vierpol in der Schaltung, Vierpolzusammenschaltungen... 203
Inhalt 13 4.6.2 Resonanzkreise... 208 4.6.3 Vierpole mit Filtereigenschaften... 212 4.6.3.1 Tiefpässe, Hochpässe... 213 4.6.3.2 Bandpassschaltungen, Bandsperrenschaltungen... 216 4.6.4 Besondere Wechselstromschaltungen... 220 4.6.5 Übertrager, Transformator... 222 4.7 Ausgleichsvorgänge... 227 4.7.1 Schaltvorgänge im Zeitbereich... 227 4.7.2 Netzwerke mit einem Energiespeicher... 231 4.7.3 Netzwerke mit einem Energiespeicher und beliebiger Erregerfunktion... 237 4.7.4 Netzwerke mit zwei Energiespeichern... 238 Lernorientierungen zu Abschnitt 4... 242 Wiederholungsfragen zu Abschnitt 4... 246 5 Netzwerke bei beliebiger Erregung. Signale und Systeme... 250 5.1 Allgemeine Netzwerkerregung, Signalbegriff... 253 5.1.1 Testsignale... 256 5.1.2 Periodische Signale, Fourierreihe... 259 5.1.3 Aperiodische Signale, Fourier-Transformation... 263 5.2 Laplace-Transformation, Ausgleichsvorgänge im Frequenzbereich... 270 5.2.1 Definition der Laplace-Transformation, Beziehung zur Fourier-Transformation... 271 5.2.2 Laplace-Transformation des Netzwerkes in den Bildbereich... 277 5.3 Übertragungseigenschaften von zeitkontinuierlichen Systemen und ihre Beschreibungen... 279 5.3.1 Zeitkontinuierliche Systeme und ihre Netzwerkdifferentialgleichung... 280 5.3.2 Beschreibung des Übertragungsverhaltens durch Antwortfunktionen... 280 5.3.3 Die Übertragungsfunktionen des Eingangs-Ausgangsverhaltens im Bildbereich... 285 5.3.4 Eigenschaften und Darstellungen der Übertragungsfunktion... 291 5.4 Zeitdiskrete Signale und Systeme... 294 5.4.1 Zeitdiskrete Signale, Abtastung... 298 5.4.2 Z-Transformation... 305 5.4.3 Fourier-Transformation zeitdiskreter Signale... 310 5.4.4 Zeitdiskrete Systeme... 319 5.4.4.1 Differenzengleichung... 319 5.4.4.2 Impuls- und Sprungantwort... 323 5.4.4.3 Übertragungsfunktion, Frequenzgang... 324 5.4.4.4 Pole, Nullstellen... 327 5.4.4.5 Z-Übertragungsfunktion, Frequenzgang... 328 5.4.4.6 Strukturen zeitdiskreter Systeme... 330 5.4.5 Digitale Simulation analoger Systeme... 331 Lernorientierungen zu Abschnitt 5... 335 Wiederholungsfragen zu Abschnitt 5... 336
14 Inhalt 6 Das elektromagnetische Feld... 338 6.1 Feldbegriff... 338 6.2 Elektrisches Feld... 340 6.2.1 Elektrisches Feld und Potential... 340 6.2.2 Elektrostatisches Feld, Feld im Nichtleiter... 342 6.2.2.1 Elektrische Feldstärke, Verschiebungsflussdichte im elektrostatischen Feld... 343 6.2.2.2 Kondensator C... 346 6.2.2.3 Kraftwirkung und Energie des elektrostatischen Feldes... 347 6.2.3 Elektrisches Feld im Leiter, Strömungsfeld... 349 6.2.3.1 Elektrische Feldstärke, Stromdichte... 349 6.2.3.2 Widerstand R... 349 6.2.3.3 Leitungsmechanismen im Festkörper... 350 6.2.3.4 Leitungsmechanismen im Vakuum und in Gasen... 353 6.2.3.5 Leitungsmechanismen in Flüssigkeiten und Elektrolyten... 356 6.2.3.6 Energieumsatz im Strömungsfeld... 357 6.3 Magnetisches Feld, Verknüpfung zwischen elektrischem und magnetischem Feld... 357 6.3.1 Feldgrößen des Magnetfeldes, Durchflutungsgesetz... 359 6.3.2 Materie im Magnetfeld... 365 6.3.3 Integralgrößen des magnetischen Feldes, magnetischer Kreis... 367 6.3.4 Spule, Induktivität L... 372 6.3.5 Induktionsgesetz. Verkopplung magnetischer und elektrischer Größen... 372 6.3.6 Kraftwirkung und Energie des Magnetfeldes... 375 6.3.7 Magnetische Energie... 378 6.4 Elektromagnetische Felder und Wellen... 379 6.4.1 Maxwellsche Gleichungen... 379 6.4.2 Einteilung elektromagnetischer Felder... 386 6.4.3 Elektromagnetische Wellen... 385 Lernorientierungen zu Abschnitt 6... 388 Wiederholungsfragen zu Abschnitt 6... 390 Anhang A Übungsaufgaben und Lösungen A 1 Übungsaufgaben... 393 A 2 Lösungen... 402 Anhang B Computerbeispiele Übersicht der Multisim- und MATLAB-Beispiele... 413 B 1 Beispiele unter Verwendung von Multisim 2001/Electronics Workbench... 415 B 2 Beispiele unter Verwendung von MATLAB... 502 Literaturverzeichnis... 582 Sachverzeichnis... 584