Inhaltsverzeichnis | 7 |
1 Grundbegriffe | 12 |
1.1 Elektrische Ladung | 12 |
1.1.1 Mit Bernstein fing alles an | 12 |
1.1.2 Ausgleich und Trennung von Ladungen | 12 |
1.1.3 Leiter und Nichtleiter | 13 |
1.1.4 Elektrische Spannung | 14 |
1.2 Elektrischer Strom | 15 |
1.2.1 Stromstärke | 15 |
1.2.2 Stromkreis | 16 |
1.2.3 Richtungssinn und Bezugssinn | 16 |
1.3 Leistung und Energie | 17 |
1.3.1 Erzeuger und Verbraucher | 17 |
1.3.2 Der Begriff Eintor | 18 |
1.3.3 Wirkungsgrad | 19 |
1.3.4 Elektrowärme | 20 |
1.4 Elektrischer Widerstand | 20 |
1.4.1 Der Begriff Widerstand | 20 |
1.4.2 Das Ohmsche Gesetz | 21 |
1.4.3 Linearer Leiter | 21 |
1.4.4 Widerstand von Isolierstoffen | 22 |
1.4.5 Nichtlinearer Widerstand | 22 |
1.4.6 Temperaturabhängigkeit | 23 |
1.4.7 Supraleitung | 24 |
1.5 Quellen | 24 |
1.5.1 Leerlauf und Kurzschluss | 24 |
1.5.2 Ideale Quellen | 25 |
1.5.3 Lineare Quellen | 25 |
2 Gleichstrom-Schaltungen | 27 |
2.1 Bestimmung des Arbeitspunktes | 27 |
2.2 Knotensatz | 27 |
2.2.1 Der Begriff Knoten | 27 |
2.2.2 Knotengleichung | 28 |
2.2.3 Parallelschaltung von Widerständen | 29 |
2.3 Maschensatz | 30 |
2.3.1 Maschengleichung | 30 |
2.3.2 Potenzial | 31 |
2.3.3 Reihenschaltung von Widerständen | 32 |
2.4 Ersatzschaltungen | 33 |
2.4.1 Ersatzwiderstand | 33 |
2.4.2 Ersatzquelle | 33 |
2.5 Überlagerungssatz | 35 |
2.6 Knotenpotenzialverfahren | 36 |
3 Zeitabhängige Größen | 38 |
3.1 Periodische Größen | 38 |
3.1.1 Periodendauer und Frequenz | 38 |
3.1.2 Gleichwert und Gleichrichtwert | 38 |
3.1.3 Wirkleistung und Effektivwert | 39 |
3.2 Sinusgrößen | 40 |
3.2.1 Kreisfrequenz und Phasenwinkel | 40 |
3.2.2 Kenngrößen | 41 |
3.2.3 Zeigerdarstellung | 41 |
3.2.4 Komplexe Symbole | 42 |
4 Elektrisches Feld | 43 |
4.1 Feldlinien und Äquipotenzialflächen | 43 |
4.2 Kondensatoren | 44 |
4.3 Flussdichte und Feldstärke | 44 |
4.4 Energie des geladenen Kondensators | 46 |
4.5 Kondensator an Sinusspannung | 46 |
4.6 Polarisationsverluste | 47 |
4.7 Schaltvorgang in einer Schaltung mit einem Kondensator | 48 |
5 Magnetisches Feld | 49 |
5.1 Feldlinien von Magneten | 49 |
5.2 Magnetische Flussdichte | 50 |
5.3 Durchflutungsgesetz | 51 |
5.4 Spulen | 52 |
5.5 Materie im Magnetfeld | 53 |
5.6 Magnetische Werkstoffe | 55 |
5.7 Magnetische Kreise | 57 |
5.8 Induktion | 59 |
5.8.1 Induktionsgesetz | 59 |
5.8.2 Induktion bei Drehbewegung | 61 |
5.8.3 Induktion bei ruhender Spule | 61 |
5.9 Energie des magnetischen Feldes | 63 |
5.9.1 Energie einer Spule | 63 |
5.9.2 Ein- und Ausschalten einer Spule | 64 |
5.10 Verluste im magnetischen Feld | 65 |
5.10.1 Wirbelstromverluste | 65 |
5.10.2 Hystereseverluste | 66 |
5.10.3 Eisenverluste | 67 |
5.11 Kräfte im Magnetfeld | 67 |
5.11.1 Zugkraft eines Magneten | 67 |
5.11.2 Elektromagnete | 67 |
5.11.3 Lorentz-Kraft und Hall-Effekt | 69 |
6 Wechselstrom-Schaltungen | 70 |
6.1 Grundeintore | 70 |
6.2 Widerstand und Leitwert | 71 |
6.3 Leistung und Arbeit | 72 |
6.3.1 Wirk- und Blindleistung | 72 |
6.3.2 Leistungsschwingung | 73 |
6.3.3 Leistungsfaktor | 74 |
6.3.4 Wirk- und Blindarbeit | 74 |
6.3.5 Leistungsberechnung | 75 |
6.4 Verbindung von Grundeintoren | 76 |
6.4.1 Reihenschaltung | 76 |
6.4.2 Reihenresonanz | 77 |
6.4.3 Parallelschaltung | 78 |
6.4.4 Parallelresonanz | 78 |
6.5 Wechselstromnetze | 79 |
6.5.1 Knoten- und Maschensatz | 79 |
6.5.2 Ersatzwiderstand | 80 |
6.5.3 Resonanz | 80 |
6.5.4 Ortskurve | 80 |
6.6 Drehstrom | 81 |
6.6.1 Ströme und Spannungen | 81 |
6.6.2 Symmetrische Belastung | 83 |
6.6.3 Unsymmetrische Belastung | 86 |
7 Bauelemente | 87 |
7.1 Widerstände | 87 |
7.1.1 Konstante Widerstände | 87 |
7.1.2 Einstellbare Widerstände | 87 |
7.1.3 Temperaturabhängige Widerstände | 88 |
7.1.4 Spannungsabhängige Widerstände | 89 |
7.2 Kondensatoren | 89 |
7.2.1 Wickelkondensator | 89 |
7.2.2 Spannungsabhängigkeit | 90 |
7.3 Thermoelektrische Bauelemente | 91 |
7.4 Dioden | 92 |
7.4.1 Eigenschaften einer Halbleiterdiode | 92 |
7.4.2 Das Halbleiter-Grundmaterial Silizium | 93 |
7.4.3 Dotierung | 94 |
7.4.4 pn-Übergang | 94 |
7.4.5 pn-Diode | 95 |
7.4.6 Schottky-Diode | 95 |
7.4.7 Z-Diode | 96 |
7.4.8 Solarzelle | 96 |
7.4.9 Lumineszenzdiode | 97 |
7.5 Transistoren | 99 |
7.5.1 Feldeffekttransistor | 99 |
7.5.2 Bipolartransistor | 101 |
8 Rechnergestu?tzte Simulation | 102 |
8.1 Netzwerkanalyse | 102 |
8.2 Start mit Schematics | 102 |
8.3 Gleichanalyse | 103 |
8.4 Variation von Bauelement-Werten | 103 |
8.5 Transientanalyse | 104 |
8.6 Sinusanalyse | 105 |
8.7 Großsignalanalyse | 105 |
9 Analoge Schaltungen | 106 |
9.1 Stabilisierungsschaltungen | 106 |
9.2 Transistorschaltungen | 107 |
9.3 Operationsverstärker | 108 |
9.4 Ru?ckkopplungs-Schaltungen | 110 |
9.4.1 Der Begriff Ru?ckkopplung | 110 |
9.4.2 Der invertierende Verstärker | 110 |
9.4.3 Der nicht invertierende Verstärker | 111 |
9.4.4 Summierer | 112 |
9.4.5 Integrierer | 112 |
9.5 Filter | 113 |
9.5.1 Grenzfrequenz | 113 |
9.5.2 Tiefpass | 113 |
9.5.3 Hochpass | 114 |
9.5.4 Bandpass | 115 |
10 Digitale Schaltungen | 116 |
10.1 Gatter | 116 |
10.1.1 Vorteile der Digitaltechnik | 116 |
10.1.2 Binärziffer | 116 |
10.1.3 Der Begriff Redundanz | 116 |
10.1.4 Logische Verknu?pfungen | 116 |
10.1.5 CMOS-Inverter | 117 |
10.1.6 Realisierung der Grundgatter | 118 |
10.1.7 Schaltalgebra | 118 |
10.1.8 Entwurf logischer Schaltungen | 120 |
10.2 Schaltwerke | 121 |
10.2.1 Der Begriff Schaltwerk | 121 |
10.2.2 RS-Flipflops | 121 |
10.2.3 Master-Slave-Flipflops | 123 |
10.2.4 JK-Flipflops | 123 |
10.3 Kippschaltungen | 124 |
10.3.1 Komparatoren | 124 |
10.3.2 Monostabile Kippschaltungen | 125 |
10.3.3 Digitale Oszillatoren | 126 |
10.4 Frequenzteiler und Zähler | 127 |
10.4.1 Frequenzteiler | 127 |
10.4.2 Zähler | 128 |
10.5 Rechenoperationen mit Dualzahlen | 129 |
10.5.1 Addition | 129 |
10.5.2 Subtraktion | 130 |
10.6 Verarbeitung von Bitmustern | 130 |
10.6.1 D-Flipflop | 130 |
10.6.2 Register | 130 |
10.6.3 Datenu?bertragung | 131 |
10.6.4 Speicher | 132 |
10.6.5 Codierschaltungen | 133 |
10.7 Integrierte Schaltungen | 134 |
10.7.1 Logikfamilien | 134 |
10.7.2 TTL-Technik | 135 |
10.7.3 Aufbau integrierter Schaltungen | 135 |
10.7.4 CMOS-Technik | 136 |
10.7.5 Programmierbare Logik-Bauelemente | 136 |
11 Elektrochemie | 138 |
11.1 Elektrischer Strom in Flu?ssigkeiten | 138 |
11.1.1 Chemische Wirkung des Stromes | 138 |
11.1.2 Dissoziation | 138 |
11.2 Faradaysche Gesetze | 139 |
11.3 Elektrochemische Spannungsreihe | 140 |
11.4 Batterien | 141 |
11.5 Akkumulatoren | 143 |
11.5.1 Bleiakkumulator | 143 |
11.5.2 Nickel-Cadmium-Akkumulator | 144 |
11.5.3 Nickel-Metallhydrid-Akkumulator | 144 |
11.5.4 Lithium-Ionen-Akkumulator | 145 |
11.6 Brennstoffzellen | 145 |
11.7 Elektrolytische Korrosion | 146 |
12 Elektrische Maschinen | 147 |
12.1 Transformator | 147 |
12.1.1 Idealisierter Transformator | 147 |
12.1.2 Realer Transformator | 148 |
12.1.3 Leerlauf und Kurzschluss | 149 |
12.1.4 Spannungsänderung | 151 |
12.1.5 Wirkungsgrad | 152 |
12.1.6 Drehstrom-Transformatoren | 153 |
12.1.7 Parallelbetrieb | 154 |
12.1.8 Mechanischer Aufbau | 155 |
12.1.9 Sonderbauarten | 157 |
12.2 Rotierende elektrische Maschinen | 161 |
12.2.1 Aufbau und Erregung | 161 |
12.2.2 Drehfelddrehzahl | 162 |
12.2.3 Leistung | 163 |
12.2.4 Drehmoment und Drehzahl | 163 |
12.3 Gleichstrommaschine | 164 |
12.3.1 Aufbau und Funktionsweise | 164 |
12.3.2 Energiefluss und Leistungsbilanz | 167 |
12.3.3 Ankerru?ckwirkung | 168 |
12.3.4 Verbesserung der Kommutierung | 169 |
12.3.5 Kompensationswicklung | 170 |
12.3.6 Wicklungsarten | 170 |
12.3.7 Gleichstrommotoren | 170 |
12.3.8 Einschalten und Anlassen | 173 |
12.3.9 Drehrichtungswechsel | 174 |
12.3.10 Bremsbetrieb | 174 |
12.4 Drehstrom-Asynchronmaschine | 175 |
12.4.1 Prinzipielle Funktionsweise | 175 |
12.4.2 Ersatzschaltung | 175 |
12.4.3 Energiefluss und Leistungsbilanz | 176 |
12.4.4 Drehmoment | 177 |
12.4.5 Stromortskurven | 178 |
12.4.6 Kennlinien | 180 |
12.4.7 Leerlauf- und Kurzschluss | 181 |
12.4.8 Käfigläufer-Motor | 184 |
12.4.9 Schleifringläufer-Motor | 188 |
12.4.10 Weitere Betriebsarten | 190 |
12.5 Einphasen-Asynchronmotor | 192 |
12.6 Synchronmaschine | 194 |
12.6.1 Aufbau und Anwendungsgebiete | 194 |
12.6.2 Vollpolgenerator im Inselbetrieb | 196 |
12.6.3 Vollpolmaschine im Netzbetrieb | 198 |
12.6.4 Schenkelpolmaschine | 200 |
12.6.5 Pendelungen der Synchronmaschine | 201 |
12.6.6 Synchronisierung | 202 |
12.7 Linearmotoren | 202 |
12.7.1 Asynchron-Linearmotor | 203 |
12.7.2 Synchron-Linearmotor | 203 |
12.8 Kleinmotoren | 205 |
12.8.1 Universalmotor | 205 |
12.8.2 Permanentmagnet-Motor | 206 |
12.8.3 Elektronikmotor | 207 |
12.8.4 Spaltpolmotor | 208 |
12.8.5 Wechselstrom-Synchronmotor | 208 |
12.8.6 Schrittmotor | 209 |
12.9 Erwärmung und Ku?hlung | 211 |
12.9.1 Übertemperatur | 211 |
12.9.2 Motorschutz | 213 |
12.10 Motorparameter | 214 |
12.10.1 Bauform | 214 |
12.10.2 Schutzart | 214 |
12.10.3 Explosionsschutz | 215 |
12.10.4 Leistungsschild | 215 |
13 Elektrische Antriebe | 216 |
13.1 Stationärer Betrieb | 216 |
13.2 Betriebsarten | 217 |
13.3 Trägheitsmoment | 219 |
13.4 Dynamischer Betrieb | 220 |
13.5 Anlauf | 220 |
13.6 Statische Stabilität | 222 |
13.7 Direktantriebe | 222 |
14 Elektrische Messtechnik | 224 |
14.1 Grundbegriffe des Messens | 224 |
14.2 Elektromechanische Messgeräte | 226 |
14.2.1 Drehspulmessgerät | 226 |
14.2.2 Dreheisenmessgerät | 227 |
14.2.3 Elektrodynamisches Messgerät | 228 |
14.2.4 Induktionsmesswerk | 228 |
14.3 Oszilloskop | 229 |
14.3.1 Elektronenstrahlröhre | 229 |
14.3.2 Der x-y-Betrieb | 230 |
14.3.3 Zeitablenkung | 230 |
14.3.4 Mehrkanal-Funktion | 231 |
14.3.5 Ankopplung des Eingangs | 231 |
14.3.6 Abschwächer | 231 |
14.3.7 Tastteiler | 232 |
14.4 Digitale Messgeräte | 233 |
14.4.1 Genauigkeit und Auflösung | 233 |
14.4.2 Analog-Digital-Wandler | 233 |
14.4.3 Digital-Multimeter | 236 |
14.4.4 Digitale Speicher-Oszilloskope | 237 |
14.4.5 Digital-Analog-Wandler | 238 |
14.4.6 Elektrizitätszähler | 238 |
14.4.7 IEC-Bus | 239 |
14.5 Messbru?cken | 241 |
14.6 Sensoren | 242 |
14.6.1 Längensensoren | 242 |
14.6.2 Winkelsensoren | 243 |
14.6.3 Kraftsensoren | 244 |
14.6.4 Temperatursensoren | 245 |
14.7 Messung von Spannung und Strom | 245 |
14.7.1 Widerstand des Messwerks | 245 |
14.7.2 Messung der Ersatzgrößen | 246 |
14.7.3 Strommesszange | 246 |
14.7.4 Nicht sinusförmige Spannungen | 246 |
14.8 Leistungs- und Energiemessung | 248 |
14.8.1 Leistungsmessung im Gleichstromnetz | 248 |
14.8.2 Leistungsmessung im Wechselstromnetz | 248 |
14.8.3 Leistungsmessung im Drehstromnetz | 249 |
14.8.4 Energiemessung im Drehstromnetz | 250 |
14.9 Messung von C und L | 251 |
14.10 Zeitmessung | 252 |
14.10.1 Tageszeit | 252 |
14.10.2 Zeitintervall | 252 |
14.11 Elektromagnetische Verträglichkeit | 253 |
14.11.1 Der Begriff EMV | 253 |
14.11.2 Normung und Gesetze | 253 |
14.11.3 Pru?fung und Nachweis | 253 |
15 Steuer- und Regelungstechnik | 254 |
15.1 Die Begriffe Steuern und Regeln | 254 |
15.2 Entwicklung der Steuerungstechnik | 255 |
15.2.1 Relaissteuerungen | 255 |
15.2.2 Speicherprogrammierbare Steuerungen | 255 |
15.2.3 Steuerungen mit Prozessrechnern | 255 |
15.3 Komponenten von Steuerungen | 256 |
15.3.1 Mikrocontroller | 256 |
15.3.2 Sensoren | 256 |
15.3.3 Aktoren | 257 |
15.3.4 Feldbussysteme | 257 |
15.3.5 Programme | 258 |
15.4 Steuerung elektrischer Maschinen | 259 |
15.4.1 Ein- und Ausschalten | 259 |
15.4.2 Rechts- und Linkslauf | 259 |
15.4.3 Drehzahlstellung | 260 |
15.5 Regelungstechnik | 261 |
15.5.1 Regelkreis | 261 |
15.5.2 Eigenschaften von Regelstrecken | 261 |
15.5.3 Regler | 264 |
15.5.4 Simulation des Regelkreises | 264 |
15.5.5 Simulation mit PSpice student version | 267 |
15.5.6 Stabilität von Regelkreisen | 269 |
15.5.7 Auswahl des Reglers | 269 |
16 Leistungselektronik | 270 |
16.1 Entwicklung der Leistungselektronik | 270 |
16.2 Aufgaben der Leistungselektronik | 270 |
16.3 Leistungshalbleiter | 271 |
16.3.1 Diode | 272 |
16.3.2 Thyristor | 272 |
16.3.3 MOSFET | 273 |
16.3.4 IGBT | 274 |
16.4 Ungesteuerte Gleichrichter | 275 |
16.4.1 Schaltungsarten | 275 |
16.4.2 Glättung | 277 |
16.5 Netzgefu?hrte Stromrichter | 278 |
16.5.1 Phasenanschnittsteuerung | 278 |
16.5.2 Bru?ckenschaltung B6C | 278 |
16.5.3 Mittelpunktschaltung M3C | 281 |
16.5.4 Wechselstrom-Bru?ckenschaltungen | 281 |
16.6 Selbstgefu?hrte Stromrichter | 283 |
16.6.1 Gleichstromsteller | 283 |
16.6.2 Vier-Quadranten-Steller | 284 |
16.7 Frequenzumrichter | 287 |
16.7.1 Drehfelderzeugung mit PAM | 287 |
16.7.2 Spannungs-Frequenz-Betrieb | 289 |
16.7.3 Puls-Weiten-Modulation | 290 |
16.7.4 Ein-Quadrant- und Vier-Quadranten-Betrieb | 292 |
16.8 Wechsel- und Drehstromsteller | 294 |
16.9 EMV von Stromrichtern | 295 |
17 Informationsu?bertragung | 297 |
17.1 Grundbegriffe | 297 |
17.2 Leitungen und Kabel | 299 |
17.2.1 RS 232 und MODEM | 300 |
17.2.2 RS 422 | 302 |
17.3 Lichtwellenleiter | 304 |
17.4 Funkkanäle | 308 |
17.5 LAN, Ethernet | 313 |
17.6 TCP/IP, OSI-Modell | 315 |
17.7 Feldbusse | 317 |
17.8 USB | 318 |
18 Energieu?bertragung | 320 |
18.1 Energieumwandlung | 320 |
18.1.1 Primärenergie | 320 |
18.1.2 Speichertechnik | 320 |
18.1.3 Wirkungsgrad | 321 |
18.1.4 Kraftwerke in Deutschland | 321 |
18.1.5 Kraftwerke in Österreich | 321 |
18.1.6 Kraftwerke in der Schweiz | 322 |
18.1.7 Tagesbelastungskurven | 322 |
18.2 Betriebsmittel und -verfahren | 322 |
18.2.1 Spannungsebenen | 322 |
18.2.2 Leistungsregelung | 323 |
18.2.3 Intelligentes Stromnetz | 323 |
18.2.4 Verbesserung des Leistungsfaktors | 323 |
18.2.5 Freileitungen | 326 |
18.2.6 Kabel | 327 |
18.2.7 HGÜ | 327 |
18.3 Überstromschutz | 328 |
18.4 Erder und Erdung | 329 |
18.5 Schutzmaßnahmen | 330 |
18.5.1 Gefahren durch den elektrischen Strom | 330 |
18.5.2 Schutzkleinspannung | 331 |
18.5.3 Körperschluss | 331 |
18.5.4 Fehlerstrom-Schutzeinrichtung | 332 |
18.5.5 Schutzmaßnahmen in Netzen | 333 |
18.5.6 Schutzisolierung | 334 |
18.5.7 Schutztrennung | 334 |
18.6 USV | 335 |
Verwendete Formelzeichen | 336 |
Einheiten | 337 |
Komplexe Rechnung | 339 |
Literatur | 340 |
Wichtige Konstanten | 343 |
Namenverzeichnis | 343 |
Sachwortverzeichnis | 344 |
Und zum Schluss: Bloß nicht . . . | 353 |