Lehrgang Elektrotechnik und Elektronik

Frontmatter

1. Einführung zu den theoretischen Grundlagen

Zusammenfassung

Jede Tätigkeit (ob bei der Facharbeit, der Ingenieurstätigkeit oder der Arbeit eines Lehrers im Unterricht) erfordert eine Verbindung von Wissen und Fähigkeiten mehrerer verschiedener Disziplinen – ist also interdisziplinär. Jede dieser Disziplinen hat ihre eigene Begrifflichkeit und damit Struktur entwickelt, die für deren Verständnis notwendig ist. Wird z.B. die Analyse der elektrotechnischen Arbeit an den Leistungen/Dienstleistungen für die Kunden des Handwerks orientiert (Häg02 S. 115-118), so ergibt sich eine Struktur zur Einteilung der Arbeit in Handlungsfelder und für einen Unterricht in Lernfelder.

Erich Boeck

2. Einleitung zur Elektrotechnik

Zusammenfassung

Im Altertum waren bereits die Erscheinungen der Anziehungskraft bei „geriebenem“ Bernstein oder bei einigen eisenhaltigen Mineralien bekannt. Es wird auch vermutet, dass einige Ausgrabungen auf die Möglichkeit zum Galvanisieren (Versilbern, Vergolden) hinweisen könnten (die sogenannte Batterie von Bagdad). Im 16. und 17. Jahrhundert gab es mehrere Versuche und Arbeiten zu Magnetismus und Reibungselektrizität. Exakte Untersuchungen von Ladungen unternahm insbesondere Coulomb. Dennoch begann eine systematische Untersuchung erst mit den Entdeckungen von Galvani und Volta, die in ihrer Folge verwendbare Quellen hervorbrachten.

Erich Boeck

3. Erster Exkurs Mathematik

Zusammenfassung

Größen, die durch eine Zahlenangabe und eine Richtung im Raum charakterisiert sind, werden als Vektoren bezeichnet. Im Weiteren werden für sie Buchstaben in fetter Schriftart verwendet (z.B. A, r, s…). Grafisch werden sie durch Pfeile dargestellt (Länge des Pfeils entspricht dem Betrag = Zahlenangabe, die Richtung entspricht ihrer Wirkungsrichtung). Vergleiche alle Erläuterungen mit (Bro79 S. 605-639).

Erich Boeck

4. Vorgänge in elektrischen Leitern

Zusammenfassung

Ausgehend vom Begriff der Ladung, der entsprechend der Abschnitte 2.1 und 2.2 verstanden worden sein sollte, werden

– das elektrische Strömungsfeld – Feld und Stromdichte,

– die elektrischen Größen zur Beschreibung von Stromkreisen – Strom, Spannung und Widerstand,

– die Zusammenhänge zwischen diesen Größen sowie

– die Gesetzmäßigkeiten der Vorgänge in elektrischen Leitern

vorgestellt, welche aus vielfachen reproduzierbaren experimentellen Beobachtungen hervorgegangen sind.

Erich Boeck

5. Vorgänge in elektrischen Nichtleitern

Zusammenfassung

Ausgehend von den Begriffen, die entsprechend der Abschnitte 2 und 4 verstanden worden sein sollten, werden

– das elektrostatische Feld – Feld und Verschiebungsflussdichte,

– die elektrischen Größen zur Beschreibung von Vorgängen in elektrischen Nichtleitern – Verschiebungsfluss, Spannung und Kapazität

– die Zusammenhänge zwischen diesen Größen sowie

– die Gesetzmäßigkeiten für elektrische Nichtleiter – Energie und Kräfte

vorgestellt, die wiederum aus vielfachen reproduzierbaren experimentellen Beobachtungen

hervorgegangen sind.

Erich Boeck

6. Vorgänge im Magnetfeld

Zusammenfassung

In Analogie zu den Begriffen, die entsprechend der Abschnitte 4 und 5 verstanden worden sein sollten, werden

– die Größen zur Beschreibung von magnetischen Kreisen – magnetische Urspannung, magnetische Spannung, magnetischer Fluss und magnetischer Widerstand,

– die Größen zur Beschreibung von Vorgängen im Magnetfeld – magnetische Flussdichte und magnetisches Feld,

– die Zusammenhänge zwischen magnetischen Größen,

– deren Zusammenhang mit elektrischen Größen – Induktion und Induktivität sowie

– die Gesetzmäßigkeiten in magnetischen Anordnungen – Energie und Kräfte

vorgestellt.

Erich Boeck

7. Zusammenfassung und Gegenüberstellung

Zusammenfassung

In den Abschnitten 2, 4, 5, und 6 wurden die theoretischen Grundlagen dargelegt, wie sie für Anwendungen in der Elektrotechnik und Elektronik benötigt werden. Dazu gehören

– ein grundlegendes Verständnis von Feldern und ihren Eigenschaften,

– Verständnis und Kenntnisse zu Spannungs- bzw. Stromquellen,

– Verständnis und Kenntnisse über die passiven Bauelemente Widerstand, Kapazität und Induktivität,

– Verständnis und Kenntnisse über die Vorgänge in elektrischen Stromkreisen und deren Berechnung und

– Verständnis und Kenntnisse der Messung der betreffenden Größen.

Erich Boeck

8. Zweiter Exkurs Mathematik

Zusammenfassung

Ein lineares Gleichungssystem von n Gleichungen mit m Unbekannten lautet: a₁₁ x₁ + a₁₂ x₂ + a₁₃ x₃ + … + a_1m x_m = b₁

Erich Boeck

9. Analyse elektrischer Stromkreise und Netzwerke

Zusammenfassung

Die Abschnitte 4, 5 und 6 sollten verstanden worden sein. Es werden

– als Ausgangspunkt der Grundstromkreis untersucht und dessen Verhalten für die Hauptanwendungsfälle bewertet,

– elektrische Stromkreise insbesondere bei Gleichstrom analysiert,

– die Methoden zur Berechnung von elektrischen Netzwerken an Beispielen vorgestellt,verglichen und diskutiert,

– die Gesetzmäßigkeiten in elektrischen Stromkreisen untersucht sowie

– die Ergebnisse mit Messungen verglichen.

Erich Boeck

10. Dritter Exkurs Mathematik

Zusammenfassung

Komplexe Zahlen stellen eine Erweiterung des Zahlenbereichs dar. Dazu wird die im reellen nicht lösbare √−1 als Grundlage der neuen Zahlen genutzt. In der Elektrotechnik wird dafür die imaginäre Einheit j=√−1 eingeführt 91. Komplexe Größen sollen im Folgenden mit einem Unterstrich gekennzeichnet werden.

Erich Boeck

11. Analyse bei zeitveränderlichen Signalen

Zusammenfassung

Die Abschnitte 4, 5, 6 und 9 sollten verstanden worden sein. Es werden

– Stromkreise bei Wechselstrom und weiteren zeitveränderlichen Signalen (periodische Signale, nichtperiodische Signale, Signale bei Schalt- und Übergangsvorgängen) analysiert und das Vorgehen erörtert,

– die Methoden zur jeweiligen Berechnung der verschiedenen zeitveränderlichen Signale an Beispielen vorgestellt,

– einige wichtige Anordnungen untersucht, dazu wichtige Begriffe und Parameter erarbeitet und bewertet,

– entsprechende Gesetzmäßigkeiten untersucht sowie

– die Ergebnisse mit Messungen verglichen.

Erich Boeck

12. Halbleiterbauelemente

Zusammenfassung

Hilfreich für das Verständnis sind die Abschnitte 2, 4, 5 und 6. Es werden

– die physikalischen Grundlagen – Leitungsmechanismen, Bändermodell, Dotierung und PN-Übergang,

– der Aufbau und die Arbeitsweise von Halbleiterbauelementen – Bauelemente aus nur einem Halbleitermaterial, Diode, Transistor, Feldeffekttransistor und Vierschichtbauelemente,

– das Prinzip der Kleinsignalaussteuerung und die Vierpolersatzschaltungen,

– die Kennlinien, Schaltungsberechnung und Konfiguration für Grundschaltungen mit diesen Bauelementen sowie

– einige Anwendungen

vorgestellt.

Erich Boeck

13. Analoge Schaltungstechnik

Zusammenfassung

Hilfreich für das Verständnis sind die Abschnitte 4 bis 6 sowie 9, 11 und 12. Es werden

– der Aufbau, die Arbeitsweise und die Eigenschaften von Operationsverstärkern,

– die Parameter von Operationsverstärkern,

– das Prinzip der Gegenkopplung,

– die Spannungs- und die Stromgegenkopplung bei Operationsverstärkern,

– die Schaltungsberechnung und Konfiguration,

– einige wichtige Anwendungen zum Kennenlernen des Betriebsverhaltens sowie

– Messungen an Operationsverstärkern

vorgestellt.

Erich Boeck

14. Vierter Exkurs Mathematik

Zusammenfassung

Das Dezimalzahlensystem ist als Stellen- oder Positionssystem (Ziffern mit Stellenwert im Zahlwort) aufgebaut, basiert auf der Grundzahl „10“ und hat zehn Ziffern (0, 1, … 9). Im Zahlwort werden die Ziffern mit ihrem Stellenwert multipliziert und danach addiert.

Erich Boeck

15. Digitale Schaltungstechnik

Zusammenfassung

Hilfreich für das Verständnis kann die Wiederholung der mathematischen Abhandlungen in Abschnitt 14 sein. Es werden

– die Grundlagen digitaler Signale,

– das Rechnen mit Binärzahlen,

– die Wandlung analoger in digitale Signale,

– der Entwurf kombinatorischer digitaler Schaltungen,

– der Entwurf sequentieller digitaler Schaltungen (Schaltungen mit Speichern),

– grundlegende Varianten von Speichern sowie

– Messungen an kombinatorischen und sequentiellen digitalen Schaltungen

insbesondere anhand einiger wichtiger Anwendungen vorgestellt.

Erich Boeck

16. Analyse von Signalen und Systemen

Zusammenfassung

Hilfreich für das Verständnis kann die Wiederholung der mathematischen Abhandlungen in Abschnitt 10 sowie zusätzlich Abschnitt 11 sein. Es werden

– wichtige analoge Signale und Systeme in der Elektronik mit ihren Beschreibungen und Parametern – Audio- und Videosignale,

– analoge Modulationsverfahren – Amplituden-, Frequenz- und Phasenmodulation,

– diskrete Signale und dere Beschreibung,

– Protokolle für Übertragung und Speicherung,

– digitale Modulationsverfahren sowie

– Codierung, Kompression und Fehlerkorrektur digitaler Signale

anhand von Beispielen vorgestellt.

Erich Boeck

17. Zusammenfassung zur Regelungstechnik

Zusammenfassung

Hilfreich für das Verständnis können die Wiederholung der mathematischen Abhandlungen in Abschnitt 10 sowie zusätzlich Abschnitt 16 sein.

Zur Wiederholung und Zusammenfassung einer Reihe von Bemerkungen in den Abschnitten dieses Buches soll ein kurzer Überblick zur Regelungstechnik gegeben werden. Es werden

– wichtige Regelstrecken,

– wichtige Regeleinrichtungen,

– wichtige Reglerstrukturen,

– eine Reihe von Regelstrategien

anhand von Beispielen vorgestellt.

Erich Boeck

18. Fünfter Exkurs Mathematik

Zusammenfassung

Dreiphasensysteme (wie in der Drehstromtechnik) können anstatt durch drei verbundene Ausdrücke (z.B. für die Stränge) als ein Raumzeiger in der komplexen Ebene (also mit zwei Komponenten) dargestellt werden. Dabei wird nicht wie in der komplexen Wechselstromrechnung (Abschnitt 11.1.1) eine imaginäre Zeitfunktion hinzugefügt, sondern die drei Phasen werden in der komplexen Ebene räumlich angeordnet. Auch wenn Raumzeiger ähnlich aussehen und gehandhabt werden, dürfen sie nicht mit diesen Zeigern verwechselt werden.

Erich Boeck

19. Energiewandlung und Antriebe

Zusammenfassung

Die Abschnitte 4 bis 6, 9 und 11 sollten verstanden worden sein.

Hilfreich kann die Wiederholung der mathematischen Formalismen in den Abschnitten 10.1 bis 10.3 und für Interessierte * 18 sein.

Es werden

– Maschinen bei Gleichstrom,

– deren Schaltungen und Betriebseigenschaften,

– Maschinen für Wechselstrom – Transformator und Universalmotor,

– Dreiphasensysteme und Drehfeld,

– Drehfeldmaschinen – Asynchron- und Synchronmaschine,

– deren Anwendungen sowie

– kurz die Auswahl einer Maschine für einen Antrieb

vorgestellt.

Erich Boeck

20. Leistungselektronische Energiewandler

Zusammenfassung

Die Abschnitte 4 bis 6, 9 und 11 sollten verstanden worden sein.

Hilfreich kann die Wiederholung der mathematischen Formalismen in den Abschnitten 10.1 bis 10.3 sowie die Bauelemente aus Abschnitt 12 sein. Es werden

– das Grundprinzip leistungselektronischer Schaltungen,

– die Wirkungsweise und Eigenschaften ihrer Steuerung bei Gleich-, Wechsel- und Drehstrom,

– drei Verfahren selbstgesteuerter Stromrichter,

– Phasenanschnittsteuerung bei fremdgesteuerten Stromrichtern sowie

– einige Anwendungsbeispiele zum Kennenlernen des Betriebsverhaltens

vorgestellt.

Erich Boeck

21. Kurzes Fazit zur Arbeit im Beruf

Zusammenfassung

Bei der Bearbeitung beruflicher Arbeitsprozesse sind vielfältige Aufgaben zu lösen, die außerhalb des engeren Fachgebietes und insbesondere der Anwendung deren theoretischen Kenntnisse liegen. Geschäfts- und Arbeitsprozesse müssen vom ersten Kundenkontakt bis zur Auftragsübergabe (und darüber hinaus) alle Arbeiten abdecken (vergleiche dazu z.B. (Häg02)). Das gilt (evtl. etwas abgeschwächt) auch, wenn in größeren Betrieben Geschäftsund Arbeitsprozesse arbeitsteilig erfolgen. Hier kommt der eingangs erwähnte interdisziplinäre Charakter (siehe Kapitel 1) zur Geltung.

Erich Boeck

22. Lösungen der Übungsaufgaben

Erich Boeck

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