Grundwissen Elektrotechnik und Elektronik

Als Einführung wird der Aufbau der Materie betrachtet. Stoffarten und die Zusammensetzung von Stoffen werden mittels eines einfachen Denkmodells für Atome untersucht. Die Begriffe Ladungsträger und Elektronen führen zur Definition der elektrischen Ladung. Aus Modellvorstellungen des Atomaufbaus ergeben sich anschauliche Vorstellungen von den physikalischen Vorgängen beim Fließen von Strom. Elektrische Leitfähigkeit und elektrischer Widerstand werden aus den Eigenschaften der Stoffe erläutert. Das Entstehen einer elektrischen Spannung wird erklärt. Es folgt die Einteilung von Stoffen in Leiter, Nichtleiter und Halbleiter und deren Eigenschaften. Der Aufbau von Halbleitern sowie die Elektrizitätsleitung in reinen und in dotierten Halbleitern wird besprochen.

Ausführlich behandelt werden die wichtigen Größen Strom, Spannung und Widerstand. Das Ohm’sche Gesetz mit seinen verschiedenen Umstellungen der Formel ist die Grundlage für einfache Berechnungen von Größen im Grundstromkreis. Das Ohm’sche Gesetz wird auch grafisch dargestellt. Es folgen die Definitionen von Gleich- und Wechselgrößen, Verbraucher, Reihen- und Parallelschaltung, unverzweigter und verzweigter Stromkreis. Die Einführung einiger Schaltzeichen ergibt die Basis zur Angabe der Werte von Strömen und Spannungen in Schaltbildern. Unterschiedlich gezeichnete Schaltbilder zeigen die Vielfalt möglicher Darstellungen. Die Festlegungen von Erzeuger- und Verbraucherzählpfeilsystem werden eingeführt. Es folgen die Definitionen von Kurzschluss, passives und aktives Bauelement, elektrische Arbeit und Leistung, Wirkungsgrad und Stromdichte.

Zuerst wird der Begriff der Linearität definiert. Die Wirkungsweise des ohmschen Widerstandes wird erläutert. Festgelegt werden seine Strom-Spannungskennlinie und seine Bauteilgleichung. Die verschiedenen Bauformen des Widerstandes als Bauelement ergeben jeweils bestimmte Eigenschaften. Verwendungszweck und Einsatzgrenzen sind aufgezeigt: Die Strombegrenzung durch einen Vorwiderstand, die Aufteilung einer Spannung oder eines Stromes, die Temperaturabhängigkeit des Widerstandswertes, die zulässige Verlustleistung und die Lastminderungskurve gehören zu diesen Themen. Es folgt der Kondensator mit seiner Wirkungsweise und seinen Eigenschaften. Beispiele verdeutlichen den Verwendungszweck von Kondensatoren. Technische Ausführungen mit ihren Eigenschaften werden besprochen. Das elektrische Feld ist als vertiefendes Thema mit seinen Eigenschaften und Berechnungsmöglichkeiten aufgenommen. Mit der Spule wird das magnetische Feld eingeführt. Grundlegende Eigenschaften und Berechnungsmöglichkeiten des magnetischen Feldes werden betrachtet. Untersucht werden die Wirkungsweise der Spule und Kraftwirkungen im Magnetfeld. Die Spule als Bauelement wird mit möglichen Bauformen und ihren Eigenschaften gezeigt. Der magnetische Kreis mit Grundlagen zu seiner Berechnung zeigt Anwendungen von Induktivitäten.

Die Wirkungsweise des galvanischen Elements wird mit Beispielen der elektrochemischen Spannungsreihe erläutert und der Unterschied zwischen Batterien und Akkumulatoren hervorgehoben. Es folgt eine Übersicht der Realisierungsformen von Batterien. Übliche Arten von Akkumulatoren werden mit ihren technischen Eigenschaften vorgestellt. Vom Stromversorgungsnetz abhängige Gleichspannungsquellen (Netzgeräte) mit ihren Eigenschaften, Daten und Einsatzbereichen werden besprochen. Für die störungsfreie Versorgung einer elektronischen Schaltung mit Gleichspannung werden Hinweise für Aufbau und die Verdrahtung der Stromversorgung gegeben. Die reale Spannungsquelle wird mit den Begriffen Quellenspannung, Leerlaufspannung, Innenwiderstand, Klemmenspannung und Kurzschlussstrom eingeführt, der Unterschied zur idealen Spannungsquelle herausgestellt. Die Diskussion der Kennlinie einer linearen Spannungsquelle führt zu deren Ermittlung des Innenwiderstandes. Der Unterschied zwischen Spannungs- und Stromquelle ergibt sich aus deren Eigenschaften. Die verschiedenen Arten von Anpassungen (Spannungs-, Strom- und Leistungsanpassung) einer Last an eine Quelle mit den Einsatzfällen werden erörtert.

Reihen- und Parallelschaltung werden als mögliche Arten der Zusammenschaltung zweipoliger Bauelemente definiert. Die Reihenschaltung ohmscher Widerstände mit der wichtigen Formel zur Spannungsteilung nimmt eine zentrale Stellung ein. Es folgen die Reihenschaltung von Kondensatoren, Spulen und Gleichspannungsquellen. Die Reihenschaltung von Bauelementen ermöglicht die Bildung von Ersatzbauelementen mit neuen Werten. Der Einsatz eines Vorwiderstandes und der elektrische Leiter als Widerstand werden besprochen.

Aufbau und Eigenschaften verschiedener Arten von Spannungs- und Strommessern werden vorgestellt und ihre Eignung zur Messung bestimmter Größen diskutiert. Die Anwendung der Messgeräte beim Messvorgang, die Beachtung von Genauigkeitsgrenzen und sich ergebende Messfehler werden praxisnah aufgezeigt. Die Erweiterung des Messbereiches von Spannungsmessern mit der Berechnung dazu nötiger Widerstände vergrößern die Möglichkeiten einsetzbarer Messwerke. Die indirekte Messung von Widerstand und Leistung mit den Möglichkeiten der Spannungsfehler- und der Stromfehlerschaltung sowie das Beispiel der Wheatstone-Brücke runden dieses Kapitel ab.

Es wird der Schaltvorgang beim ohmschen Widerstand, beim Kondensator und bei der Spule behandelt. Die Exponentialfunktion als Beschreibung des Verlaufs von Spannung und Strom ergibt dazu den mathematischen Hintergrund. Für unterschiedliche Schaltungen werden Lade- und Entladevorgänge beim An- und Abschalten einer Gleichspannung an Kondensatoren und Spulen betrachtet. Dabei wird der zeitliche Verlauf von Spannungen und Strömen mit Formeln analysiert und grafisch dargestellt. Die Verwendung einer Freilaufdiode zeigt eine Möglichkeit zur Verhinderung hoher Induktionsspannungen beim Abschalten von Induktivitäten.

Die kirchhoffschen Gesetze (Knoten- und Maschenregel) werden als Grundlage zur Berechnung verzweigter Stromkreise eingeführt. Die Parallelschaltung von ohmschen Widerständen ergibt zusammen mit der Stromteilerregel die Grundlage einfacher verzweigter Schaltungen. Es folgen die Parallelschaltungen von Kondensatoren, Spulen und Gleichspannungsquellen. Da bei der Erweiterung des Messbereiches eines Strommessers eine Parallelschaltung eines Widerstandes erforderlich ist, wird dieses Thema ebenfalls in diesem Abschnitt behandelt. Der belastete Spannungsteiler mit seinen veränderten Spannungen gegenüber dem unbelasteten Zustand wird mit dem Querstromverhältnis und der Ersatzspannungsquelle berechnet. Gemischte Schaltungen aus Reihen- und Parallelschaltungen mehrerer Bauelemente erweitern die Schaltungsmöglichkeiten verzweigter Netzwerke. Die Stern-Dreieck- und Dreieck-Stern-Umwandlung zeigt eine Analysemethode zur Umformung und Berechnung von Netzwerken. Die Transformation von Spannungs- in Stromquellen und umgekehrt erweitert Analysemöglichkeiten. Zur Analyse von Netzwerken werden die Maschenanalyse, die Knotenanalyse, der überlagerungssatz und der Satz von der Ersatzspannungsquelle erläutert und anhand von Beispielen geübt.

Wechselgrößen werden durch ihre kennzeichnenden Parameter definiert und die verschiedenen Kennwerte betrachtet. Die Entstehung der Sinuskurve wird durch einen umlaufenden Zeiger erläutert und die Relevanz sinusförmiger Wechselgrößen betont. Es folgt die Berechnung von Effektivwert und Gleichrichtwert bei unterschiedlichen Kurvenformen der Zeitfunktionen. Die wichtigen Begriffe von Nullphasenwinkel und Phasenverschiebungswinkel werden im Zeitbereich vertieft. Eine Zeigerdarstellung von Sinusgrößen ergibt die Basis für Zeigerdiagramme. Das Ergebnis der Addition verschiedener Wechselspannungen zeigen entsprechende Kurven. Die Entwicklung von Fourierreihen, ein Beispiel zur Fourier-Analyse und die Erläuterung deren Bedeutung schließen diesen Abschnitt vertiefend ab.

Komplexe Zahlen werden eingeführt, die Grundbegriffe der komplexen Rechnung erläutert und das Rechnen im komplexen Bereich wird geübt. Die grafische Darstellung komplexer Zahlen als Zeiger und in den möglichen Darstellungsarten der Komponentenform, Exponentialform und trigonometrischen Form zeigen unterschiedliche Möglichkeiten zur Berechnung von Betrag und Phase und zur Umwandlung der Formen ineinander. Spannung, Strom und Widerstand werden als komplexe Größen dargestellt und die Vorteile des Gebrauchs komplexer Größen herausgestellt. Im komplexen Bereich werden Scheitelwert- und Effektivwertzeiger, rotierende und ruhende Zeiger betrachtet. Die Transformation einer im Zeitbereich gegebenen Spannung oder eines Stromes in den komplexen Bereich und umgekehrt wird gelehrt.

Es werden Eigenschaften und Wirkungsweise der Bauelemente ohmscher Widerstand, Spule und Kondensator im Wechselstromkreis betrachtet. Die Funktionen der Reihenschaltungen von ohmschem Widerstand und Spule und von ohmschem Widerstand und Kondensator werden berechnet. Im komplexen Bereich kommen Zeigerdiagramme zum Einsatz. Die Übertragungsfunktion mit ihren wichtigsten Eigenschaften wird eingeführt. Das Verstärkungsmaß in Dezibel führt zum Bodediagramm und den Begriffen Dämpfung und Grenzfrequenz. Vereinfachungen durch eine Normierung der Übertragungsfunktion werden erläutert. Unterschiedliche Methoden zur Erstellung von Bode-Diagrammen werden aufgezeigt. RC-Tief- und Hochpass ergeben Beispiele zur Verwendung der komplexen Rechnung unter Benutzung von Übertragungsfunktionen und Bode-Diagrammen. Die bei den Reihenschaltungen durchgeführten Berechnungen werden für die Parallelschaltungen von Widerstand und Spule und von Widerstand und Kondensator fortgesetzt.

Die elektrische Leitung wird mit ihrer Ersatzschaltung angegeben. Die parasitären Eigenschaften der Bauelemente werden untersucht. Eigenkapazität und Eigeninduktivität des ohmschen Widerstandes sind bei den technischen Ausführungen von Widerständen zu beachten. Die Verluste in Spulen durch den Drahtwiderstand und den Skineffekt sowie Hysterese- und Wirbelstromverluste werden ebenso behandelt wie die Verluste in Kondensatoren.

Es werden die verschiedenen Leistungsarten mit ihren Formel- und Einheitenzeichen eingeführt. Es folgen Berechnungen von Wirk-, Blind- und Scheinleistung sowie von Leistungsfaktoren und Wirkungsgraden von verschiedenen Verbrauchern in Wechselstromkreisen. Die Blindleistungskompensation bei ohmsch-induktiven Verbrauchern wird behandelt.

Begonnen wird mit einfachen Berechnungen beim idealen Transformator bzw. Übertrager. Zunächst steht die Transformation von Spannungen, Strömen und Widerständen im Vordergrund. Der dann folgende verlustlose Übertrager ohne und mit Streuung ergibt nützliche Zusammenhänge, welche durch die Einführung der Gegeninduktivität und des Kopplungsfaktors vervollständigt werden. Der Amplitudengang des Übertragers zeigt seine Frequenzabhängigkeit. Zum Übertrager zwischen ohmschen Widerständen werden Berechnungsformeln angegeben.

Zuerst werden Berechnungen beim Reihenschwingkreis ohne Verluste, dann mit Verlusten durchgeführt. Der Zustand der Resonanz mit den zugehörigen Größen der Parameter wird besonders beachtet. Bilder zum Frequenzgang der Widerstände und des Stromes sowie Resonanzkurven erleichtern das Verständnis. Mögliche Einsatzfälle von Reihenschwingkreisen werden besprochen. Auch der Parallelschwingkreis wird zunächst ohne Verluste und dann mit Verlusten betrachtet. Sowohl beim Reihen- als auch Parallelschwingkreis erhöhen Zeigerdiagramme den Überblick und das Verständnis der Betriebsbedingungen. Auch bei den Parallelschwingkreisen werden Einsatzmöglichkeiten angegeben. Bandfilter werden mit ihren Kopplungsarten und Eigenschaften betrachtet.

Begonnen wird mit der Erzeugung von Drehstrom und der Stern- sowie der Dreieckschaltung des Generators. Verschiedene Verbraucher im Drehstromsystem werden betrachtet: Sternschaltung des Verbrauchers mit und ohne Mittelleiter und Verbraucher in Dreieckschaltung. Mit der komplexen Rechnung werden die Außenleiterströme und der Mittelleiterstrom bestimmt. Für die Dreieckschaltung des Verbrauchers werden Außenleiterströme, Strangströme und Strangspannungen sowie Strangimpedanzen berechnet. Für Leistungsberechnungen bei Drehstrom werden Formeln angegeben.

Zunächst wird die Bestimmung der Impedanz gemischter Zweipolschaltungen geübt. Mit Hilfe der komplexen Rechnung und unter Anwendung bisher erlernter Analysemethoden (z. B. Maschenanalyse, Überlagerungssatz) werden unterschiedliche Wechselstromnetzwerke analysiert. Angewandt werden dabei Übertragungsfunktionen und das Bodediagramm zur Darstellung von Amplituden- und Phasengang.

Zunächst wird der pn-Übergang ohne äußere Spannung betrachtet. Bei äußerer Spannung in Durchlass- und in Sperrrichtung werden die Bewegungsrichtungen der Ladungsträger im Halbleiter erläutert und der Verlauf von Spannungen und Strömen diskutiert. Dies führt zur vollständigen Kennlinie des pn-Übergangs mit seiner Beschreibung durch die Shockley-Formel. Die Eigenschaften der Diode werden mit verschiedenen Modellen und Ersatzschaltungen besprochen, die vom idealen immer mehr zum realen Verhalten verfeinert werden. Die Linearisierung der Diodenkennlinie in einem Arbeitspunkt wird gezeigt. Charakteristische Parameter der Diodenkennlinie werden betrachtet und ihre Bedeutungen erläutert. Die Verlustleistung bei Halbleiterbauelementen wird anhand der Diode ausführlich untersucht. Verschiedene Arten von Dioden wie Leuchtdioden (LEDs) oder Solarzellen werden mit ihren Daten und Eigenschaften vorgestellt. Arbeitspunkt und Widerstandsgerade ergeben die Grundlage für die rechnerische und grafische Analyse eines nichtlinearen Stromkreises. Anwendungen von Dioden werden gezeigt.

Der Beginn handelt von Aufbau und Eigenschaften sowie Definition und Richtung von Spannungen und Strömen. Die Wirkungsweise mit den Bewegungen der Ladungsträger und den zugehörigen Strömen wird bei verschiedenen äußeren Spannungen betrachtet. Nach den Grundschaltungen des Transistors folgt die Betrachtung grundsätzlicher Betriebsarten als Verstärker und als Schalter. Die Bedeutung der Eingangskennlinie und eines darauf befindlichen Arbeitspunktes wird vorgestellt. Es folgt die Beschreibung der Steuerkennlinie mit dem Unterschied von Spannungs- und Stromsteuerung. Das Ausgangskennlinienfeld wird für unterschiedliche Arbeitsbereiche untersucht. Es folgen die verschiedenen Arten der Stromverstärkung je nach Grundschaltung mit ihren Frequenzabhängigkeiten. Die drei Grundschaltungen werden mit ihren Eigenschaften im Detail betrachtet und Formeln zur Berechnung hergeleitet oder angegeben. Die Gegenkopplung wird als wichtiges Schaltungskonzept eingeführt und ihre Wirkung aufgezeigt. Formale und physikalische Ersatzschaltungen werden zur Analyse von Verstärkerschaltungen angegeben. Es folgen einige spezielle Schaltungen mit Bipolartransistoren, z. B. Darlington-, Bootstrap-, Kaskodeschaltung, Konstantstromquelle und Differenzverstärker. Der Transistor als Schalter wird ausführlich behandelt. Der Einsatz von Transistoren in der Digitaltechnik wird mit einigen schaltungstechnischen Realisierungen logischer Grundfunktionen einführend beschrieben.

Die Bezeichnungen und die Klassifizierung der verschiedenen Arten von Feldeffekttransistoren werden zusammengefasst. Erklärt werden Aufbau und Wirkungsweise sowie Kennlinien und Arbeitsbereiche des Sperrschicht-FET mit n-Kanal. Es folgen Beispiele zur Schaltungstechnik: Der FET im Verstärkerbetrieb in den drei Grundschaltungen Source-, Gate- und Drainschaltung, der Betrieb als steuerbarer Widerstand, als Konstantstromquelle und als Schalter. Der MOSFET wird mit seinen Eigenschaften und Kennlinien betrachtet. Es folgt die Beschreibung elementarer Anwendungen und eine Einführung in die CMOS Technik.

Es werden der interne Aufbau und die grundlegenden Eigenschaften des Operationsverstärkers betrachtet. Die Begriffe Leerlaufverstärkung, Eingangswiderstand, Übertragungskennlinie, Gleichtaktaussteuerung, Offsetspannung, Frequenz- und Sprungverhalten werden erläutert. Die Eigenschaften des idealen Operationsverstärkers ergeben die Grundlage für erste Berechnungen von Schaltungen mit Operationsverstärkern. Die Gegenkopplung führt zu den Konzepten des virtuellen Kurzschlusses und der virtuellen Masse, welche Berechnungen vereinfachen. Die Funktion der Gegentakt-Endstufe wird erläutert. Beispiele von Anwendungen als Komparator, nichtinvertierender und invertierender Verstärker, Impedanzwandler, Differenzierer, Addierer, Subtrahierer und Integrator geben die Möglichkeit, unterschiedliche Schaltungsvarianten mit ihren speziellen Eigenschaften und Berechnungsformeln zu betrachten. Der Einsatz als PID-Regler und in aktiven Filtern rundet das Thema ab.