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Über dieses Buch

Dieses Handbuch stellt in systematischer Form alle wesentlichen Grundlagen der Elektrotechnik in der komprimierten Form eines Nachschlagewerkes zusammen. Es wurde für Studierende und Praktiker entwickelt. Für Spezialisten eines bestimmten Fachgebiets wird ein umfassender Einblick in Nachbargebiete geboten. Die didaktisch ausgezeichneten Darstellungen ermöglichen eine rasche Erarbeitung des umfangreichen Inhalts. Über 2000 Abbildungen und Tabellen, passgenau ausgewählte Formeln, Hinweise, Schaltpläne und Normen führen den Benutzer sicher durch die Elektrotechnik.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Mathematik

Frontmatter

1. Arithmetik

Behandelt werden folgende Themen:Mengen (Definitionen); Aussageformen und logische Zeichen; Vollständige Induktion (Beweisverfahren); Einteilung der Zahlen (von positiven und negativen ganzen Zahlen bis zu den komplexen Zahlen); 4 Grundrechenarten; Grundlegende Rechenregeln; Potenz- und Wurzelrechnung; Dezimalzahlen und Dualzahlen; Logarithmen (Definition, Spezielle Basen, Rechenregeln, Dekadische Logarithmen); Ungleichungen (Definitionen, Rechenregeln, Absolutbetrag, Intervalle); Komplexe Zahlen (Darstellung, Rechenregeln, Eulersche Formel). Zu den einzelnen Themenkreisen sind Beispiele aufgeführt. Wichtige Regeln und Gesetze sind durch Umrandung besonders kenntlich gemacht.

Arnfried Kemnitz

2. Gleichungen

Behandelt werden folgende Themen:Gleichungsarten; Äquivalente Umformungen; Lineare Gleichungen; Proportionen; Quadratische Gleichungen (Definition und Lösungsverfahren); Kubische Gleichungen (Definition, Lösungsverfahren, Polynomdivision); Gleichungen vierten Grades (Definition und Lösungsverfahren); Gleichungen n-ten Grades (Satz von Viëta) Transzendente Gleichungen (Exponential-, Logarithmische und Trigonometrische Gleichungen); Lineare Gleichungssysteme (Zwei Gleichungen mit zwei und drei Gleichungen mit drei Variablen), Matrizen und Determinanten. Zu den einzelnen Themenkreisen sind Beispiele aufgeführt. Wichtige Regeln und Gesetze sind durch Umrandung besonders kenntlich gemacht.

Arnfried Kemnitz

3. Planimetrie

Behandelt werden folgende Themen:Geraden und Strecken; Winkel; Projektion; Geometrische Örter; Dreiecke (allgemein, gleichschenklig, gleichseitig, rechtwinklig); Besondere Geraden, Strecken und Kreise (Höhen, Umkreis u. a.); Flächensätze im rechtwinkligen Dreieck (Satz des Pythagoras, Höhensatz); Dreieckskonstruktionen; Vierecke (allgemein, Trapez, Parallelogramm, Rhombus, Rechteck, Quadrat, Drachen, Sehnenviereck, reguläres n-Eck); Polygone; Kreise (Definitionen, Sektoren, Segmente, Kreis und Gerade, Bogenmaß); Symmetrie (Punkt-, Achsen-Symmetrie); Ähnlichkeit (Zentrale Streckung, Strahlensätze); Ähnliche Figuren. Zu den einzelnen Themenkreisen sind Beispiele aufgeführt. Wichtige Regeln und Gesetze sind durch Umrandung besonders kenntlich gemacht.

Arnfried Kemnitz

4. Stereometrie

Behandelt werden folgende Themen:Prismen (Allgemeine Prismen, Parallelepiped, Würfel); Zylinder (Allgemeiner Zylinder, Hohlzylinder); Pyramiden (allgemeine und gerade quadratische Pyramiden); Kegel (allgemeiner Kegel und gerader Kreiskegel). Zu den einzelnen Themenkreisen sind Beispiele aufgeführt. Wichtige Regeln und Gesetze sind durch Umrandung besonders kenntlich gemacht.

Arnfried Kemnitz

5. Funktionen

Behandelt werden folgende Themen:Funktionen: Definition, Darstellung, Funktionsgleichung, Graph einer Funktion, Wertetabelle, Monotone, symmetrische, beschränkte, injektive, surjektive, bijektive, periodische Funktion, Umkehrfunktion; Reelle und komplexe Funktion, Ganze rationale, lineare, quadratische, kubische Funktion, Ganze rationale Funktion n-ten Grades, Gebrochen rationale Funktion, Nullstelle, Polstelle, Asymptote, Partialbruchzerlegung, Irrationale Funktion, Transzendente Funktion (Exponential-, Logarithmus-Funktion). Zu den einzelnen Themenkreisen sind Beispiele aufgeführt. Wichtige Regeln und Gesetze sind durch Umrandung besonders kenntlich gemacht.

Arnfried Kemnitz

6. Trigonometrie

Behandelt werden folgende Themen:Trigonometrie: Definition, Trigonometrische Funktionen für beliebige Winkel, Beziehungen für den gleichen Winkel, Graphen der trigonometrischen Funktionen, Reduktionsformeln, Additionstheoreme, Sinussatz, Kosinussatz, Arkusfunktion. Zu den einzelnen Themenkreisen sind Beispiele aufgeführt. Wichtige Regeln und Gesetze sind durch Umrandung besonders kenntlich gemacht.

Arnfried Kemnitz

7. Analytische Geometrie

Der Grundgedanke der Analytischen Geometrie besteht darin, dass geometrische Untersuchungen mit rechnerischen Mitteln geführt werden. Geometrische Objekte werden dabei durch Gleichungen beschrieben und mit algebraischen Methoden untersucht. Behandelt werden folgende Themen: Koordinatensysteme: Kartesisches Koordinatensystem der Ebene und des Raumes, Polarkoordinatensystem der Ebene, Zusammenhang zwischen kartesischen und Polarkoordinaten; Geraden: Geradengleichungen, Abstände von Geraden; Kreise: Kreisgleichungen, Kreisberechnungen; Kugeln; Kegelschnitte; Ellipsen; Hyperbeln; Parabeln; Anwendungen von Kegelschnitten aus Technik und Mathematik; Vektoren: Definitionen, Addition, Multiplikation, Komponentendarstellung in der Ebene und im Raum, Skalarprodukt, Vektorprodukt. Zu den einzelnen Themenkreisen sind Beispiele aufgeführt. Wichtige Regeln und Gesetze sind durch Umrandung besonders kenntlich gemacht.

Arnfried Kemnitz

8. Differential- und Integralrechnung

Behandelt werden folgende Themen: Folgen:Grundbegriffe, Arithmetische und geometrische Folgen, Grenzwert einer Folge, Tabelle einiger Grenzwerte, Divergente Folgen; Reihen: Definitionen, Arithmetische, geometrische, harmonische und alternierende Reihen; Grenzwerte von Funktionen: Einseitige Grenzwerte, Grenzwerte im Unendlichen, Rechenregeln für Grenzwerte, Unbestimmte Ausdrücke; Stetigkeit einer Funktion; Unstetigkeitsstelle; Ableitung einer Funktion: Definition, Differenziationsregeln, Höhere Ableitungen, Ableitung einiger algebraischer und transzendenter Funktionen, Sekanten und Tangenten, Extremwerte, Krümmungsverhalten und Wendepunkte von Funktionen, Kurvendiskussion, Näherungsverfahren zur Nullstellenbestimmung (Regula falsi, Newton-Verfahren); Integralrechnung: Unbestimmtes und bestimmtes Integral, Integrationsregeln, Hauptsatz der Differenzial- und Integralrechnung; Funktionenreihen: Definition, Potenz- und Fourier-Reihen. Zu den einzelnen Themenkreisen sind Beispiele aufgeführt. Wichtige Regeln und Gesetze sind durch Umrandung besonders kenntlich gemacht.

Arnfried Kemnitz

9. Anhang

Der Anhang enthält 2 Tabellen:1. Symbole und Bezeichnungsweisen. Sie ermöglicht eine schnelle Orientierung bei der Durcharbeitung oder Anwendung des Kapitels Mathematik. Sie ist nach DIN 1302 (April 1994) und DIN5473 (Juli 1992) zusammengestellt und erlaubt eine eindeutige Kommunikation innerhalb des Gebietes der Technik.2. Das griechische Alphabet. In der Elektrotechnik werden praktisch alle griechischen Buchstaben in Groß- und Kleinschreibung für Formelzeichen verwendet. Diese Übersicht listet sie auf und zeigt ihre Namen und Schreibweisen.

Arnfried Kemnitz

Physik

Frontmatter

10. Einführung

Die Physik ist ein Teilgebiet der Naturwissenschaften und beschäftigt sich mit der leblosen Umwelt. In der Physik wird versucht, die Gesetzmäßigkeiten der unbelebten Materie durch Beobachtungen und Messungen zu erfassen und in einer mathematischen Gleichung darzustellen. Ist diese bekannt, so kann man die physikalischen Gesetze für technische Zwecke ausnutzen. Die Physik wird in folgende Gebiete unterteilt: Mechanik, Thermodynamik (Wärmelehre), Elektrizität und Magnetismus, Wellenlehre, Akustik, Optik, Atom- und Kernphysik, Festkörperphysik, Relativitätstheorie.

Horst Steffen

11. Mechanik

Elektrotechnik und Mechanik verknüpfen sich zunehmend, z. B. bei der Konstruktion von Maschinen. Als Beispiel sei ein Roboter genannt, dessen Bewegungsabläufe elektrisch gespeichert sind und über elektrische Antriebe ausgeführt werden. Bei der Bewegung eines massebehafteten Roboterarmes kommen u. a. Begriffe wie Geschwindigkeit, Beschleunigung, Bewegung im Koordinatensystem und Energie bewegter Massen zum Tragen. Dieses Kapitel erfasst die grundlegenden Gesetze der Mechanik. Behandelt werden folgende Themen: Kinematik des Massenpunktes (Geschwindigkeit, Beschleunigung, Freier Fall, Senkrechter Wurf); Zusammengesetzte Bewegungen (Schiefer Wurf, Kreisbewegung); Dynamik; Newtonsche Axiome; Kraft; Zerlegung und Zusammensetzung von Kräften; Impuls; Impulserhaltungssatz; Arbeit; Leistung; Wirkungsgrad; Energie; Stoß (elastisch und unelastisch); Rotation (Drehmoment, Schwerpunkt, Drehimpuls, Trägheitsmoment, Rotationsenergie); Gravitation; Elastische Verformung fester Körper; Mechanik der ruhenden Flüssigkeiten und Gase (Druck, Kompressibilität); Hydrostatischer Druck; Schweredruck in Gasen (Auftrieb); Hydrodynamik (Kontinuitätsgleichung, Bernoulli-Gleichung).

Horst Steffen

12. Thermodynamik

Mit der Thermodynamik eng verbunden ist der Begriff der Temperatur, die wiederum für die Elektrotechnik von besonderer Bedeutung ist. Beispiele dafür sind: Elektrisches Messen der Temperatur, Halbleiter-Kühlprobleme, Abhängigkeit von Parametern elektrischer Bauelemente von der Temperatur. Die in diesem Kapitel behandelte Thermodynamik beschreibt Vorgänge bezüglich der Temperatur aus einer übergeordneten Sicht. Behandelt werden folgende Themen: Grundbegriffe; Temperatur; Temperaturmessung; Thermische Ausdehnung (Feste Stoffe, Flüssigkeiten, Gase); Ideale Gase (Zustandsgleichung, Kinetische Gastheorie, Wärmeenergie, Zustandsänderungen, Kreisprozesse); Wärmeübertragung; Wärmeleitung; Wärmestrahlung.

Horst Steffen

13. Schwingungen

Schwingungen haben eine große Bedeutung für die Elektrotechnik. Als Beispiele seien genannt: Elektrisches Energieversorgungsnetz, Schallwellen und, als unerwünschte Erscheinung, instabile Systeme. Behandelt werden folgende Themen: Freie ungedämpfte harmonische Schwingung; Gedämpfte Schwingung; Erzwungene Schwingung; Überlagerung harmonischer Schwingungen.

Horst Steffen

14. Wellen

Behandelt werden folgende Themen:Harmonische Wellen (Ausbreitung, Interferenz); Huygensches Prinzip; Reflexion; Brechung; Beugung; Dopplereffekt.

Horst Steffen

15. Akustik

Behandelt werden folgende Themen:Schallausbreitung; Reflexion; Transmission; Absorption; Ultraschall.

Horst Steffen

16. Optik

Die Optik hat für die Elektrotechnik an Bedeutung gewonnen. Beispiele sind die Lichtwellenleiter als Ersatz für Kupferkabel und die LED-Beleuchtungsmittel. Dieses Kapitel behandelt die Optik in allgemeiner Form und trägt somit zum Verständnis der genannten Anwendungen bei. Behandelt werden folgende Themen: Eigenschaften des Lichtes; Geometrische Optik; Reflexion des Lichtes; Brechungsgesetz; Spektralzerlegung; Sammel- und Zerstreuungslinsen; Optische Geräte (menschliches Auge, Fernglas, Mikroskop, Fotoapparat); Wellenoptik (Interferenz, Beugung); Strahlungsphysikalische Größen; Lichttechnische Größen; Licht als Korpuskel.

Horst Steffen

17. Anhang

Der Anhang enthält 3 Tabellen:Physikalische Größen und Einheiten (Abgeleitete Größen); Zahlenwerte physikalischer Größen (Naturkonstanten); Zahlenwerte (Erde, Mond, Sonne).

Horst Steffen

Werkstoffkunde

Frontmatter

18. Stoffe

Die Werkstoffkunde ist für die Elektrotechnik von besonderer Bedeutung, weil sie auf Bauelemente einen entscheidenden Einfluss hat. Dazu einige Beispiele in Stichworten: Isoliermaterialien, Magnetische Werkstoffe, Supraleiter, Dielektrizitäts- und Permeabilitätszahlen, Ferrite. Behandelt werden folgende Themen: Eigenschaften der Stoffe; Atombau und Periodensystem; Aufbau der festen Körper (Bindungsarten, Gitterstruktur); Chemische Grundzusammenhänge, Gleichgewichtsreaktionen; Elektrochemie. Ausführliche Zeichnungen und Datentabellen erleichtern die Einarbeitung in die Theorie und sind für den Anwender eine Hilfe zur Problemlösung.

Egon Döring

19. Elektrische Leitfähigkeit

Die elektrische Leitfähigkeit ist ein zentrales Thema der Elektrotechnik, sei es im Zusammenhang mit widerstandsarmen Leitern, mit Halbleitern oder mit Isolatoren. Behandelt werden folgende Themen: Leitungsmechanismus; Elektrische Leitfähigkeit; Isolator; Halbleiter; Energiebänder; Normalleiter; Supraleiter; Halleffekt; Feldplatte. Ausführliche Zeichnungen und Datentabellen erleichtern die Einarbeitung in die Theorie und sind für den Anwender eine Hilfe zur Problemlösung.

Egon Döring

20. Elektrische Leiter

Behandelt werden folgende Themen:Elektrische Leiter; Normalleiter; Halbleiter; Supraleiter. Ausführliche Zeichnungen und Datentabellen erleichtern die Einarbeitung in die Theorie und sind für den Anwender eine Hilfe zur Problemlösung.

Egon Döring

21. Magnetische Leitfähigkeit

Magnetische Werkstoffe haben eine große Bedeutung für die Elektrotechik, wie im nächsten Kapitel ″Magnetika″ gezeigt wird. Hier werden zunächst die physikalischen Grundlagen dargestellt. Behandelt werden folgende Themen: Modellvorstellung; Verhalten von Materie im Magnetfeld; Magnetisierung; Magnetisierungskurve; Permeabilität. Ausführliche Zeichnungen und Datentabellen erleichtern die Einarbeitung in die Theorie und sind für den Anwender eine Hilfe zur Problemlösung.

Egon Döring

22. Magnetika

Die magnetische Leitfähigkeit ist zu sehen im Zusammenhang mit Magnetwerkstoffen, die z. B. eine hohe Flussdichte und eine möglichst lineare Hysteresekurve besitzen. Mit den Schaltnetzteilen einschließlich galvanischer Trennung zwischen Speise- und Lastkreis kommt den magnetischen Werkstoffen eine besondere Bedeutung zu. Dieses Kapitel behandelt diejenigen Werkstoffe, die spezielle Eigenschaften aufweisen und damit für besondere Anwendungen geeignet sind. Behandelt werden folgende Themen: Metalloxide (Ferrite); Weichmagnetika; Amorphe Metalle; Kernbleche; Weichmagnetische Ferrite; Kernformen; Hartmagnetika. Ausführliche Zeichnungen und Datentabellen erleichtern die Einarbeitung in die Theorie und sind für den Anwender eine Hilfe zur Problemlösung.

Egon Döring

23. Dielektrische Eigenschaften

Bei Kondensatoren ist das Material für das Dielektrikum von entscheidender Bedeutung. Hier werden die grundlegenden Gesetzmäßigkeiten von Materie im elektrischen Feld dargestellt Behandelt werden folgende Themen: Modellvorstellungen zur dielektrischen Polarisation; Dielektrische Materialeinteilung; Elektrische Materialeinteilung; Piezoelektrika; Ferroelektrika; Isolatoren; Durchschlagfestigkeit; Isolationsgüte. Ausführliche Zeichnungen und Datentabellen erleichtern die Einarbeitung in die Theorie und sind für den Anwender eine Hilfe zur Problemlösung.

Egon Döring

24. Dielektrika

Bei Kondensatoren ist das Material für das Dielektrikum von entscheidender Bedeutung. Es bestimmt u.a. mit seiner Dielektrizitätszahl und seiner Durchschlagsfestigkeit die Abmessungen des Kondensators. In diesem Kapitel werden natürliche und künstliche Dielektrika vorgestellt. Behandelt werden folgende Themen: Natürliche anorganische Dielektrika (Quarz, Glas, Gase); Künstliche anorganische Dielektrika (Metalloxide, Porzellan, Titanate); Künstliche organische Dielektrika; Silikone. Ausführliche Zeichnungen und Datentabellen erleichtern die Einarbeitung in die Theorie und sind für den Anwender eine Hilfe für die Lösung seines Problems.

Egon Döring

Grundlagen der Elektrotechnik

Frontmatter

25. Grundbegriffe

Behandelt werden folgende Themen:Grundbegriffe (Aufbau der Atome, Ladungsträger, Spannung, Strom); Das Ohmsche Gesetz; Spezifischer Widerstand/Leitfähigkeit; Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes von Metallen. Beispiele zeigen die Anwendungen der genannten Themen.

Reinhard von Liebenstein

26. Der Gleichstromkreis

Behandelt werden folgende Themen:Zählpfeilsysteme; Kirchhoffsche Gesetze; Maschenregel; Schaltung von Widerständen (Reihenschaltung, Parallelschaltung; Stern-Dreieck-Umwandlung); Messbereichserweiterung (Voltmeter, Amperemeter); Reale Spannungsquellen; Kombination von Spannungsquellen; Ersatzstromquelle; Netzwerkberechnungen (Gemischte Schaltungen, Überlagerungsverfahren, Ersatzspannungsquelle); Nichtlineare Gleichstromkreise; Energie; Leistung; Wirkungsgrad. Beispiele zeigen die Anwendungen der genannten Themen.

Reinhard von Liebenstein

27. Das Elektrische Feld

Behandelt werden folgende Themen:Grundgrößen; Kräfte zwischen Ladungen; Feldstärke; Feldlinien; Potenzial; Spannung; Elektrischer Fluss; Energie geladener Teilchen; Materie im elektrischen Feld (Leiter, Nichtleiter, Kondensatoren); Schaltungen mit Kondensatoren (Parallel-, Reihenschaltung); Energie des elektrostatischen Feldes. Beispiele zeigen die Anwendungen der genannten Themen.

Reinhard von Liebenstein

28. Das Magnetische Feld

Behandelt werden folgende Themen:Feldlinien; Dauermagnet; Stromdurchflossener Leiter; Stromdurchflossene Spule; Magnetfeld der Erde; Magnetische Grundgrößen (Feldstärke, Fluss, Flussdichte); Kräfte im Magnetfeld (Kräfte auf bewegliche Ladungsträger und stromdurchflossene Leiter, magnetisches Moment); Hall-Effekt; Energie des Magnetfeldes; Materie im Magnetfeld; Diamagnetismus; Paramagnetismus; Ferromagnetismus; Ferrimagnetismus; Magnetische Kreise (magnetische Spannung, magnetischer Widerstand). Beispiele zeigen die Anwendungen der genannten Themen.

Reinhard von Liebenstein

29. Induktion

Behandelt werden folgende Themen:Induktion bei Änderung der Fläche; Induktion bei Änderung des Magnetfeldes; Die Induktivität einer Spule; Selbst- und Gegeninduktion; Energie im Magnetfeld einer Spule; Zusammenschaltung von Induktivitäten. Beispiele zeigen die Anwendungen der genannten Themen.

Reinhard von Liebenstein

30. Wechselstrom

Behandelt werden folgende Themen:Grundbegriffe; Erzeugung von Wechselstrom; Phasenverschiebung; Effektivwert; Darstellungsarten (Zeigerdarstellung, Darstellung in der komplexen Zahlenebene); Grundschaltelemente im Wechselstromkreis (R, L, C); Gemischte Schaltungen von R, L, C; Hoch- und Tiefpassschaltung mit RC- und RL-Glied; Bandpassschaltungen; Schwingkreise; Leistung und Arbeit im Wechselstromkreis. Beispiele zeigen die Anwendungen der genannten Themen.

Horst Steffen

31. Drehstrom

Vorgestellt wird unser Energieversorgungsnetz mit folgenden Themen: Erzeugung von mehrphasigem Wechselstrom; Phasenverkettung; Sternschaltung; Dreieckschaltung; Leistung des Dreiphasenstromes; Das unsymmetrische Dreiphasensystem; Das unsymmetrische Vierleitersystem.

Horst Steffen

Elektronik

Frontmatter

32. Leitungsmechanismen bei Halbleitern, pn-Übergang

Zum Verständnis der Wirkungsweise von Halbleitern ist der physikalische Hintergrund äußerst nützlich. Deshalb werden folgende Themen behandelt:Einführung in die Halbleiterphysik; Bändermodell; Dotierung; Der p-n-Übergang.

Peter Döring

33. Dioden

Dioden sind vielfach im Einsatz. Obwohl das Bauelement nur zwei Anschlüsse besitzt, sind bei seiner Anwendung einige Dinge zu beachten. Dieses Kapitel stellt die Diode in ihren Daten und ihren Anwendungen vor. Neben der Standardausführung gibt es auch nützliche Sonderausführungen. Folgende Themen werden behandelt: Kennlinien; Kenndaten und Grenzwerte; Kennzeichnung von Halbleiter-Bauelementen; Diodenarten: Kapazitätsdioden, Schalterdioden, Schottky-Dioden, Gleichrichterdioden, Z-Dioden. Anwendungsschaltungen: Begrenzerschaltungen, Gleichrichterschaltungen (Einweg-, Zweiweg-, Brücken-, Mittelpunkt-Schaltung); Spannungsvervielfacher; Z-Diode als Konstantspannungsquelle. Abbildungen, Diagramme und Schaltbeispiele runden die Behandlung des Themas ab.

Peter Döring

34. Mehrschichtdioden und -trioden

Behandelt werden folgende Themen:Vierschichtdioden (Aufbau, Kennlinien, Anwendung); Thyristoren (Aufbau, Kennlinien, Anwendungen, Diagramme); Diac (Aufbau, Kennlinie, Anwendung); Triac (Aufbau, Kennlinie); Schutz der Dioden und Trioden (zu hohe Anstiegsgeschwindigkeit von Spannungen und Strömen, Überspannungen, Entstörung); Zündmethoden; Schaltbeispiele.

Peter Döring

35. Transistoren

Behandelt werden folgende Themen:Bipolare Transistoren; Transistorkennlinien; Kenn- und Grenzwerte; h-Parameter; Feldeffekttransistoren; Aufbau und Wirkungsweise des Sperrschicht-FET; Aufbau und Wirkungsweise des MOSFET; Kennlinien und Kennwerte von FET; Ersatzschaltbilder für niedrige und hohe Frequenzen.

Peter Döring

36. Besondere Halbleiter-Bauelemente

Behandelt werden folgende Themen:Unijunction-Transistor (Doppelbasis-Diode; Aufbau, Kennlinie, Anwendung); Darlington-Transistor (Aufbau, Eigenschaften, Ersatzschaltbild); VMOS-Transistor (Standard- und Leistungs-Ausführung); SIPMOS-Transistor (Eigenschaften, Schaltverhalten, Parallelschaltung, Treiberschaltung); IGBT (Aufbau, Kennlinien, Treiberschaltung).

Peter Döring

37. Analoge Verstärker

Der Transistor ist ein aktives Bauelement im Gegensatz zu passiven Bauelementen wie zum Beispiel Dioden oder Widerstände. Einer Transistorschaltung kann am Ausgang mehr Signalleistung entnommen werden als ihr am Eingang zur Verfügung steht.In den meisten Anwendungsfällen werden Transistoren verwendet, um kleine Eingangsspannungen und -ströme zu großen Ausgangsspannungen und -strömen zu verstärken. Der Signalverlauf, also die Form der Signale, bleibt erhalten, während sich der Amplitudenwert der Signale vergrößert. Da Eingangs- und Ausgangssignale einander ähnlich sind, arbeitet der Transistor als Analogverstärker. Es werden folgende Themen behandelt: Bipolarer Transistor als Verstärker: Grundschaltungen, Arbeitspunktstabilisierung, Emitter-, Kollektor-, Basisschaltung; Feldeffekttransistor als Verstärker: Arbeitspunkteinstellung und -stabilisierung, Grundschaltungen von FET, Source-, Gate-, Drainschaltung, Weitere Anwendungen; Mehrstufige Verstärker.

Peter Döring

38. Endstufen

Um möglichst große Leistungen an einen Verbraucher, wie zum Beispiel einen Lautsprecher, abgeben zu können, braucht man Endstufen. Das sind Verstärkerschaltungen, bei denen eine möglichst große Signalleistung im Vordergrund steht, während die Spannungsverstärkung nur eine Nebenrolle spielt.Da große Leistungen selbstverständlich auch große Spannungen und Ströme bedeuten, werden die Transistorkennlinien in den Endstufen voll durchgesteuert. Eine nicht völlig lineare Kennlinie führt dabei zu Verzerrungen des Ausgangssignales.Probleme und Lösungen werden dargestellt unter den Begriffen: Betriebsarten; Schaltungen: Gegentakt-AB-Verstärker, Komplementär-Endstufe, Emitterfolger. Serien-Gegentakt-Verstärker.

Peter Döring

39. Operationsverstärker

Der besondere Vorteil der OPs liegt darin, dass sich seine Eigenschaften durch einfache äußere Beschaltungen stark variieren lassen. OPs sind daher in immer größer werdendem Umfang in analogen Schaltungen, aber auch in Schaltungen der Digitaltechnik anwendbar und integrierbar. In diesem Kapitel wird das Bauelement ausführlich vorgestellt und ein Eindruck von seinen universellen Einsatzmöglichkeiten vermittelt. Behandelt werden dazu folgende Themen: Einführung; Differenzverstärker; Grundlagen des Operationsverstärkers; Operationsverstärker: Kennlinie, invertierender und nichtinvertierender Betrieb, Kenndaten; Operationsverstärker mit Gegenkopplung: frequenzabhängig und frequenzunabhängig, Schaltbeispiele. Operationsverstärker als Leistungsverstärker; Aktive Filterschaltungen (Gauß-Filter, Bandsperre).

Peter Döring

40. Elektronische Schalter, Kippstufen

Behandelt werden folgende Themen:Transistor als Schalter: Kennlinien, Schaltbeispiele; Kippschaltungen: Bistabile, monostabile, astabile Kippstufe; Triggerschaltungen (Schmitt-Trigger); Operationsverstärker als Schalter: Triggerschaltungen; Bistabile, monostabile, astabile Kippstufe; Zeitgeber 555; Triggerschaltung TCA 345 A.

Peter Döring

41. Oszillatoren

Oszillatoren sind elektronische Schwingungserzeuger. Sie dienen zur Erzeugung von ungedämpften sinusförmigen Schwingungen. Einsatzgebiete liegen vor in Sendern (Erzeugung der Hochfrequenz), Empfängern (Bildung der Zwischenfrequenz), Messgeräten (Sinus-, Rechteckgeneratoren) und elektronischen Musikinstrumenten (Synthesizer). Ihre Schaltungstechnik wird in diesem Kapitel mit folgenden Themen dargestellt:Allgemeines; Sinusgeneratoren (R-C-Oszillatoren): Phasenschieber-, Wien-Brücken-, Wien-Robinson-Oszillator; Funktionsgenerator am Beispiel XR 2206.

Peter Döring

42. Schaltungstechniken

Behandelt werden folgende Themen:Integrierte Schaltungen: Interner Aufbau, Integrationsgrad, Beispiel NAND-Gatter und Inverter, SMD-Technik.

Peter Döring

43. Optoelektronik

Die Optoelektronik hat sehr an Bedeutung gewonnen. Als Beispiel sei die Umstellung des drahtgebundenen Telefon-Internet-Netzes auf Lichtwellenleiter genannt. Dieses Kapitel soll dazu Einzelheiten vermitteln. Behandelt werden folgende Themen: Grundsätzliche Überlegungen; Optoelektronische Bauelemente: Fotowiderstände, Fotodioden, Fototransistoren, Lumineszenzdioden und Flüssigkristalle (jeweils mit Aufbau, Kennlinien, Anwendungsbeispielen); Anzeigeeinheiten (Leuchtdioden-LED, Einzelelemente und Mehrsegment-Anzeigen); Signalübertragung mit Optokopplern (Aufbau, Integrierte Bausteine); Faseroptische Übertragungsmittel-Lichtwellenleiter.

Peter Döring

44. Analog-Digital-Wandler

Analogsignale in digital codierter Form haben Vorteile (z. B. Speicherung, Übertragung). Ein Beispiel dafür ist die Musik-Film-CD/DVD. In diesem Kapitel werden entsprechende Verfahren vorgestellt. Themen: Grundlagen; Spannungs-Frequenz-Umsetzer: Sägezahn-Verfahren; Dual-Slope-Verfahren; Flash-Umsetzer; Umsetzer nach dem Wägeverfahren. Integrierte Umsetzer.

Peter Döring

45. Digital-Analog-Wandler

Die Umsetzung von Analogsignalen in digital codierte Signale hat Vorteile (z. B. Speicherung, fehlerreduzierte Übertragung), aber bei Bild- und Sprachsignalen muss eine Rückumsetzung in Analogsignale erfolgen, damit der Empfänger ″Auge″ bzw. ″Ohr″ sie auch auswerten kann (Beispiel: CD/DVD). Dieses Kapitel zeigt Lösungen mit folgenden Unterkapiteln: Grundlagen; D-A-Umsetzer-Varianten (Prinzip); Integrierte Umsetzer.

Peter Döring

Technische Kommunikation/Technisches Zeichnen

Frontmatter

46. Grundlagen der zeichnerischen Darstellung

Eine Technische Zeichnung muss nach DIN 6774 Teil 1 in der Weise angefertigt werden, dass sie übersichtlich, unmissverständlich, auch in verkleinertem Maßstab lesbar bleibt, kostengünstig reproduzierbar und dauerhaft archivierbar ist. Zu dem Zweck benötigt man entsprechendes Papier und angepasstes Zeichengerät. Heute ist die Anfertigung mit entsprechenden Rechnerprogrammen möglich.Dieses Kapitel soll dazu Hilfestellung geben. Behandelt werden folgende Themen: Zeichengeräte; Normen für Technische Zeichnungen; Normteile und Konstruktionselemente; Schaltgeräte; Steckverbinder; Widerstands-Farbcode; Kondensator-Bauformen; Bauformen von Dioden, Transistoren und ICs. Zahlreiche Tabellen und Abbildungen dienen zur Erläuterung.

Peter Döring

47. Schaltungsunterlagen

Beim Zeichnen von Schaltplänen werden alle zugehörigen Maschinen, Geräte, Schaltteile und Leitungen nicht maßstabsgetreu und der tatsächlichen Ausführung ähnlich gezeichnet, sondern durch genormte graphische Symbole dargestellt. Die Ausführungen in diesem Kapitel sollen dazu eine Hilfestellung geben. Behandelt werden folgende Themen: Wichtige VDE-Bestimmungen; Diagrammdarstellungen; Schaltzeichen nach DIN; Kennzeichnung von elektrischen Betriebsmitteln; Schaltungsunterlagen der Energietechnik; Schaltungsunterlagen der Elektronik; Schaltzeichen für Binäre Elemente; Entwurf von Schaltungen: Einzelplatinen, Gedruckte Schaltungen; Projektierung. Zahlreiche Tabellen und Abbildungen dienen zur Erläuterung.

Peter Döring

48. Schaltungssynthese und -analyse

Das Kapitel enthält Beispiele aus der Elektrotechnik und der Elektronik.

Peter Döring

49. CAD-Technik

Unter CAD (Computer Aided Design) versteht man ganz allgemein computergestütztes konstruieren. Hierbei steht die Erstellung technischer Unterlagen im Vordergrund. Für die Elektrotechnik und Elektronik sind dies einmal Stromlauf- und Funktionspläne, Verdrahtungspläne, Lagepläne oder Layouts zur Herstellung gedruckter Schaltungen und zum anderen Simulationsprogramme, die Entwicklungsarbeiten erheblich verkürzen.Vorteile beim Einsatz dieser Technik liegen in der schnellen Korrigierbarkeit von Fehlern.Behandelt werden folgende Themen: Allgemeines; Hardware und Software; Erstellen von Schaltplänen; Erstellen von Layouts. Ausführliche Abbildungen dienen zur Erläuterung.

Peter Döring

Datentechnik

Frontmatter

50. Digitaltechnik

Behandelt werden folgende Themen:Grundbegriffe der Digitaltechnik; Logische Grundschaltungen; Realisierungsmöglichkeiten logischer Verknüpfungen; Schaltalgebra; Disjunktive Normalform; Konjunktive Normalform; Schaltungsminimierung mit Hilfe der Schaltalgebra; KV-Tabellen; Synthese logischer Schaltungen; Zahlensysteme in der Digitaltechnik und Datenverarbeitung: Dualsystem, Hexadezimalsystem, Rechnen mit Dualzahlen; Codes allgemein; BCD-Code; Gray-Code; ASCII-Code; Fehlererkennung und Redundanz; Digitale Grundschaltungen: Addierer, Subtrahierer, Komparator, Größer-Kleiner-Vergleich; Codewandler und Decoder: 1-aus-n-Decoder, Multiplexer, Demultiplexer; Flip-Flops (FF): RS-FF, D-FF, J-K-FF, Master-Slave-J-K-FF, T-FF; Schaltungen mit Speicherbausteinen: Register, Schieberegister, Frequenzteiler, Zähler (synchron, asynchron, Dual, BCD); Monoflops; Astabile Kippstufen. Zahlreiche Abbildungen, Wertetabellen und Impulsdiagramme sind in den Text eingefügt.

Heribert Gierens

51. Integrierte Schaltkreise der Digitaltechnik

Behandelt werden folgende Themen:Umgang mit Integrierten Schaltungen; Daten und Begriffe der Logikschaltungen: Pegel, Störsicherheit, Lasteinheit, Temperaturbereich, Gatterlaufzeit, Verlustleistung; TTL-Familie: Eigenschaften und Kenndaten, Standard-TTL, Schottky-TTL, Low-Power-TTL, Emittergekoppelte Logik (ECL); Integrierte MOS-Schaltungen: NMOS- und PMOS-Technik; CMOS: 4000-Serie, CMOS-Schalter, High-Speed-CMOS, BICMOS; Interface-Schaltungen; Programmierbare Logikbausteine: PROM, PAL, GAL, pLSI, ispLSI; Gehäuse. Zahlreiche Abbildungen, Wertetabellen und Impulsdiagramme sind in den Text eingefügt.

Heribert Gierens

52. Mikrocomputertechnik

Behandelt werden folgende Themen:Komponenten eines Mikrocomputers; Mikroprozessoren; Architektur; 8-Bit-Mikroprozessoren: 8085-CPU, Z80-CPU; 16-Bit-Prozessoren: 8086/80286; Halbleiterspeicher: Kenndaten und Technologie, Organisation und Aufbau, Zeitverhalten; Speichertypen: Festwertspeicher, Masken-ROM, PROM, EPROM, EEPROM, Flash-EEPROM; Schreib-Lese-Speicher: SRAM, NVRAM, DRAM, PSRAM; Peripheriebausteine: BUS-Treiber, Einfache E-/A-Bausteine; Programmierbare Schnittstellenbausteine; Zeitgeberbausteine; USART; Mikrocontroller: 8-Bit-Mikrocontroller MC 8051, 16-Bit-Mikrocontroller SAB80C515/535; Maschinensprache: Maschinencode, Befehlsaufbau, Befehlsdarstellung, Befehlszyklus und Befehlszeiten, Befehlsvorrat. Zahlreiche Abbildungen, Wertetabellen und Ablaufdiagramme sind in den Text eingefügt.

Heribert Gierens

53. Computertechnik

Behandelt werden folgende Themen:Komponenten eines Computers; Massenspeicher: Festplatten, CD-ROM-Laufwerke; Eingabegeräte: Tastatur, Maus; Ausgabegeräte: Monitor, LCD-Bildschirm, Drucker.

Heribert Gierens

54. Programmiertechnik

Behandelt werden folgende Themen:Programmiersprachen; Grundlagen der Programmierung.

Heribert Gierens

55. Datenkommunikation

Behandelt werden folgende Themen:Sinn der Datenkommunikation; Geschichte der Datenkommunikation; Einteilung von Netzwerken: Ausdehnung, Dienstarten und Verbindungen; Basisband - Breitband, FDM - DWDM - TDM; Netzwerk-Topologien (Stern-, Bus-, Ring-, Baum-Netz, Mischformen); Das OSI-Referenzmodell: Schicht 0-Übertragungsmedien (Kabel, Stecker), Schicht 1-Bitübertragung (Bit/s, Baud, Bitkodierungen); Schicht 2-Datensicherung (IEEE 803.3 - CSMA/CD, IEEE 802.5 - Token Ring), Schicht 3-Vermittlung (Internet Protokoll IP, IP-Adressen, IP-Adressklassen, Network Address Translation, IPv4, IPv6), Schicht 4-Transport (TCP/IP), Aufgaben der Schichten 5 bis 7 (DNS, DHCP); Industrial Ethernet. Datentabellen und Ablaufdiagramme im Text erläutern die Sachverhalte zusätzlich.

Ulrich Lindemann

Automatisierungstechnik

Frontmatter

56. Einführung

Günter Wellenreuther, Dieter Zastrow

57. Automatisierungsgeräte

Die derzeit am weitesten verbreitete Hardware-Plattform der Steuerungstechnik ist die Speicherprogrammierbare Steuerung SPS, wie sie in Abb. 57.1 abgebildet ist, dort jedoch ohne den heute schon üblichen Anschluss an ein Feldbussystem zur Vernetzung mit anderen Steuerungskomponenten.Eine Speicherprogrammierbare Steuerung hat die Struktur eines Rechners, deren Funktion als Programm gespeichert ist. Sie besteht im einfachsten Fall aus einer Stromversorgung PS, einem Steuerungsprozessor CPU, einigen zentralen digitalen Eingabe- und Ausgabebaugruppen sowie einem internen Bussystem. Bei Bedarf können auch Baugruppen zur Analogwertverarbeitung oder für besondere Funktionen wie Regler, schnelle Zähler und Positionierungen hinzukommen. Die Peripheriebaugruppen und die Programmiersprachen sind auf die Belange der Steuerungstechnik ausgerichtet. Speicherprogrammierbare Steuerungen gibt es als modulare und kompakte Systeme für unterschiedliche Anforderungsniveaus. Ein typisches Merkmal von SPS-Steuerungen ist die zyklische Programmbearbeitung, wie in Abb. 57.2 angedeutet.

Günter Wellenreuther, Dieter Zastrow

58. Grundzüge der SPS-Norm IEC 61131-3

Auch wenn das Programmieren von Steuerungen und Regelungen noch immer ein sehr individueller Prozess ist, muss seit Jahren der Standard der SPS-Programmier-Norm IEC 61131-3 zu Grunde gelegt werden, der eine rationellere Programmerstellung und größere Herstellerunabhängigkeit zum Ziel hat. Den Anwendungsprogrammierern müssen wirksame Mittel an die Hand gegeben werden, um wiederverwendbare und damit kostensparende Programme entwickeln zu können. Die Norm IEC 61131-3 bzw. DIN EN 61131-3 richtet sich daher in erster Linie an SPS-Hersteller. Für Anwendungsprogrammierer ist die SPS-Norm eher ein Dokument im Hintergrund, denn sie sind für ihre Arbeit auf ein reales IEC 61131-3 kompatibles Programmier- und SPS-System angewiesen.Die Grundzüge dieser SPS-Norm werden in den folgenden Abschnitten dargelegt und bilden die Voraussetzungen dafür, mit einem der SPS-Norm entsprechenden Programmiersystem richtig umgehen zu können.

Günter Wellenreuther, Dieter Zastrow

59. Programmstrukturen

Unter einer Programmstruktur versteht man den Aufbau eines Anwenderprogramms aus Codebausteinen. Es können drei Strukturen unterschieden werden: Lineares Programm, Gegliedertes Programm, Parametrierbares Programm.

Günter Wellenreuther, Dieter Zastrow

60. Eingabe- und Ausgabesignale

In den technischen Prozessen treten physikalische Größen wie Temperaturen, Drucke, Durchflüsse etc. auf. Automatisierungsgeräte können in der Regel nur elektrische Signale erkennen und ausgeben. Wo erforderlich, muss also eine Signalumwandlung erfolgen. Man unterscheidet verschiedene Signalarten: Binäre Signale, Digitale Signale, Analoge Signale.

Günter Wellenreuther, Dieter Zastrow

61. Eingabe-/Ausgabebaugruppen

Die in Abb. 57.1 angedeuteten Eingabe- und Ausgabebaugruppen der SPS werden üblicherweise als zentrale digitale Eingabe- und Ausgabebaugruppen bezeichnet im Gegensatz zu den dezentralen Baugruppen (Slaves), die über ein Feldbussystem angeschlossen sind. Die digitalen Eingabe- und Ausgabebaugruppen umfassen meistens 1 Byte $$=$$ 8 Bit; 2 Byte $$=$$ 16 Bit; 4 Byte $$=$$ 32 Bit Eingänge bzw. Ausgänge. Im Steuerungsprogramm können Bits, Bytes, Worte oder Doppelworte abgefragt oder angesteuert werden. Bei Analogbaugruppen sind entsprechend die Anzahl der Eingänge bzw. Ausgänge angegeben.Digitaleingabebaugruppen gibt es für DC 24 V und AC 120/230 V mit Potenzialtrennung über Optokoppler sowie Anzeige des aktuellen Signalzustandes durch Leuchtdioden. Aufgrund von Filtermaßnahmen gegen Störsignale liegt die Frequenzobergrenze für Eingangssignale bei etwa 50 Hz. Die Digitaleingabebaugruppen formen die Pegel der externen digitalen Signale aus dem Prozess in den internen Signalpegel des SPS-Systems um. Die Baugruppen sind z. B. geeignet für den Anschluss von Schaltern und 2-Draht-Näherungsschaltern (BERO).

Günter Wellenreuther, Dieter Zastrow

62. Verknüpfungssteuerungen

SPS-Programme werden mit einem IEC 61131-3 orientierten Projektierungssystem (z. B. CoDeSys) als Projekte angelegt, in Bausteine programmiert und unter einem Dateinamen abgespeichert.Als Verknüpfungssteuerungen bezeichnet man solche Programme, die Ausgangssignale überwiegend unter Verwendung einfacher Logikbeziehungen, Speicherfunktionen, Zeitglieder, Zähler u. a. in zyklischer Bearbeitungsweise erzeugen. Damit stellen Verknüpfungssteuerungen den größten Teil der SPS-Programme dar. Neben den Verknüpfungssteuerungen gibt es noch die Programmart der Ablaufsteuerungen.

Günter Wellenreuther, Dieter Zastrow

63. Aufruf und Wertübergaben zwischen Bausteinen nach IEC 61131-3

Das Anwenderprogramm einer SPS hat einen hierarchischen Aufbau. An oberster Stelle steht ein Baustein des Typs Programm (P), dessen Deklaration und Gebrauch identisch ist mit denen der bereits beschriebenen Funktionsbausteine, jedoch mit den begrenzenden Schlüsselwörtern PROGRAM … END_PROGRAM. In diesem Baustein können Instanzen von Funktionsbausteinen (FB) sowie Funktionen (FC) aufgerufen werden. An mittlerer Stelle stehen die Bausteine des Typs Funktionsbaustein (FB). Innerhalb eines Funktionsbausteins können Instanzen anderer Funktionsbausteine oder auch Funktionen (FC) aufgerufen werden. An unterster Stelle stehen die Bausteine vom Typ Funktionen (FC). Innerhalb einer Funktion können andere Funktionen (FC) aufgerufen werden.

Günter Wellenreuther, Dieter Zastrow

64. Ablaufsteuerung

Steuerungsprogramme, die einen schrittweisen Prozessablauf nach den Vorgaben von Ablauf-Funktionsplänen ausführen, werden Ablaufsteuerungen genannt. Das Kapitel gliedert sich in: Ablauf-Funktionsplan - Grafische Darstellung von Ablaufsteuerungsfunktionen - Betriebsartenteil und Bedienfeld.

Günter Wellenreuther, Dieter Zastrow

65. Kommunikation in Automatisierungssystemen

Die Automatisierungstechnik befindet sich im Umbruch. Durch Anwendung moderner Kommunikationstechnik erhofft man sich entscheidende Verbesserungen bei Effizienz und Flexibilität der Automatisierungsprozesse. Der Begriff der Automatisierungstechnik umfasst heute mehr als nur das Automatisieren im Sinne von Steuern, Regeln und Visualisieren, eingeschlossen ist auch das Kommunizieren.Einige Stichworte zu diesem Kapitel: Bussysteme; PROFINET - Offener Industrial Ethernet Standard; PROFINET IO; OPC-Technologie.

Günter Wellenreuther, Dieter Zastrow

66. Steuerungssicherheit

Jede Maschinensteuerung ist mit einem Fehlerrisiko behaftet, das sich durch besondere Maßnahmen bei der Entwicklung, Fertigung, Inbetriebnahme und Bedienung verringern aber nicht völlig ausschließen lässt. Fehlerursachen sind technisches oder menschliches Versagen.Sicherheitsrelevante Maßnahmen sind nicht allein unter dem Aspekt der technischen Funktion (Wie funktioniert die Sicherheitsmaßnahme?) sondern besonders auch unter rechtlichen Gesichtspunkten (Welche Sicherheitsvorschriften gelten?) zu sehen. Hinter allem aber steht eine soziale Verantwortung des Geräteherstellers und Betreibers, der sich bewusst sein sollte, dass der Werker an einer Maschine davon ausgeht, dass diese sicher ist.Stichworte zu diesem Kapitel: Europäische Richtlinien und Sicherheitsnormen; Sicherheitsbegriff; Sicherheitskategorien.

Günter Wellenreuther, Dieter Zastrow

67. Regelungstechnische Grundbegriffe der Automatisierungstechnik

Die folgenden Abschnitte über regelungstechnische Grundbegriffe, Regelstrecken und Regler sind nur eine enge Ausschnittsbetrachtung einer umfassenden Wissenschaft, die sich mit der gezielten Beeinflussung dynamischer Prozesse während des Prozessablaufs beschäftigt und dafür mathematische Methoden zur Systembeschreibung und -untersuchung entwickelt hat. Es geht hier nicht um die mathematische Behandlung von Regelkreisen, sondern im Kern nur darum, für eine bestimmte Regelungsaufgabe einen geeigneten Reglertyp auszuwählen und den Einfluss seiner Regelparameter auf das Verhalten im Regelkreis kennenzulernen.

Günter Wellenreuther, Dieter Zastrow

68. Regelstrecken

Das nachfolgend beschriebene Ordnungsschema soll helfen, um sich besser in der unübersehbaren Vielfalt möglicher Regelstrecken zurecht zu finden: Regelstrecken mit und ohne Ausgleich, mit und ohne Totzeit, mit und ohne Verzögerung.

Günter Wellenreuther, Dieter Zastrow

69. Regler

Aufgabe der Regler ist es, bei Abweichung der Regelgröße x von der Führungsgröße w die Reglerausgangsgröße y R so zu verändern, dass die Regelgröße x in möglichst kurzer Zeit optimal an die Führungsgröße w angeglichen wird. Ursache für die Abweichung kann eine aufgetretene Störgröße z oder die veränderte Führungsgröße w sein.Aus Gründen der Umfangsbeschränkung soll hier auf die Darstellung der schaltungs- und gerätetechnischen Ausführungen von Reglern verzichtet werden. Es werden nur die typischen Eigenschaften bekannter Reglertypen anhand ihrer Regelfunktion und durch ihre sog. Sprungantworten beschrieben, siehe Übersicht in Abb. 69.2. Danach wird übergeleitet zum PID-Regelalgorithmus für den digitalen Abtastregler, der als Softwareregler in einer SPS realisiert werden kann.

Günter Wellenreuther, Dieter Zastrow

Regelungstechnik

Frontmatter

70. Einführung

Regelungstechnik ist die Wissenschaft von der automatischen gezielten Beeinflussung dynamischer Prozesse [3]. Dynamisch bedeutet, dass die Prozessgrößen sich zeitlich ändern.Prozesse laufen in Systemen ab, also Einheiten, die mit der Umwelt durch Ein- und Ausgangsgrößen verbunden sind. Der Zusammenhang von Ein- und Ausgangsgrößen wird durch mathematische Beziehungen, beispielsweise Differenzialgleichungen, beschrieben. Das zu beeinflussende System wird auch als Regelstrecke oder kurz Strecke bezeichnet, die Begriffe Prozess, System und Strecke werden im Folgenden synonym verwendet. Je nach Anwendungsfall kann es sich um ein technisches oder auch um ein nichttechnisches System, beispielsweise ein biologisches oder ökonomisches, handeln. Die im Folgenden behandelten Methoden der Regelungstechnik verwenden stets ein mathematisches Modell, also eine abstrahierte Beschreibung des Prozesses.

Joachim Horn

71. Strukturbild und Übertragungsglieder

Das Strukturbild eines dynamischen Systems, auch Signalflussplan genannt, ist eine grafische Darstellung der Funktionalbeziehungen der zeitveränderlichen Größen. Die zeitveränderlichen Größen werden dabei als Pfeile dargestellt. Blöcke charakterisieren die Funktionalbeziehung zwischen den Eingangsgrößen und den Ausgangsgrößen, beispielsweise durch eine Differenzialgleichung. Blöcke sind rückwirkungsfrei.Das Strukturbild stellt eine anschauliche Beschreibung des dynamischen Systems dar. Rückkopplungen oder unabhängige Teilsysteme können in dieser grafischen Darstellung viel einfacher erkannt werden als direkt aus den Gleichungen der zeitveränderlichen Größen des Systems.Ein Übertragungsglied wird durch die Funktionalbeziehung zwischen den Eingangsgrößen und den Ausgangsgrößen beschrieben. Übertragungsglieder werden im Strukturbild als Block dargestellt. In Tab. 71.1 sind einfache Übertragungsglieder mit den gebräuchlichen Blocksymbolen aufgelistet. Bei linearen, zeitinvarianten Übertragungsgliedern (siehe Abschn. 71.3.2 und 71.3.3) wird entweder die Sprungantwort $$h(t),$$ also die Ausgangsgröße $$y(t)$$ bei einem Einheitssprung $$\sigma(t)$$ als Eingangsgröße $$u(t),$$ im Blocksymbol dargestellt oder die in Abschn. 71.3.1 definierte Übertragungsfunktion $$G(s)$$ angegeben.

Joachim Horn

72. Übertragungsverhalten linearer, zeitinvarianter Übertragungsglieder

Stichworte zum Kapitel: Übertragungsfunktion; Frequenzgangfunktion; Frequenzkennlinien elementarer Übertragungsfunktionen: Verstärkungsfaktor, Integrierer, Differenzierer, Reeller Pol, Reelle Nullstelle, Konjugiert komplexes Polpaar, Konjugiert komplexes Nullstellenpaar, Totzeit, Allpass erster und zweiter Ordnung. Die hergeleiteten mathematischen Ergebnisse werden durch Diagramme anschaulich dargestellt.

Joachim Horn

73. Stabilität

Für die Stabilität eines linearen, zeitinvarianten Übertragungsgliedes existieren verschiedene Definitionen. Bei der asymptotischen Stabilität wird gefordert, dass der Systemausgang nach einer kurzzeitigen Systemanregung mit wachsender Zeit wieder gegen Null geht. Bei der BIBO-Stabilität (Bounded Input-Bounded Output) wird gefordert, dass bei einem beschränkten Systemeingang der Systemausgang ebenfalls beschränkt ist.Ein LZI-Glied heißt asymptotisch stabil, wenn seine Impulsantwort $$g(t)$$ für $$t\rightarrow\infty$$ gegen Null strebt. Andernfalls heißt es instabil.Gleichwertig hierzu ist die Forderung, dass die Sprungantwort $$h(t)$$ für $$t\rightarrow\infty$$ gegen einen endlichen Wert strebt.Ein LZI-Glied heißt BIBO-stabil (Bounded Input-Bounded Output), wenn die Systemantwort auf jede beschränkte Eingangsgröße ebenfalls beschränkt ist.Die BIBO-Stabilität wird auch als Übertragungsstabilität bezeichnet. Aus der BIBO-Stabilität folgt stets die asymptotische Stabilität, die BIBO-Stabilität stellt also eine strengere Forderung an das Übertragungsglied. Für den wichtigen Fall der R-Glieder stimmen jedoch asymptotische Stabilität und BIBO-Stabilität überein, so dass im Folgenden nur noch von Stabilität gesprochen wird.Ein R-Glied ist genau dann stabil, wenn alle Pole seiner Übertragungsfunktion links der imaginären Achse der komplexen Ebene liegen.Weitere Stichworte: Hurwitz-Kriterium; Nyquist-Kriterium; Phasenreserve, Amplitudenreserve.

Joachim Horn

74. Entwurf von Regelkreisen

Betrachtet werde der Standardregelkreis gemäß Abb. 74.1. $$G_{S}(s)$$ bezeichnet die Übertragungsfunktion der Strecke, die bekannt sei. $$G_{R}(s)$$ bezeichnet die Übertragungsfunktion des Regelgliedes, dessen Struktur und Parameter so zu bestimmen sind, dass der geschlossene Regelkreis die gewünschten Eigenschaften besitzt. Zunächst sollen diese Forderungen an die Regelung dargestellt und die zu ihrer Erfüllung erforderlichen Bedingungen hergeleitet werden.Weitere Stichworte: Stabilität; Stationäre Genauigkeit; Hinreichende Dämpfung; Hinreichende Schnelligkeit; Standardregler; Korrekturglieder; Faustregeln für die Wahl der Reglerstruktur und der Reglerparameter; Reglerentwurf mit dem Frequenzkennlinienverfahren; Einstellregeln bei speziellen Regelstrecken: Betragsoptimum, Symmetrisches Optimum.

Joachim Horn

Messtechnik

Frontmatter

75. Grundlagen und Grundbegriffe der Messtechnik

Es ist eine wesentliche Aufgabe der Messtechnik, technische Vorgänge quantitativ zu erfassen und anhand der gemessenen Größen Funktionsabläufe zu steuern. Als Beispiel sei ein Kraftwerk zur Energieerzeugung genannt, bei dem nur über die Messung von Temperaturen, Leistungen, Drücken und anderen Größen Aussagen über den momentanen Zustand möglich sind und bei Abweichungen vom Sollwert geeignete Eingriffe in das System erfolgen können. Damit eine eindeutige Kommunikation möglich wird, sind die in der Messtechnik verwendeten Begriffe, Messverfahren und Maßeinheiten in entsprechenden Normen oder Vorschriften festgelegt.Dazu die Stichpunkte dieses Kapitels: Begriffe; Einheiten; Messabweichung, Messfehler; Systematische Abweichungen; Zufällige Abweichungen; Arithmetischer Mittelwert; Erwartungswert; Standardabweichung; Abweichungsfortpflanzung - Fehlerfortpflanzung; Fehlerangaben von Messgeräten; Arithmetischer Mittelwert und Effektivwert von Wechselgrößen; Häufigkeitsverteilung; Vertrauensbereich; Bearbeitung und Auswertung von Messwerten. Die genannten oder abgeleiteten Begriffe bzw. Größen werden durch Beispiele erläutert.

Wilfried Plaßmann

76. Analog anzeigende Messgeräte

Die analog anzeigenden Messgeräte sind zum großen Teil von den digital anzeigenden abgelöst worden, weil letztere i. Allg. einen kleineren Messfehler und einen geringeren Eigenverbrauch besitzen und häufig Funktionen wie automatische Messbereichswahl, Speicherung von Messdaten und eine Schnittstelle zur Messdatenerfassung und -verarbeitung bieten. Die Analogmessgeräte sollen hier deshalb nur auszugsweise und kurz behandelt werden.Dargestellt wird ihr gemeinsames physikalisches Wirkungsprinzip; dann folgen Drehspul-Messwerk, Dreheisen-Messwerk und Elektrodynamisches Messwerk mit ihren speziellen Eigenschaften. Die verwendeten Symbole und Instrumentenbeschriftungen sind in Tabellen zusammengefasst.

Wilfried Plaßmann

77. Oszilloskop

Stichworte zum Kapitel: Übersicht; Aufbau eines Oszilloskopes: Eingangskopplung, Eingangsteiler-Eingangsverstärker, Triggerung, Position, Zeitachse, Analog-Digital-Umsetzer, Signal-Weiterverarbeitung, Zusatzoptionen, Netzteil; Zusatzeinrichtungen: Differenzverstärker, Kalibrier-Spannungsquelle, Tastköpfe.

Wilfried Plaßmann

78. Schreibende Messgeräte

Die schreibenden Messgeräte werden hauptsächlich eingesetzt, um Vorgänge aufzuzeichnen und zu dokumentieren, die sich im Minuten- und Stunden-Bereich abspielen. Sie sind weitgehend durch Oszilloskope oder elektronische Geräte ähnlich einem Oszilloskop ersetzt worden, die entsprechend für Langzeitaufnahmen ausgelegt sind. Der Vorteil dieser Geräte gegenüber den schreibenden Messgeräten ist der, dass die Daten dauerhaft gespeichert sind, einschließlich der notwendigen Kenngrößen wie Zeitmaßstab, Amplitude, Datum, Aufzeichnungsgerät usw., und sich in dieser Form beliebig oft ausdrucken und vor allem direkt weiterverarbeiten lassen. Weiterhin entfallen die Probleme mit der Mechanik, dem Papier und den Schreibstiften. Deshalb folgt hier eine nur kurze Darstellung der Geräte.Stichworte: Betriebsarten; Schreibstiftauslenkung.

Wilfried Plaßmann

79. Digital anzeigende Messgeräte

Die im Kap. 76 behandelten analog anzeigenden Messgeräte werden zunehmend durch digital anzeigende Geräte ergänzt oder ersetzt. In der Tab. 79.1 sind einige Vorteile beider Verfahren einander gegenübergestellt.Um die Vorteile beider Verfahren zu kombinieren, werden digital anzeigende Messgeräte mit einer zusätzlichen Balkenanzeige mit bis zu 100 Einzelelementen gefertigt. Auf diese Weise wird eine quasi-analoge Anzeige nachgebildet.Stichworte zum Kapitel: Digitalvoltmeter; Digitalmultimeter; Messung von Kapazitäten, Frequenzen und Stromverstärkungen; Messung von Temperaturen.

Wilfried Plaßmann

80. Messverfahren zur Messung elektrischer Größen

Behandelt werden diese Themen:Messung von Gleichspannungen; Messabweichung durch den Innenwiderstand des Spannungsmessers; Spannungsmessung mit dem Kompensator; Messung von Gleichströmen; Messbereichserweiterung; Messung von Wechselspannungen; Messung von Wechselströmen; Gleichstrom-Messbrücken zur Widerstandsmessung (Wheatstone, Thomson); Wheatstone-Messbrücke im Abgleich- und im Ausschlagverfahren; Wechselstrom-Messbrücken zur Widerstands- und Impedanzmessung; Widerstandsmessung durch Spannungs- und Stromvergleich; Wirkleistungsmessung bei Wechselstrom; Wirkleistungsmessung im Drei- und Vierleiter-Drehstromsystem (beliebige Belastung); Blindleistungsmessung im Vierleiter-Drehstromsystem (beliebige Belastung); Leistungsfaktormessung; Messung der Arbeit; Messung von Gütefaktor und Verlustfaktor bei Kondensator und Spule; Messung des Betrages einer Impedanz; Messung magnetischer Größen: Magnetischer Fluss, Magnetische Flussdichte, Magnetische Feldstärke, Permeabilität.

Wilfried Plaßmann

81. Messverfahren zur Messung nichtelektrischer Größen

Die elektrische Messung nichtelektrischer Größen gewinnt zunehmend an Bedeutung, da einerseits sehr leistungsfähige Messverfahren entwickelt worden sind und andererseits die Messdatenverarbeitung auf elektrischem Wege in Rechnern geschieht und damit die Umsetzung der nichtelektrischen Größen in elektrische Größen zwingend notwendig ist. In Tab. 81.1 sind einige Vor- und Nachteile der elektrischen Messung nichtelektrischer Größen gegenüber der nichtelektrischen Messung dargestellt.Behandelt werden diese Themen: Vor- und Nachteile des elektrischen Messens nichtelektrischer Größen; Ohmsche Messaufnehmer; Kapazitive Aufnehmer; Induktive Aufnehmer; Optische Aufnehmer; Ladungsliefernde Aufnehmer; Thermische Aufnehmer; Chemische Aufnehmer; Aufnehmer zur Messung von Gaskonzentrationen; Kraftmessung mit Dehnungsmessstreifen; Füllstandsmessung; Drehzahlmessung; Durchflussmessung; Zeit- und Frequenzmessung; Weg- und Winkelmessung; Beschleunigungsmessung.

Wilfried Plaßmann

82. Messdatenaufbereitung

Die von den Messaufnehmern gelieferten elektrischen Größen sind häufig Spannungen im µV- oder mV-Bereich. Zur Weiterverarbeitung in Rechnern müssen sie zunächst auf Werte im V-Bereich verstärkt werden, weil die Analog-Digital-Umsetzer entsprechende Größen benötigen. Außerdem wird eine eventuell erforderliche Übertragung der Messgröße in analoger Form über größere Entfernungen mit geringem Fehler möglich. Zu diesem Zweck muss der Einfluss der stets vorhandenen Störungen auf das Messsignal so klein wie möglich gehalten werden. Theoretische Untersuchungen und praktische Erfahrungen haben zu den im Folgenden dargestellten Schaltungen geführt, die für eine Vielzahl von Messaufgaben anwendbar sind.Stichworte: Verringerung der Störeinflüsse von außen; Messverstärker.

Wilfried Plaßmann

83. Bussysteme für die Messtechnik

Die hier betrachteten Bussysteme werden bevorzugt in der Messtechnik eingesetzt und dienen dazu, den Befehls- und Messdatenverkehr zwischen Messgeräten und der Erfassungs- und Verarbeitungsstation (Rechner) zu organisieren.Stichworte: Grundbegriffe; IEC-Bus; DIN-Messbus; Aktor-Sensor-Interface (ASI); CAN-Bus; USB-Übertragung; LAN-Übertragung (Local Area Network).

Wilfried Plaßmann

84. Probleme bei der Digitalisierung analoger Messwerte

Messwerte liegen häufig in analoger Form als Spannungswerte vor. Sie werden in eine digital kodierte Form umgesetzt, wenn eine (nahezu) fehlerfreie Übertragung erforderlich ist, wenn Signalverläufe gespeichert werden sollen, wenn eine Weiterverarbeitung erfolgen soll oder wenn Messungen mit sehr geringem Messfehler notwendig sind. Hier soll auf einige Probleme, die durch die Umsetzung entstehen, aus messtechnischer Sicht eingegangen werden. Stichworte: Fehler bei der Digitalisierung; Signal-Quantisierungsgeräusch-Abstand; Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses; Abtast-Halte-Glied; Aliasing; Erfassung von Momentanwerten.

Wilfried Plaßmann

85. PC-gestützte Messverfahren und Messsignalanalyse

Stichworte zum Inhalt dieses Kapitels: Statistische Verfahren zur Messsignalauswertung; Grafische Darstellung; Ermittlung von Kenngrößen; Klassierung; Messsignalanalyse: Fourierzerlegung, Autokorrelation, Digitale Filter; Anwendungen: Klirrfaktor, Schadenfrüherkennung, Abstandsmessung, Erkennung von periodischen Anteilen.

Wilfried Plaßmann

Energietechnik

Frontmatter

86. Elektrische Maschinen

Behandelt werden folgende Themen:Transformator: Aufgaben, Bauteile, Kühlung, Einphasen-Transformator, Aufbau und Schaltung von Drehstrom-Transformatoren, Parallelschalten von Transformatoren,Transformatorschutz, Überlastung, Aufstellen von Transformatoren, Spartransformatoren; Spannungswandler; Stromwandler; Drehstrom-Asynchronmaschine: Wirkungsweise, Betriebsverhalten, Spannungsgleichung, Ersatzschaltbild, Leistungsfluss, Betriebskennlinien; Kurzschlussläufer: Anlassverfahren, Bremsverfahren, Drehzahlsteuerung, Frequenzänderung; Schleifringläufer: Anlassverfahren, Bremsverfahren, Drehzahlsteuerung; Linearmotor; Drehstromsynchronmaschinen: Wirkungsweise, Spannungsgleichung, Anlauf; Einphasen-Asynchronmotoren; Drehstrommotor im Einphasenbetrieb; Schrittmotor; Servomotor; Scheibenläufermotor; Gleichstrommaschinen: Aufbau und Wirkungsweise, Ankerrückwirkung; Betriebsverhalten von Gleichstrommaschinen: Nebenschlussmotor, Reihenschlussmotor; Betriebsverhalten von Gleichstromgeneratoren: Fremderregter Generator, Nebenschlussgenerator, Reihenschlussgenerator, Doppelschlussgenerator; Gleichstrommaschine am Wechsel- oder Drehstromnetz; Universalmotor; Auswahl von Motoren: Bauform, Kühlart, Isolierstoffklassen, Motorschutz, Wartung.

Reinhard von Liebenstein

87. Elektrische Energieversorgung

Nur mit einer zuverlässigen und wirtschaftlichen elektrischen Energieversorgung ist eine nachhaltige gesellschaftliche Entwicklung von Industrienationen möglich. Gleichzeitig muss diese selbst so nachhaltig, d. h. umweltverträglich gestaltet werden, dass auch zukünftige Generationen nicht in ihrer Entfaltung behindert werden. Eine versorgungssichere, wirtschaftliche und umweltverträgliche Energiebereitstellung ergibt sich nicht zwingend allein aus einer technisch evolutionären Entwicklung und ist auch bis heute nicht ausschließlich nur mit einer der bekannten Wandlungstechnologien nachweislich realisierbar.Daher wird die Energieversorgung insgesamt, wegen ihrer gesellschaftlichen Relevanz jedoch insbesondere die elektrische Energieversorgung, durch politische Steuerungsinstrumente und Gesetzgebung gelenkt. Dazu gehören neben dem Energiewirtschaftsgesetz das Stromeinspeisungsgesetz, europäische Richtlinien, das Erneuerbare-Energien-Gesetz sowie verschiedene weitere Instrumente zur Regulierung und Setzung von Investitionsanreizen.

Detlef Schulz

88. Elektrische Energieanwendung

Stichworte zu diesem Kapitel:Kompensationsanlagen; Beleuchtungsanlagen: Grundlagen der Lichttechnik, Lichtquellen, Glühlampen, Leuchtstofflampen, Entladungslampen, Leuchten, Berechnung von Beleuchtungsanlagen.

Reinhard von Liebenstein

Leistungselektronik

Frontmatter

89. Halbleiter in der Leistungselektronik

Elektronische Bauelemente werden in der Energietechnik bevorzugt eingesetzt als Schalter und als Signalverstärker. Sie müssen aber den gegebenen Betriebsbedingungen anpasst werden. Dazu gehören u. a. die höheren elektrischen Feldstärken, die höheren Stromdichten sowie die höheren Verlustleistungen und die damit verbundenen Wärmeableitprobleme. Außerdem gibt es spezielle Schaltungen, die vornehmlich in der Energietechnik angewendet werden. Hier folgt eine Einführung in das Gebiet der Leistungselektronik.

Wilfried Plaßmann

90. Leistungshalbleiter

Stichworte: Halbleiterdioden: Aufbau, statisches Verhalten, Kenngrößen, Grenzwerte, Dynamisches Verhalten, TSE, Schutzschaltungen, Zusammenschaltung von Dioden; Bipolartransistoren: Aufbau, statisches Verhalten, Kenngrößen, Grenzwerte, SOAR, Dynamisches Verhalten, Schutzschaltungen, Parallelschaltung von bipolaren Transistoren; Feldeffekttransistoren: Aufbau, statisches Verhalten, Kenngrößen, Grenzwerte, Dynamisches Verhalten, Zusammenschaltung von Feldeffekttransistoren; IGBT-Transistoren; Thyristoren: Aufbau, statisches Verhalten, Kenngrößen, Grenzwerte, Dynamisches Verhalten, Schutzschaltungen, Zusammenschaltung von Thyristoren, Löschen von Thyristoren, GTO-Thyristor, DIAC, TRIAC, Gatt-Thyristor, Foto-Thyristor.

Wilfried Plaßmann

91. Einsatz von Leistungshalbleitern als Schalter

Stichworte: Schalter: Schalterarten, Gegenüberstellung Mechanische Schalter - Halbleiterschalter; Halbleiter-Relais; Halbleiterkühlung: Grundlagen, Berechnungen zur Halbleiterkühlung, Statisches Verhalten, Dynamisches Verhalten; Ansteuerschaltungen: Allgemein, für Bipolartransistoren, für Felteffekttransistoren und IGBT, für Thyristoren, für GTO-Thyristoren; Schutzschaltungen: Überspannungsschutz, Überstromschutz.

Wilfried Plaßmann

Nachrichtentechnik

Frontmatter

92. Grundlagen der Nachrichtenübertragung

Die Nachrichtentechnik hat die Aufgabe, Nachrichten auszutauschen. Nachrichten sind z. B. Fragen, Beobachtungen und Befehle. Unter dem Begriff Nachrichtenübertragung wird hier die elektrische Nachrichtenübertragung verstanden, denn zur Übermittlung von Nachrichten werden Spannungen und Ströme sowie elektrische und magnetische Felder eingesetzt. Die Übertragung beginnt mit der Nachrichtenquelle, die die Nachrichten aussendet, und endet mit der Nachrichtensenke, die sie empfängt. Zwischen beiden liegt das elektrische Nachrichtenübertragungssystem, dessen Funktionseinheiten dargestellt sind und erläutert werden.Stichworte: Prinzip der elektrischen Nachrichtenübertragung; Aufgaben der Nachrichtentechnik; Grundbegriffe: Nachricht, Information und Signal, Entropie, Redundanz, Kanalkapazität; Signale im Zeit- und Frequenzbereich; Fouriertransformation; Laplace-Transformation; FFT; Abtasttheorem von Shannon; Verzerrungen; Klirrfaktor; Kenngrößen der Übertragungsstrecke; Pegel.

Wilfried Plaßmann

93. Zweitore, Vierpole

Zweitore (nach DIN 4899; alte Bezeichnung „Vierpole“) sind Funktionseinheiten mit zwei Toren, wobei zu jedem Tor ein Klemmenpaar gehört. An eines der Tore wird das Eingangssignal angeschlossen, die zugehörigen Anschlüsse werden mit Eingangsklemmen bezeichnet. Entsprechend wird an den zwei Ausgangsklemmen das Ausgangssignal abgegriffen. Eventuell erforderliche Anschlüsse für eine Stromversorgung werden nicht mitgezählt. Der interne Aufbau besteht aus einer beliebigen Zusammenschaltung von Widerständen, Kondensatoren, Spulen, Transformatoren, Dioden, Transistoren usw. Es wird vorausgesetzt, dass die Zweitore zeitinvariant sind, d. h. die Eigenschaften hängen nicht von der Zeit ab.Zweitore werden in folgender Weise charakterisiert:Die folgenden Ausführungen setzen lineare, zeitinvariante Zweitore voraus. Die elektrische Leitung ist ein Zweitor besonderer Art. Sie wird deshalb im nächsten Kapitel gesondert behandelt.Stichworte: Zweitor: Grundlagen, Zweitorgleichungen, Zusammenschaltung von Zweitoren, Elementarzweitore, Betriebskenngrößen. Das Kapitel enthält ein umfangreiches Tabellenwerk zum Einsatz von Zweitoren.

Wilfried Plaßmann

94. Leitungen

Stichworte zum Kapitel: Leitungsbeläge und Leitungsgleichungen; Wellenwiderstand; Ausbreitungskoeffizient; Verlustlose Leitung; Leitung als Zweitor; Unendlich lange Leitung; Anpassung; Leitung mit beliebiger Abschlussimpedanz; Wanderwellen; Elektrisch lange Leitung; Kettenleiter; Wellenfilter; Dielektrische Filter; Daten von Leitungen; Hochfrequenz-Koaxialkabel; Hohlleiter; Streifenleitungen; s-Parameter; Kreisdiagramm (Smith-Diagramm). Das Kapitel enthält etliche Datentabellen und Abbildungen.

Wilfried Plaßmann, Egon Döring

95. Antennen

Die theoretischen Grundlagen und Ableitungen zu den Antennen hätten den Rahmen dieses Kapitels gesprengt, deshalb werden die wichtigsten Ergebnisse verwendet und, soweit möglich, anschaulich dargestellt. Für weitergehende Einzelheiten wird auf die Literatur verwiesen. Die im folgenden dargestellten Verhältnisse gelten wegen des Reziprozitätssatzes für Sende- und Empfängerantennen gleichermaßen.Stichworte zum Kapitel: Grundlagen; Kenngrößen; Ausführungsformen von Antennen: Vertikalantenne, Ferritantenne, Lambda-Halbe-Dipol, Gruppenstrahler, Yagi-Antenne, Langdrahtantenne, Rohrschlitzstrahler, Parabolantenne; Wellenausbreitung: Boden- und Raumwelle, Wellenausbreitung im Plasma, Wellenausbreitung im Bereich 30 kHz bis 30 GHz.

Wilfried Plaßmann

96. Modulation

Stichworte zum Kapitel: Übersicht; Sinusträger - mit Analogsignal moduliert (Amplitudenmodulation): Verfahren, Sonderformen (ESB, SSB, RM, Quadraturmodulation u. a.), Demodulation; Winkelmodulation: Frequenz- und Phasenmodulation, Demodulation; Sinusträger - mit Digitalsignal moduliert: Amplitudenumtastung, Frequenzumtastung, Phasenumtastung, Demodulation; Pulsträger - uncodiert: Pulsamplituden-, Pulsfrequenz-, Pulsphasen-, Pulsdauer-Modulation, Demodulation; Pulscode-Modulation: Prinzip, Codierungsverfahren, Quantisierungsgeräusch, Kompandierung, Abtast-Halte-Glied, Aliasing-Effekt.

Wilfried Plaßmann

97. Filter

Filter sind Zweitore und werden häufig auch innerhalb dieses Themenkreises behandelt. Sie erhalten hier aber im Hinblick auf die speziellen Anwendungen in der Nachrichtentechnik ein eigenes Kapitel. Filter grenzen ein gegebenes Frequenzspektrum ein. Stichworte zum Kapitel: Einfache passive R-C-Filter; R-L-C-Bandpass und -Bandsperre; Bandfilter; Digitale Filter; Filter mit geschalteten Kondensatoren; Allgemeine Eigenschaften von Bessel-, Butterworth-, Cauer-, Tschebyscheff-Filtern; Filtertransformation; Allpass; Sallen-Key-Filter.

Wilfried Plaßmann

98. Empfängerschaltungstechnik

In diesem Kapitel wird das Schaltungskonzept von Geradeausempfängern und Überlagerungsempfängern mit ihren Vor- und Nachteilen dargestellt, einschließlich der automatischen Verstärkungsregelung.

Wilfried Plaßmann

99. Ton- und Bildübertragung

Stichworte zum Kapitel: Analoge Rundfunk-Stereoübertragung; Digitale Farbfernsehtechnik: Zielsetzung, Vorgaben, DVB-Projekt, MPEG-2 Standard, Redundanz- und Irrelevanzreduktion, Differenz-Pulsmodulation, Diskrete Kosinus-Transformation, Fehler-Erkennung und -Korrektur, Energieverwischung, 16-QAPSK-Modulation, Gleichwellennetz, Statistischer Multiplex, Daten zum DVB-T.

Wilfried Plaßmann

100. Mehrfachübertragung – Multiplexverfahren

Stichworte zum Kapitel: Zeitmultiplexverfahren: Analoge Signalübertragung, Digital codierte Signalübertragung; Frequenzmultiplexverfahren; Raummultiplexverfahren.

Wilfried Plaßmann

101. Richtfunktechnik

Die Nachrichtenübertragung über Richtfunkstrecken wird neben der Übertragung über Kabel eingesetzt. Gegenüber der Rundfunk- und Fernsehübertragung weist sie den Unterschied auf, dass Sender und Empfänger ortsfest sind. Da es nur einen Empfänger gibt, kann die Übertragung mit einem gerichteten elektromagnetischen Feld erfolgen. Die Besonderheit dieser Technik wird hier dargestellt.

Wilfried Plaßmann

102. Nachrichtenübertragung über Satellit

Die Nachrichtenübertragung über Satellit begegnet uns täglich in Form von DVB-S, der Fernsehprogrammübertragung über Satellit. Dazu werden geostationäre aktive Satelliten eingesetzt, die sowohl Empfänger als auch Sender eingebaut haben. In diesem Kapitel werden ihre Technik und ihre Eigenschaften dargestellt.

Wilfried Plaßmann

103. Nachrichtenübertragung über Lichtwellenleiter (LWL)

Die optische Nachrichtenübertragung gewinnt an Bedeutung, weil sie nicht durch elektromagnetische Störfelder beeinflusst wird. Sender- und Empfängerkreis sind außerdem galvanisch voneinander getrennt, und es stehen Impulsraten zur Verfügung, die bei Kupferkabeln nur mit wesentlich höherem Aufwand erreicht werden können. Zur Übertragung steht theoretisch der Bereich des sichtbaren Lichtes mit dem sich anschließenden nahen Infrarotbereich zur Verfügung. Praktisch aber ist dieser Bereich auf drei Fenster eingeschränkt. Aktuell wird der kombinierte Telefon-Internetverkehr auf Lichtleitertechnik umgerüstet. In diesem Kapitel sind Einzelheiten zu dieser Technik dargestellt. Stichworte: Physikalische Grundlagen; Grundmodelle von Lichtleitern; Moden-Indizes; Technische Ausführung; Lichtsender; Lichtempfänger; Verbinden von Lichtleitern; Optische Schalter.

Wilfried Plaßmann

104. Funkmesstechnik

Ein Hauptgebiet der Funkmesstechnik ist durch den Begriff RADAR (radio detection and ranging gekennzeichnet. Bei diesem Verfahren werden impulsförmige elektromagnetische Wellen von einer Antenne ausgesendet und an Körpern oder Stoffverteilungen (Wolken) reflektiert. Die Sendeantenne wird auf Empfang umgeschaltet, und anhand des Echos sind Rückschlüsse auf die Lage und die Beschaffenheit der Körper oder der Stoffverteilungen möglich. Angewendet wird die Radartechnik bei der Kontrolle und der Sicherung des Land-, Wasser- und Flugverkehrs, in der Meteorologie zur Wetterprognose, in der Astrologie und im militärischen Bereich.Zu diesem Kapitel die folgenden Stichworte. Radar: Grundlagen, Kenngrößen, Daten; Funkortungssystem OMEGA; Global Positioning System - GPS.

Wilfried Plaßmann

105. Elektroakustische Wandler

Um Sprache und Musik über größere Entfernungen zu übertragen, wird der Hörschall mit einem Mikrofon in ein proportionales elektrisches Signal umgewandelt und auf drahtlosem Wege (Beispiel Rundfunkübertragung) oder drahtgebunden (Beispiel Telefon, Kabelrundfunk, oft in Kombination mit dem drahtlosen Weg) zum Empfänger übermittelt. Am Empfangsort setzt z. B. ein Lautsprecher das elektrische Signal wieder in ein akustisches Signal um.Zum Inhalt dieses Kapitels folgende Stichworte: Definitionen; Kenngrößen; Mikrofone: Typen, Eigenschaften; Lautsprecher: Typen, Eigenschaften.

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106. Vermittlungstechnik

In einem vorhandenen Nachrichtennetz sorgt die Vermittlungstechnik dafür, dass Informationen zu jeder Zeit von einem beliebigen Zugangspunkt zu einem beliebigen anderen Zugangspunkt übertragen werden können. Der gesamte Vorgang wird mit Vermittlung bezeichnet. Das größte weltweit vorhandene Nachrichtennetz ist das kombinierte Internet-Telefonnetz. Die Zugangspunkte sind die Anschlusspunkte (ortsfeste Anschlussdosen) für die Endgeräte, wie z. B. Rechner, Telefonapparate, Faxgeräte oder Modems, oder aber ortsveränderliche Endgeräte wie Laptops, schnurlose Telefone oder Funktelefone („Handys“). Die Vermittlungsstelle klassischer Art mit hierarchischem Aufbau ist nahezu vollständig durch komplexe rechnergesteuerte national arbeitende Anlagen ersetzt worden. In diesem Kapitel werden deshalb grundlegende Eigenschaften dargestellt. Stichworte: Grundbegriffe; Vermittlung; Verkehrstheorie; Endgeräte.

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107. Kommunikations- und Datennetze

Die zur Zeit vorhandenen Kommunikations- und Datennetze werden ständig weiterentwickelt und dem Stand der Technik angepasst. Von den momentan zur Verfügung stehenden Netzen sollen einige mit ihren wesentlichen Eigenschaften dargestellt werden. Weitere Einzelheiten siehe auch Kap. 55 „Datenkommunikation“.Stichworte: Struktur lokaler Kommunikations- und Datennetze; Öffentliche Kommunikations- und Datennetze; ISDN: Telefon-Telefax-Internet (< 64 kBit/s), Internet über DSL-VoIP-IPTV (> 64 kBit/s); Öffentliche Funknetze: Mobilfunk mit GSM-Technik, Mobilfunk mit UMTS-Technik; Private Funknetze: Schnurlostelefone, Bluetooth, WLAN.

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108. Optimierte Nachrichten- und Datenübertragung

Bei der Nachrichten- und Datenübertragung gibt es drei wesentliche Vorgaben:1. Die Wirtschaftlichkeit des Übertragungskanals; 2. die begrenzte Bandbreite der zur Verfügung stehenden Übertragungskanäle und 3. sehr stark gestörte Übertragungskanäle, bei denen ein Ausweichen auf weniger gestörte Kanäle nicht möglich ist (Bildübertragung aus dem Weltraum). Diesen Vorgaben sind die vom Anwender häufig gestellten Forderungen nach einer möglichst preiswerten, schnellen und fehlerfreien Übertragung anzupassen. Im folgenden werden einige Wege zur Realisierung aufgezeigt. Es wird vorausgesetzt, dass die Informationen in digital codierter Form vorliegen, was auch in der Technik angestrebt wird.Stichworte zum Kapitel: Quellen- und Kanalcodierung; Optimalcodes; Maximum-Likelihood-Verfahren; Faltungscodierer mit Likelihood-Viterbi-Decodierer; Optimalfilter; Anwendung der Korrelation bei gestörten Signalen; Fensterung.

Wilfried Plaßmann

Signal- und Systemtheorie

Frontmatter

109. Einführung

Abb. 109.1 stellt den Aufgabenbereich der Signal- und Systemtheorie dar. Ein Eingangssignal, das entweder als Funktion der Zeit ($$s_{1}(t))$$ oder als Funktion der Frequenz ($$\underline{S}_{1}(f)$$, $$F_{1}(s)$$, $$S_{1}(z))$$ gegeben ist, erfährt durch ein System, dessen Eigenschaften durch $$h(t)$$ bzw. $$\underline{H}(f)$$, $$H(s)$$ oder $$H(z)$$ gekennzeichnet werden, eine Beeinflussung und erscheint als geändertes Ausgangssignal $$s_{2}(t)$$ bzw. $$\underline{S}_{2}(f)$$, $$F_{2}(s)$$ oder $$S_{2}(z)$$. Die Signal- und Systemtheorie erfasst in einem ersten Schritt die Zusammenhänge zwischen den eingezeichneten Größen. Stellt das System z. B. die Übertragungsstrecke für Daten dar, dann sind sehr hohe Anforderungen zu erfüllen: Schnelle und (fast) fehlerfreie Übertragung möglichst vieler unterschiedlicher Daten gleichzeitig, die sich eindeutig wieder trennen lassen müssen, wobei nur eine begrenzte Bandbreite zur Verfügung steht. Deshalb folgt häufig in einem zweiten Schritt die Optimierung aller an der Übertragung beteiligten Größen, d. h., sowohl die Eingangsgrößen als auch die Systemgrößen müssen geeignet gewählt bzw. aneinander angepasst werden. Für die Darstellung im Frequenzbereich werden drei Verfahren angewendet: Die Fouriertransformation mit den Größen $$\underline{S}_{1}(f)$$, $$\underline{H}(f)$$, $$\underline{S}_{2}(f)$$, die Laplacetransformation mit $$F_{1}(s)$$, $$H(s)$$, $$F_{2}(s)$$ und die z-Transformation mit $$S_{1}(z)$$, $$H(z)$$, $$S_{2}(z)$$.Ergänzende Stichworte: Darstellung in der Zeit- und in der Frequenzebene; Hinweise zur Anwendung.

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110. Grundbegriffe

Es werden die Voraussetzungen für die behandelten Systeme (Stabilität, Zeitinvarianz) festgelegt und Begriffe definiert (z. B. Übertragungsfunktion, Spektralfunktion).

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111. Periodische nichtsinusförmige zeitkontinuierliche Signale

Diese Signale lassen sich durch die reelle bzw. komplexe Fourierreihe darstellen, die u. U. die Behandlung von Problemen erleichtert bzw. ermöglicht (z. B. Klirrfaktor). Die Rechenvorschriften zur Erstellung der Reihe werden dargestellt. Anschließend folgen Beispiele.

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112. Nichtperiodische zeitkontinuierliche Signale

Nichtperiodische Signale haben eine große Bedeutung für die Nachrichten- und Datenübertragung, weil Information nur in nichtdeterministischen Signalen enthalten ist (Teil „Nachrichtentechnik“, Abschn. 92.4.1). Aber auch für die Energie- und Regelungstechnik sind sie von Interesse, weil sie entweder Ein- und Ausschaltvorgänge erfassen oder den Übergang von einem momentan stationären Zustand in einen neuen darstellen (Kurzschluss im Energieversorgungsnetz, Auftreten einer Störgröße im Regelsystem). Die Fourier- und die Laplacetransformation können bei nichtperiodischen zeitkontinuierlichen Signalen eingesetzt werden.Stichworte: Fouriertransformation: Regeln, Eigenschaften, Korrespondenztabelle, Beispiele; Laplacetransformation: Einführung, Transformation, Sätze zur Laplacetransformation, Anwendung der Laplacetransformation bei bekannter Übertragungsfunktion, Korrespondenztabelle, etliche Beispiele.

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113. Spezielle Signale

In der Signal- und Systemtheorie werden spezielle Signalformen eingesetzt, die die Systemeigenschaften für den praktischen Gebrauch besonders vorteilhaft beschreiben bzw. die theoretische Erfassung und Berechnung erleichtern oder erst ermöglichen. Dazu gehören die im folgenden dargestellten Funktionen.Stichworte dazu: Dirac-Impuls; Sprungfunktion; Verknüpfung von Dirac-Impuls und Sprungfunktion; Harmonische Schwingungen.

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114. Leistung

Die Erfassung der am Ausgang eines Systems zur Verfügung stehenden Wirkleistung P ist nicht nur für die Energietechnik von Interesse. Je nach Art der Signalform von Strom und Spannung können verschiedene Berechnungsverfahren eingesetzt werden. Diese werden vorgestellt und in 2 Beispielen in die Praxis umgesetzt.

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115. Faltungsintegral

Das Faltungsintegral ist von Bedeutung, wenn bei der Fourier- oder Laplace-Transformation die Multiplikation zweier Ausdrücke in der Zeitebene (Bildebene) durch eine mathematische Vorschrift in der zugeordneten Bildebene (Zeitebene) ersetzt werden soll. Die Gesetzmäßigkeiten werden dargestellt und an Beispielen erläutert.

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116. Abtasttheorem

Das Abtasttheorem von Shannon ist von grundlegender Bedeutung für die Nachrichtentechnik, besonders aber für den Fall, dass ein Analogsignal in ein digital codiertes Signal überführt werden soll. Es legt fest, wie oft ein analoges Signal abgetastet werden muss, um es, digital codiert, wieder ″fehlerfrei″ in ein analoges Signal zurückwandeln zu können. Außerdem ist bezüglich der im Analogsignal enthaltenen Frequenzen eine bestimmte Bedingung zu erfüllen. Die Ableitung ist hier in verkürzter Form dargestellt.

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117. Nichtkontinuierliche (zeitdiskrete) Signale

Zeitdiskrete Signale werden häufig aus zeitkontinuierlichen Signalen durch Abtastung erzeugt. Dass beide Signale gleichwertig sind, zeigt das Abtasttheorem (Kap. 116) von Shannon, sofern die Bedingung nach (116.2), $$f_{\mathrm{ab}}\approx(2{,}2\,{\ldots}\,4)\cdot f_{g})$$ eingehalten wird. Digitale Signale haben Vorteile: Einfache Speicherung, Weiterverarbeitung in Rechnern, wenig störanfällige Übertragung. Für die Bearbeitung dieser Signale dienen die im Kapitel dargestellten Hilfsmittel: Diskrete Fouriertransformation; Schnelle Fouriertransformation; z-Transformation: Darstellung, Sätze zur z-Transformation, Korrespondenzen zu Zeitfunktionen, Beispiele.

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118. Zufällige Signale

Die hier betrachteten Signale werden auch als stochastische Signale bezeichnet. Sie sind zufällig, d. h. ihr Augenblickswert ist nicht vorhersagbar. Abb. 118.1 zeigt eine Unterteilung nach den Signaleigenschaften. Über die nichtstationärenSignale lässt sich keinerlei Aussage machen, und sie werden hier deshalb auch nicht weiter betrachtet. Für die stationärenSignale gilt, dass ihr Momentanwert zwar auch nicht vorhergesagt werden kann, dass sie aber trotzdem gewisse auswertbare Eigenschaften besitzen, die allerdings statistischer Art sind und deshalb nur mit den Gesetzen der Wahrscheinlichkeitstheorie erfasst werden können. Zwar sind – theoretisch – für die Anwendung der Wahrscheinlichkeitstheorie unendlich viele Probenwerte zu nehmen, in der Praxis hat sich aber gezeigt, dass man auch mit einer endlichen Anzahl dem gesuchten Wert schon ausreichend nahe kommen kann.Stichworte: Grundbegriffe und Kenngrößen; Verteilungen: Binomial-, Poisson-, Normal-Verteilung; Rauschen; Signalerkennung bei gestörter Übertragung.

Wilfried Plaßmann

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