Elektrotechnik und Elektronik

Es wird zunächst das stationäre elektrische Strömungsfeld mit seinen wesentlichen Eigenschaften und Gesetzmäßigkeiten dargestellt. Aus ihnen werden die grundlegenden elektrischen Größen wie Spannung, Strom, Widerstand, Potenzial, Stromdichte und elektrische Feldstärke bezüglich ihrer physikalischen Bedeutung abgeleitet. Dabei wird von den Leserinnen und Lesern meist aus eigener Erfahrung bekannten Phänomenen ausgegangen, die das Verständnis erleichtern. Aus dem Strömungsfeld wird das elektrostatische Feld entwickelt, so dass die Gemeinsamkeiten beider erkennbar sind. Die Gesetze des elektrostatischen Feldes führen zu dem Begriff des Kondensators, dessen Eigenschaften seine Bedeutung für die Elektrotechnik erkennen lassen.

Das Kapitel wird von Übungsaufgaben abgeschlossen, deren Lösungen am Ende des Buches angegeben sind.

Nach der Darstellung meist bereits bekannter Phänomene (z.B. die Ausrichtung von Eisenfeilspänen im Magnetfeld) werden die das Feld quantitativ beschreibenden Größen analysiert und es wird auf Analogien zum elektrischen Strömungsfeld eingegangen. Im Zentrum des Kapitels stehen das Durchflutungsgesetz und das Induktionsgesetz, wobei letzteres wegen seiner überragenden Bedeutung an einigen praktisch ausgeführten Maschinen (Generator und Transformator) und wichtigen Phänomenen (Wirbelstrombildung und Haut- bzw. Skineffekt) anschaulich demonstriert wird. Am Ende des Kapitels wird auf im Magnetfeld wirkende Kräfte, wie Zugkräfte von Magneten und Kräfte auf stromführende Leiter (Prinzip des Elektromotors) eingegangen.

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Es werden der unverzweigte und der verzweigte Stromkreis behandelt. Es wird insbesondere der in der Elektrotechnik sehr wichtige Begriff der elektrischen Leistung eingehend erläutert und der Unterschied zwischen Leistung und Energie anhand von Beispielen diskutiert. Der elektrische Grundstromkreis, auf den sich im Prinzip alle elektrotechnischen Versorgungsnetze zurückführen lassen, wird anhand einer Batterie mit angeschlossenem Verbraucherwiderstand entwickelt und aus seinen Gesetzen weitreichende Schlussfolgerungen in Bezug auf in der Spannungsquelle erzeugter und durch den Stromabnehmer verbrauchter Leistung sowie zum Wirkungsgrad gezogen. Die Regeln der Strom- und Spannungsteilung werden nach ihrer Ableitung aus einfachen Schaltungen unter anderem auf die Messbereichserweiterung von Strom- und Spannungsmessern angewendet. Weiterhin wird ein verzweigtes Netzwerk mit Hilfe der Kirchhoffschen Gesetze berechnet und die Lösbarkeit der auf diese Weise entstehenden linearen Gleichungssysteme diskutiert.

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Es wird zunächst die Erzeugung eines sinusförmigen Wechselstromes mittels eines einfachen Generators beschrieben und es werden die für Wechselströme typischen Begriffe wie Augenblickswert, Amplitude, Kreisfrequenz, Frequenz, Periodendauer, Phasenverschiebung, arithmetischer Mittelwert, Effektivwert usw. erklärt. Aus dem Liniendiagramm des Stromes wird das Zeigerdiagramm als anschauliche Interpretation des Wechselstromes abgeleitet. Für Widerstand, Kondensator und Spule werden die für sie geltenden Zeigerdiagramme entwickelt und es sind Beispiele für Zeigerdiagramme komplexer Schaltungen mit diesen drei Bauelementen angegeben. Durch Transformation der Zeiger für Strom und Spannung in die Ebene der komplexen Zahlen entsteht eine effektive Methode der Berechnung von Wechselstromschaltungen, was an Beispielen beschrieben wird. Anhand der Speisung eines allgemeinen Stromverbrauchers ergeben sich die Bestandteile der elektrischen Leistung: Wirk-, Blind- und Scheinleistung. Die Bedeutung des Leistungsfaktors cos φ für die Elektrizitätswirtschaft wird beschrieben. Am Ende des Kapitels werden die bis dahin abgeleiteten Methoden auf den Dreiphasenstrom (Drehstrom) angewendet, wobei nur symmetrische Drehstromsysteme im Mittelpunkt stehen.

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Die bisher behandelten Berechnungen von Stromkreisen bezogen sich auf den so genannten eingeschwungenen Zustand, der vor einem Schaltvorgang oder nach Abklingen der Wirkungen eines Schaltvorganges wirksam ist. Werden z.B. Spannung, Frequenz, Phasenlage oder die Schaltung selbst (z.B. durch Schließen oder Öffnen eines Schalters) schlagartig verändert, gibt es Übergänge vom alten Zustand in den neuen. Zwei für die Praxis wichtige Übergangsvorgänge, das Aufladen eines Kondensators und der Kurzschluss einer stromdurchflossenen Spule, werden mit ihren Differenzialgleichungen und deren Lösungen vorgestellt. Die für die Bestimmung der Integrationskonstanten wichtigen Anfangsbedingungen gewinnt man aus den für Widerstand, Kondensator und Spule geltenden Schaltgesetzen, die am Anfang des Kapitels angeführt und physikalisch begründet werden.

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Dieses Kapitel über die Mechanismen der Stromleitung im Vakuum, in Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern (Metalle, Halbleiter, Isolatoren) berücksichtigt die Tatsache, dass die hier geschilderten Prozesse bei vielen technologischen Verfahren, mit denen Maschinenbau- und Verfahrenstechnik-Ingenieure in der Praxis konfrontiert werden können, eine Rolle spielen. Es orientiert sich an der Physik der Vorgänge bei der Stromleitung. Die für Ströme im Vakuum wichtigen Vorgänge der Elektronenemission, die für Gase notwendige Erzeugung von Ladungsträgern, Elektrolyse, Galvanik, Batterien und Akkumulatoren, Supraleitung, Hall-Effekt, Brennstoffzelle, Korpuskular- und Bändermodell von Halbleitern und Isolatoren u.v.m. werden unter Berücksichtigung ihrer Bedeutung für die Praxis erläutert. Der Abschnitt über die Leitung des Stromes in Halbleitern bildet darüber hinaus die Grundlage für das Verständnis der im Kapitel 7 (Elektronik) beschriebenen Bauelemente und Schaltungen.

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Im Mittelpunkt steht die Beschreibung von elektronischen Bauelementen und Schaltungen auf der Basis von Halbleitern, da diese Technologie die Elektronik in der heutigen Zeit weitgehend dominiert. Es werden zunächst Bauelemente wie Halbleiterwiderstände, Dioden, Transistoren, Thyristoren und optoelektronische Bausteine mit ihren Kennlinien und ihrer Funktionsweise behandelt. Danach erfolgt eine ausführliche Beschreibung der mit diesen Bauelementen realisierten Schaltungen. Dabei wird unterschieden zwischen den Kategorien Leistungs-, Informations- und Mikroelektronik. Bei der Leistungselektronik steht der Betrieb elektrischer Antriebe, bei der Informationselektronik stehen Analogschaltungen (z.B. Operationsverstärker) und Digitalschaltungen (z.B. Logikschaltungen mit Gattern) im Vordergrund. Die Schaltungsintegration, die zur Mikroelektronik geführt hat, wird in ihren Grundzügen erklärt. Eine fiktive Prozesssteuerung mit Mikrorechnern dient als Grundlage für die Demonstration der Wirkungsweise von Mikroprozessoren, Ein-/ Ausgabe-Schaltkreisen, und Halbleiterspeichern und deren Zusammenspiel. Dabei wird aus methodischen Gründen die Assemblerprogrammierung benutzt, da man auf ihrer Grundlage besonders anschaulich die Funktionsweise von Mikroprozessoren oder Mikrorechnern erklären kann.

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Das Gebiet der elektrischen Maschinen teilt man ein in rotierende (Motoren, Generatoren) und ruhende (Transformatoren) Maschinen. Zu den rotierenden rechnet man Gleichstrom- und Wechsel- bzw. Drehstrommaschinen, wobei letztere Gruppe von den Asynchron- und den Synchronmaschinen gebildet wird. Jede rotierende Maschine kann als Generator oder als Motor arbeiten. Von den Gleichstrommaschinen hat der Gleichstromnebenschlussmotor noch eine gewisse Bedeutung. Sein Aufbau und seine Eigenschaften werden zuerst beschrieben. Von großer praktischer Bedeutung für die elektrische Antriebstechnik sind die Asynchron- und die Synchronmotoren, für die Bereitstellung von Elektroenergie die Synchrongeneratoren. Deshalb werden diese drei Maschinentypen ausführlich mit ihren Eigenschaften und Kennlinien dargestellt. Da der Transformator ein nahezu identisches Ersatzschaltbild wie der Asynchronmotor hat, wird er der Asynchronmaschine vorangestellt. Die Kopplung eines Motors mit einer Arbeitsmaschine (Hubwerk, Förderband, Aufzug usw.) bildet einen elektrischen Antrieb, dessen Gesetzmäßigkeiten und Probleme am Ende des Kapitels behandelt werden. Hier wird auch auf Mehrquadranten-Antriebe und auf die Regelung von Antrieben eingegangen.

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Unter elektrischer Energieversorgung wird alles das verstanden, was zur Erzeugung, Übertragung und Verteilung von elektrischer Energie gehört. In diesem Kapitel werden einige wesentliche Probleme, die auf dem Wege des Stromes vom Kraftwerkgenerator bis zum Endverbraucher auftreten, behandelt. Dazu gehört zunächst ein kurzer Überblick zu den fossilen und den Kernkraftwerken. Danach wird auf die erneuerbaren Energien eingegangen, die im Wesentlichen aus Biomasse, Gezeiten- und Meeresströmungen, Sonne, Wind und Wasser gewonnen werden. Es werden die Aggregate, die ein konventionelles Kraftwerk bilden (Synchrongenerator, Erregermaschine, Maschinentransformator), beschrieben. Übertragungssysteme für Elektroenergie (HGÜ, Einphasen-Wechselstrom- und Hochspannungs-Drehstrom-Übertragung) bilden den Übergang zu den Drehstromnetzen, die ausführlich in Bezug auf Übertragung auf Leitungen, praktische Ausführung und Netzgestaltung (u.a. die Sternpunktbehandlung) geschildert werden. Weiterhin werden Schaltanlagen und die dort eingesetzten Schaltgeräte diskutiert. Am Ende des Kapitels wird auf den Personenschutz in elektrischen Netzen eingegangen.

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Elektrische Messprinzipien sind meist sehr empfindlich und genau, die mit den elektrischen Messverfahren gewonnenen Messwerte lassen sich beliebig verstärken, störunempfindlich über große Entfernungen übertragen und lassen sich leicht für die Verarbeitung in einem Rechner digitalisieren. Deshalb ist die Ermittlung elektrischer und nichtelektrischer Größen durch elektrische Messverfahren von großer Bedeutung. Nach der Klärung grundlegender Begriffe wird auf traditionelle elektrische Messwerke und auf Messgeräte (Vielfachmesser, Oszilloskope, Registrier- und Zählmessgeräte) eingegangen. Es schließen sich die Verfahren der Erfassung elektrischer Größen wie Leistung, Strom und Spannung, Stromarbeit usw. an, ehe die Messung nichtelektrischer Größen wie Wege, Winkel, Kräfte, Momente, Drehzahl, Temperaturen usw. geschildert wird. Breiten Raum nimmt die Beschreibung der Messtechnik mit Personal-Computern ein. Die Darstellung von Störbeeinflussungen bei der Messung führt zu dem heute schon selbständigen Gebiet der elektromagnetischen Verträglichkeit, deren wesentliche Aspekte kurz erläutert werden.

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