Inhaltsverzeichnis
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Helmut Lindner, Harry Brauer, Constans Lehmann Taschenbuch der Elektrotechnik und Elektronik ISBN-10: 3-446-41458-4 ISBN-13: 978-3-446-41458-7 Inhaltsverzeichnis Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser.de/978-3-446-41458-7 sowie im Buchhandel. Inhaltsverzeichnis 1 1.1 1.2 1.3 1.4 2 2.1 Gleichstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundgrößen und Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.1 Elektrische Ladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2 Elektrischer Strom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.3 Elektrische Spannung und Potenzial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.4 Elektrischer Widerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.5 Ohm’sches Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.6 Elektrische Arbeit und Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammengesetzte Widerstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1 Reihenschaltung von Widerständen und Spannungsteilung . . . . 1.2.2 Parallelschaltung von Widerständen und Stromteilung . . . . . . . 1.2.3 Gemischte Schaltung von Widerständen . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.4 Dreieck-Stern-Umwandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stromkreise und Netzwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1 Grundstromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1.1 Darstellung mit Spannungsquelle . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1.2 Darstellung mit Stromquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1.3 Wirkungsgrad im Grundstromkreis . . . . . . . . . . . . . 1.3.1.4 Leistungsanpassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2 Kirchhoff’sche Regeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3 Berechnung von Netzwerken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3.1 Knotenpunkt- und Maschensatz . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3.2 Überlagerungssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3.3 Zweipoltheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3.4 Maschenstromverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3.5 Knotenpotenzialverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.4 Belasteter Spannungsteiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messung der elektrischen Grundgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.1 Messung von Spannung und Strom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.2 Messung des Widerstandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.2.1 Direkte Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.2.2 Wheatstone-Brücke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.2.3 Thomson-Brücke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.3 Messung der Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 20 20 20 21 23 27 28 29 29 30 31 31 32 32 32 33 34 35 35 36 37 38 39 40 41 41 43 43 44 44 45 45 46 Elektrische und magnetische Felder . . . . . . . . . . Elektrostatisches Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Elektrische Feldstärke . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2 Influenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.3 Verschiebungsdichte und Verschiebungsfluss . . 2.1.4 Dielektrikum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.5 Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.5.1 Kapazität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.5.2 Schaltung von Kondensatoren . . . . . 48 48 48 49 49 50 51 51 52 . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........ ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... 8 2.2 2.3 2.4 Inhaltsverzeichnis 2.1.5.3 Berechnung der Kapazität von Kondensatoren . . . 2.1.5.4 Geschichtetes Dielektrikum . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.5.5 Ladung und Entladung von Kondensatoren . . . . . . 2.1.6 Kräfte im elektrischen Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.7 Energie im elektrischen Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.8 Piezoelektrischer Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.9 Thermoelektrischer Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.10 Lichtelektrischer Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stationäres elektrisches Strömungsfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Strömungsfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Stromdichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3 Stromdichte und Feldstärke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.4 Feldstärke und Potenzial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Magnetisches Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Magnetische Feldstärke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1.1 Durchflutungssatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1.2 Gesetz von Biot-Savart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2 Magnetische Flussdichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3 Magnetischer Fluss und Streuung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.4 Permeabilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.5 Magnetismus des Eisens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.6 Arten magnetischer Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.7 Ohm’sches Gesetz des magnetischen Kreises . . . . . . . . . . . 2.3.8 Eisengefüllte magnetische Kreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.8.1 Unverzweigter magnetischer Kreis ohne Luftspalt . 2.3.8.2 Zusammengesetzter magnetischer Kreis . . . . . . . . 2.3.8.3 Scherung der Magnetisierungskennlinie . . . . . . . . 2.3.8.4 Flussdichte bei gegebener Durchflutung . . . . . . . . 2.3.8.5 Verzweigter magnetischer Kreis . . . . . . . . . . . . . 2.3.9 Induktionsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.9.1 Ruhende Spule und zeitlich veränderliches Magnetfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.9.2 Ruhendes Magnetfeld und bewegter gerader Leiter 2.3.9.3 Lenz’sche Regel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.9.4 Prinzip des Gleichstromgenerators . . . . . . . . . . . 2.3.9.5 Wirbelströme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.9.6 Skineffekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.10 Selbstinduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.11 Gegeninduktivität und induktive Kopplung . . . . . . . . . . . . Kräfte und Energie im Magnetfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1 Kraft auf eine bewegte elektrische Ladung . . . . . . . . . . . . . 2.4.2 Kraft auf geradlinige Stromleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.3 Kraft zwischen zwei parallelen Stromleitern . . . . . . . . . . . . 2.4.4 Prinzip des Gleichstrommotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.5 Energie des magnetischen Feldes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.5.1 Energie bei konstanter Permeabilität . . . . . . . . . . 2.4.5.2 Energie im eisengefüllten Kreis . . . . . . . . . . . . . 2.4.5.3 Hysteresisarbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 54 54 56 58 59 60 61 62 62 62 64 65 65 65 66 69 70 70 71 72 74 76 77 77 78 79 80 81 81 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 82 83 83 84 85 87 89 90 90 91 91 92 93 93 93 94 Inhaltsverzeichnis . . . . . 95 95 96 98 100 Wechselstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundgrößen und Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Vorteile des Wechselstroms gegenüber Gleichstrom . . . . . . . . 3.1.2 Kenngrößen sinusförmiger Wechselgrößen . . . . . . . . . . . . . . 3.1.3 Zeiger- und Liniendiagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.4 Addition phasenverschobener Wechselgrößen gleicher Frequenz 3.1.5 Mittelwerte sinusförmiger Wechselgrößen . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.6 Scheitel- und Formfaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Widerstände im Wechselstromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Wirkwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2 Induktiver Widerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3 Kapazitiver Widerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Komplexe Wechselgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2 Arithmetik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schaltungen von Widerständen im Wechselstromkreis . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1 Reihenschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.2 Parallelschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.3 Darstellung komplexer Größen in Wechselstromkreisen . . . . . . 3.4.4 Umwandlung von Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leistung und Arbeit im Wechselstromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.1 Augenblicksleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.2 Mittlere Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.3 Leistungsfaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.4 Wirk-, Blind- und Gesamtstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.5 Verbesserung des Leistungsfaktors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.6 Leistung in komplexer Schreibweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.7 Messung der Wechselstromleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.7.1 Messung der Wirkleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.7.2 Messung der Blindleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.7.3 Messung der Wirkarbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.7.4 Kombinierte Messung von Wirk- und Blindleistung . . 102 102 102 102 103 104 105 107 109 109 109 110 111 112 112 113 113 116 118 120 122 122 123 126 127 127 128 129 129 130 130 132 2.4.6 2.4.7 2.4.8 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 2.4.5.4 Zugkraft von Magneten . 2.4.5.5 Supraleitende Magnete . Schaltvorgänge mit Induktivitäten Hall-Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . Elektromagnetische Verträglichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Besondere Wechselstromkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 4.1 Zusammengesetzte Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1 Komplexer Spannungs- und Stromteiler . . . . . . . . . . . . 4.1.2 Gemischte Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2.1 Parallelschaltung mit komplexen Widerständen 4.1.2.2 Wechselstromparadoxon . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2.3 90◦ -Schaltung nach Hummel . . . . . . . . . . . . 4.1.2.4 RC-Kombination mit Phasendrehung um 90◦ . 4.1.2.5 RC-Kombination mit Phasendrehung um 180◦ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 134 136 136 136 137 138 139 10 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 Inhaltsverzeichnis Frequenzverhalten von Wechselstromkreisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Verluste in Wechselstromkreisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1.1 Verlustwinkel einer Spule . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1.2 Verlustwinkel eines Kondensators . . . . . . . . . . . . 4.2.2 Reihenresonanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2.1 Grundvorgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2.2 Besonderheiten bei Reihenresonanz . . . . . . . . . . 4.2.2.3 Verluste bei Reihenresonanz . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2.4 Normierte Darstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3 Parallelresonanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3.1 Grundvorgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3.2 Besonderheiten bei Parallelresonanz . . . . . . . . . . 4.2.3.3 Verluste bei Parallelresonanz . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.4 Übertragungsfunktion von Vierpolen . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.5 Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.5.1 RC-Glied als Hochpass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.5.2 RC-Glied als Tiefpass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.5.3 RC-Kombination als Bandpass . . . . . . . . . . . . . . Spule mit Eisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 Eisenverluste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2 Kupferverluste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.3 Induktiver Spannungsabfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.4 Ersatzschaltbild der Spule mit Eisenkern . . . . . . . . . . . . . . 4.3.5 Drosselspule mit Gleichstromvormagnetisierung . . . . . . . . Transformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1 Arten der Transformatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2 Idealer Transformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.3 Realer belasteter Transformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.4 Grundgleichungen des Transformators in komplexer Form . . 4.4.5 T-Ersatzschaltung des Transformators . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.6 Reduzierte Ersatzschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.7 Vereinfachtes Zeigerdiagramm des Starkstromtransformators 4.4.8 Kapp-Diagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.9 Verluste und Wirkungsgrad des Transformators . . . . . . . . . 4.4.10 Spartransformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dreiphasenstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.1 Erzeugung des Dreiphasenstromes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.2 Arten der Verkettung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.2.1 Sternschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.2.2 Dreieckschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.3 Leistung des Drehstromes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.4 Drehstromtransformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.4.1 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.4.2 Schaltungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Inversion komplexer Wechselgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6.1 Inversion eines einzelnen Zeigers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6.2 Wahl des Maßstabs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 140 140 141 142 142 144 144 145 146 146 147 148 149 150 150 151 152 154 154 156 156 157 158 159 159 160 161 162 162 163 164 165 166 167 168 168 169 169 170 171 172 172 173 174 174 176 Inhaltsverzeichnis 4.6.3 4.7 5 5.1 5.2 Inversion von Punkten, Geraden und Kreisen . . . . . . . . . . . . 4.6.3.1 Punkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6.3.2 Geraden, durch den Nullpunkt laufend . . . . . . . . . . 4.6.3.3 Geraden, parallel zu einer Achse und nicht durch den Nullpunkt laufend . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6.3.4 Geraden, nicht achsenparallel und nicht durch den Nullpunkt laufend . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6.3.5 Kreis, nicht durch den Nullpunkt laufend . . . . . . . . Ortskurven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.2 Maßstäbe und Maßteilungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.3 Ortskurven von Grundschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.3.1 L in Reihe mit veränderlichem R . . . . . . . . . . . . . . 4.7.3.2 R und L in Reihe bei variabler Frequenz . . . . . . . . 4.7.3.3 Reihenresonanz bei veränderlicher Frequenz . . . . . 4.7.3.4 Normierte Darstellung der Reihenresonanz . . . . . . 4.7.3.5 R und L parallel bei variabler Frequenz . . . . . . . . . 4.7.4 Ortskurven gemischter Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.4.1 Addition eines konstanten Widerstandes . . . . . . . . 4.7.4.2 Nullpunktverschiebung der Ortskurve einer gemischten Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.5 Konstruktion von Ortskurven mittels Wertetabelle . . . . . . . . . 11 . 176 . 176 . 176 . 177 . . . . . . . . . . . . . 178 179 180 180 180 181 181 182 184 184 186 186 187 . 188 . 189 Signale und Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Signale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1 Begriffsbestimmung und Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.2 Periodische Signale mit konstanter Amplitude . . . . . . . . . . . . 5.1.2.1 Merkmale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.2.2 Fourier-Reihen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.3 Nichtperiodische Signale mit zweiseitiger Begrenzung . . . . . . 5.1.3.1 Merkmale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.3.2 Fourier-Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.4 Nichtperiodische Signale mit einseitiger Begrenzung . . . . . . . . 5.1.4.1 Merkmale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.4.2 Laplace-Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Begriffsbestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2 Lineare, zeitinvariante Systeme (LTI-Systeme) . . . . . . . . . . . . 5.2.2.1 Systemreaktionen (Impulsantwort, Sprungantwort) . . 5.2.2.2 Berechnung von Einschaltvorgängen mit der LaplaceTransformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2.3 Allgemeine Form der komplexen Übertragungsfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2.4 Pol-Nullstellen-Plan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2.5 Amplituden- und Phasen-Frequenzgang . . . . . . . . . . 5.2.3 Abtastsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.3.1 Bedeutung der Abtastung für die digitale Signalverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 192 192 192 192 194 199 199 200 204 204 205 207 207 208 208 209 210 211 212 214 214 12 5.3 5.4 6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 Inhaltsverzeichnis 5.2.3.2 Ideale Abtastung . . . . . . 5.2.3.3 Abtasttheorem . . . . . . . . 5.2.3.4 Bandbegrenzung . . . . . . Elemente der digitalen Signalverarbeitung . . 5.3.1 Diskrete Signale . . . . . . . . . . . . . 5.3.2 Zeitdiskrete Systeme . . . . . . . . . . 5.3.3 z-Transformation . . . . . . . . . . . . . Grundlagen digitaler Filter . . . . . . . . . . . . 5.4.1 Begriffsbestimmung . . . . . . . . . . . 5.4.2 FIR-Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.2.1 Einführung . . . . . . . . . . 5.4.2.2 Fenster-Methode . . . . . . 5.4.3 IIR-Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.3.1 Einführung . . . . . . . . . . 5.4.3.2 Bilineare Transformation . 5.4.3.3 Frequenztransformationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 216 216 218 218 219 222 224 224 225 225 227 231 231 234 236 Bauelemente der Elektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Begriffsbestimmung und Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leiterplatten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.1 Halbzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.2 Entwurf und Herstellung von Leiterplatten . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.3 Leiterplatten-Montagetechniken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die internationalen E-Reihen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Widerstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.1 Der Widerstand als Bauelement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.2 Festwiderstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.3 Einstellwiderstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5.1 Kenngrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5.2 Technische Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5.3 Kondensatoren mit veränderbarer Kapzität . . . . . . . . . . . . . . . Spulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.1 Kenngrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.2 Technische Spulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Physikalische Grundlagen der Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.7.1 Reine Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.7.2 Dotierte Halbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.7.3 pn-Übergänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.7.3.1 Wirkprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.7.3.2 Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-Übergangs . . . . . 6.7.3.3 Kleinsignalverhalten des pn-Übergangs . . . . . . . . . . 6.7.3.4 Schaltverhalten des pn-Übergangs . . . . . . . . . . . . . 6.7.3.5 Thermisches Verhalten des pn-Übergangs . . . . . . . . 6.7.3.6 Herstellungsverfahren für pn-Übergänge . . . . . . . . . Halbleiterdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.8.1 Gleichrichter- und Schaltdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.8.2 PIN- und PSN-Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.8.3 Schottky-Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 238 239 239 240 242 243 244 244 245 247 247 247 248 249 250 250 250 251 251 253 254 254 256 258 258 259 260 261 261 262 263 Inhaltsverzeichnis 6.8.4 Heterodioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.8.5 Z-Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.8.6 Tunneldioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.8.7 Backwarddioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.8.8 Kapazitätsdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.8.9 Spezielle Diodenarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.9 Bipolare Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.9.1 Aufbau und Wirkprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.9.2 Grundschaltungen des Transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.9.3 Strom-Spannungs-Kennlinie des Transistors . . . . . . . . . . 6.9.3.1 Kennlinienfelder in Emitterschaltung . . . . . . . 6.9.3.2 Arbeitspunkteinstellung . . . . . . . . . . . . . . . . 6.9.3.3 Übersteuerungsgrenze und Sättigungsspannung 6.9.4 Kleinsignalverhalten des Transistors . . . . . . . . . . . . . . . 6.9.5 Transistorkennwerte und -grenzwerte . . . . . . . . . . . . . . 6.9.5.1 Stromverstärkungsgruppen . . . . . . . . . . . . . . 6.9.5.2 Restströme des Transistors . . . . . . . . . . . . . . . 6.9.5.3 Temperaturabhängigkeit der Kennwerte . . . . . . 6.9.6 Anwendungen bipolarer Transistoren . . . . . . . . . . . . . . 6.9.6.1 Elektronischer Schalter . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.9.6.2 Kleinsignalverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.10 Feldeffekttransistoren (FET) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.10.1 Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.10.2 Strom-Spannungs-Kennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.10.3 Kleinsignalverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.10.4 Effekte bei integrierten MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.10.5 Thermisches Verhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.10.6 Anwendungen von Feldeffekttransistoren . . . . . . . . . . . 6.10.6.1 FET als elektronischer Schalter . . . . . . . . . . . 6.10.6.2 Steuerbarer Widerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.10.6.3 Kleinsignalverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.10.6.4 Konstantstromquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.10.6.5 Leistungs-Feldeffekttransistoren . . . . . . . . . . . 6.10.6.6 Spezielle Feldeffekttransistorarten . . . . . . . . . 6.11 Thyristorbauelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.11.1 Überblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.11.2 Einrichtungs-Thyristordiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.11.3 Zweirichtungs-Thyristordiode und Diac . . . . . . . . . . . . 6.11.4 Einrichtungs-Thyristortriode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.11.4.1 Technologischer Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . 6.11.4.2 Wirkungsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.11.5 Zweirichtungs-Thyristortriode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.11.6 Anwendungen von Thyristor und Triac . . . . . . . . . . . . . 6.11.6.1 Leistungsschalter für Wechsel- und Gleichstrom 6.11.6.2 Elektronische Lastrelais . . . . . . . . . . . . . . . . 6.11.6.3 Störschutz und Schutzbeschaltung . . . . . . . . . 6.11.7 Spezielle Thyristoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 265 267 268 269 269 270 270 274 274 274 276 277 278 281 281 281 281 283 283 286 288 288 291 294 295 296 296 296 298 298 299 300 301 306 306 306 307 309 309 309 311 312 312 314 315 316 14 Inhaltsverzeichnis 6.12 Optoelektronische Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.12.1 Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.12.2 Fotometrische Beziehungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.12.3 Lichtempfindliche Fotohalbleiter . . . . . . . . . . . . . . . 6.12.3.1 Fotowiderstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.12.3.2 Fotodioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.12.3.3 Fotoelemente und Solarzellen . . . . . . . . . . 6.12.3.4 Fototransistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.12.3.5 Fotothyristoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.12.4 Lichtemittierende Fotohalbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . 6.12.4.1 Lumineszenzeffekt in Halbleitern . . . . . . . . 6.12.4.2 Lumineszenzdioden (LED) . . . . . . . . . . . . 6.12.4.3 LED-Anzeigesysteme (Display-Bauelemente) 6.12.4.4 Halbleiter-Injektionslaser . . . . . . . . . . . . . 6.12.5 Optoelektronische Koppelelemente . . . . . . . . . . . . . . 6.12.6 Feldeffekt-Anzeigeelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.13 Halbleitersensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.13.1 Temperatursensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.13.1.1 Heißleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.13.1.2 Kaltleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.13.1.3 Thermoelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.13.2 Drucksensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.13.2.1 Piezoresistive Wandler . . . . . . . . . . . . . . . 6.13.2.2 Piezoelektrische Wandler . . . . . . . . . . . . . 6.13.3 Magnetfeldsensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.13.3.1 Feldplatten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.13.3.2 Hall-Generatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.13.3.3 Reed-Kontakte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.13.4 Feuchtesensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.13.5 Gassensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.13.6 Fotosensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.13.7 Auswerteprinzipien und Messschaltungen für Sensoren 6.14 Integrierte Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.14.1 Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.14.2 Filmschaltkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.14.3 Festkörperschaltkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.14.3.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.14.3.2 Herstellungszyklen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.14.3.3 Schaltkreistechnologien . . . . . . . . . . . . . . 6.14.3.4 Schaltkreisentwurf . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.14.4 Schaltkreisgehäuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.15 Kühlung von Halbleiterbauelementen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.16 Rauschen elektronischer Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.16.1 Grundbeziehungen und Widerstandsrauschen . . . . . . . 6.16.2 Äquivalenter Rauschwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . 6.16.3 Rauschzahl und Rauschmaß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.16.4 Rauschen von Feldeffekttransistoren . . . . . . . . . . . . . 6.16.5 Rauschen bipolarer Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316 316 317 319 319 320 321 322 323 323 323 324 324 325 325 326 326 327 327 328 329 331 331 332 333 333 333 334 335 336 337 337 338 338 339 340 340 340 341 345 346 347 349 349 350 350 350 351 Inhaltsverzeichnis 7 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 Analoge Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Begriffsbestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Analysemethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.1 Vierpolanalyse (Zweitoranalyse) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.1.1 Rechnen mit Vierpolen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.1.2 Widerstände und Übertragungsfaktoren . . . . . . . . . . 7.2.1.3 Wellenbezogene Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.2 Knotenspannungsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.3 Computergestützte Netzwerk-Analysen . . . . . . . . . . . . . . . . . Aktive Grundschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.1 Begriffsbestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.2 Gegengekoppelte Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.2.1 Begriff der Rückkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.2.2 Gegenkopplungsmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.2.3 Gegenkopplungseffekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.3 Kopplungsarten bei mehrstufigen Verstärkern . . . . . . . . . . . . . 7.3.3.1 Grenzfrequenz bei RC-Kopplung . . . . . . . . . . . . . . 7.3.3.2 Drift bei direkter Kopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.4 Differenzverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.4.1 Eigenschaften der Grundschaltung . . . . . . . . . . . . . 7.3.4.2 Stromspiegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.5 Leistungsendstufen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.5.1 Begriffsbestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.5.2 Grundschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Operationsverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4.1 Begriffsbestimmung und Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4.2 Kenngrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4.2.1 Statische Kenngrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4.2.2 Offset- und Driftkenngrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4.2.3 Dynamische Kenngrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4.2.4 Kompensationsmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4.3 Grundschaltungen mit Operationsverstärkern . . . . . . . . . . . . . 7.4.3.1 Verstärkergrundschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4.3.2 Verstärkerschaltungen mit speziellen Eigenschaften . . 7.4.3.3 Konstantstromquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4.3.4 Analogrechenschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4.3.5 Komparatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5.1 Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5.2 Aktive RC-Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5.2.1 Tiefpässe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5.2.2 Hochpässe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5.2.3 Bandpässe (Selektivfilter) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5.2.4 Hinweise zu Filtern höherer Ordnung . . . . . . . . . . . 7.5.3 SC-Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Oszillatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6.1 Begriffsbestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6.2 RC-Oszillatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 353 353 355 355 356 360 362 364 366 368 368 369 369 370 372 374 374 375 377 377 379 381 381 382 385 385 387 387 388 389 390 393 393 394 395 396 399 400 400 401 402 405 406 407 407 408 408 409 16 7.7 8 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 Inhaltsverzeichnis 7.6.3 Quarzoszillatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6.3.1 Elektrische Eigenschaften des Quarzes 7.6.3.2 Hinweise zu einfachen Oszillatoren . . . Analog/Digital- und Digital/Analog-Umsetzer . . . . . . . . . 7.7.1 Analog/Digital-Umsetzer . . . . . . . . . . . . . . . . 7.7.1.1 Parallelverfahren . . . . . . . . . . . . . . . 7.7.1.2 Wägeverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . 7.7.1.3 Abtast- und Halteschaltung . . . . . . . . 7.7.1.4 Zählverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.7.1.5 Hinweise zu weiteren Umsetzverfahren 7.7.2 Digital/Analog-Umsetzer . . . . . . . . . . . . . . . . 7.7.2.1 Prinzip der Parallelumsetzung . . . . . . 7.7.2.2 Umsetzverfahren mit R-2R-Netzwerk . 7.7.2.3 Analogschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411 411 413 413 415 415 416 418 420 421 423 424 425 426 Digitale Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Begriffsbestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen der Schaltalgebra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.1 Logische Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.2 Rechenregeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.3 Minimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Logische Grundschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.1 Logische Pegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.2 Integrierte Standard-Schaltkreise . . . . . . . . . . . 8.3.2.1 TTL-Schaltkreise . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.2.2 CMOS-Schaltkreise . . . . . . . . . . . . . Ausgewählte Bausteine für Schaltnetze . . . . . . . . . . . . . . 8.4.1 Komparatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4.2 Multiplexer und Demultiplexer . . . . . . . . . . . . 8.4.3 Codeumsetzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4.4 Addierer und Subtrahierer . . . . . . . . . . . . . . . . Elementare Kippschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5.1 Begriffsbestimmung und Übersicht . . . . . . . . . . 8.5.2 Bistabile Kippschaltungen (Flipflop) . . . . . . . . . 8.5.2.1 Ungetaktete Flipflops . . . . . . . . . . . . 8.5.2.2 Zustandsgesteuerte Flipflops . . . . . . . 8.5.2.3 Flankengesteuerte Flipflops . . . . . . . . 8.5.3 Schmitt-Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5.4 Monostabile Kippschaltungen . . . . . . . . . . . . . 8.5.5 Astabile Kippschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . Komplexe Bausteine für digitale Systeme . . . . . . . . . . . . 8.6.1 Zähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.6.1.1 Asynchronzähler . . . . . . . . . . . . . . . 8.6.1.2 Synchronzähler . . . . . . . . . . . . . . . . 8.6.1.3 Integrierte Zähler . . . . . . . . . . . . . . . 8.6.2 Frequenzteiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.6.2.1 Asynchrone Frequenzteiler . . . . . . . . 8.6.2.2 Synchrone Frequenzteiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........ ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... 428 428 430 430 432 435 438 438 439 440 446 450 451 452 454 456 460 460 461 462 464 466 468 470 471 473 473 474 475 476 478 479 479 Inhaltsverzeichnis 8.6.3 8.7 8.8 8.9 9 9.1 9.2 Register . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.6.3.1 Begriffsbestimmung und Überblick . . . . . 8.6.3.2 Elementare Schieberegister . . . . . . . . . . 8.6.3.3 Integrierte Schieberegister . . . . . . . . . . . Halbleiterspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.7.1 Begriffsbestimmung und Übersicht . . . . . . . . . . . . 8.7.2 Schreib-Lese-Speicher (RAM) . . . . . . . . . . . . . . . 8.7.2.1 Statische RAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.7.2.2 Dynamische RAM . . . . . . . . . . . . . . . . 8.7.3 Festwertspeicher (ROM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.7.3.1 Programmierbare ROM . . . . . . . . . . . . . 8.7.3.2 Reprogrammierbare ROM . . . . . . . . . . . 8.7.4 Kombinierte Speicherschaltungen . . . . . . . . . . . . . Anwenderspezifische Schaltkreise (ASIC) . . . . . . . . . . . . . . 8.8.1 Merkmale von ASIC-Strukturen . . . . . . . . . . . . . . 8.8.2 Einfache PLD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.8.2.1 PAL-Grundstrukturen . . . . . . . . . . . . . . 8.8.2.2 Reprogrammierbare PLD . . . . . . . . . . . 8.8.2.3 Komplexe PLD (CPLD) . . . . . . . . . . . . 8.8.2.4 Feldprogrammierbare Gate Array (FPGA) Ergänzende Informationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.9.1 Code-Arten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.9.2 Zahlensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.9.3 Schaltkreis-Listen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.9.4 Hardware-Beschreibungssprachen . . . . . . . . . . . . 8.9.4.1 VHDL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.9.4.2 Verilog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481 481 482 483 485 485 488 489 492 494 495 496 500 502 503 504 504 507 509 510 513 513 515 517 518 519 521 Stromversorgungsschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundfunktionen konventioneller Netzteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1.1 Gleichrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1.1.1 Einweggleichrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1.1.2 Zweiweggleichrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1.1.3 Gleichrichtung mit Spannungsvervielfachung . . . . . . 9.1.2 Glättung und Siebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1.2.1 Glättung mit Ladekondensator . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1.2.2 Siebung mit frequenzabhängigen Bauelementen . . . . Spannungsstabilisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.1 Begriffsbestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.2 Erzeugung von Referenzspannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.2.1 Diskrete Schaltungen mit Z-Dioden . . . . . . . . . . . . 9.2.2.2 Integrierte Referenzspannungsquellen . . . . . . . . . . . 9.2.3 Stetige Gleichspannungsregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.3.1 Grundschaltung aus diskreten Bauelementen . . . . . . 9.2.3.2 Integrierte Regler mit einstellbarer Spannung . . . . . . 9.2.3.3 Integrierte Festspannungsregler . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.4 Unstetige Regelung mit Schaltregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.4.1 Begriffsbestimmung und Übersicht . . . . . . . . . . . . . 9.2.4.2 Gleichspannungswandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524 524 525 525 526 528 529 530 533 534 534 535 535 537 538 538 539 540 541 541 542 18 Inhaltsverzeichnis 9.2.4.3 9.2.4.4 Wandler für Netzbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547 Integrierte Ansteuerschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . 551 10 Elektrische Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1 Allgemeine Vorgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1.1 Klassifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1.1.1 Leistungsbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1.1.2 Leistungsangaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1.1.3 Gliederung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1.2 Normen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1.2.1 Bauformen und Schutzarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1.2.2 Betriebsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1.2.3 Baugrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2 Gleichstrommaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.1 Aufbau und Wirkungsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.1.1 Bauteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.1.2 Wirkungsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.1.3 Anker- und Erregerwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.2 Betriebsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.2.1 Ankerrückwirkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.2.2 Fremderregte Gleichstrommotoren . . . . . . . . . . . . . 10.2.2.3 Reihenschlussmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.3 Drehzahlsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.3.1 Ankervorwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.3.2 Feldschwächung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.3.3 Spannungsabsenkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.3.4 Stromrichterbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.3.5 Bremsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3 Drehstrom-Asynchronmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.1 Aufbau und Wirkungsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.1.1 Bauteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.1.2 Drehfeld und Drehmoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.2 Betriebsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.2.1 Ersatzschaltung und Zeigerbild . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.2.2 Stromortskurve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.2.3 Drehmoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.3 Drehzahlsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.3.1 Frequenzänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.3.2 Polumschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.3.3 Läufervorwiderstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.3.4 Absenken der Ständerspannung . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.3.5 Untersynchrone Stromrichterkaskade (USK) . . . . . . 10.3.4 Anlauf- und Bremsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.4.1 Anlasstechniken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.4.2 Bremsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.5 Asynchronmotoren für Wechselstrombetrieb . . . . . . . . . . . . . 10.3.5.1 Kondensatormotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.5.2 Spaltpolmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.5.3 Steinmetz-Schaltung für Drehstrommotoren . . . . . . . 553 553 553 553 554 555 557 557 558 559 560 560 560 561 563 564 564 566 566 567 567 568 569 570 571 572 572 572 575 576 576 578 581 583 583 585 586 587 588 589 589 592 595 595 596 597 Inhaltsverzeichnis 10.4 Synchronmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4.1 Aufbau und Wirkungsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4.1.1 Bauteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4.1.2 Erregersysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4.1.3 Spannungsinduktion . . . . . . . . . . . . . . . 10.4.2 Betriebsverhalten der Vollpolmaschine . . . . . . . . . 10.4.2.1 Inselbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4.2.2 Stoß- und Dauerkurzschlossstrom . . . . . . 10.4.2.3 Netzbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4.3 Spezielle Bauformen und Betriebsarten . . . . . . . . . 10.4.3.1 Schenkelpolmaschinen . . . . . . . . . . . . . 10.4.3.2 Stromrichtergespeiste Synchronmaschinen 10.4.3.3 Dauermagneterregte Servomotoren . . . . . 10.4.3.4 Linearmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5 Kleinmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.1 Batterieversorgte Gleichstrommaschinen . . . . . . . . 10.5.2 Universalmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.3 Schrittmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.4 Elektronikmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 598 599 599 600 602 603 603 606 606 611 611 615 616 618 621 622 623 627 630 Matlab-Programme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 632 Abkürzungsverzeichnis zur Elektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634 Formelzeichenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 638 Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645 Sachwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654
