Inhaltsverzeichnis

VII
Inhaltsverzeichnis
VORWORT................................................................................................................................ V
1
GRUNDLAGEN DER ELEKTROTECHNIK ....................................................................1
1.1
Gleichstromkreis..........................................................................................................1
1.1.1 Elektrischer Gleichstromkreis ..................................................................................2
1.1.2 Elektrische Spannung...............................................................................................3
1.1.3 Ohmsches Gesetz .....................................................................................................4
1.1.4 Elektrischer Widerstand...........................................................................................5
1.1.5 Reihenschaltung von Widerständen .........................................................................9
1.1.6 Parallelschaltung von Widerständen ......................................................................11
1.1.7 Belasteter und unbelasteter Spannungsteiler ..........................................................12
1.1.8 Gemischte Schaltungen ..........................................................................................14
1.1.9 Elektrische Arbeit und Leistung.............................................................................15
1.2
Gleichspannungs- und Gleichstromquellen................................................................16
1.2.1 Potentialbildung .....................................................................................................16
1.2.2 Elektrolyt und Elektrolyse......................................................................................19
1.2.3 Galvanisches Element (Primärelemente) ...............................................................20
1.2.4 Leclanche-Element.................................................................................................22
1.2.5 Kohle-Zink-Trockenelemente ................................................................................24
1.2.6 Quecksilberoxid-Zink-Trockenelement .................................................................26
1.2.7 Bleiakkumulator.....................................................................................................26
1.2.8 Nickel-Cadmium-Akkumulator..............................................................................27
1.2.9 Nickel-Eisen-Akkumulator ....................................................................................28
1.2.10 Chemische Spannungsquelle..................................................................................29
1.2.11 Reihenschaltung von chemischen Spannungserzeugern.........................................31
1.2.12 Parallelschaltung von chemischen Spannungserzeugern........................................33
1.3
Ohmsche Widerstände ...............................................................................................35
1.3.1 Werkstoffe .............................................................................................................36
1.3.2 Eigenschaften von Widerständen ...........................................................................37
1.3.3 Bauarten von Widerständen ...................................................................................38
1.3.4 Belastbarkeit von Widerständen ............................................................................41
1.3.5 Potentiometer und Einsteller ..................................................................................42
1.3.6 Spannungsteiler......................................................................................................44
1.3.7 Brückenschaltung...................................................................................................46
1.3.8 NTC- und PTC-Widerstände .................................................................................47
1.3.9 Feldplatte ...............................................................................................................50
1.3.10 Photowiderstände...................................................................................................52
1.3.11 Varistoren (VDR-Widerstände) ..............................................................................53
1.4
Kondensatoren ...........................................................................................................54
1.4.1 Physikalische Grundlagen ......................................................................................54
1.4.2 Elektrisches Feld....................................................................................................57
VIII
Inhaltsverzeichnis
1.4.3 Kondensatoren an Gleichspannung ........................................................................58
1.4.4 Aufbau von Festkondensatoren ..............................................................................61
1.4.5 Elektrolytkondensatoren.........................................................................................63
1.4.6 Kondensator an Rechteckspannung........................................................................65
1.4.7 Differenzierglied ....................................................................................................68
1.5
Spulen ........................................................................................................................69
1.5.1 Physikalische Grundlagen ......................................................................................69
1.5.2 Magnetischer Fluss und magnetische Feldstärke....................................................70
1.5.3 Magnetische Feldstärke und magnetische Flussdichte ...........................................71
1.5.4 Hysterese................................................................................................................73
1.5.5 Permeabilität ..........................................................................................................75
1.5.6 Luftspulen ..............................................................................................................75
1.5.7 Spulen mit magnetisierbarem Kern ........................................................................77
1.5.8 Blechkerne .............................................................................................................77
1.5.9 Messung einer idealen Spule..................................................................................78
1.5.10 Ideale Spule im Wechselstromkreis .......................................................................81
1.5.11 Messung einer realen Spule....................................................................................82
1.6
Transformatoren und Übertrager................................................................................83
1.6.1 Funktionsweise.......................................................................................................84
1.6.2 Kleintransformatoren .............................................................................................85
1.6.3 Simulation eines idealen Transformators ...............................................................86
1.6.4 Berechnung eines Transformators..........................................................................89
2
THEORIE UND PRAXIS DER WECHSEL- UND DREHSTROMTECHNIK ..............91
2.1
Grundlagen des Wechselstromkreises........................................................................91
2.1.1 Erzeugung von Wechselspannung..........................................................................91
2.1.2 Kraft auf parallele Stromleiter................................................................................92
2.1.3 Kraft auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld ..............................................93
2.1.4 Kraft im Magnetfeld...............................................................................................95
2.1.5 Induktion der Bewegung ........................................................................................96
2.1.6 Feldlinien ...............................................................................................................98
2.1.7 Induktionsgesetz.....................................................................................................98
2.1.8 Drehstrom ............................................................................................................101
2.1.9 Drehstromübertragung .........................................................................................102
2.1.10 Vergleich zwischen Stern- und Dreieckschaltung ................................................105
2.2
Widerstand, Kondensator und Spule im Wechselstromkreis ...................................107
2.2.1 Ohmscher Widerstand im Wechselstromkreis......................................................107
2.2.2 Kondensator im Wechselstromkreis.....................................................................108
2.2.3 Spule im Wechselstromkreis ................................................................................110
2.2.4 Zeiger- und Liniendiagramm................................................................................111
2.2.5 Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom ...........................................112
2.2.6 Induktive und kapazitive Blindleistung................................................................114
2.2.7 Scheinleistung ......................................................................................................118
2.3
Wechselstromkreise .................................................................................................120
2.3.1 Widerstand-Kondensator-Reihenschaltung ..........................................................120
2.3.2 Reihenschaltung von Widerstand und Spule ........................................................124
2.3.3 Reihenschaltung von Widerstand, Kondensator und Spule..................................127
2.3.4 Parallelschaltung von Widerstand, Kondensator und Spule.................................131
Inhaltsverzeichnis
IX
2.3.5 Leistung im Wechselstromkreis ...........................................................................133
2.3.6 Kompensationsschaltung für den Einphasenbetrieb.............................................139
2.4
Drehstrom ................................................................................................................141
2.4.1 Simulation einer symmetrisch belasteten Sternschaltung.....................................142
2.4.2 Simulation einer symmetrisch belasteten Dreieckschaltung.................................144
2.5
Elektrische Arbeit und Energie ................................................................................145
2.5.1 Allgemeine Leistungsmessung .............................................................................146
2.5.2 Leistungsmessung bei Wechselstrom...................................................................148
2.5.3 Leistungsmessung bei Drehstrom.........................................................................152
3
HALBLEITERBAUELEMENTE FÜR DIE LEISTUNGSELEKTRONIK ...................155
3.1
Aufbau und Anwendungen von Dioden ...................................................................156
3.1.1 pn-Übergang bei Dioden......................................................................................157
3.1.2 Kennlinien von Dioden ........................................................................................160
3.1.3 Statische Aufnahme einer Diodenkennlinie .........................................................161
3.1.4 Statischer und dynamischer Innenwiderstand ......................................................164
3.1.5 Z-Dioden..............................................................................................................166
3.1.6 Diode als Einweggleichrichtung ..........................................................................168
3.1.7 Zweiweggleichrichtung ........................................................................................169
3.1.8 Brückengleichrichtung .........................................................................................171
3.1.9 Drehstrom-Einweggleichrichtung ........................................................................174
3.1.10 Drehstrom-Brückengleichrichtung .......................................................................176
3.1.11 Einweggleichrichter mit Ladekondensator...........................................................177
3.1.12 Zweiweggleichrichtung mit Ladekondensator......................................................181
3.1.13 Brückengleichrichtung mit Ladekondensator.......................................................182
3.1.14 Begrenzerschaltungen mit Dioden und Z-Dioden ................................................184
3.1.15 Elektronische Schalterfunktionen mit Dioden......................................................188
3.1.16 ODER- und UND-Gatter in RDL-Technik ..........................................................194
3.1.17 Freilaufdiode........................................................................................................198
3.2
Schaltungstechnik mit Transistoren .........................................................................200
3.2.1 Wirkungsweise des npn-Transistors.....................................................................202
3.2.2 Untersuchung der Verstärkerwirkung eines npn-Transistors ...............................210
3.2.3 Grundschaltung eines npn-Transistors .................................................................213
3.2.4 Verstärkerschaltungen mit Transistor ..................................................................217
3.2.5 Transistor als Schalter..........................................................................................225
3.2.6 Digitale Transistorschaltungen.............................................................................230
3.2.7 RS-Kippglieder (Flipflops) in RTL-Technik .......................................................237
3.3
Leistungselektronik mit Thyristoren und TRIAC ....................................................238
3.3.1 Vierschichtdiode ..................................................................................................239
3.3.2 Thyristor ..............................................................................................................241
3.3.3 Dynamisches Verhalten von Thyristoren .............................................................248
3.3.4 Löschverfahren ....................................................................................................250
3.3.5 Schutzschaltungen................................................................................................252
3.3.6 Leistungssteuerung...............................................................................................253
3.3.7 Phasenanschnittsteuerung.....................................................................................259
3.3.8 Leistungselektronik mit TRIAC...........................................................................268
3.3.9 Phasenanschnitt mit DIAC und TRIAC ...............................................................272
3.3.10 Thyristor als steuerbarer Gleichrichter.................................................................275
X
Inhaltsverzeichnis
4
ELEKTROMOTOREN IN DER ANTRIEBSTECHNIK................................................283
4.1
Berechnungen zur Mechanik und Elektrotechnik ....................................................283
4.1.1 Mechanische Arbeit und Energie .........................................................................283
4.1.2 Mechanische Leistung..........................................................................................285
4.1.3 Mechanische Leistung bei Drehbewegung ...........................................................285
4.1.4 Wirkungsgrad.......................................................................................................286
4.1.5 Hydraulik und Pneumatik.....................................................................................288
4.1.6 Drehmoment und Hebel .......................................................................................290
4.2
Gleichstromantriebe .................................................................................................291
4.2.1 Gleichstromgeneratoren .......................................................................................293
4.2.2 Gleichstrommotoren.............................................................................................297
4.2.3 Drehzahlsteuerung bei Gleichstrommotoren ........................................................299
4.2.4 Ein- und Mehrquadrantenbetrieb .........................................................................300
4.3
Drehstrommotor .......................................................................................................303
4.3.1 Wirkungsweise des Asynchronmotors .................................................................304
4.3.2 Schlupf, Moment und Drehzahl ...........................................................................307
4.3.3 Ansteuerung eines Drehstrommotors ...................................................................310
4.3.4 Wirkungsgrad und Verlust ...................................................................................316
4.3.5 Magnetfeld ...........................................................................................................318
4.3.6 Sterndreieckschalter .............................................................................................318
4.3.7 Drehrichtung bei Drehstrommotor .......................................................................321
4.3.8 Drehzahl bei Drehstrommotoren ..........................................................................321
4.3.9 Drehzahländerungen ............................................................................................323
4.3.10 Schlupfsteuerung..................................................................................................326
4.3.11 Verlustfreie Steuerung durch Frequenzänderung .................................................327
4.3.12 Motordaten...........................................................................................................329
4.3.13 Belastungscharakteristik.......................................................................................333
4.3.14 Reluktanzmotor ....................................................................................................335
4.4
Praxis der Antriebstechnik .......................................................................................337
4.4.1 Drehstromantriebe mit einer oder mehreren festen Drehzahlen ...........................338
4.4.2 Dimensionierung aus Lastmoment, Schwungmasse und Schalthäufigkeit ...........341
4.4.3 Sanftanlauf und Sanftumschaltung .......................................................................343
4.4.4 Mechanische Verstellgetriebe ..............................................................................344
4.4.5 Auswahl für ein Untersetzungsgetriebe................................................................347
4.5
Wechselstrommotoren .............................................................................................350
4.5.1 Einphasenkommutatormotor oder Universalmotor ..............................................350
4.5.2 Drehstrommotor als Einphasenmotor...................................................................351
SACHWORTVERZEICHNIS .................................................................................................354