Fachkunde - Europa
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EUROPA-FACHBUCHREIHE für elektrotechnische und elektronische Berufe Fachkunde Büro- und Informationselektronik mit Radio-, Fernseh- und Multimedientechnik 8. völlig neubearbeitete Auflage Bearbeitet von Lehrern und Ingenieuren an beruflichen Schulen und Fertigungsbetrieben (siehe Rückseite) Ihre Meinung interessiert uns. Teilen Sie uns Ihre Verbesserungsvorschläge, Ihre Kritik aber auch Ihre Zustimmung zum Buch mit. Schreiben Sie uns an die E-Mail-Adresse: [email protected] Die Autoren und der Verlag Europa-Lehrmittel, im Februar 2015 VERLAG EUROPA-LEHRMITTEL · Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG Düsselberger Straße 23 · 42781 Haan-Gruiten Europa-Nr.: 32513 Titelei 001-010.indd 1 27.01.15 15:36 Autoren des Buches Büro- und Informationselektronik Elmar Dehler, Ulrich Freyer, Gregor Häberle, Michael Jeschke, Hermann Münch, Bernd Schiemann, Studiendirektor Dipl.-Ing., Analyst für Medientechnik Dr.-Ing., Abteilungsleiter Oberstudienrat Studiendirektor Dipl-Ing. Laupheim, Ulm Köln Tettnang Frankenthal Stuttgart Durbach Bildbearbeitung: Zeichenbüro des Verlags Europa-Lehrmittel GmbH & Co. KG, Ostfildern Lektorat: Bernd Schiemann 8. Auflage 2015 Druck 5 4 3 2 1 Alle Drucke derselben Auflage sind parallel einsetzbar, da sie bis auf die Behebung von Druckfehlern untereinander unverändert sind. ISBN 978-3-8085-3299-7 Diesem Buch wurden die neuesten Ausgaben der DIN-Blätter und der VDE-Bestimmungen zugrunde gelegt. Verbindlich sind jedoch nur die DIN-Blätter und VDE-Bestimmungen selbst. Die DIN-Blätter können von der Beuth-Verlag GmbH, Burggrafenstraße 4 – 7, 10787 Berlin 30, und Kamekestraße 2–8, 50672 Köln, bezogen werden. Die VDE-Bestimmungen sind bei der VDE-Verlag GmbH, Bismarckstraße 33, 10625 Berlin, erhältlich. Alle Rechte vorbehalten. Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der gesetzlich geregelten Fälle muss vom Verlag schriftlich genehmigt werden. © 2015 by Verlag Europa-Lehrmittel, Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG, 42781 Haan-Gruiten http://www.europa-lehrmittel.de Satz: Grafische Produktionen Jürgen Neumann, 97222 Rimpar Umschlaggestaltung: Idee: Bernd Schiemann, Ausführung: Atelier PmbH, 35088 Battenberg Umschlagfotos: © Thomas Pajot-Fotolia-com; © Oleksig Mark-Fotolia.com; © pandawild-Fotolia.com Druck: M. P. Media-Print Informationstechnologie GmbH, 33100 Paderborn Titelei 001-010.indd 2 23.01.15 13:50 Vorwort 3 Wo finde ich in diesem Buch …? Allgemeine Inhalte Vorwort Inhaltsverzeichnis Berufsbild Informationselektroniker/in Größen und Einheiten Kennbuchstaben der Objekte Literaturverzeichnis Verzeichnis der Firmen und Dienststellen Sachwortverzeichnis Formelzeichen dieses Buches 4 5–9 10 633 – 638 635 636 637 ab 639 U2 und U3 Inhalte nach Lernfeldern Elektronik ● Geräte, Anlagen und Systeme der Informationstechnik installieren ● Signalverarbeitungsvorgänge in Einrichtungen der Informationstechnik erfassen und darstellen ● Die Funktion ausgewählter Baugruppen und Bauelemente von Geräten der Informationstechnik analysieren 223 Computertechnik ● Branchenspezifische Software und Standardsoftware unter Anwendung eines ausgewählten Betriebssystems nutzen ● Ein Einzelplatzcomputersystem auftragsgerecht konfigurieren und optimieren 177 291 Bürotechnik ● Bürosysteme installieren, Fehler analysieren ● Bürosystemtechnik einrichten, in Betrieb nehmen und administrieren 365 373 Betrieb ● Mit Kunden und Mitarbeitern kommunizieren und Kundenbeziehungen pflegen ● System- und Anwendersoftware installieren, kundengerecht planen und beraten, Datenbanktechnik anwenden, z. B. Kostenrechnungen 11 67 209 339 Netze ● Telekommunikationsanlagen installieren und an Netze anbinden ● Geräte und vernetzte Systeme einrichten 399 489 Multimediatechnik und Kommunikationstechnik ● Fehler an Baugruppen der Bild-, Ton- und Datentechnik analysieren ● Multimediale Konsumergeräte einrichten ● Dienste und Multimediakomponenten einrichten und nutzen ● Drahtgebundene und drahtlose Übertragungssysteme, Empfangs- und Verteilanlagen 433 525 583 607 Prüfungsaufgaben ● Lernsituationen, Prüfungsaufgaben ● Lösungen auf der CD 619 Nostalgie-Ecke auf der CD ● Wissenswertes zur Schaltungstechnik aus alten Zeiten … Titelei 001-010.indd 3 27.01.15 15:36 4 Vorwort Vorwort zur 8. Auflage Die vollständig neubearbeitete „Fachkunde Büro- und Informationselektronik“ ist ein Lehrbuch für die Erstausbildung in den IT-Berufen Informationselektroniker/Informationselektronikerin mit den Schwerpunkten Bürosystemtechnik und Geräte- und Systemtechnik sowie für den Elektroniker Fachrichtung Informations- und Telekommunikationstechnik. Auch für den Unterricht an Informationstechnischen Gymnasien, Fachgymnasien, Fachoberschulen und Berufsoberschulen wird das Buch empfohlen. Als grundlegende Einführung in das gesamte Fachgebiet ist dieses Buch gleichzeitig nützlich für Schüler an Berufskollegs und Studierende an Fachschulen, Meisterschulen, Berufsakademien und Fachhochschulen. Inhalte des Buches: ● Elektrotechnik, Elektronik, Digitaltechnik, Messtechnik, EMV ● Computertechnik mit Hardware, Software- und Datenbanktechnik ● Bürosystemtechnik ● Betrieb und sein Umfeld, mit Kundenerwartungen und Kostenrechnung ● Kommunikationstechnik mit Telekommunikationsnetzen und IT-Systemen ● Multimediatechnik, Dienste und Komponenten ● Kommunikationstechnik für Bild-, Ton-, und Daten-, mit Übertragungs- und Verteiltechnik ● Prüfungsvorbereitung mit Projektaufgaben Überarbeitete Inhalte: Leitungen der Kommunikationstechnik, Messkategorien, DSO, PC-Oszilloskop, EMVU, PC-Technik, Partitionieren, Leiterplattenentwurf, Modulationstechnik, Empfangstechnik, LC-Bildschirmtechnik, Farbfernsehübertragung, Netze und Netzverwaltung, TV-Geräte, TV-Technik mit DVB, Internetrecht, PC-Bussysteme, BIOS, Interrupttechnik, Infrarot-Übertragungssysteme, Equalizer, Camcorder, digitale Bildbearbeitung, Internet, Webdesign, Empfangs- und Verteilanlagen. Neue Inhalte: Office-Makros, Linux, SSD, Blu-ray-Disk, Monitortechnik, Daten sichern und schützen, IGBT, Synchrongleichrichter, PFC, PCI-E-Schnittstelle, UEFI, Interrupttechnik, FireWire-Schnittstelle, Festtintendrucker, 3D-Drucker, IP-Telefonanlage, VoIP, EDGE, HSPA, LTE, Funkanwendungen im ISM-Band, WLAN-Technik (Repeater, Praxis, Hotspot), Bildausgabegeräte (Monitore, Bildschirmtechnik auch mit 3D, Sehbereich und Farbräume), Beamer, Whiteboards, QAM, OSI-7-Schichtenmodell, Netzzugriffsverfahren, Netzwerk einrichten, Fernwartung, Firewall-Systeme, TV-Signalverarbeitung, Set-Top Boxen, LCD-Empfänger, TV-Praxis, Triple-Play-Technik, Heimvernetzung (Smart Home), Kinect, Videoüberwachung, Geräte und Betriebssysteme für mobile Kommunikation, Cloud Computing, WLAN-Radio, Powerline, Video- und Audio-Streaming, Mailserver, Instant Messaging, DSL-Modem, HTML-Editor, Nutzenschwelle, Make or Buy. Besonderer Wert wurde auch darauf gelegt, Funktionszusammenhänge und Funktionsabläufe durch zahlreiche mehrfarbige Bilder, Diagramme und Tabellen zu veranschaulichen. Zur Förderung des Verständnisses von Oldies der NF- und Tontechnik, sowie der Radio- und Fernsehtechnik ist ein besonderes Kapitel auf der CD enthalten. Februar 2015 Titelei 001-010.indd 4 Die Verfasser 23.01.15 13:50 Inhaltsverzeichnis 5 Inhaltsverzeichnis Struktur des Berufes Büroinformationselektroniker/in ___________________________ 10 1. 1.1. 1.1.1. 1.2. 1.2.1. 1.2.2. 1.2.3. 1.2.4. 1.2.5. 1.2.6. 1.2.7. 1.3. 1.3.1. 1.3.2. 1.3.3. 1.3.4. 1.3.4.1 1.3.4.2 1.4. 1.4.1. 1.4.2. 1.4.3. 1.4.4. 1.4.5. 1.5. 1.5.1. 1.5.2. 1.5.3. 1.5.4. 1.5.5. 1.6. 1.6.1. 1.6.2. 1.6.3. 1.6.4. 1.6.5. 1.6.6. 1.7. 1.7.1. 1.7.1.1 1.7.1.2 1.7.1.3 1.7.1.4 1.7.1.5 1.7.2. 1.7.2.1 1.7.2.2 1.7.2.3 1.7.2.4 1.8. 1.8.1. 1.8.2. 1.8.3. 1.8.4. 1.8.5. 1.9. 1.9.1. 1.9.2. 1.9.3. 1.9.4. 1.9.5. 1.9.6. Geräte, Anlagen und Systeme ________ 11 Elektrische Größen ______________________ 11 Physikalische Grundlagen ________________ 11 Elektrotechnische Grundgrößen __________ 13 Ladung _________________________________ 13 Spannung _______________________________ 13 Elektrischer Strom _______________________ 14 Elektrischer Widerstand __________________ 16 Ohm‘sches Gesetz _______________________ 16 Widerstand und Temperatur ______________ 17 Stromdichte _____________________________ 18 Grundschaltungen _______________________ 19 Bezugspfeile ____________________________ 19 Reihenschaltung _________________________ 20 Parallelschaltung ________________________ 22 Gemischte Schaltungen __________________ 23 Spannungsteiler _________________________ 24 Widerstände durch Strom- und Spannungsmessung bestimmen __________ 25 Spannungserzeugung____________________ 26 Arten der Spannungserzeuger ____________ 26 Belasteter Spannungserzeuger ___________ 26 Anpassung ______________________________ 27 Schaltungen von Spannungserzeugern ____ 29 Ersatzspannungsquelle___________________ 29 Arten und Bauformen von Verbrauchern __ 30 Festwiderstände _________________________ 30 Veränderbare Widerstände _______________ 32 Heißleiterwiderstände____________________ 32 Kaltleiterwiderstände ____________________ 33 Spannungsabhängige Widerstände _______ 33 Leistung, Arbeit, Wärme _________________ 34 Elektrische Leistung______________________ 34 Elektrische Arbeit ________________________ 36 Mechanische Leistung ___________________ 37 Wirkungsgrad ___________________________ 37 Temperatur und Wärme __________________ 39 Leistungshyperbel _______________________ 39 Schutzmaßnahmen, Schutzbestimmungen, Sicherheitsregeln ________________________ 40 Schutzmaßnahmen ______________________ 40 Gefahren des elektrischen Stromes _______ 40 Sicherheitsbestimmungen________________ 41 Schutzarten elektrischer Betriebsmittel ____ 42 Systemunabhängige Schutzmaßnahmen __ 43 Systemabhängige Schutzmaßnahmen ____ 45 Prüfen der elektrischen Installation und der Geräte auf Sicherheit _________________ 47 Überstrom-Schutzeinrichtungen __________ 47 Prüfen von Schutzmaßnahmen ___________ 48 Unfallverhütung und Brandbekämpfung ___ 49 Weitere Qualitätskennzeichnungen ________ 49 Installationsplanung _____________________ 50 Schaltungsunterlagen ____________________ 50 Schaltungen mit Installationsschaltern ____ 51 Schaltfunktion ___________________________ 51 Schützschaltungen_______________________ 53 Schaltungen mit Zeitschaltern und Zeitrelais ________________________________ 55 Werkstoffe und Leitungen ________________ 56 Grundlagen der Werkstoffe ______________ 56 Elektrochemie ___________________________ 58 Korrosion _______________________________ 61 Leiterwerkstoffe _________________________ 62 Leitungen der Energietechnik _____________ 62 Leitungen der Kommunikationstechnik ____ 63 Titelei 001-010.indd 5 1.9.7. 1.9.8. Lote und Flussmittel _____________________ 65 Isolierstoffe _____________________________ 66 2 Signale verarbeiten ___________________ 67 Analoge und digitale Signale _____________ 67 Wechselstrom und Wechselspannung _____ 68 Zahlensysteme und Codes der Datentechnik ____________________________ 74 Codierung von Zahlen im Dualsystem _____ 74 Codierung von Zahlen im Hexadezimalsystem _____________________ 75 Festkommazahlen mit Vorzeichen _________ 76 Gleitkommazahlen mit Vorzeichen ________ 76 Codierung und Decodierung ______________ 77 Codierung im ASCII-Code ________________ 77 Codierung in BCD-Codes _________________ 77 Codeumsetzer ___________________________ 78 Elektrisches Feld ________________________ 80 Grundlagen des elektrischen Feldes _______ 80 Elektrisches Feld anwenden ______________ 81 Kondensatoren __________________________ 81 Schaltungen von Kondensatoren _________ 82 Kondensator im Gleichstromkreis _________ 83 Bauformen von Kondensatoren ___________ 84 Magnetisches Feld _______________________ 87 Grundlagen des magnetischen Feldes _____ 87 Magnetische Stoffe ______________________ 87 Magnetisches Feld anwenden ____________ 88 Strom im Magnetfeld ____________________ 92 Induktion________________________________ 94 Spule im Gleichstromkreis _______________ 97 Bauformen der Spulen ___________________ 98 Spulen verwenden _______________________ 99 Schaltungen der Wechselstromtechnik ___ 100 Blindwiderstände an Wechselspannung __ 100 Wechselstromwiderstand des Kondensators __________________________ 100 Wechselstromwiderstand der Spule ______ 100 Schaltungen von nicht gekoppelten Spulen _________________________________ 102 RC-Schaltungen und RL-Schaltungen ____ 102 Reihenschaltung aus Wirkwiderstand und Blindwiderstand ____________________ 102 Parallelschaltung aus Wirkwiderstand und Blindwiderstand ____________________ 103 Verluste im Kondensator ________________ 104 Verluste in der Spule ____________________ 105 Impulsverformung ______________________ 106 Siebschaltungen ________________________ 108 Schwingkreise __________________________ 112 Schwingung und Resonanz ______________ 112 Reihenschwingkreis_____________________ 113 Parallelschwingkreis ____________________ 114 Resonanzfrequenz ______________________ 115 Bandbreite und Güte ____________________ 116 Zweikreisbandfilter _____________________ 116 Mechanische Bandfilter _________________ 117 Leistungen bei Wechselstrom ___________ 118 Wirkleistung____________________________ 118 Blindleistung, Scheinleistung ____________ 118 Leistungsdreiecke ______________________ 119 Leistungsfaktor _________________________ 120 Transformatoren________________________ 121 Wirkungsweise und Begriffe _____________ 121 Aufbau von Transformatoren ____________ 121 Idealer Transformator ___________________ 122 Realer Transformator im Leerlauf ________ 124 Realer Transformator unter Last _________ 125 Besondere Transformatoren _____________ 125 2.1 2.1.1 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5 2.2.5.1 2.2.5.2 2.2.5.3 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.2.1 2.3.2.2 2.3.2.3 2.3.2.4 2.4 2.4.1 2.4.1.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.4.5 2.4.6 2.4.7 2.5 2.5.1 2.5.1.1 2.5.1.2 2.5.1.3 2.5.2 2.5.2.1 2.5.2.2 2.5.2.3 2.5.2.4 2.5.2.5 2.5.3 2.5.4 2.5.4.1 2.5.4.2 2.5.4.3 2.5.4.4 2.5.4.5 2.5.4.6 2.5.4.6 2.6 2.6.1 2.6.2 2.6.3 2.6.4 2.7 2.7.1 2.7.2 2.7.3 2.7.4 2.7.5 2.7.6 23.01.15 13:50 6 2.8 2.8.1 2.8.2 2.8.3 Inhaltsverzeichnis 2.11.1 2.11.2 2.11.3 2.11.4 Halbleiterbauelemente __________________ 126 Strom in Festkörpern ___________________ 126 Strom in Halbleitern ____________________ 126 Eigenschaften von Halbleiterbauelementen _________________ 128 Sperrschicht____________________________ 128 Sperrschichtkapazität ___________________ 129 Rückwärtsrichtung und Vorwärtsrichtung _ 129 Elektrischer Durchbruch _________________ 131 Halbleiterdioden ________________________ 131 Fotodioden, Fotowiderstände und Fotoelemente __________________________ 133 Leuchtdioden und Optokoppler __________ 135 Arbeitspunkt ___________________________ 137 Z-Dioden _______________________________ 138 Kapazitätsdioden _______________________ 139 PIN-Dioden _____________________________ 139 Schottkydioden _________________________ 140 Halbleiterlaser __________________________ 140 Digitale Bauelemente ___________________ 142 Grundschaltungen binärer Elemente _____ 142 Grundlagen der Schaltalgebra ___________ 144 Weitere binäre Elemente ________________ 146 Binäre Elemente mit besonderen Ausgängen _____________________________ 150 Sequenzielle Grundschaltungen (Schaltwerke) __________________________ 151 Zähler _________________________________ 155 Frequenzteiler __________________________ 157 Schieberegister _________________________ 158 Messmethoden zum Erfassen elektrischer Größen ________________________________ 159 Zeigermesswerke _______________________ 159 Digitalmultimeter _______________________ 161 Besondere Messgeräte __________________ 162 Analog-Oszilloskop _____________________ 163 Digitales Speicheroszilloskop DSO _______ 165 Scopemeter ____________________________ 168 PC-Oszilloskop _________________________ 169 PC-Messtechnik ________________________ 170 Pegel und Pegelrechnung _______________ 171 Elektromagnetische Umweltverträglichkeit EMV ___________________________________ 172 EMVU _________________________________ 172 Auswirkungen der EMV _________________ 173 Störquellen und Störpfade ______________ 173 Entstörmaßnahmen_____________________ 175 3 PC-Technik____________________________ 177 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 Software (Überblick) ____________________ 177 Hardware ______________________________ 177 Komponenten eines PC-Systems_________ 177 Anschlüsse am Computer (Schnittstellen) 180 Peripherie eines EinzelplatzComputersystems ______________________ 181 System-Software _______________________ 182 Betriebssystemarten ____________________ 182 Windows anwenden ____________________ 183 Arbeitsfläche ( Desktop) _________________ 183 Installation von Anwendersoftware ______ 184 Dateiverwaltung ________________________ 185 Konfigurieren von Windows _____________ 186 Partitionieren ___________________________ 187 Befehlszeilenkommandos _______________ 188 Anwendungssoftware ___________________ 190 Office-Pakete __________________________ 190 Textverarbeitung mit Word ______________ 191 Tabellenkalkulation _____________________ 195 Präsentationsprogramm ________________ 198 Office-Anwendungen automatisieren ____ 200 Makros aufzeichnen_____________________ 200 Darstellen und Ändern von Makros ______ 201 Makroschaltfläche erstellen _____________ 202 2.8.3.1 2.8.3.2 2.8.3.3 2.8.3.4 2.8.3.5 2.8.3.6 2.8.3.7 2.8.3.8 2.8.3.9 2.8.3.10 2.8.3.11 2.8.3.12 2.8.3.13 2.8.4 2.8.4.1 2.8.4.2 2.8.4.3 2.8.4.4 2.8.5 2.8.6 2.8.7 2.8.8 2.9 2.9.1 2.9.2 2.9.3 2.9.4 2.9.5 2.9.6 2.9.7 2.9.8 2.10 2.11 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.2.1 3.3.2.2 3.3.2.3 3.3.2.4 3.3.2.5 3.3.2.6 3.3.3 3.3.3.1 3.3.3.2 3.3.3.3 3.3.3.4 3.3.4 3.3.4.1 3.3.4.2 3.3.4.3 Titelei 001-010.indd 6 3.3.5 3.3.5.1 3.3.5.2 3.3.5.3 3.3.6 Linux anwenden ________________________ 203 Installation von Linux ___________________ 203 Festplatten und Partitionen ______________ 203 Verzeichnisse ___________________________ 204 Daten sichern und Daten schützen _______ 205 4 Kundenbeziehungen _________________ 209 4.1 4.1.1 4.1.2 4.2 4.2.1 Kommunikation ________________________ 209 Grundwissen zur Kommunikation ________ 209 Erfolgreiche Gesprächsführung __________ 211 Schriftverkehr __________________________ 212 Normen und Standards beim Schriftverkehr __________________________ 212 Wichtige Geschäftsbriefformen __________ 213 Betreuen von Kunden ___________________ 214 Kunden in die Bedienung von Geräten einweisen ______________________________ 216 Mit Kunden umgehen ___________________ 217 Kundenreklamation _____________________ 217 Reklamationsmanagement ______________ 217 Mitarbeiter schulen _____________________ 219 Teamarbeit _____________________________ 221 Teambildungsprozess ___________________ 221 Teamleistung ___________________________ 222 4.2.2 4.3 4.4 4.5 4.5.1 4.5.2 4.6 4.7 4.7.1 4.7.2 5 Funktionen von Bauelementen und Baugruppen analysieren _____________ 223 5.1 Verhalten und Kennwerte elektronischer Bauelemente ___________________________ 223 Transistoren ____________________________ 223 Bipolare Transistoren ___________________ 223 Unipolare Transistoren FET ______________ 227 Wärmeübertragung _____________________ 231 Operationsverstärker____________________ 232 Schaltungen der Digitaltechnik und Analogtechnik __________________________ 234 Verstärker ______________________________ 234 Grundbegriffe der Verstärkertechnik ______ 234 Verstärker mit bipolaren Transistoren ____ 236 Verstärker mit Feldeffekttransistoren _____ 241 Analoge Schaltungen mit Operationsverstärkern __________________ 244 Generatoren____________________________ 247 Sinusgeneratoren_______________________ 247 Spannungsgesteuerte Oszillatoren VCO __ 249 Sägezahngenerator _____________________ 250 Frequenzerzeugung mit Phasenregelkreis PLL ____________________________________ 251 Frequenzerzeugung mit Synthesizer______ 252 Schalten mit elektronischen Elementen __ 254 Elektronischer Schalter __________________ 254 Schaltverstärker (Treiber) ________________ 254 Zeitgeberbaustein NE555 ________________ 255 Monostabile Kippschaltung______________ 256 Astabile Kippschaltung (Rechteckgenerator) ____________________ 257 Schwellwertschalter ____________________ 258 Signalumsetzer ________________________ 259 Digital-Analog-Umsetzer ________________ 259 Analog-Digital-Umsetzer ________________ 260 Halbaddierer und 1-Bit-Volladdierer ______ 265 Digitale Direktsynthese DDS _____________ 266 Elektronische Schaltungen mit Strom versorgen _______________________ 267 Netzanschlussgerät _____________________ 267 Gleichrichter ___________________________ 267 Gleichrichterschaltungen ________________ 268 Gleichrichter mit einstellbarer Spannung _ 271 Glätten der gleichgerichteten Spannung __ 272 Stabilisieren von Gleichspannung und Gleichstrom ____________________________ 273 Stabilisieren mit ICs_____________________ 275 Stromrichter in der Kommunikationstechnik_________________ 275 5.1.1 5.1.1.1 5.1.1.2 5.1.2 5.1.3 5.2 5.2.1 5.2.1.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5 5.2.5.1 5.2.5.2 5.2.5.3 5.2.5.4 5.2.5.5 5.2.6 5.2.6.1 5.2.6.2 5.2.6.3 5.2.6.4 5.2.6.5 5.2.6.5 5.2.7 5.2.7.1 5.2.7.2 5.2.8 5.2.9 5.2.10 5.2.10.1 5.2.10.2 5.2.10.3 5.2.10.4 5.2.10.5 5.2.10.6 5.2.10.7 5.2.11 23.01.15 13:50 Inhaltsverzeichnis 5.2.11.1 5.2.11.2 5.2.11.3 5.2.11.4 5.2.11.5 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.4 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.4.4 5.4.5 5.4.6 5.4.7 Wechselrichter _________________________ 275 Gleichspannungswandler _______________ 276 Gleichstromsteller ______________________ 277 Schaltnetzteile SNT _____________________ 277 PC-Netzteile ____________________________ 279 Leiterplattenentwurf ____________________ 281 Vorgehen ______________________________ 281 Erstellen eines Schaltplans ______________ 282 Erstellen einer Platinendatei _____________ 284 Ausgeben eines Schaltplans und des Platinenlayouts _____________________ 285 Steuern und Regeln_____________________ 286 Steuern eines technischen Ablaufs _______ 286 Regeln eines technischen Ablaufs ________ 286 Steuerung von Schrittmotoren___________ 287 Drehfeldsteuerung eines Elektronikmotors 288 Ablaufsteuerungen _____________________ 288 Regelung von Antrieben ________________ 288 Regeln mit Fuzzy-Logik __________________ 289 6 Einzelplatzcomputersystem konfigurieren und optimieren ________ 291 6.1 Hardwaremäßiger Aufbau eines Computers _____________________________ 291 Arten von PCs __________________________ 291 Gehäusebaugruppen____________________ 292 PC-Bussysteme und InterconnectVerbindungen __________________________ 293 Struktur und Aufgabe einer CPU _________ 296 Funktionsweise von Computerbaugruppen __________________ 298 Hauptplatine ___________________________ 298 BIOS und UEFI _________________________ 299 Interrupt-Controller _____________________ 300 Speicherarten __________________________ 301 Aufbau und Wirkungsweise _____________ 301 Schreib-Lesespeicher RAM ______________ 302 Lesespeicher ROM ______________________ 303 Speichermodule mit RAM _______________ 303 PC-Erweiterungskarten _________________ 304 Soundkarten ___________________________ 304 Grafikkarten ____________________________ 305 Netzwerkkarten _________________________ 306 Massenspeicher ________________________ 307 Festplattenspeicher _____________________ 307 Solid State Disk (SSD)___________________ 309 Optische Speicher ______________________ 310 CD-ROM _______________________________ 310 CD-R ___________________________________ 311 CD-Formate ____________________________ 311 MO-Speicher ___________________________ 312 DVD-Speicher __________________________ 312 DVD-R _________________________________ 313 DVD-RW _______________________________ 313 DVD-Fehlerkorrektur ____________________ 314 Blu-ray-Disk ____________________________ 315 Digital-Schallplatten-Verfahren __________ 316 Prinzipielle Wirkungsweise ______________ 316 Codierung______________________________ 316 Signalgewinnung _______________________ 317 Digital-Analog-Umsetzung ______________ 317 Mini-Disc MD ___________________________ 318 Weitere Speichermedien ________________ 319 Aufgaben und Arten von Datenschnittstellen _____________________ 320 Datenschnittstelle_______________________ 320 Parallele Datenübertragung _____________ 321 Serielle Datenübertragung ______________ 322 Serielle Bussysteme ____________________ 323 ExpressCard-Schnittstelle _______________ 324 USB-Schnittstelle _______________________ 324 FireWire-Schnittstelle ___________________ 325 Serial-Attached-SCSI-Schnittstelle (SAS) _ 325 6.1.1 6.1.2 6.2 6.3 6.4 6.4.1 6.4.2 6.4.3 6.4.4 6.4.4.1 6.4.4.2 6.4.4.3 6.4.4.4 6.5 6.5.1 6.5.2 6.5.3 6.6 6.6.1 6.6.2 6.6.3 6.6.3.1 6.6.3.2 6.6.3.3 6.6.4 6.6.5 6.6.5.1 6.6.5.2 6.6.5.3 6.6.5.4 6.6.6 6.6.6.1 6.6.6.2 6.6.6.3 6.6.6.4 6.6.6.5 6.7 6.7.1 6.7.2 6.7.3 6.7.4 6.7.5 6.7.6 6.7.7 6.7.8 6.7.9 Titelei 001-010.indd 7 7 6.7.10 6.8 Thunderbolt-Schnittstelle _______________ 325 Soundkarte installieren _________________ 326 7 Softwaresysteme entwickeln ________ 327 Begriffe der Programmierung____________ 327 Phasen der Softwareentwicklung ________ 328 Programme in Visual Basic erstellen _____ 329 Allgemeines ____________________________ 329 Projekte, Formen, Module _______________ 330 Vereinbarungen ________________________ 330 Strukturierte Anweisungen ______________ 331 Visual Basic anwenden __________________ 333 Operatoren und mathematische Funktionen _____________________________ 336 Stringverarbeitung______________________ 338 7.1 7.2 7.3 7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.3.4 7.3.5 7.3.6 7.3.7 8 Kundenerwartungen und Kostenrechnung ______________________ 339 8.1 8.1.1 8.1.2 8.2 8.2.1 8.2.1.1 8.2.2.2 8.2.2.3 8.2.2.4 8.2.3 8.2.3.1 8.2.3.2 8.2.3.3 8.2.4 8.3 8.4 Kundenwünsche analysieren ____________ 339 Kundenerwartungen ____________________ 339 Konsequente Kundenorientierung _______ 341 Kostenrechnung und Leistungsrechnung _ 343 Kostenartenrechnung ___________________ 343 Kostenarten in Abhängigkeit von der Zurechenbarkeit auf Kostenträger ________ 344 Kostenarten in Abhängigkeit vom Beschäftigungsgrad_____________________ 345 Kostenstellenrechnung __________________ 346 Materialeinzelkosten und Materialgemeinkosten __________________ 346 Lohneinzelkosten und Lohngemeinkosten 346 Herstellkosten __________________________ 347 Verwaltungs- und Vertriebsgemeinkosten 347 Kostenträgerrechnung __________________ 348 Divisionskalkulation_____________________ 348 Zuschlagskalkulation in der Produktion ___ 348 Zuschlagskalkulation im Handel _________ 349 Deckungsbeitragsrechnung______________ 350 Nutzenschwelle ________________________ 351 Make or Buy ___________________________ 352 9 Datenbanktechnik ____________________ 353 9.1 9.2 9.3 9.4 9.4.1 9.4.2 9.4.3 9.5 9.6 Relationale Datenbanksysteme __________ 353 Datenbankentwicklung _________________ 355 Normalisierung _________________________ 356 Entwicklung einer Datenbank mit Access 358 Datenbank erstellen _____________________ 358 Tabellen erstellen _______________________ 358 Formulare ______________________________ 361 Datensicherheit und Datenintegrität _____ 362 Datenschutz____________________________ 364 10 Bürosysteme installieren _____________ 365 Leistungsmerkmale von Endgeräten _____ 365 PC als multifunktionales Endgerät________ 365 Leistungsmerkmale von Druckern ________ 366 Leistungsmerkmale von Kopiergeräten ___ 366 Leistungsmerkmale von Tk-Anlagen _____ 367 Geräte der Bürosystemtechnik an Netze anschließen ____________________________ 368 Kommunikationsnetze __________________ 368 Netzwerkanbindung eines PCs ___________ 368 Netzwerkanbindung eines Druckers ______ 368 Netzwerkanbindung eines Kopiergerätes _ 368 Anschluss eines Faxgerätes _____________ 369 Anschlusskonfiguration einer Tk-Anlage __ 369 Wartungsvertrag _______________________ 370 Wartungsvertrag für IT-Systeme _________ 370 Wartungsvertrag für Bürogeräte _________ 370 Fernwartung ___________________________ 370 Fehler an Geräten der Bürosystemtechnik 371 Fehler suchen __________________________ 371 Fehler analysieren ______________________ 371 8.2.1.2 8.2.2 8.2.2.1 10.1 10.1.1 10.1.2 10.1.3 10.1.4 10.2 10.2.1 10.2.2 10.2.3 10.2.4 10.2.5 10.2.6 10.3 10.3.1 10.3.2 10.3.3 10.4 10.4.1 10.4.2 23.01.15 13:50 8 11 11.1 11.1.1 11.1.2 11.1.2.1 11.1.2.2 11.1.2.3 11.1.2.4 11.1.2.5 11.1.2.6 11.1.2.7 11.1.2.8 11.1.2.9 11.2 11.2.1 11.2.1.1 11.2.1.2 11.2.1.3 11.2.1.4 11.2.2 11.2.3 11.3 11.4 11.4.1 11.4.2 11.4.3 11.4.4 11.5 11.6 Inhaltsverzeichnis Bürosystemtechnik___________________ 373 Drucker und Drucksysteme ______________ 373 Impact-Druckwerke _____________________ 373 Non-Impact-Druckwerke_________________ 373 Tintenstrahldrucker _____________________ 373 Thermodrucker _________________________ 375 Festtintendrucker _______________________ 376 UV-Direktdrucker _______________________ 376 Laserdrucker ___________________________ 377 LED-Drucker ____________________________ 378 LCS-Drucker ____________________________ 378 Farblaserdrucker________________________ 378 3D-Drucker _____________________________ 380 Kopiergeräte ___________________________ 383 Allgemeine Funktionsweise _____________ 383 Optik in Kopiersystemen ________________ 383 Optische Bauelemente __________________ 383 Elektrostatik in Kopiersystemen __________ 384 Funktionsprinzip des Kopierers __________ 385 Digitalkopierer__________________________ 387 Vollfarbkopierer ________________________ 388 Faxgeräte ______________________________ 389 Druck- und Kopierpapier ________________ 395 Holzfreies Papier________________________ 395 Papier für Kopierer und Laserdrucker_____ 395 Papier für Tintenstrahldrucker ___________ 395 Recyclingpapier ________________________ 396 Umweltgerechte Entsorgung ____________ 396 Gesundheitsgefährdende Stoffe _________ 398 12 Telekommunikationsanlagen und Netze ____________________________ 399 12.1 12.1.1 12.1.2 12.1.3 12.1.4 12.1.5 12.1.6 12.1.7 12.1.8 12.2 12.2.1 12.2.2 12.2.3 12.2.4 12.2.5 12.2.6 12.2.7 12.3 12.3.1 12.3.2 12.3.3 12.3.4 12.3.5 12.3.5.1 12.3.5.2 12.3.5.3 12.3.5.4 12.3.5.5 12.3.6 12.4 12.5 Festnetz _______________________________ 399 Netzformen ____________________________ 399 Öffentliche Netze und Dienste ___________ 400 Fernsprechnetz _________________________ 400 ISDN-Dienste ___________________________ 400 ISDN-Teilnehmeranschluss ______________ 401 ISDN-Anschlusstechnik _________________ 403 Tk-Anlage installieren ___________________ 404 IP-Telefonanlage ________________________ 405 Mobile Kommunikation _________________ 406 Mobile Netze ___________________________ 406 Betriebsfunk____________________________ 407 Digitaler Bündelfunk ____________________ 408 Mobilfunksystem GSM __________________ 409 Datenübertragung mit GSM _____________ 413 UMTS _________________________________ 417 LTE ____________________________________ 420 Funkanwendungen auf ISM-Bändern_____ 422 Überblick ______________________________ 422 Einige ISM-Anwendungen _______________ 422 Digitale schnurlose Telekommunikation __ 423 Bluetooth ______________________________ 424 WLAN _________________________________ 426 WLAN-Betriebsarten ____________________ 426 WLAN-Erweiterungen mit Repeater ______ 427 Frequenzen und Kanäle für WLAN _______ 427 Authentifizieren und Verschlüsseln _______ 427 Sendeleistung und Antennen ____________ 427 Hotspots _______________________________ 429 Richtfunk ______________________________ 430 Satellitenkommunikationssysteme ______ 431 13 13.1 13.2 13.2.1 13.3 13.3.1 13.3.2 13.3.3 13.4 Modulation ____________________________ 438 13.4.1 Analoge Modulation und Demodulation _ 438 13.4.1.1 Zweiseitenband-Amplitudenmodulation mit vollem Träger ______________________ 438 13.4.1.2 Zweiseitenband-Amplitudenmodulation mit unterdrücktem Träger _______________ 441 13.4.1.3 Einseitenband-AM ______________________ 442 13.4.1.4 Frequenzmodulation FM ________________ 442 13.4.2 Rundfunk-Stereofonie ___________________ 444 13.4.3 Radio-Daten-System RDS _______________ 445 13.5 Hörfunkempfänger (Radio) ______________ 446 13.5.1 Prinzip des Überlagerungsempfängers ___ 446 13.5.2 Abstimmung ___________________________ 448 13.5.3 Mischung ______________________________ 450 13.6 Signalübertragung beim Fernsehen ______ 450 13.6.1 Grundlagen der analogen Bildübertragung ________________________ 450 13.6.2 Grundlagen der digitalen Bildübertragung 452 13.6.3 Grundlagen der Farbenlehre _____________ 454 13.6.4 Bildausgabegeräte ______________________ 457 13.6.4.1 Wiedergabeprinzipien ___________________ 457 13.6.4.2 LC-Bildschirme (Liquid Chrystal Displays LCD) ___________ 458 13.6.4.3 Aufbau eines LC-Schirms________________ 459 13.6.4.4 Plasma-Bildschirme (Plasma Displays) ___ 460 13.6.4.5 Pixeldichte und Betrachtungsabstand ____ 460 13.6.4.6 Monitorbildschirme _____________________ 461 13.6.4.7 TV-Geräte ______________________________ 461 13.6.4.8 Bildschirmtechnik_______________________ 462 13.6.4.9 Sehbereich und Farbräume von LCD _____ 463 13.6.4.10 3D-Technik _____________________________ 464 13.6.4.11 Beamer ________________________________ 465 13.6.4.12 Whiteboards ___________________________ 466 13.6.5 Farbübertragung beim analogen Fernsehen______________________________ 467 13.6.6 Farbübertragung beim digitalen Fernsehen______________________________ 469 13.6 LWL-Leiter _____________________________ 471 13.7 Digitale Modulation und Demodulation __ 473 13.7.1 Digitale Übertragung der Signale ________ 473 13.7.2 Abtastung der Anaqlogsignale ___________ 473 13.7.3 Quantisierung und Codierung ___________ 475 13.7.4 Vorteile und Nachteile von PCM _________ 476 13.7.5 Leitungscodierung der Signale __________ 477 13.7.6 Modulation digitaler Signale_____________ 478 13.7.7 Weitere Arten der Pulsmodulation _______ 480 13.7.8 Quadratur-Amplitudenmodulation QAM __ 481 13.7.9 Demodulation digitaler Signale __________ 482 13.8 Optische Übertragungs- und Modulationsverfahren __________________ 483 13.9 Multiplexverfahren _____________________ 485 13.9.1 Zeitmultiplexverfahren __________________ 485 13.9.2 Weitere Multiplexverfahren ______________ 488 14 Systeme vernetzen ___________________ 489 Baugruppen der Bild-, Ton- und Datentechnik _________________________ 433 14.1 14.1.1 14.1.1.1 14.1.1.2 14.1.1.3 14.1.1.4 14.1.1.5 14.1.1.6 14.2 14.2.1 14.2.2 Übetragungstechnik ____________________ 433 Signalaufbereitung von Informationen ___ 434 Übertragungsbandbreite ________________ 434 Störungen durch Rauschen______________ 435 Rauschabstand _________________________ 435 Rauschfaktor und Rauschmaß ___________ 436 Maßnahmen gegen Rauschen ___________ 437 14.2.3 14.2.4 14.2.5 14.3 14.4 14.4.1 IT-Netze und Netzverwaltung____________ 489 Netzgrundlagen ________________________ 489 Konfigurationen ________________________ 489 Räumliche Ausdehnung von Netzen______ 490 OSI-7-Schichtenmodell __________________ 491 Netzzugriffsverfahren ___________________ 492 Netzwerkkomponenten__________________ 493 IP-Adressen und Subnetze_______________ 494 Netzwerkbetriebssysteme ______________ 494 Systeme und Programme _______________ 495 Betriebssysteme installieren und Netzwerke in Betrieb nehmen____________ 496 Netzwerk-Administration ________________ 497 Netzwerkmanagement __________________ 497 Netzwerk-Dokumentation _______________ 498 Netzwerk einrichten ____________________ 499 Fernwartung ___________________________ 500 Planung von IT-Systemen _______________ 502 Titelei 001-010.indd 8 23.01.15 13:50 Inhaltsverzeichnis 14.5 14.5.1 14.5.2 14.6 14.6.1 14.6.2 14.6.3 14.7 Systemsteuerung_______________________ 504 I2C _____________________________________ 504 Infrarot-Übertragungssysteme ___________ 506 Datensicherung ________________________ 510 Fehler und Fehlerhäufigkeit______________ 510 Paritätsprüfung _________________________ 510 Fehlererkennung mit CRC _______________ 511 Schutz vor Computerviren ______________ 513 15 Software-Lösungen für Bürosysteme 515 15.1 15.2 Software-Entwicklung __________________ 515 Software-Auswahl und SoftwareAnpassung _____________________________ 516 15.3 Anwendersoftware konfigurieren ________ 518 15.3.1 Zugriffssysteme und Front-OfficeAnwendungen konfigurieren ____________ 518 15.3.2 Programme im Back-Office-Bereich konfigurieren ___________________________ 519 15.4 Ergonomie _____________________________ 519 15.4.1 Arbeitsplatzergonomie __________________ 519 15.4.2 Softwareergonomie_____________________ 520 15.4.2.1 Benutzermodell_________________________ 520 15.4.2.2 Arbeitsoberfläche und GUI-System ______ 520 15.4.2.3 Programme bedienen ___________________ 521 15.5 Gesund am Arbeitsplatz ________________ 524 16 16.1 16.1.1 16.1.1.1 16.1.2 16.1.2.1 16.1.2.2 16.1.3 16.1.4 16.1.5 16.1.6.1 16.1.6.2 16.1.6.3 16.1.6.4 16.1.6.5 16.1.6.6 16.1.6.7 16.1.6.8 16.2 16.2.1 16.2.1.1 16.2.1.2 16.2.1.3 16.2.1.4 16.2.1.5 16.2.1.6 16.2.1.7 16.3 16.3.1 16.3.2 16.3.3 16.3.4 16.3.5 16.3.6 16.3.7 16.3.8 16.3.9 16.3.9.1 16.3.9.2 16.3.9.3 16.3.9.4 Multimedia ___________________________ 525 Rundfunk, Audio, Video _________________ 525 Analoge Rundfunktechnik _______________ 525 Analoger Hörfunk _______________________ 525 Digitale Rundfunktechnik ________________ 526 Digitaler Hörfunk _______________________ 526 Digitales Fernsehen _____________________ 527 Verschlüsselung von digitalen Rundfunksignalen ______________________ 538 Datenreduktionsverfahren MP3 __________ 540 NF-Technik _____________________________ 542 Grundlagen der Akustik _________________ 542 Mikrofone ______________________________ 542 Lautsprecher ___________________________ 545 Lautstärkeinstellung im NF-Verstärker ____ 549 Klangeinstellung im NF-Verstärker _______ 550 Surround-Sound________________________ 551 PC-Soundsysteme ______________________ 552 Dolby-Surround im Fernsehempfänger ___ 553 Fernsehtechnik _________________________ 554 Signalverarbeitung im Fernsehempfänger 554 Allgemeines ____________________________ 554 Baugruppen digitaler Fernsehgeräte _____ 554 Tuner __________________________________ 555 Set-Top Box (STB) ______________________ 556 Schaltungstechnik von Set-Top Boxen (STB) __________________________________ 557 Aufbau eines LCD-TV-Empfängers _______ 558 TV-Praxis_______________________________ 559 Multimediale Geräte und Systeme _______ 560 Allgemeines ____________________________ 560 Triple-Play-Technik ______________________ 561 Anwendungen der Multimedia-Technik ___ 562 DVD-BD-Rekorder_______________________ 563 Camcorder _____________________________ 566 Digitale Bildbearbeitung_________________ 569 Heimvernetzung ________________________ 572 Videoüberwachung _____________________ 577 Mobile Kommunikationstechnik _________ 579 Handy, Smartphone, IPAD, Phablet _______ 579 Betriebssysteme der moblien Kommunikation ________________________ 580 Cloud Computing _______________________ 581 WLAN-Radio ___________________________ 582 Titelei 001-010.indd 9 9 17 Dienste und Multimediakomponenten einrichten und nutzen ________________ 583 17.1 17.1.1 17.1.2 17.1.3 17.2 17.2.1 17.2.2 17.2.3 17.2.4 17.2.5 Internet ________________________________ 583 Technik des Internets____________________ 583 Internet-Zugänge _______________________ 585 Internet-Dienste ________________________ 587 Datenübertragung mit Modem __________ 589 Modem für POTS-Anschlüsse____________ 589 DSL-Modem____________________________ 590 Internet über Stromkabel, Powerline _____ 591 TV- und Radio-Streams__________________ 592 Arbeiten mit E-Mail-Programm, Outlook, Mailserver _____________________________ 593 Videokonferenzen ______________________ 594 Instant Messaging ______________________ 595 Programmierung von Internetseiten _____ 596 HTML __________________________________ 596 HTML-Editor Frontpage _________________ 598 Webdesign _____________________________ 603 Internetrecht ___________________________ 605 17.2.6 17.2.7 17.3 17.3.1 17.3.2 17.3.3 17.4 18 Empfangskonzepte- und Verteilsysteme _______________________ 607 18.1 18.1.1 18.1.2 18.2 18.2.1 18.2.2 18.3 18.3.1 18.3.2 18.4 Antennen ______________________________ 607 Terrestrische Antennen__________________ 607 Satelliten-Antennen _____________________ 608 Empfangs- und Verteilanlagen ___________ 611 Kanalselektive Anlagen _________________ 611 Satelliten-ZF-Anlagen ___________________ 612 Empfangs- und Verteilanlagen ___________ 615 Netzkonzept Breitband-Kabelnetze _______ 615 Hausverteilanlagen _____________________ 616 Vorschriften für Montage und Installation 617 19 Lernsituationen, Prüfungsaufgaben _ 619 19.1 19.1.1 19.1.2 19.1.3 Lernsituationen ________________________ 620 Monitor ersetzen _______________________ 620 Kundenbetreuung/ Gesprächsführung ____ 620 Unterbrechungsfreie Spannungsversorgung __________________ 620 Schutzmaßnahmen erläutern ____________ 620 Prüfungsaufgaben ______________________ 621 Farblaserdrucker beschaffen _____________ 621 Sat-ZF-Verteilanlage planen _____________ 622 Kabelanschluss auf Triple Play erweitern _ 623 Computernetzwerk dem Kunden erklären _ 624 ISDN-Tk-Anlage installieren und in Betrieb nehmen ________________________ 625 Projektmanagement anwenden __________ 626 Kostenrechnung durchführen und kontrollieren ___________________________ 627 Kundenbeziehungen pflegen ____________ 628 IT-Schulungsraum einrichten ____________ 629 Datenbank planen und entwerfen, Umsatzanalyse durchführen _____________ 630 Eine Hausmesse vorbereiten und PKW-Verbrauchsdaten berechnen ________ 631 Gemeinschaftspraxis einrichten__________ 632 19.1.4 19.2 19.2.1 19.2.2 19.2.3 19.2.4 19.2.5 19.2.6 19.2.7 19.2.8 19.2.9 19.2.10 19.2.11 19.2.12 20 Anhang _______________________________ 633 Größen und Einheiten___________________ 633 Kennbuchstaben der Objekte ____________ 635 Literaturverzeichnis _____________________ 636 Verzeichnis der Firmen und Dienststellen _ 637 Sachwortverzeichnis _________________ 639 27.01.15 15:36 10 Berufsbild Informationselektroniker/in Informationselektroniker/Informationselektronikerin Die Ausbildung dauert 3,5 Jahre. Sie findet an der Lernorten Betrieb und Berufsschule statt und erfolgt zu knapp einem Drittel der Ausbildugszeit in einem der beiden Schwerpunkte: Bürosystemtechnik Geräte- und Systemtechnik Im Schwerpunkt Bürosystemtechnik werden vorzugsweise Informationssysteme konzipiert, installiert und instandgesetzt sowie Anwendungsprogramme erstellt. Im Schwerpunkt Geräte- und Systemtechnik werden vorzugsweise Geräte und Systeme zum Aufheben, Übertragen, Verteilen, Speichern, Verarbeiten und Wiedergeben von Bild, Ton und Daten konzipiert, installiert und instandgesetzt. In der Multimediatechnik wird auch die Heimvernetzung berücksichtigt. Datenbanken nach Kundenvorgaben einrichten und Datenbestände pflegen Geräte, Anlagen und Systeme der Informationstechnik installieren Bürosystemtechnik Signalverarbeitungsvorgänge in Einrichtungen der Informationstechnik erfassen und darstellen Vernetzte Bürosysteme einrichten, in Betrieb nehmen und administrieren Geräte, Anlagen und Systeme der Informationstechnik installieren Kundenspezifische Softwarelösungen entwickeln und in vorhandene Bürosysteme integrieren Mit Kunden und Mitarbeitern kommunizieren und Kundenbeziehungen pflegen Informationselektroniker/ Informationselektronikerin Dienste und Multimediakomponenten bedarfsgerecht einrichten und nutzen Datenbanken problembezogen einrichten, verwalten und nutzen Telekommunikationsanlagen installieren und an öffentliche Netze anbinden Ein Einzelplatzcomputersystem auftragsgerecht konfigurieren und optimieren Fehler an Baugruppen und Geräten der Bild-, Ton- und Datentechnik analysieren Programme erstellen und bedarfsgerecht gestalten Fehler an Geräten und Systemen der Bild-, Ton- und Datentechnik analysieren System- und Anwendersoftware kundengerecht installieren und präsentieren Systemausstattung kundengerecht planen und Kunden über Dienste der Informatik beraten Fehler an Geräten und Anlagen der Bürosystemtechnik analysieren Geräte und Anlagen der Bürosystemtechnik analysieren und in Betrieb nehmen Branchenspezifische Software und Standardsoftware mit einem ausgewählten Betriebssystem nutzen Funktion ausgewählter Baugruppen und Bauelemente von Geräten der Informationstechnik analysieren Geräte und Anlagen der Bürosystemtechnik installieren und an bestehende Netze anbinden Geräte- und Systemtechnik Geräte und vernetzte Systeme einrichten, in Betrieb nehmen und administrieren Multimediale Konsumergeräte einrichten Drahtgebundene und drahtlose Übertragungssysteme installieren, in Betrieb nehmen und prüfen Titelei 001-010.indd 10 23.01.15 13:50 1.1 Elektrische Größen 1 Geräte, Anlagen, Systeme 11 i 1.1 Elektrische Größen ● Physikalische Größen sind festgelegt durch Zahlenwert und Einheit, z. B. Masse m = 1 kg. Elektrische Größen verwendet man zur Kennzeichnung von elektrischen Vorgängen. ● Formelzeichen kürzen physikalische Größen ab. 1.1.1 Physikalische Grundlagen Zur Beschreibung der elektrotechnischen Vorgänge sind physikalische Begriffe unentbehrlich. Kraftfelder Auf einen Körper kann durch unmittelbare Berührung eine Wirkung ausgeübt werden, z. B. eine Kraft. Die Wirkung kann aber oft auch aus der Ferne erfolgen, z. B. durch die Anziehungskraft der Erde auf einen Satelliten (Bild 1). Körper üben aufeinander eine Anziehungskraft aus, die auch aus der Ferne wirkt. Diese Anziehungskraft ist umso größer, je größer die Massen der Körper sind und je kleiner ihr Abstand voneinander ist. Tritt eine Wirkung aus der Ferne ein, so sagt man, dass ein Feld zwischen der Ursache der Wirkung und dem Körper ist. Ist mit der Wirkung eine Kraft verbunden, so spricht man von einem Kraftfeld. Jeder Raum kann von Kraftfeldern erfüllt sein. Um stromdurchflossene elektrische Leiter treten ein elektrisches Feld und ein magnetisches Feld auf. Um Magneten ist ein magnetisches Feld wirksam. Sich rasch ändernde elektrische bzw. magnetische Felder sind immer miteinander verknüpft. Bild 1: Wissenschaftssatellit beim Aussetzen durch die Weltraumfähre im Schwerefeld der Erde Kraftmesser Umlenkrolle F ; 25 N Masse und Kraft Die Angabe der Masse eines Körpers gibt Auskunft darüber, ob es leicht oder schwer ist, die Bewegung des Körpers zu ändern. Die Masse ist unabhängig von Ort und Umgebung. Die Einheit der Masse ist das Kilogramm (kg). Die Masse eines Körpers ist an jedem Punkt der Erde und außerhalb der Erde gleich groß. Infolge des Schwerefeldes der Erde wirkt auf jede Masse auf der Erde oder nahe der Erde eine Kraft. Beim Kraftmesser tritt unter der Wirkung der Kraft eine Verformung der Feder ein, deren Größe ein Maß für die Kraft ist (Bild 2). Die Einheit der Kraft ist das Newton1 mit dem Einheitenzeichen N. Ein Körper mit der Masse 1 kg hat auf der Erde etwa 10 N Gewichtskraft. 1 Newton, engl. Physiker, 1643 bis 1727 Kapitel 01 (011-066).indd 11 F=m·g m Ortsfaktor g ; 10 s2 2,5 kg Bild 2: Kraftmessung Basisgrößen, Einheiten und abgeleitete Einheiten Physikalische Größen sind messbare Eigenschaften von Körpern, physikalischen Zuständen oder physikalischen Vorgängen, z. B. Masse, Länge, Zeit, Kraft, Geschwindigkeit, Stromstärke, Spannung oder Widerstand. Jeder spezielle Wert einer Größe kann durch das Produkt von Zahlenwert und Einheit angegeben werden, z. B. 10 kg. Der spezielle Wert einer Größe wird Größenwert und in der Messtechnik Messwert genannt. Formelzeichen verwendet man zur Abkürzung von Größen, insbesondere bei Berechnungen. Physikalische Größen, aus denen man die anderen Größen ableiten kann, nennt man Basisgrößen (Tabelle 1, folgende Seite). 21.01.15 09:11 12 1 Geräte, Anlagen, Systeme Vektoren nennt man Größen, zu denen eine Richtung und ein Betrag gehört, z. B. ist die Kraft ein Vektor. i Arbeit = Kraft, die längs eines Weges auf einen Körper einwirkt. Energie = Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Formeln sind kurzgefasste Anweisungen, wie ein Größenwert zu berechnen ist. Tabelle 1: Basisgrößen Einheiten Die meisten physikalischen Größen haben Einheiten. Die Einheit ist oft aus einem Fremdwort entstanden, z. B. Meter vom griechischen Wort für Messen. Oft sind aber Einheiten auch zu Ehren von Wissenschaftlern benannt, z. B. das Ampere1. Einheiten der Basisgrößen sind die Basiseinheiten (Tabelle 2). Formelzeichen Größe Vorsätze geben bei sehr kleinen oder sehr großen Zahlenwerten die Zehnerpotenz an, mit welcher der Zahlenwert einer Größe zu multiplizieren ist (Tabelle 2). Länge ö Masse m Basiseinheiten Einheitenzeichen Meter m Kilogramm kg Zeit t Sekunde s Stromstärke Ü Ampere A Temperatur T Kelvin K Lichtstärke ÜV Candela cd Stoffmenge n Mol N Tabelle 2: Vorsätze und Vorsatzzeichen Arbeit Eine Arbeit wird aufgewendet, wenn infolge einer Kraft eine Wegstrecke zurückgelegt wird. Der Größenwert der mechanischen Arbeit ist also das Produkt aus Kraft und Weg. Die Einheit der Arbeit ist das Newtonmeter (Nm) mit dem besonderen Einheitennamen Joule2 (J). Faktor Vorsatz Energie Die Fähigkeit zum Verrichten einer Arbeit nennt man Arbeitsvermögen oder Energie. Die Energie hat dasselbe Formelzeichen und dieselbe Einheit wie die Arbeit. Arbeit und Energie stellen also dieselbe physikalische Größe dar. Jedoch drückt der Begriff Arbeit den Vorgang aus, der Begriff Energie dagegen den Zustand eines Körpers oder eines Systems aus mehreren Körpern. Meist ändert sich die Energie durch Arbeitsaufwand (Bild 1). Vorsatzzeichen Faktor Vorsatz Vorsatzzeichen 1018 Exa E 10 –1 Dezi 15 10 Peta P 10–2 Zenti c 1012 Tera T 10–3 Milli m 109 Giga G 10–6 Mikro µ 106 Mega M 10–9 Nano n 103 Kilo k 10–12 Piko p 10 Hekto h 10–15 Femto f 101 Deka da 10–18 Atto a 2 d Potenzielle Energie Wp Verrichtet Arbeit Lage 1 Energie ist Arbeitsvermögen. Arbeit bewirkt Energieänderung. r Außer der mechanischen Energie gibt es weitere Energiearten. In brennbaren Stoffen ist chemische Energie gespeichert. Diese lässt sich durch Verbrennung in Wärmeenergie umwandeln. Die in Atomkernen gespeicherte Energie nennt man Kernenergie oder auch Atomenergie. Die von der Sonne als Wärmestrahlung oder als Lichtstrahlung ausgesandte Energie nennt man Sonnenenergie. Energie lässt sich nicht erzeugen, sondern nur umwandeln. Potenzielle Energie (von lat. potentia = Vermögen, Macht) oder Energie der Lage (Bild 1) ist die in einem System gespeicherte Energie, z. B. in einer Masse, die sich im Schwerefeld der Erde befindet. Kapitel 01 (011-066).indd 12 Dh FG Lage 0 r FG r FG Wp = FG · Dh Bild 1: Änderung der Energie durch Arbeit Kinetische Energie ist in einer bewegten Masse gespeichert. 1 · m ·v 2. W kin = __ 2 Die kinetische Energie ist unabhängig von einer Bezugslage. Sie hängt nur von der Masse und deren Geschwindigkeit ab. 1 2 Ampère, franz. Physiker, 1775 bis 1836 Joule, engl. Physiker, 1818 bis 1889 21.01.15 09:11 1.2 Elektrotechnische Grundgrößen 13 1.2 Elektrotechnische Grundgrößen i + – positive Ladung + Q negative Ladung – Q 1.2.1 Ladung Polystyrolstab Jeder Körper ist im normalen Zustand an der Oberfläche elektrisch neutral. Durch Reiben an einem anderen Körper kann dieser Zustand geändert werden. Stäbe aus Isolierstoffen, wie z. B. Hartgummi, Acrylglas, Polystyrol, die man mit einem Wolltuch reibt, üben aufeinander Abstoßungskräfte (Bild 1) oder Anziehungskräfte (Bild 2) aus. Dafür sind die elektrischen Ladungen an der Oberfläche verantwortlich. Gleichartige Ladungen stoßen sich ungleichartige Ladungen ziehen sich an. – Abstoßung – + Enthält der Kern eines Atoms so viele Protonen, wie Elektronen um den Kern kreisen, so ist das Atom elektrisch neutral (Bild 3). Nach außen tritt keine elektrische Ladung in Erscheinung. Kreisen dagegen um den Atomkern mehr oder weniger Elektronen, als Protonen im Kern vorhanden sind, so ist das Atom im ersten Fall negativ, im zweiten Fall positiv geladen. Man nennt es Ion (griech. ion = wandernd). Bild 1: Abstoßung gleichartiger Ladungen Acrylglasstab + + Jedes Elektron ist negativ geladen, jedes Proton ist positiv geladen. Beide tragen die Elementarladung e. Die Elementarladung e eines Elektrons beträgt –0,1602 aC, die Elementarladung e eines Protons beträgt +0,1602 aC. Spannung entsteht durch Trennung von Ladungen. – Bild 2: Anziehung ungleichartiger Ladungen – Protonen Kern + + + + – – Elektron – Bild 3: Atommodell Spannung null Spannung niedrig – – – – – – + + + + + + Spannung hoch – – – + + + Bild 4: Spannung durch Ladungstrennung [Q ] = As = C 1.2.2 Spannung Zwischen positiven und negativen Ladungen wirkt eine Anziehungskraft (Bild 4). Werden diese Ladungen voneinander entfernt, so muss gegen die Anziehungskraft eine Arbeit verrichtet werden. Diese Arbeit ist nun als Energie in den Ladungen gespeichert. Dadurch besteht zwischen den Ladungen eine Spannung. Polystyrolstab – Anziehung Die elektrische Ladung ist von der Stromstärke und von der Zeit abhängig. Sie hat die Einheit Amperesekunde (As) mit dem besonderen Einheitennamen Coulomb1 (C). Kapitel 01 (011-066).indd 13 – + ab, Die Ladung des Acrylglasstabes bezeichnet man als positive Ladung (Plusladung), die Ladung des Polystyrolstabes oder des Hartgummistabes als negative Ladung (Minusladung). Ladungen üben Kräfte aufeinander aus. Der Ladungszustand ist aus dem Aufbau der Stoffe erklärbar. Polystyrolstab – Q Ladung; Ü Stromstärke; Q = Ü · t t Zeit Die Ladungstrennung ist nicht ohne Arbeitsaufwand möglich. Je höher die erzeugte Spannung ist (Bild 4), desto größer ist das Bestreben der Ladungen sich auszugleichen. Elektrische Spannung ist also auch das Ausgleichsbestreben von Ladungen. 1 Charles Augustin de Coulomb, franz. Physiker, 1736 bis 1806 21.01.15 09:11 14 1 Geräte, Anlagen, Systeme Die elektrische Spannung (Formelzeichen U ) misst man mit dem Spannungsmessgerät (Bild 1). Zur Messung der Spannung wird der Spannungsmessgerät an die Anschlüsse des Erzeugers oder Verbrauchers geschaltet. W U = __ Q J =V Nm = __ [U ] = ___ As C U Spannung; W Arbeit; Die Einheit der elektrischen Spannung ist das Volt1 mit dem Einheitenzeichen V, [U] = V (sprich: Einheit von U). V G V V U i Verbraucher Strom + Spannungsquelle Minuspol (–): Elektronenüberschuss 1.2.3 Elektrischer Strom Die Spannung ist die Ursache für den elektrischen Strom. Elektrischer Strom fließt nur im geschlossenen Stromkreis. Ein Stromkreis besteht aus dem Spannungserzeuger, dem Verbraucher und der Leitung zwischen Erzeuger und Verbraucher (Bild 2). Mit dem Schalter kann man den Stromkreis öffnen und schließen. Metalle haben Elektronen, die im Inneren des Metalls frei beweglich sind. Man bezeichnet diese als freie Elektronen. Sie bewegen sich von der Stelle mit Elektronenüberschuss zur Stelle mit Elektronenmangel. Gute Leiter, wie z. B. Kupfer oder Silber, haben etwa gleich viele freie Elektronen wie Atome. Der Spannungserzeuger übt eine Kraft auf die freien Elektronen aus. Diese Kraftwirkung breitet sich nach dem Schließen eines Stromkreises fast mit Lichtgeschwindigkeit aus. Die Elektronen im Leiter bewegen sich dagegen mit sehr geringer Geschwindigkeit (nur wenige mm/s). 1 U2 Bild 1: Spannungsmessung Pluspol (+): Elektronenmangel Potenzial nennt man eine auf einen Bezugspunkt bezogene Spannung, z. B. die Spannung gegen Erde. Spannung kann deshalb als Differenz zweier Potenziale aufgefasst werden. Spannungsmessgerät U1 Die elektrische Spannung ist die zur Ladungstrennung aufgewendete Arbeit je Ladung. Die Ladungstrennung und damit die Spannungserzeugung können auf verschiedene Arten geschehen (Abschnitt 1.5). Bei einem Spannungserzeuger liegt die Spannung an den zwei Anschlüssen. Man nennt derartige Einrichtungen mit zwei Anschlüssen einen Zweipol. Die Pole eines Spannungserzeugers sind der Pluspol (+) und der Minuspol (–). Der Pluspol ist gekennzeichnet durch Elektronenmangel, der Minuspol durch Elektronenüberschuss. Q Ladung Verbraucher Strom Schalter Signallampe + G Spannungserzeuger Zeichen für "betätigt" Schalter Bild 2: Elektrischer Stromkreis Technische Stromrichtung + Elektronenstrom G Erzeuger Halogenlampe Bild 3: Stromrichtung Der Grund dafür sind die als Hindernis wirkenden Atomrümpfe des Leiters. Bei der Festlegung der technischen Stromrichtung ging man von der Bewegungsrichtung positiver Ionen in Flüssigkeiten aus (Bild 3). Die technische Stromrichtung ist der Elektronenstromrichtung entgegengesetzt. Alessandro Volta, italienischer Physiker, 1745 bis 1827 Kapitel 01 (011-066).indd 14 21.01.15 09:11 1.2 Elektrotechnische Grundgrößen 15 Tabelle 1: Stromwirkungen Wärmewirkung Magnetwirkung immer immer Lichtwirkung in Gasen, bei manchen Halbleitern Chemische Wirkung Wirkung bei Lebewesen, bei Menschen und Tieren in leitenden Flüssigkeiten, Gelen ¡ ¡ ¡ ¡ Strom ¡ ¡ Relaisspule, Türöffner Glimmlampe, Leuchtstofflampe LED Der elektrische Strom hat verschiedene Wirkungen (Tabelle 1). Die Wärmewirkung und die Magnetwirkung treten immer auf. Lichtwirkung, chemische Wirkung und Wirkung auf Lebewesen treten nur in bestimmten Fällen auf. Den elektrischen Strom (Formelzeichen Ü) misst man mit dem Strommesser (Bild 1). Die Einheit der elektrischen Stromstärke ist das Ampere (A). Zur Messung der Stromstärke wird ein Strommessgerät in den Stromkreis geschaltet. Im Schaltzeichen des Strommessgerätes steht A oder Ü. Bei Gleichstrom bleibt die Stromstärke über die Zeit t konstant (Bild 2). Die Elektronen fließen im Verbraucher vom Minuspol zum Pluspol. Das Kurzzeichen für Gleichstrom ist DC (von Direct Current = gerichteter Strom). Bei Wechselstrom ändert die Spannung ständig ihre Richtung und damit auch der Strom. Das Kurzzeichen für Wechselstrom ist AC (von Alternating Current = wechselnder Strom). Mischstrom entsteht durch die Addition (Überlagerung) von Gleichstrom und Wechselstrom (Bild 2). Wird der Gleichstrom 햲 zu dem Wechselstrom 햳 addiert, so erhält man den Stromverlauf des Mischstroms 햴. Ladevorgang bei Akkumulatoren, belastete Elemente + V – Spannungserzeuger G Strommesser Kapitel 01 (011-066).indd 15 Verbraucher – Bild 1: Strommessung Gleichstrom, DC Zeichen – oder – Stromstärke i 1 Fläche: Q=i·t i 0 t Zeit t Wechselstrom, AC Zeichen D 2 Stromstärke i 0 Zeit t Mischstrom, UC Zeichen G Gefahren des elektrischen Stromes siehe Seite 40. Ü A + Mischstrom enthält einen Gleichstromanteil und einen Wechselstromanteil. Das Kurzzeichen für Mischstrom ist UC (von Universal Current = allgemeiner Strom). Ein gleichgerichteter Wechselstrom enthält Gleichstrom und Wechselstrom (siehe Abschnitt 2.1.1). Negativ: Unfälle Positiv: Herzschrittmacher © G Me oss tra enwa tt Heizlüfter, Lötkolben, Schmelzsicherung i ¡ ¡ Wechselanteil Stromstärke i 0 3 Gleichanteil Zeit t Bild 2: Stromarten 21.01.15 09:11 16 1 Geräte, Anlagen, Systeme 1.2.4 Elektrischer Widerstand für R1 = 100 Q Der Widerstand, auch Resistanz genannt (Formelzeichen R ), hat die Einheit Ohm1 (Q). [R ] = Q. Den Kehrwert des Widerstandes nennt man Leitwert oder Admittanz. Der Leitwert (Formelzeichen G) hat die Einheit Siemens2 (S). 100 ¡ mA Beispiel 1: Leitwert berechnen Ein Widerstandswert beträgt 200 Q. Wie groß ist der Leitwert? 10 0 20 V U Bild 1: Ü als Funktion von U beim linearen Widerstand Lösung: 1 R = __ G für R2 = 200 Q 50 v 1 = ______ 1 G = __ = 5 mS R 200 Q [R ] = Q; 1 R = __ G [G] = S Leiterwiderstand Der Widerstand eines Leiters hängt von der Länge, vom Querschnitt, vom Leiterwerkstoff und der Temperatur ab. Infolge des spezifischen Widerstandes und somit des Leiterwiderstandes kann die elektrische Energie nicht verlustlos übertragen werden. 1 g = __ # Bei Isolierstoffen und Halbleiterwerkstoffen wird die Einheit Q · cm2/cm = Q · cm verwendet. 1 Qcm entspricht dem Widerstand eines Würfels mit der Kantenlänge 1 cm. Der spezifische Widerstand # wird für 20 °C angegeben. Die Leitfähigkeit g ist der Kehrwert des spezifischen Widerstandes #. Oft wird mit der Leitfähigkeit g statt mit dem spezifischen Widerstand gerechnet. i Die Leitfähigkeit g ist der Kehrwert des spezifischen Widerstandes #. Beispiel 2: Drahtwiderstand berechnen Ein Aluminiumdraht hat die Länge ö = 2 m und einen Querschnitt von 0,0785 mm2. Wie groß ist der Widerstand? ö R = _____ g·A R Widerstand (Resistanz) G Leitwert (Admittanz) g Leitfähigkeit bei Leitertemperatur 20 °C (g griech. Kleinbuchstabe Gamma) für technische Leiter m ; gCu = 56 ______ Q · mm2 m gAl = 35,38 ______ Q · mm2 # spezifischer Widerstand (# griech. Kleinbuchstabe Rho) ö Länge des Leiters A Querschnitt des Leiters Der spezifische Widerstand # gibt den Widerstand eines Leiters von 1 m Länge und 1 mm2 Querschnitt bei 20 °C an. Der spezifische Widerstand # von Drähten hat die Einheit Q · mm2/m. #·ö R = ____ A 1.2.5 Ohm’sches Gesetz Bei konstantem Widerstand nimmt die Stromstärke linear mit der Spannung zu. Zeichnet man Ü in Abhängigkeit von U auf, so erhält man eine Gerade (Bild 1). Wenn Ü D U (sprich: Ü ist proportional U) ist, so spricht man von einem linearen Widerstand. Die Gerade verläuft umso steiler, je kleiner der Widerstand ist. Mit zunehmendem Widerstand nimmt also die Stromstärke ab. Das Ohm’sche Gesetz beschreibt den Zusammenhang von Stromstärke, Spannung und Widerstand. Lösung: ö = _______________________________ 2m = 0,72 Q R = _____ g · A 35,38 m/(Q · mm2) · 0,0785 mm2 1 2 Georg Simon Ohm, deutscher Physiker, 1789 bis 1854 Werner von Siemens, deutscher Erfinder, 1816 bis 1892 Kapitel 01 (011-066).indd 16 Bei konstanter Spannung nimmt die Stromstärke im umgekehrten Verhältnis zum Widerstand ab. Zeichnet man Ü in Abhängigkeit von R auf (Bild 1, folgende Seite), so erhält man eine Hyperbel. Ü D 1/R (sprich: Ü ist umgekehrt proportional zu R). 21.01.15 09:11 1.2 Elektrotechnische Grundgrößen Beispiel 1: Stromstärke berechnen Wie groß ist die Stromstärke in einer Glühlampe, die an 4,5 V angeschlossen ist und im Betrieb einen Widerstand von 1,5 Q hat? 17 i ● Heißleiter, Temperaturkoeffizient a < 0, leiten in heißem Zustand besser. ● Kaltleiter, Temperaturkoeffizient a > 0, leiten in kaltem Zustand besser. Lösung: 4,5 V U = ______ Ü = __ =3A R 1,5 Q 1.2.6 Widerstand und Temperatur Der Widerstand der Leiterwerkstoffe ist von der Temperatur abhängig. Kohle und die meisten Halbleiter leiten in heißem Zustand besser als in kaltem Zustand. Diese Stoffe nennt man deshalb auch Heißleiter. Wenige Halbleiterstoffe, z. B. Bariumtitanat, leiten dagegen in kaltem Zustand besser. Man nennt sie Kaltleiter. Ihr Widerstand nimmt bei Temperaturerhöhung zu. Auch der Widerstand von Metallen nimmt mit Temperaturerhöhung zu. Der Widerstand von Heißleitern, z. B. Kohle, nimmt bei Temperaturerhöhung ab. Der Temperaturkoeffizient a gibt die Größe der Widerstandsänderung an (Tabelle 1). Man nennt ihn auch Temperaturbeiwert. Der Temperaturkoeffizient a gibt an, um wie viel Ohm der Widerstand 1 Q bei 1 K Temperaturerhöhung größer oder kleiner wird. Kelvin1 (K) ist die Einheit des Temperaturunterschieds Dc, gemessen in der Celsiusskala oder in der Kelvinskala. Der Temperaturkoeffizient von Heißleitern ist negativ, da ihr Widerstand mit zunehmender Temperatur abnimmt. Der Temperaturkoeffizient von Kaltleitern ist positiv, da ihr Widerstand mit zunehmender Temperatur zunimmt. Ü Dc = c2 – c1 DR = a · R 1 · Dc R 2 = R 1 + DR R 2 = R 1 (1 + a · Dc) Stromstärke U Spannung R Widerstand c Temperatur (c griech. Kleinbuchstabe Theta) c1 Anfangstemperatur; c2 Endtemperatur Dc Temperaturunterschied in K (D griech. Großbuchstabe Delta, Zeichen für Differenz) DR Widerstandsänderung a Temperaturkoeffizient (a griech. Kleinbuchstabe Alpha) R1 Widerstand bei Temperatur c1 R2 Widerstand bei Temperatur c2 Ü Die Widerstandsänderung bei Erwärmung ist vom Widerstand bei der Anfangstemperatur, dem Temperaturkoeffizient und der Temperaturzunahme abhängig. Beispiel 2: Widerstandsänderung bei Temperaturänderung berechnen Welche Widerstandsänderung erfährt ein Kupferdraht mit R 1 = 100 Q, wenn die Temperatur sich um Dc = 100 K ändert? Lösung: DR = a · R1 · Dc = 3,9 · 10 –3 1/K · 100 Q · 100 K = 39 Q Bei Abkühlung von Leitern nimmt ihr Widerstand ab. In der Nähe des absoluten Nullpunktes (– 273 °C) haben einige Stoffe keinen Widerstand mehr. Sie sind supraleitend geworden. 1 Kelvin, engl. Physiker Thompson, wurde zu Lord Kelvin geadelt Kapitel 01 (011-066).indd 17 U Ü = __ R [U ] V [Ü] = ___ = __ =A [R] Q für U1 = konst. für U2 = konst. R Bild 1: Ü als Funktion von R beim linearen Widerstand Tabelle 1: Temperaturkoeffizient a in 1/K Stoff a in 1/K –3 Kupfer 3,9 · 10 Aluminium 3,8 · 10 – 3 Stoff a in 1/K Nickelin 0,15 · 10 – 3 Manganin 0,02 · 10 – 3 Die Werte gelten für 20 °C. 21.01.15 09:11 18 1 Geräte, Anlagen, Systeme 1.2.7 Stromdichte In einem Stromkreis fließt durch jeden Leiterquerschnitt der gleiche Strom damit und auch die gleiche Zahl von Elektronen in der Sekunde. Die Stromstärke je mm2 Querschnitt nennt man Stromdichte J (Einheit A /mm2). Beispiel 1: Stromdichten berechnen Durch die Glühlampe (Bild 1) fließt ein Strom von 0,2 A. Wie groß ist die Stromdichte a) in der Zuleitung mit 0,2 mm2 Querschnitt, b) im Glühfaden mit 0,0004 mm2 Querschnitt? Lösung: a) 0,2 A Ü = _______ = 1 A/mm2 J = __ 0,2 mm2 A1 b) 0,2 A Ü = __________ J = __ = 500 A/mm2 A2 0,0004 mm2 Der dünne Leiter mit der größeren Stromdichte erwärmt sich stärker als der dickere Leiter mit der kleineren Stromdichte. Die Erwärmung nimmt noch mehr zu, wenn durch die Art des Werkstoffes der Elektronenstrom beim Durchgang stärker gehindert wird. Ein Leiter erwärmt sich umso mehr, je größer die Stromdichte in ihm ist. A 2 = 0,0004 mm2 Bild 1: Halogenlampe i Große Stromdichten können Leiter zum Glühen bringen. Ü J = __ A A [J ] = _____ mm2 J Ü A Stromdichte Stromstärke Leiterquerschnitt 13 Stromdichte J Bei verschieden großen Querschnitten, z. B. in der Leitung zu einer Halogenlampe und im dünnen Glühfaden in der Halogenlampe (Bild 1), bewegen sich die Elektronen im Leiter mit kleinerem Querschnitt schneller als im Leiter mit großem Querschnitt. Deshalb ist auch die Erwärmung im kleinen Querschnitt größer. A1 = 0,2 mm2 2 Adern 3 Adern A mm2 Verlegeart C 9 7 5 3 1,5 2,5 0 2 Verlegeart B2 4 6 8 10 12 mm2 16 Leiterquerschnitt A Bei Installationsleitungen sind den genormten Querschnitten höchstzulässige Stromstärken zugeordnet (Bild 2). Die zulässige Stromdichte ist dabei bei kleineren Querschnitten größer als bei größeren Querschnitten, weil dünne Drähte eine größere Oberfläche im Vergleich zum Querschnitt haben und daher schneller abkühlen. Bei der Verlegung der Leitungen in Installationsrohren oder Installationskanälen auf Wänden, Decken oder Fußböden (Verlegeart B2, Bild 2) ist die zugelassene Stromdichte kleiner als bei der Verlegung isolierter Leitungen direkt in der Wand oder im Putz (Verlegeart C, Tabelle 1). Bild 2: Strombelastbarkeit isolierter Leitungen Tabelle 1: Zulässige Strombelastbarkeit Üzu zweier Leiter bei c U = 30 °C Leiterquerschnitt in mm2 1,5 2,5 4 6 10 16 25 Bei Verlegeart B2 Üzu in A 16,5 23 30 38 52 69 90 Bei Verlegeart C Üzu in A 19,5 27 36 46 63 85 112 Wiederholung und Vertiefung 1. Wie verhalten sich gleichartige Ladungen und wie verschiedenartige Ladungen zueinander? 4. Wie ist der spezifische Widerstand festgelegt? 2. Wie ist die Spannung festgelegt? 5. Welchen Zusammenhang drückt das Ohm´sche Gesetz aus? 3. Woraus besteht ein elektrischer Stromkreis? 6. Was gibt der Temperaturkoeffizient an? Kapitel 01 (011-066).indd 18 21.01.15 09:11 1.3 Grundschaltungen 1.3 Grundschaltungen 19 Verbraucher 1.3.1 Bezugspfeile Bei physikalischen Größen ist es zweckmäßig, die Vorzeichen + und – zu gebrauchen. Dies ist bei Zweipolen besonders wichtig, wenn diese sowohl aktive Zweipole, z. B. Akkumulatoren beim Entladen, als auch passive Zweipole, z. B. Akkumulatoren beim Laden, sein können. Gibt man einen Zweipol als Verbraucher an, so nimmt dieser Energie auf. Über seine beiden Anschlüsse wird ihm z. B. die Energie von 1 J zugeführt (Bild 1). Ist dagegen die Energie dieses Zweipols mit – 1 J angegeben, so nimmt er keine Energie auf, sondern er gibt Energie ab. Die Energierichtung ist umgekehrt. Nimmt man einen Zweipol als Erzeuger an (Bild 1), so gibt dieser bei der Angabe W = 1 J Energie ab. Bei der Angabe W = –1 J dagegen nimmt der Zweipol Energie auf. Die Energieangabe allein sagt also noch nichts über die Art des Zweipols aus, nämlich ob dieser aktiv oder passiv ist. Deshalb hat man vereinbart, durch einen Bezugspfeil die positive Energierichtung anzugeben (Bild 1). W = 1J W = -1 J Verbraucher Erzeuger W = 1J G Energiebezugspfeil Spannungsbezugspfeile (Bild 3) werden gebogen oder gerade zwischen die Punkte gesetzt, deren Spannung angegeben werden soll. Die Angabe von Stromstärke und Spannung ist nur vollständig, wenn für sie ein Bezugspfeil gesetzt wird. Kapitel 01 (011-066).indd 19 Energieflussrichtung ¡ = 1A -49 mA -1 mA 49 mA 1mA ¡ = -1 A -50 mA 50 mA Stromrichtung Bild 2: Strombezugspfeile +12V 6V - 5V - G G + -6 V -3V 12 V + 4V 0 Bild 3: Spannungsbezugspfeile ¡1 Positive Spannungsangabe bedeutet eine Spannungsrichtung von + nach –. Der Pluspol liegt bei positiver Spannung immer am Beginn des Spannungsbezugspfeils, der Minuspol an der Bezugspfeilspitze (Bild 3). Die Zählrichtung der Spannung kann anstelle eines Bezugspfeils auch durch Indizes hinter dem Formelzeichen angegeben werden. Die positive Spannungsrichtung geht dabei immer vom Anschluss des ersten indizierten Buchstabens aus. W = -1 J G Bild 1: Energiebezugspfeile Energiebezugspfeile geben die positive Energierichtung an. Strombezugspfeile (Bild 2) geben die Richtung an, in der Ströme positiv gezählt werden. Sind Stromrichtung und Bezugspfeil gleich gerichtet, so liegt ein positiver Strom vor. Bei verschiedener Richtung ist der Strom negativ. Verbraucher U1 ¡2 U2 Bild 4: Vierpol mit Bezugspfeilen (Verbraucher-Bezugspfeilsystem) Vierpole sind Energiewandler mit zwei Anschlüssen auf der Eingangsseite und mit zwei Anschlüssen auf der Ausgangsseite (Bild 4). Man setzt die Strompfeile so, dass sie in den Vierpol hineinzeigen (Bezugspfeilsystem für Verbraucher). 21.01.15 09:11 20 1 Geräte, Anlagen, Systeme 1.3.2 Reihenschaltung ¡ Bei der Reihenschaltung sind aktive Zweipole, z. B. Erzeuger, oder passive Zweipole, z. B. Widerstände, hintereinander geschaltet (Bild 1). Regeln der Reihenschaltung G Schließt man zwei Widerstände in Reihe an einen Spannungserzeuger an und misst die Stromstärke vor, zwischen und nach den Widerständen, so stellt man fest, dass der Strommesser überall die gleiche Stromstärke anzeigt. In einem geschlossenen Stromkreis werden alle Widerstände vom gleichen Strom durchflossen, da keine Verzweigungen vorhanden sind. U ¡ Bild 1: Reihenschaltung zweier Widerstände U 1 ___ R ___ = 1 U Bei der Reihenschaltung ist die Summe der Teilspannungen gleich der angelegten Gesamtspannung. In der Masche des Netzwerkes (Bild 1) ist die Summe aller Spannungen null (2. Kirchhoff’sches1 Gesetz). Für die Masche in Bild 1 gilt U 1 + U 2 – U = 0, d. h., die Summe aller erzeugten Spannungen ist gleich der Summe aller Spannungen an den Verbrauchern. Misst man mit einem Widerstandsmesser die einzelnen Widerstände und den Widerstand der gesamten Schaltung, so stellt man fest, dass die Summe der einzelnen Widerstände gleich dem Widerstand der Schaltung ist. Bei der Reihenschaltung ist der Widerstand der Schaltung so groß wie die Summe der Einzelwiderstände. Dieser Widerstand der Schaltung heißt Ersatzwiderstand. Er nimmt die gleiche Stromstärke auf wie die in Reihe geschalteten Widerstände. Sind die Teilwiderstände gleich groß, so ist bei n gleichen Widerständen der Ersatzwiderstand E = n · R1. 1 Gustav Robert Kirchhoff, deutscher Physiker, 1824 bis 1887 Kapitel 01 (011-066).indd 20 U2 R2 In der Reihenschaltung ist die Stromstärke überall gleich groß. Bei der Reihenschaltung liegt an jedem Widerstand nur eine Teilspannung. Die Gesamtspannung teilt sich auf die einzelnen Widerstände auf. ¡ Masche U = U1 + U2 + … Misst man die Spannungen am Spannungserzeuger sowie an den in Reihe geschalteten Widerständen und vergleicht diese, so zeigt es sich, dass die Spannungen an den Widerständen kleiner sind als am Spannungserzeuger. U1 R1 U1 R ___ = ___1 U 2 ___ R ___ = 2 R U R = R1 + R2 + … U U2 R R2 Gesamtspannung U1, U 2 Teilspannungen R Ersatzwiderstand R 1, R 2 Einzelwiderstände Beispiel 1: Größen einer Reihenschaltung berechnen Die Widerstände R1 = 50 Q und R 2 = 70 Q sind in Reihe an eine Spannung von 12 V gelegt. Berechnen Sie den Ersatzwiderstand, die Stromstärke, die Teilspannungen, das Verhältnis der Teilspannungen und das Verhältnis der einzelnen Widerstände. Vergleichen Sie die Verhältniszahlen. Lösung: R = R1 + R2 = 50 Q + 70 Q = 120 Q U = ____ 12 V = 0,1 A Ü = __ R 120 Q U1 = Ü · R 1 = 0,1 A · 50 Q = 5 V U2 = Ü · R 2 = 0,1 A · 70 Q = 7 V U1 __ 5; __ =5V=_ U2 7V 7 50 Q _ R 1 ___ __ =5 = R2 70 Q 7 Am größeren Widerstand liegt die größere Teilspannung. Bei der Reihenschaltung verhalten sich die Teilspannungen wie die zugehörigen Widerstände. Bauelemente sind in Reihe geschaltet, wenn die zulässige Betriebsspannung eines einzelnen Bauelementes kleiner ist als die Gesamtspannung. 21.01.15 09:11
