Elektrotechnik - Schulbuchzentrum Online

Franz-Josef Lintermann, Udo Schaefer
Elektrotechnik
Allgemeine Grundbildung
3. Auflage
Bestellnummer 06602
[email protected]
www.bildungsverlag1.de
Bildungsverlag EINS GmbH
Ettore-Bugatti-Straße 6⫺14, 51149 Köln
ISBN 978-3-427-06602-6
© Copyright 2014: Bildungsverlag EINS GmbH, Köln
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Vorwort
Das vorliegende Werk Elektrotechnik ⴚ Allgemeine Grundbildung ist ein fachsystematisch aufgebautes Lehrbuch, das auf die aktuellen Lehrpläne der neuen Elektroberufe abgestimmt ist. Es beinhaltet in lerndidaktisch sinnvoll aufbereiteter Weise das erforderliche
Fachwissen zur Bewältigung typischer Handlungssituationen aus dem Bereich der Lernfelder 1 bis 6 und vermittelt somit die erforderliche Fachkompetenz, die im 1. Teil der Abschlussprüfung verlangt wird.
Zugunsten einer umfassenden Darstellung von elektrotechnisch relevantem Basiswissen
wird auf eine durchgehende Handlungssituation verzichtet. Der Praxisbezug wird jedoch in
jedem Abschnitt durch ein typisches Anwendungsbeispiel mit Lösungsvorschlag hergestellt.
Des Weiteren finden sich am Ende eines jeden Themenbereichs Aufgaben zur Wiederholung, Vertiefung bzw. zur Selbstkontrolle und zur selbständigen Anwendung.
Zu den einzelnen Kapiteln gibt es weitreichende Zusatzinformationen auf der beiliegenden
DVD (weiterführende Internet-Links, Datenblätter, Videos, Herstellerunterlagen usw.).
Als Ergänzung zum elektrotechnischen Basiswissen befinden sich auf der DVD zusätzlich
kompakt aufbereitete Informationen zu den lernfeldübergreifenden Bereichen Projekt und
Projektmanagement (Anhang A), Wissensmanagement und Arbeitsmethoden (Anhang B: Internetrecherche, Kommunikation, Angebots- und Rechnungserstellung, Dokumentation und Präsentation) sowie Grundlagen der technischen Kommunikation (Anhang C: Zeichnerische Darstellungsformen, Stromlaufpläne, Struktogramme).
Sofern erforderlich lassen sich fehlende mathematische Vorkenntnisse mithilfe von Anhang D
(Grundkenntnisse der Mathematik: Theorie und Übungsaufgaben) individuell erarbeiten,
wiederholen oder vertiefen.
Englische Fachbezeichnungen sind im Fachbuch integriert, zusätzlich dient ein ausführliches zweisprachiges Sachwortverzeichnis auf der DVD (Anhang E) der schnellen Suche von Fachbegriffen.
Somit kann Elektrotechnik ⴚ Allgemeine Grundbildung im schulischen Lernbetrieb für
jede vom Fachlehrer konzipierte und auf den jeweiligen Ausbildungsberuf zugeschnittene
komplexe Handlungssituation bedarfsorientiert als Informationsquelle eingesetzt werden;
die chronologische Bearbeitung der einzelnen Kapitel ist nicht zwingend erforderlich. Eine
Markierung im Inhaltsverzeichnis dient als Orientierungshilfe für eine mögliche Zuordnung
der Kapitel zu den Lernfeldern (LF 1 bis LF 6) der neuen Elektroberufe.
Aufgrund seiner Struktur ist das Buch sowohl für Auszubildende im Bereich der neuen
Elektroberufe als auch für Fachschüler, technische Assistenten und Schüler an technischen
Gymnasien geeignet.
3
Inhaltsverzeichnis
1.
LF 1
1.1
1.1.1
1.1.2
1.1.3
1.1.4
1.1.5
1.1.6
Elektrische Spannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elektrische Ladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Potenzielle Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elektrisches Potenzial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elektrische Spannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Spannungsquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Spannungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
13
13
14
15
16
17
17
LF 1
1.2
1.2.1
1.2.2
1.2.3
1.2.4
1.2.5
Elektrische Stromstärke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elektrischer Stromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elektrische Stromstärke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Strömungsgeschwindigkeit und Signalgeschwindigkeit .
Stromarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Stromdichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
19
20
21
21
22
23
LF 1
1.3
1.3.1
1.3.2
1.3.3
1.3.4
1.3.5
1.3.6
Elektrischer Widerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Begriff des elektrischen Widerstandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Definition des elektrischen Widerstandes . . . . . . . . . . . . . . .
Elektrischer Leitwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ohmsches Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Widerstandskennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Abhängigkeit des Leiterwiderstandes von
Abmessungen und Werkstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Abhängigkeit des Widerstandes von der Temperatur . . .
Widerstandskenngrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Widerstandsbauelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
23
24
25
25
26
26
29
30
32
46
Grundlagen der
Elektrotechnik
1.3.7
1.3.8
1.3.9
LF 1
1.4
1.4.1
1.4.2
1.4.3
Elektrische Energie und elektrische Leistung . . . . . . .
Elektrische Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elektrische Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
48
50
50
52
LF 1
1.5
1.5.1
Zusammenschaltung elektrischer Widerstände . . . . .
Reihenschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Parallelschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Gemischte Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54
54
58
61
65
66
73
1.5.2
1.5.3
4
LF 5
1.6
1.6.1
1.6.2
1.6.3
1.6.4
1.6.5
Grundbegriffe des Wechselstroms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Darstellung und Kenngrößen sinusförmiger
Wechselspannungen und Wechselströme . . . . . . . . . . . . . . .
Phasenverschiebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Überlagerung von Spannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Effektivwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Leistung bei Wechselspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
78
78
80
82
83
85
86
LF 5
1.7
1.7.1
1.7.2
1.7.3
1.7.4
1.7.5
Grundbegriffe des Drehstroms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Erzeugung einer Dreiphasen-Wechselspannung . . . . . . . .
Verkettung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sternschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Dreieckschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Leistung bei Dreiphasen-Wechselspannung . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
88
88
89
90
92
94
95
LF 5
1.8
1.8.1
Elektrisches Feld und Kondensator . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elektrisches Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kondensator im Wechselstromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
96
96
99
100
111
114
118
Magnetisches Feld und Spule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Magnetisches Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kraftwirkung im magnetischen Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elektromagnetische Induktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Induktivität im Wechselstromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Transformator und Übertrager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
119
119
129
130
134
136
143
145
149
150
153
1.10
Zusammenschaltung von R, L und C . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.10.1 Schaltungen mit ohmschen und induktiven
Widerständen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.10.2 Schaltungen mit ohmschen und kapazitiven
Widerständen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.10.3 Schaltungen mit ohmschen, induktiven und
kapazitiven Widerständen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.10.4 Der elektrische Schwingkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
154
1.8.2
1.8.3
LF 5
1.9
1.9.1
1.9.2
1.9.3
1.9.4
1.9.5
LF 5
154
159
161
163
163
168
170
174
5
2.
LF 6
2.1
2.1.1
2.1.2
2.1.3
2.1.4
2.1.5
Halbleiterwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufbau der Halbleiterwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Eigenleitung in reinen Halbleitern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Störstellenleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
PN-Übergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kennzeichnung von Halbleiter-Bauelementen . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
176
176
177
177
179
180
181
LF 6
2.2
2.2.1
2.2.2
2.2.3
Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Diodenkennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Arbeitspunkteinstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Diodenschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
182
182
184
185
192
LF 6
2.3
2.3.1
2.3.2
2.3.3
2.3.4
Dioden mit besonderen Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . .
Z-Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fotodioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Leuchtdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sonstige Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
193
193
196
197
199
200
LF 6
2.4
2.4.1
2.4.2
2.4.3
2.4.4
Bipolare Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Prinzipieller Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Transistorkennlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Transistorkenndaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Transistorgrenzwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Transistor als Schalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Transistor als Verstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
200
201
202
205
207
209
210
218
219
231
238
Elektronische
Bauelemente und ihre
Grundschaltungen
2.4.5
2.4.6
6
LF 6
2.5
2.5.1
2.5.2
2.5.3
2.5.4
Feldeffekttransistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sperrschicht-Feldeffekttransistor, J-FET . . . . . . . . . . . . . . . . .
MOS-Feldeffekttransistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Grundschaltungen mit FET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
IGBT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
239
240
244
248
252
253
LF 6
2.6
2.6.1
2.6.2
2.6.3
2.6.4
2.6.5
Mehrstufige Transistorverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kopplungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kleinsignalverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Leistungsverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kühlkörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Differenzverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
254
254
255
256
258
260
263
LF 6
2.7
2.7.1
2.7.2
2.7.3
2.7.4
Integrierte Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Operationsverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Operationsverstärker als Komparator (comparator) . . . . .
Operationsverstärker als Spannungsverstärker . . . . . . . . .
ICs mit digitalen Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
264
265
269
271
277
280
LF 6
2.8
2.8.1
2.8.2
2.8.3
Generatorschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sinusgeneratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Rechteck-Generatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Dreieck- und Sägezahn-Generatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
283
283
286
286
288
LF 6
2.9
2.9.1
2.9.2
2.9.3
2.9.4
Mehrschichthalbleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Vierschichtdiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Thyristor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
DIAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
TRIAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
289
289
291
295
296
300
LF 1,6 3.1
3.1.1
3.1.2
Grundlagen der
3.1.3
Messtechnik
3.1.4
3.1.5
3.1.6
3.1.7
Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Prüfen, Messen, Eichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Messwerk, Messinstrument, Messgerät . . . . . . . . . . . . . . . . .
Empfindlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Innenwiderstand und Kennwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Eigenverbrauch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Messfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sinnbilder auf den Skalen der Messinstrumente . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
301
301
301
302
302
302
303
304
305
LF 1,6 3.2
3.2.1
3.2.2
Messinstrumente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Messwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Vielfachmessinstrumente (Multimeter) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Oszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
305
305
309
311
312
323
LF 1,6 3.3
3.3.1
3.3.2
3.3.3
3.3.4
3.3.5
3.3.6
3.3.7
Messung elektrischer Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Messung der Stromstärke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Messung der Spannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Messung des Widerstandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Messung der Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Messung der Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Messung der Frequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fehlerortbestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
324
324
325
327
328
329
330
331
332
LF 5
Erzeugung, Übertragung und Verteilung
elektrischer Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Erzeugung elektrischer Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Übertragung elektrischer Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Verteilung elektrischer Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Smart Grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
335
335
341
344
345
347
3.
3.2.3
4.
Elektroenergieversorgung
4.1
4.1.1
4.1.2
4.1.3
4.1.4
7
LF 5
4.2
4.2.1
Energieversorgungsgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Chemische Spannungsquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Energieversorgung für DV-Anlagen und -geräte . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
347
347
352
353
361
362
368
5.1
5.1.1
5.1.2
5.1.3
Elektrischer Hausanschluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Hausanschlussraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schutzpotenzialausgleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elektrizitätszähler und Stromkreisverteiler . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
369
371
371
372
378
LF 2
5.2
5.2.1
5.2.2
5.2.3
5.2.4
5.2.5
5.2.6
Elektrische Leitungen und Kabel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Leitungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Verlegearten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Bemessung elektrischer Leitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Installationszonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Installationsdosen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Leitungsverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
378
379
381
383
391
391
393
394
LF 2
5.3
5.3.1
5.3.2
5.3.3
5.3.4
Überstromschutzeinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Leitungsschutzsicherungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Leitungsschutzschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sonstige Schutzeinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Selektivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
395
395
400
402
402
403
LF 2
5.4
5.4.1
5.4.2
5.4.3
5.4.4
5.4.5
5.4.6
5.4.7
5.4.8
5.4.9
5.4.10
Installationsschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Anschluss einer Schutzkontaktsteckdose . . . . . . . . . . . . . . .
Ausschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Serienschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Wechselschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kreuzschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Stromstoßschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Dimmerschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Netzfreischaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ausstattungswert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Leistungsbedarf und Anschlusswert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
404
404
405
405
405
407
409
410
410
411
418
419
LF 2
5.5
5.5.1
5.5.2
Installationen im Badezimmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schutzbereiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusätzlicher Schutzpotenzialausgleich . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
420
420
422
423
LF 2
5.6
5.6.1
5.6.2
Prüfung und Inbetriebnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Erstprüfungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Wiederholungsprüfungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
423
423
427
428
4.2.2
4.2.3
5.
LF 2
Elektrotechnische
Systeme und
Installationen
8
6.
LF 2,5 6.1
Gefährdung des Menschen durch den elektrischen
Strom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
Schutzmaßnahmen gegen
gefährliche
Körperströme
LF 2,5 6.2
Verhalten bei Stromunfällen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
LF 2,5 6.3
Netzsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
LF 2,5 6.4
Schutzmaßnahmen gegen gefährliche
Körperströme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schutz gegen direktes Berühren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schutz bei indirektem Berühren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sicherheitsvorschriften bei Arbeiten in
Niederspannungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schutzarten elektrischer Betriebsmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4.1
6.4.2
6.4.3
6.4.4
7.
439
440
442
443
LF 3
7.1
7.1.1
7.1.2
7.1.3
7.1.4
Grundbegriffe der Informationstechnik . . . . . . . . . . . . . . .
Informationen, Zeichen, Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Analoge und digitale Signale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zahlensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
444
444
444
446
449
455
LF 3
7.2
7.2.1
7.2.2
7.2.3
Digitale Signalverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Die logischen Grundfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammengesetzte Grundfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Entwerfen von digitalen Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schaltnetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schaltwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
456
456
457
458
471
473
483
484
497
Grundlagen der
Informationsverarbeitung
7.2.4
7.2.5
8.
433
433
434
LF 3
7.3
7.3.1
7.3.2
7.3.3
Speicherprogrammierbare Steuerungen . . . . . . . . . . . . . .
Aufbau einer SPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Funktionsprinzip einer SPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Programmierung einer SPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
501
503
505
507
512
LF 4
8.1
8.1.1
8.1.2
8.1.3
8.1.4
8.1.5
8.1.6
8.1.7
Computer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Barebone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Notebook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Netbook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Tablet-PC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Smartphone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Desktop-PC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sonstige Geräteklassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
513
514
515
517
518
520
522
522
523
Informationstechnische Systeme
9
LF 4
8.2
8.2.1
8.2.2
8.2.3
8.2.4
8.2.5
8.2.6
8.2.7
8.2.8
8.2.9
8.2.10
8.2.11
8.2.12
8.2.13
8.2.14
8.2.15
8.2.16
Computer-Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Motherboard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Prozessor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Chipsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elektronische Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Bussysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schnittstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Laufwerke und Speichermedien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Erweiterungskarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Netzteil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Eingabegeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Bildgebende Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Drucker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ergonomie am Arbeitsplatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Recycling und Umweltschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Prüfsiegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Elektromagnetische Verträglichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
523
525
527
531
533
537
543
556
564
567
568
570
578
583
584
585
587
589
LF 4
8.3
8.3.1
8.3.2
8.3.3
8.3.4
Computer-Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Systemsoftware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Anwendungssoftware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Computerviren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Urheberrechtsschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
593
593
601
602
605
606
LF 4
8.4
8.4.1
8.4.2
8.4.3
8.4.4
8.4.5
Computer-Inbetriebnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Bootvorgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Verhalten bei BIOS/UEFI-Fehlern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Softwareinstallation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Dateisysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Bedienung, Benutzerverwaltung und Rechtevergabe . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
606
606
608
608
611
613
614
LF 4
8.5
8.5.1
8.5.2
8.5.3
8.5.4
8.5.5
8.5.6
8.5.7
8.5.8
8.5.9
Computer-Vernetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Unterscheidungsmerkmale bei Kommunikationsnetzen
Internet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
PC im LAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
IP-Adressierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
WLAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
PC mit DSL-Anschluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Cloud-Computing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fehlerbeseitigung in PC-Netzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Datenschutz und Datensicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
614
615
617
619
625
628
630
632
634
635
636
Betriebsmittelkennzeichnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 638
Quellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 640
Sachwortverzeichnisverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 641
10
Anhang für DVD
Anhang A
A.1
Projekt und Projektmamagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.2
Definitionsphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.3
Planungsphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.4
Durchführungsphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.5
Abschlussphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
3
5
12
12
Anhang B Wissensmanagement und Arbeitsmethoden . . . . .
B.1
Informationsbeschaffung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B.2
Internet-Recherche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B.3
Teamarbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B.3.1
Konfliktlösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B.4
Arbeits- und Problemlösungstechniken . . . . . . . . . . . . . .
B.5
Kommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B.6
Geschäftsbrief . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B.7
Angebots- und Rechnungserstellung . . . . . . . . . . . . . . . . .
B.8
Dokumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B.9
Präsentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
13
13
16
18
18
19
21
23
27
29
Anhang C Grundlagen der technischen Kommunikation . . .
C.1
Zeichnerische Darstellungsformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.1.1
Schaltungstechnische Zeichnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.1.1.1
Montagepläne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.1.1.2
Schaltpläne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.1.1.3
Ablaufpläne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.1.2
Maschinentechnische Zeichnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.1.2.1
Blattgrößen und Maßstäbe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.1.2.2
Maße und Toleranzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C.1.2.3
Darstellungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
33
36
36
38
46
52
53
54
54
55
63
Anhang D Grundkenntnisse der Mathematik . . . . . . . . . . . . . . . . .
D.1
Grundrechnungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
D.2
Zahlenarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
D.3
Reihenfolge der Rechenoperationen . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
D.4
Rechnen mit Brüchen
Erweitern und Kürzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
D.5
Rechnen mit Potenzen
Berechnen des Potenzwertes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
D.6
Dreisatz- und Prozentrechnung
Dreisatzrechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
D.7
Rechnen mit physikalischen Größen . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
D.8
Rechnen mit allgemeinen Zahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
D.9
Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
68
68
69
70
70
71
71
74
74
77
77
80
80
82
82
86
86
11
D.10
D.11
D.13
D.14
Zeichnerische Darstellung von
Funktionsgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
Winkelfunktionen
Winkelmaße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Berechnung von Längen und Flächen . . . . . . . . . . . . . . . 98
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Berechnung von Körpern und Gewichtskräften . . . . . . 102
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Anhang E Fachliches Englisch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Datenblätter
Empfohlene Software
Zusatzmaterialien
Links
Quellenverzeichnis
Hilfe/Impressum
12
1.
Grundlagen der Elektrotechnik
1.7
Grundbegriffe des Drehstroms
Der Name Drehstrom ist allgemein üblich für einen Dreiphasen-Wechselstrom (bzw. eine
Dreiphasen-Wechselspannung) und deutet an, dass mit einem solchen Strom in elektrischen Maschinen ein Drehfeld erzeugt werden kann.
1.7.1
Erzeugung einer Dreiphasen-Wechselspannung
Wird eine Spule (Leiterschleife) mit gleichförmiger Geschwindigkeit in einem homogenen
Magnetfeld gedreht, so entsteht in ihr eine sinusförmige Wechselspannung (vgl. Kap. 1.6.1;
Bild 1.86).
Verbindet man drei um 120° gegeneinander versetzte Spulen starr miteinander und dreht
diese Anordnung gleichförmig in einem homogenen Magnetfeld, so entsteht in jeder der
drei Spulen eine sinusförmige Wechselspannung.
Da die drei um 120° räumlich versetzten Spulen die einzelnen Stellungen im Magnetfeld
zeitlich nacheinander durchlaufen, ergeben sich in den drei Spulen drei Wechselspannungen, die um 120° zeitlich gegeneinander verschoben sind.
Bild 1.99: Entstehung einer Dreiphasen-Wechselspannung
Als Dreiphasen-Wechselspannung bezeichnet man ein System von drei
Wechselspannungen, die gegeneinander um 120° phasenverschoben sind.
Die Darstellung von Dreiphasen-Wechselspannungen kann mit den gleichen Mitteln erfolgen wie bei jeder Wechselspannung.
Die Phasenverschiebung ist in beiden Darstellungen sehr deutlich zu erkennen.
Bild 1.100: Zeiger- und Liniendiagramm einer Dreiphasen-Wechselspannung
88
Grundbegriffe des Drehstroms
1.7.2
Verkettung
Die drei um 120° gegeneinander versetzten
Spulen bezeichnet man als Stränge mit den
Buchstaben U, V und W. Die Anfänge der
Stränge tragen die Bezeichnungen U1, V1,
W1, die Enden U2, V2, W2.
In einem Drehstromgenerator sind diese drei
Stränge völlig gleich ausgeführt, sodass in jeder Strangwicklung die gleiche Spannung
entsteht.
Betrachtet man die Größe dieser drei um
120° gegeneinander phasenverschobenen
Spannungen an einem konkreten Beispiel
(Bild 1.102), so erkennt man, dass ihre
Summe in jedem Augenblick gleich null ist.
Bild 1.101: Bezeichnung der Stranganschlüsse
In dem Augenblick, in dem u1 seinen positiven Maximalwert durchläuft, haben u2 und u3
die Größe des halben Maximalwertes, sind
dabei jedoch negativ, denn es ist:
u1 ⫹ u2 ⫹ u3 =
300 V ⫹ (⫺150 V) ⫹ (⫺150 V) = 0
Wird an jeden der drei Stränge ein ohmscher
Widerstand (z. B. von 100 Ω) angeschlossen,
so ergeben sich drei gleich große Wechselströme (i1, i2, i3), die mit den Wechselspannungen (u1, u2, u3) in Phase sind. Es ist also:
i1 ⫹ i2 ⫹ i3 =
3 A ⫹ (⫺1,5 A) ⫹ (⫺1,5 A) = 0
Dieser Zusammenhang, der schon im Liniendiagramm deutlich wird, kann durch die
Schaltungsdarstellung vollkommen einsichtig
gemacht werden.
Man erkennt, dass die Summe der Ströme, die
in den von U2, V2 und W2 kommenden Leitungen fließen, gleich null ist. Diese drei Leitungen
könnten also zu einer einzigen Leitung zusammengefasst werden. Dadurch ergibt sich aus
den drei getrennten Stromkreisen der einzelnen Stränge ein einziges System, in dem die
drei Stromkreise miteinander verkettet sind.
Unter Verkettung versteht man die
Zusammenschaltung der drei
Stränge einer DreiphasenWechselspannung zu einem
gemeinsamen System.
Bild 1.102: Summe der Spannungen
Bild 1.103: Strangströme
Bild 1.104: Schaltungsdarstellung
89
1.7
2.
Elektronische Bauelemente und ihre Grundschaltungen
6.
Begründen Sie, warum Eintaktendstufen im A-Betrieb nicht für große Ausgangsleistungen
verwendet werden.
7.
Warum werden Leistungs-Endstufen im AB-Betrieb zur Verstärkung eines Wechselsignals
mit mindestens zwei Transistoren aufgebaut?
8.
Aus welchem Grund werden bei Leistungshalbleitern im Allgemeinen Kühlkörper verwendet?
9.
Was sind Komplementärtransistoren?
10. Wie ist ein Darlington-Transistor aufgebaut? Welche besonderen Eigenschaften hat er?
11. Welche physikalische Einheit besitzt der „Wärmewiderstand“ Rth? Welche physikalische Eigenschaft wird durch Rth beschrieben?
12. Ein Leistungstransistor mit einer Verlustleistung PV = 60 W darf eine maximale Sperrschichttemperatur von 160 °C erreichen. Sein Wärmewiderstand RthG beträgt 0,6 K/W. Bei einer
Umgebungstemperatur von 40 °C wird er mit einer Isolierscheibe auf ein Kühlblech montiert.
Der Wärmewiderstand der Isolierscheibe beträgt RthG/K = 0,4 K/W.
a) Aus welchem Grund wird zwischen Transistorgehäuse und Kühlkörper eine Isolierung
vorgenommen?
b) Bestimmen Sie den Wärmewiderstand des verwendeten Kühlkörpers.
13. Erklären Sie bei einer symmetrisch aufgebauten Differenzverstärkerstufe den Unterschied
zwischen „Gleichtaktbetrieb“ und „Differenzbetrieb“.
14. Welche Größenordnungen haben in der Praxis die „Gleichtaktverstärkung“ und die „Differenzverstärkung“?
15. Was versteht man unter der „Gleichtaktunterdrückung“?
2.7
Integrierte Bauelemente
Integrierte Bauelemente (IC: Integrated Circuit) stellen eine Zusammenschaltung einer großen Anzahl aktiver und passiver Bauelemente auf einem einzigen Halbleiterchip in einem Gehäuse dar (monolithisch integrierte Schaltung).
Mit der IC-Technologie ist es möglich, leistungsfähige elektronische Schaltungen auf kleinstem Raum zu realisieren. Durch den Einsatz moderner Integrationstechniken können mehrere Millionen einzelner Bauelemente auf einem Halbleiterchip mit wenigen Quadratmillimetern Grundfläche untergebracht werden.
Die Anzahl der von den verschiedensten Herstellern entwickelten und angebotenen ICs ist
unüberschaubar. Eine Gruppierung ist durch die Einteilung in analoge, digitale und hybride
ICs möglich. Hybrid-ICs enthalten sowohl analoge als auch digitale Funktionen. Aufgrund
des komplexen Aufbaus mancher moderner ICs ist eine eindeutige Trennung dieser Gruppen allerdings nicht immer möglich, da einzelne Funktionen auf den Datenblättern lediglich
als Blöcke dargestellt werden, ohne dass man Kenntnis über die tatsächliche technische
Realisierung hat.
Aufgrund der hohen Integrationsdichte und den damit verbundenen Entwicklungs- und Produktionskosten werden heute nicht mehr für jeden Anwendungszweck entsprechende ICs
angefertigt. Stattdessen werden möglichst universell einsetzbare Bausteine entwickelt, deren gewünschte Funktion dann mithilfe weniger externer Bauteile eingestellt werden kann.
264
Integrierte Bauelemente
2.7.1
Operationsverstärker
Von allen auf dem Markt befindlichen ICs mit analogen Funktionen ist der sogenannte
Operationsverstärker (OA: Operational Amplifier; alternative Kurzbezeichnung: OP) am
weitesten verbreitet. Aufgrund seiner Eigenschaften ist er als Gleich- und Wechselspannungsverstärker, Filter, Generator, Regler oder Schalter universell einsetzbar.
Der Operationsverstärker ist ein universell einsetzbarer Spannungsverstärker. Trotz seines umfangreichen und komplexen inneren Aufbaus kann er als
ein elektronisches Bauelement betrachtet werden.
Der OP wird in verschiedenen Gehäuseformen angeboten (z. B. Metall- oder Dual-In-Line).
In den Datenblättern werden diese Gehäuse mit allen vorhandenen Anschlüssen dargestellt; hier kann man unter anderem die jeweilige Anschaltung der Stromversorgung entnehmen. Diese Anschlüsse werden aus Gründen der Übersichtlichkeit in Schaltplänen aber
nur bei Bedarf dargestellt.
Bild 2.104: Gehäuseformen und Anschlussbelegung eines OP
Bild 2.105:
Nullspannungsabgleich
Die Anschlüsse mit der Bezeichnung „Offsetkomp“ dienen dazu, mit einer geeigneten Beschaltung Abweichungen vom gewünschten Verhalten ⫺ verursacht durch kleinste, fertigungstechnisch bedingte Unsymmetrien im inneren Schaltungsaufbau ⫺ zu kompensieren.
Das Schaltzeichen des Operationsverstärkers beinhaltet hingegen nur die Signaleingänge
und den Ausgang. In den Datenblättern und Schaltungsunterlagen der Hersteller findet man
fast ausschließlich die nicht genormte Darstellung (Bild 2.106).
Bild 2.106: genormtes (a) und nicht genormtes
(b) Schaltzeichen des OP
2.7.1.1
Aufbau und Arbeitsweise
Im Wesentlichen besteht die Innenschaltung eines Operationsverstärkers aus drei Funktionseinheiten:
䊏
einem Differenzverstärker als Eingangsstufe,
䊏
einem Spannungsverstärker und
䊏
einem Leistungsverstärker als Ausgangsstufe.
Bild 2.107: Funktionseinheiten des OP
265
2.7
6.
Schutzmaßnahmen gegen gefährliche Körperströme
Aufgaben
1.
Welche Größen sind bei einem Körperstrom für die Gefährdung des Menschen von Bedeutung?
2.
Bei welcher Einwirkzeit kann ein Körperstrom von 50 mA (100 mA, 200 mA) eine tödliche
Gefahr bedeuten?
3.
Erklären Sie den Begriff „Berührungsspannung“.
4.
Geben Sie die Berührungsspannung an, die einen Menschen gefährden kann.
5.
Geben Sie an, in welchen Situationen der Bilder A⫺F eine gefährliche Berührungsspannung auftritt:
a) bei offenem und
b) bei geschlossenem Schalter Q1.
6.
Worin unterscheiden sich
a) das TT-System vom IT-System und
b) das TN-S-System vom TN-C-System?
7.
Welche Faktoren haben einen Einfluss auf den Körperwiderstand eines Menschen?
440
6.
Schutzmaßnahmen gegen gefährliche Körperströme
6.4.4
Schutzarten elektrischer Betriebsmittel
Elektrische Betriebsmittel werden in einem Gehäuse untergebracht, um
䊏
den Benutzer des Betriebsmittels vor Spannung führenden oder umlaufenden Teilen zu schützen (Berührungs- und Fremdkörperschutz),
䊏
das Betriebsmittel vor dem Eindringen von festen Körpern oder Staub und vor
Wasser zu schützen (Wasserschutz).
Beide Schutzarten werden gemäß VDE DIN 0470, Teil 1, durch die Buchstabenkombination
IP (International Protection), gefolgt von einer zweistelligen Kennziffer angegeben. Die erste
Ziffer (0 bis 6) bezeichnet hierbei den Berührungs- und Fremdkörperschutz, die zweite Ziffer
(0 bis 8) den Wasserschutz. Je nach Gehäuse ergibt sich eine unterschiedliche Schutzwirkung, die unter anderem mit definierten Prüfsonden festgestellt wurde und der man dann
einen jeweiligen Schutzgrad zugeordnet hat. Mit der Angabe des Schutzgrads auf dem
Gehäuse bzw. auf dem Typenschild garantiert der Hersteller, dass sein Produkt die jeweiligen Anforderungen erfüllt.
Kennziffer
Bedeutung
Erläuterung
0
Kein Schutz
⫺ kein Schutz von Personen gegen zufälliges Berühren unter
Spannung stehender oder sich bewegender Teile
⫺ kein Schutz eines Betriebsmittels gegen Eindringen von festen
Fremdkörpern
1
Schutz gegen
Fremdkörper
ⱖ 50 mm
⫺ geschützt gegen den Zugang zu gefährlichen Teilen mit dem
Handrücken
⫺ Die Zugangssonde (Kugel ⭋ 50 mm) muss ausreichend Abstand von gefährlichen Teilen haben. Die Objektsonde, Kugel
50 mm Durchmesser, darf nicht voll eindringen.
2
Schutz gegen
Fremdkörper
ⱖ 12,5 mm
⫺ geschützt gegen den Zugang zu gefährlichen Teilen mit einem
Finger
⫺ Der gegliederte Prüffinger (12 mm Durchmesser und 80 mm
Länge) muss ausreichend Abstand von gefährlichen Teilen
haben.
3
Schutz gegen
Fremdkörper
ⱖ 2,5 mm
⫺ geschützt gegen den Zugang zu gefährlichen Teilen mit einem
Werkzeug
⫺ Die Zugangssonde (⭋ 2,5 mm) darf nicht eindringen.
4
Schutz gegen
Fremdkörper
ⱖ 1 mm
⫺ geschützt gegen den Zugang zu gefährlichen Teilen mit einem
Draht
⫺ Die Zugangssonde (⭋ 1,0 mm) darf nicht eindringen.
5
Schutz gegen
Staubablagerung
⫺ geschützt gegen den Zugang zu gefährlichen Teilen mit einem
Draht
⫺ Die Zugangssonde (⭋ 1,0 mm) darf nicht eindringen.
⫺ Das Eindringen von Staub wird nicht vollständig verhindert, aber
er darf nicht in einer solchen Menge eindringen, dass das zufriedenstellende Arbeiten des Geräts oder die Sicherheit beeinträchtigt wird.
6
Schutz gegen
Staubeintritt
Staubdicht
⫺ geschützt gegen den Zugang zu gefährlichen Teilen mit einem
Draht
⫺ Die Zugangssonde (⭋ 1,0 mm) darf nicht eindringen. Kein Eindringen von Staub möglich.
Bild 6.16: Schutzgrade des Berührungs- und Fremdkörperschutzes
442
Schutzmaßnahmen gegen gefährliche Körperströme
Kennziffer
Bedeutung
Erläuterung
0
Kein Schutz
⫺ Kein besonderer Schutz
1
Schutz gegen
senkrecht
fallendes
Tropfwasser
⫺ Wassertropfen, die senkrecht fallen, dürfen keine schädliche
Wirkung haben.
2
Schutz gegen
Tropfwasser,
(bis zu 15°
Neigung)
⫺ Senkrecht fallende Tropfen dürfen keine schädliche Wirkung haben, wenn das Gehäuse um einen Winkel von 15° beiderseits
der Senkrechten geneigt ist.
3
Schutz gegen
Sprühwasser
⫺ Wasser, das in einem beliebigen Winkel bis 60° beiderseits der
Senkrechten gesprüht wird, darf keine schädliche Wirkung haben.
4
Schutz gegen
Spritzwasser
⫺ Wasser, das aus allen Richtungen gegen das Gehäuse spritzt,
darf keine schädliche Wirkung haben.
5
Schutz gegen
Strahlwasser
⫺ Ein Wasserstrahl aus einer Düse, der aus allen Richtungen gegen das Betriebsmittel gerichtet wird, darf keine schädliche Wirkung haben.
6
Schutz gegen
starkes
Strahlwasser
⫺ Wasser, das aus jeder Richtung als starker Strahl gegen das
Gehäuse gerichtet ist, darf keine schädliche Wirkung haben.
7
Schutz beim
zeitweiligen
Untertauchen
⫺ Wasser darf nicht in schädlichen Mengen eindringen, wenn das
Betriebsmittel unter genormten Druck- und Zeitbedingungen in
Wasser eingetaucht wird.
8
Schutz beim
dauernden
Untertauchen
⫺ Wasser darf nicht in schädlichen Mengen eindringen, wenn das
Betriebsmittel dauernd unter Wasser getaucht wird unter Bedingungen, die der Hersteller angibt.
Bild 6.17: Schutzgrade des Wasserschutzes
Der erforderliche Schutzgrad richtet sich nach den am Einsatzort herrschenden Bedingungen. Werden Anforderungen nur an eine Art des Schutzes gestellt, so wird die nicht benötigte Kennziffer durch den Buchstaben X ersetzt.
䊏
Beispiele:
IP 44 bedeutet:
Schutz gegen Fremdkörper und Gegenstände, die größer als 1 mm Durchmesser sind, und
Schutz gegen Spritzwasser aus allen Richtungen
IPX5 bedeutet:
Keine Angabe zum Berühr- oder Fremdkörperschutz; Schutz gegen Strahlwasser
Aufgaben
1.
Aus welchen Gründen werden elektrische Betriebsmittel in einem Gehäuse untergebracht?
2.
Welche Schutzarten unterscheidet man?
3.
Welche Informationen kann man der Kennzeichnung IP 54 entnehmen?
443
6.4
Computer-Hardware
8.2.10.1 Barcodeleser
Ein Barcodeleser ist ein optisches Gerät, das mithilfe eines Laserstrahls Barcodes
(siehe Kap. 7.1.4.6) lesen
und interpretieren kann. Der
Laserstrahl wird auf das Papier gerichtet und erfasst die
Codierung. Die vertikalen
Balken des Codes reflektieren den Strahl anders als
das Papier, auf dem sie aufgebracht sind. Das reflektierte Signal wird mithilfe
lichtempfindlicher
Bauelemente aufgenommen und
die Muster aus hellen und
dunklen (oder farbigen) Stellen in digitale Signale umgesetzt, die dann unabhängig
von der Leserichtung von einem Rechner korrekt weiterverarbeitet werden können.
Bild 8.69: Barcodeleser
Neben dem Barcode wer- Bild 8.70: Beispiel für einen QR-Code
den zunehmend auch sogenannte 2-D-Codes eingesetzt. Diese lassen sich mit jedem Smartphone über die eingebaute
Kamera und eine entsprechenden App lesen und werden auch als QR-Codes (QR: Quick Response) bezeichnet. Ein solcher Code kann beispielsweise eine Internetadresse enthalten, die
dann direkt mit dem Smartphone anwählbar ist.
8.2.10.2 Scanner (Scanner)
Ein Scanner (Abtaster) ist ein optisches Eingabegerät, mit dem es möglich ist,
Texte und Abbildungen von einer gedruckten Vorlage zur Weiterverarbeitung
in einen Rechner zu übernehmen.
Beim Scannen wird die Vorlage zeilenweise von einer Lichtquelle beleuchtet. Dieses Licht
wird in Abhängigkeit der Farbgestaltung der Vorlage unterschiedlich reflektiert und von lichtempfindlichen Sensoren aufgenommen. Eingesetzt werden sogenannte CCDs (Charged
Coupled Devices) oder CMOS-Elemente (Complementary Metal Oxid Semiconductor). Als
Lichtquellen werden heute LEDs (Kap. 2.3.3) verwendet, die wesentlich energieeffizienter
arbeiten als die früher eingesetzten Kaltlichtröhren (CCFL: Cold Cathode Fluorescent
Lamp).
Um eingescannte Texte mit einem handelsüblichen Textverarbeitungsprogramm weiterverarbeiten zu können, muss eine Umwandlung der alphanumerischen Zeichen und Satzzeichen in editierbare Textzeichen erfolgen.
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8.2