Fachkunde Elektrotechnik
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EUROPA-FACHBUCHREIHE für elektrotechnische Berufe Fachkunde Elektrotechnik 30., überarbeitete und erweiterte Auflage Bearbeitet von Lehrern an Berufsschulen und berufsbildenden mittleren und höheren Schulen und von Ingenieuren (siehe Seite 2) Lektorat: Klaus Tkotz, Kronach Das Unterrichtsmittel „Fachkunde Elektrotechnik mit DVD, Ausgabe für Österreich“ ist gem. § 9 Abs. 1 und 2 der Verordnung zur Eignungserklärung von Unterrichtsmitteln, BGBl. Nr. 248/98, und § 14 und § 15 SchUG, BGBl. Nr. 52/2010, und gem. den derzeit geltenden Lehrplänen als für den Unterrichtsgebrauch an Berufsschulen für die Lehrberufe Elektroenergietechnik, Elektroinstallationstechnik, Elektrobetriebstechnik, Elektromaschinentechnik, Elektroanlagentechnik, Informationstechnologie – Informatik Prozessleittechnik, Anlagentechniker/in, Veranstaltungstechnik, Mechatronik, Kommunikationstechnik, Elektronik-Mikrotechnik, Informationstechnologie, EDVSystemtechniker/in, Installations- und Gebäudetechnik. An gewerblichen, technischen und kunstgewerblichen Fachschulen, Fachrichtung Elektrotechnik, Elektronik, Computer- und Kommunikationstechnik, Maschinen und Anlagentechnik und Datenverarbeitung für die 1.–3. Klasse, Maschinen und Fertigungstechnik für die 3. und 4. Klasse. An Höheren land- und forstwirtschaftlichen Lehranstalten, Fachrichtung Elektro- und Automatisierungstechnik, für den III.–V. Jahrgang. Alle Ausbildungsschwerpunkte an Höheren technischen Lehranstalten, Fachrichtung Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnologie für den I.–V. Jahrgang, sowie an Höheren technischen Lehranstalten, Fachrichtung Mechatronik-Automatisierung, Wirtschaftsingenieur, Informatik, Maschinenbau, für den III.–V. Jahrgang, Fachrichtung Flugzeugtechnik, Elektrotechnik, Elektronik und Avionik, für den II.–V. Jahrgang, Fachrichtung Gebäudetechnik, Energie- und Projektmanagement, Elektro-, Regelungs- und Leittechnik, für den III.–V. Jahrgang, Höhere Lehranstalt für Medieningenieure und Printmanagement in den Unterrichtsgegenständen, Medieninformatik und Datentechniklabor für den II.–V. Jahrgang, Kommunikation und Präsentationstechnik für den II. und IV. Jahrgang. Alle Ausbildungsschwerpunkte an Kollegs Fachrichtung Elektrotechnik und Elektronik, 1.–4. Semester, sowie an Höheren technischen Lehranstalten, Fachrichtung Elektrotechnik für Berufstätige und Elektronik für Berufstätige, 1.–8. Semester, Aufbaulehrgang zur HTL-Elektrotechnik, 1. und 2. Semester approbiert (Appr. ZI.: 5.012/0003-Präs.8/2010 + BMBF5.012/0010-B/8/2015). FS FACHBUCH Verlag und Vertriebs Gesellschaft m. b. H., Wien Buch-Nr.: 0841 Autoren der Fachkunde Elektrotechnik: Bumiller, Horst Freudenstadt Burgmaier, Monika Durbach Eichler, Walter Kaiserslautern Feustel, Bernd Kirchheim-Teck Käppel, Thomas Münchberg Klee, Werner Mehlingen Manderla, Jürgen Berlin Reichmann, Olaf Altlandsberg Schwarz, Jürgen Tettnang Tkotz, Klaus Kronach Winter, Ulrich Kaiserslautern Ziegler, Klaus Nordhausen Lektorat und Leitung des Arbeitskreises: Klaus Tkotz Bearbeiter der Fachkunde Elektrotechnik, Ausgabe für Österreich: Robert Möslinger, Gmunden – Leo Zehetner, Amstetten Bildentwürfe: Die Autoren Fotos: Autoren und Firmen (Firmenverzeichnis Seite 663) • • • • • Windows ist ein eingetragenes Warenzeichen der Microsoft Corporation INTEL ist ein eingetragenes Warenzeichen der INTEL Corporation Linux ist ein eingetragenes Warenzeichen von Linus Torvalds Nachdruck der Box Shots von Microsoft-Produkten mit freundlicher Erlaubnis der Microsoft Corporation Alle anderen Produkte, Warenzeichen, Schriftarten, Firmennamen und Logos sind Eigentum oder eingetragene Warenzeichen ihrer jeweiligen Eigentümer Bildbearbeitung: Zeichenbüro des Verlages Europa-Lehrmittel GmbH & Co., Ostfildern In diesem Buch finden sich Verweise/Links auf Internetseiten. Für die Inhalte auf diesen Seiten sind ausschließlich die Betreiber verantwortlich, weshalb eine Haftung ausgeschlossen wird. Für den Fall, dass Sie auf den angegebenen Internetseiten auf illegale oder anstößige Inhalte treffen, bitten wir Sie, uns unter [email protected] davon in Kenntnis zu setzen, damit wir beim Nachdruck dieses Buches den entsprechenden Link entfernen können. 30. Auflage 2017 (Die 29. Auflage wurde aus organisatorischen Gründen übersprungen.) Druck 5 4 3 2 1 Alle Drucke derselben Auflage sind parallel einsetzbar, da bis auf die Behebung von Druckfehlern untereinander unverändert. Alle Rechte vorbehalten. Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der gesetzlich geregelten Fälle muss vom Verlag schriftlich genehmigt werden. © 2017 by Verlag Europa-Lehrmittel, Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG, 42781 Haan-Gruiten http://www.europa-lehrmittel.de Umschlag: braunwerbeagentur, 42477 Radevormwald Umschlagfotos: Steckdose: © emmi – Fotolia.com; Weltkugel: © erdquadrat – Fotolia.com; Figur: Klaus Tkotz; Kleinsteuergerät LOGO!: Siemens AG Umschlagidee: Klaus Tkotz Satz: Satz+Layout Werkstatt Kluth GmbH, 50374 Erftstadt Druck: Konrad Triltsch Print und digitale Medien GmbH, 97199 Ochsenfurt-Hohestadt Kapitelnummer und Symbole Vorwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Inhaltsverzeichnis (ausführlich). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 –10 Komplexe Zahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11–13 Normen und Gesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Sachwortverzeichnis Deutsch – Englisch ab Seite 664 ● Elektrotechnik Inhaltsverzeichnis (Kurzform) 1 Arbeitssicherheit und Gesundheitsschutz . . . . . . . . . 2 Grundbegriffe der Elektrotechnik . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Grundschaltungen der Elektrotechnik . . . . . . . . . . . . 4 Elektrisches Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Magnetisches Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Schaltungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Wechselstromtechnik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Messtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Elektronik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Elektrische Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Schutzmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Gebäudetechnische Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Elektrische Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Informationstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Automatisierungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Werkstoffe, Fertigung, Umwelt, Energieeinsparung ● Beruf und Betrieb 2 15 21 49 71 82 101 126 167 192 274 339 377 456 518 542 593 614 3 4 5 6 7 8 9 ● Infoseiten • Schaltzeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • Elektrotechnische u. allg. Symbole, Prüfzeichen . . . . . . . • Widerstände und Kondensatoren (Kennzeichnung) . . . . • Überstrom-Schutzeinrichtungen (Auslösekennlinien) . . • Leitungen u. Kabel (Verlegearten, Mindestquerschnitte) • Leitungen (Strombelastbarkeit, Umrechnungsfaktoren) • Drehstrommotoren (Betriebsdaten) . . . . . . . . . . . . . . . . . • Dioden, Transistoren, Thyristor, Triac (Kennlinien) . . • Wichtige Abkürzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • Fachbegriffe Englisch – Deutsch . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 642 648 650 651 652 653 654 655 658 660 ● Praxistipps (Auswahl) • Effektivwertmessung nicht sinusförmiger Größen . . . . . 178 • Messen mit dem Oszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 • Installation, Inbetriebnahme eines Frequenzumrichters 270 • Auslegung, Dimensionierung einer Fotovoltaikanlage. . 282 • Farbkennzeichnung von Leitern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 • Verlegen von Leitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 • Beispiel einer Leitungsberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 • Prüfung elektrischer Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372 • Multimediaverkabelung, vernetztes Haus . . . . . . . . 425, 440 • Anschluss eines Elektromotors, Auswahl. . . . . . . . . 488, 490 • Auswahl eines PC-Mainboard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526 • Herstellen einer WLAN-Verbindung . . . . . . . . . . . . . . . . . 539 • Existenzgründung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 639 10 11 12 13 14 15 16 17 Wegweiser zur Fachkunde Elektrotechnik ● Allgemeines Vorwort 30. Auflage 4 Liebe Leserin, lieber Leser, i Was gibt’s Neues? Neue Seiten, z. B.: – Haushaltsgeräte (Seite 404). – Bestimmung von Leiterquerschnitten bei Oberschwingungen (Seite 324) – Stromversorgungen für Elektrofahrzeuge (Seite 334) – Smart Grid in Gebäuden (Seite 285) Animationen zu ausgewählten Themen, z. B. Spannungsteiler (Seite 55), die käuflich auf einer CD erworben werden können. Die Kennzeichnung erfolgt auf der entsprechenden Seite mit einem ID-Code und dem ID S1 „SimElektro“-Symbol: die Fachkunde Elektrotechnik dient der Aus- und Weiterbildung im Berufsfeld Elektrotechnik. Sie wendet sich an alle, die in diesem Berufsfeld tätig sind. Aufbau des Buches Das Buch ist fachsystematisch aufgebaut und fördert Ihr eigenständiges Lernen. Sie finden Erklärungen und einheitliche Darstellungen wichtiger Gesetze und Formeln der Elektrotechnik. Wiederholungsseiten festigen und vertiefen Ihr erworbenes Wissen. Zum Bearbeiten der Wiederholungsaufgaben hilft Ihnen ein zusätzliches Lösungsbuch. Ergebnisse der Rechenaufgaben finden Sie auf Seite 641. Praxistippseiten unterstützen Ihre berufliche Tätigkeit. Ein Infoteil am Buchende unterstützt Ihre kompetenzorientierte und praxisnahe Ausbildung. Auf der beiliegenden DVD finden Sie alle Bilder, Tabellen und Infoseiten aus dem Buch zur Weiterverwendung sowie nützliche Programme und Bedienungsanleitungen. WWW i www.europa-lehrmittel.de/simelektro Ergänzende Fachliteratur Arbeitsblätter Fachkunde Elektrotechnik Fachkunde Elektrotechnik Aufgaben und Lösungen Arbeitsbuch Elektrotechnik Lernfeld 1–4 und 5–13 Rechenbuch Elektrotechnik Formeln für Elektrotechniker Praxis Elektrotechnik Tabellenbuch Elektrotechnik Technische Kommunikation Elektrotechnik Hilfen zur Fachkunde Elektrotechnik Für die Vertiefung und Vervollständigung Ihres Fachwissens gibt es weitere Hilfen durch ergänzende Fachliteratur. Die Fachkunde Elektrotechnik auf einen Blick Energie- und Gebäudetechnik Praxistipps, z.B. zu Neu bzw. überarbeitet z.B. Praxistipps Elektrofachkräfte Arbeitsschutz Wechselstromtechnik Wechselrichter Umrichter, USV Beleuchtungstechnik Elektroniker/-in für: Schutzmaßnahmen Informationstechnik Gebäudetechnik Messtechnik Schaltungstechnik Motoren (Handwerk) Systemelektroniker/-in Ausbildungsrichtungen A V Q Elektroniker/-in für: (Industrie) Industrieelektriker/-in Elektrogeräte Computertechnik Betriebstechnik Geräte und Systeme Berufsschulen Buch-DVD Animations-DVD Auszubildende, Schüler/-in, Studierende Fachqualifikationen vermitteln Lernprozesse aktivieren Zielgruppen Hilfe bei der Projektbearbeitung geben Gruppenarbeit unterstützen Gebäude- und Infrastruktursysteme Betriebstechnik Automatisierungstechnik Geräte und Systeme Maschinen- und Antriebstechnik Elektroanlagenmonteur/-in Mechatroniker/-in Schaltzeichen Fort- und Weiterbildung fördern Automatisierungstechnik Maschinen- und Antriebstechnik Das Buch soll Fachoberschulen Berufsoberschulen Meisterschulen Technische Gymnasien Fachschulen Praktiker/-in im Beruf Betriebe Teamarbeit fördern Was können wir für Sie noch besser machen? Schreiben Sie uns unter: [email protected] oder [email protected] Das Autorenteam und der Verlag Europa-Lehrmittel wünschen Ihnen mit diesem Buch interessante Anregungen und eine wertvolle Hilfe für Ihre Ausbildung und berufliche Tätigkeit. Frühjahr 2017 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.4.5 2.5 2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.5.4 2.5.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.11.1 2.11.2 2.12 2.13 2.14 3 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.2 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.2.1 3.3.2.2 3.3.3 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.5 3.5.1 3.5.2 3.5.3 Arbeitssicherheit und Gesundheitsschutz . 15 Sicherheit und Gesundheitsschutz am Arbeitsplatz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Produktsicherheitsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gefahrstoffverordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheitszeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erste Hilfe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Praxistipp: Gefährdungsbeurteilung . . . . . . . . . . Wiederholungsseite zu Kapitel 1 . . . . . . . . . . . . . 15 15 16 17 18 19 20 Grundbegriffe der Elektrotechnik . . . . . . . . 21 Umgang mit physikalischen Größen. . . . . . . . . . Masse und Kraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mechanische Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mechanische Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arten von Stromkreisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrischer Gleichstromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . Schaltzeichen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische Ladung (Elektrizitätsmenge) . . . . . . Aufbau der Atome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische Spannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spannungserzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spannung am Verbraucher . . . . . . . . . . . . . . . . . . Potenzial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arten der Spannungserzeugung . . . . . . . . . . . . . Messen elektrischer Spannung . . . . . . . . . . . . . . Elektrischer Strom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrischer Strom in Metallen . . . . . . . . . . . . . . . Messen elektrischer Stromstärke. . . . . . . . . . . . . Wirkungen des elektrischen Stromes . . . . . . . . . Stromarten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stromdichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrischer Widerstand und Leitwert. . . . . . . . . Ohmsches Gesetz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leiterwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Temperaturabhängigkeit des Widerstandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauarten von Widerständen . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische Energie und Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . Gewinnung elektrischer Energie . . . . . . . . . . . . . Elektrische Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrowärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wiederholungsseite zu Kapitel 2 . . . . . . . . . . . . . 21 21 22 22 22 23 24 25 26 27 28 28 28 28 29 30 31 32 32 33 34 35 36 37 38 39 40 42 42 43 44 46 47 48 Grundschaltungen der Elektrotechnik . . . 49 Reihenschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gesetze der Reihenschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . Vorwiderstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spannungsfall an Leitungen . . . . . . . . . . . . . . . . Parallelschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gemischte Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spannungsteiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Brückenschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abgeglichene Brückenschaltung . . . . . . . . . . . . . Nicht abgeglichene Brückenschaltung. . . . . . . . . Widerstandsbestimmung durch Stromund Spannungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spannungsquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Belastungsfälle einer Spannungsquelle . . . . . . . Ersatzschaltbild einer Spannungsquelle . . . . . . Anpassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schaltungen von Spannungsquellen . . . . . . . . . Galvanische Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Primärelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sekundärelemente (Akkumulatoren). . . . . . . . . . Wiederholungsseite zu Kapitel 3 . . . . . . . . . . . . . 49 49 51 52 53 55 55 57 57 58 59 60 60 61 61 63 64 64 65 67 70 4 4.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.4 4.4.1 4.4.2 4.5 4.5.1 4.5.2 5 5.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.4 5.5 5.5.1 5.5.2 5.5.3 5.6 5.6.1 5.6.2 5.6.3 5.6.4 5.6.5 6 6.1 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 6.2.5 6.2.6 6.2.7 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.3.1 6.4 6.5 Elektrisches Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Eigenschaften des elektrischen Feldes . . . . . . . . Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische Feldstärke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische Influenz und Polarisation . . . . . . . . . . Elektrische Felder in der Praxis . . . . . . . . . . . . . . Kondensator im Gleichstromkreis . . . . . . . . . . . Verhalten eines Kondensators . . . . . . . . . . . . . . . Kapazität eines Kondensators . . . . . . . . . . . . . . . Berechnung der Kapazität von Kondensatoren Laden und Entladen von Kondensatoren . . . . . Energie des geladenen Kondensators. . . . . . . . . Schaltungen von Kondensatoren . . . . . . . . . . . . Parallelschaltung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reihenschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kenngrößen und Bauarten von Kondensatoren Kenngrößen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauarten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wiederholungsseite zu Kapitel 4 . . . . . . . . . . . . . 71 72 72 72 73 74 74 74 75 76 77 78 78 78 79 79 79 81 Magnetisches Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Eigenschaften der Magnete und Darstellungshilfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Elektromagnetismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Stromdurchflossener Leiter und Magnetfeld . . 84 Stromdurchflossene Spule und Magnetfeld . . . 85 Magnetische Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Magnetischer Fluss Φ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Elektrische Durchflutung Θ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Magnetische Feldstärke H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Magnetische Flussdichte B . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Eisen im Magnetfeld einer Spule. . . . . . . . . . . . . 88 Strom und Magnetfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld . . . . 91 Stromdurchflossene Spule im Magnetfeld . . . . 93 Stromdurchflossene parallele Leiter . . . . . . . . . . 93 Spannungserzeugung durch Induktion . . . . . . . 94 Generatorprinzip (Induktion der Bewegung) . . . 94 Lenzsche Regel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Transformatorprinzip (Induktion der Ruhe) . . . . . 96 Selbstinduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Wirbelströme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Wiederholungsseite zu Kapitel 5 . . . . . . . . . . . . . 100 Schaltungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Schaltungsunterlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Praxistipp: Installation einer Wechselschaltung mit Steckdose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Installationsschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Lampenschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Schaltungen mit Meldeleuchten. . . . . . . . . . . . . 106 Stromstoßschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Infrarot-Bewegungsmelder . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Treppenlicht-Zeitschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Hausrufanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Haussprechanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Elektromagnetische Schalter . . . . . . . . . . . . . . . 111 Relais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 Schütze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 Schützschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Tippbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Selbsthalteschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Folgeschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 Anwendungen von Schützschaltungen. . . . . . . . 116 Wendeschützschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 Stern-Dreieck-Schützschaltung . . . . . . . . . . . . . 117 Automatische Stern-Dreieck-Schützschaltung . 119 Dahlanderschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 Klemmenplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Elektrische Ausrüstung von Maschinen . . . . . . 122 Praxistipp: Anforderungen an Steuerstromkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 Wiederholungsseite zu Kapitel 6 . . . . . . . . . . . . 125 Inhaltsverzeichnis 5 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 6 7 7.1 7.1.1 7.1.2 7.1.3 7.2 7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4 7.2.5 7.2.6 7.2.7 7.2.8 7.2.9 7.3 7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.3.4 7.3.5 7.3.6 7.3.7 7.4 7.4.1 7.4.2 7.4.3 7.4.4 7.4.5 7.4.6 7.5 7.5.1 7.5.2 7.5.3 7.5.4 7.6 7.6.1 7.6.2 7.7 7.7.1 7.7.2 7.7.3 7.8 7.8.1 7.8.2 7.8.3 7.8.4 7.9 7.9.1 7.9.2 7.9.3 7.9.4 7.9.5 7.9.6 7.9.7 7.10 7.10.1 7.10.2 7.10.3 7.10.4 Inhaltsverzeichnis Wechselstromtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . 126 Kenngrößen der Wechselstromtechnik . . . . . . 126 Periode und Scheitelwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 Frequenz und Periodendauer . . . . . . . . . . . . . . . 126 Frequenz und Wellenlänge . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Sinusförmige Wechselgrößen . . . . . . . . . . . . . . 128 Zeigerdarstellung von Sinusgrößen . . . . . . . . . 128 Kreisfrequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 Erzeugung von Sinusspannungen . . . . . . . . . . 129 Scheitelwert und Effektivwert bei sinusförmigen Wechselgrößen. . . . . . . . . . . . . . 130 Zeitlicher Verlauf von Wechselgrößen . . . . . . . . 131 Nichtsinusförmige Spannungen und Ströme . . 132 Phasenverschiebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 Wirkwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 Scheinwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 Spule im Wechselstromkreis . . . . . . . . . . . . . . . 134 Induktiver Blindwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . 134 Reihenschaltung aus Wirkwiderstand und induktivem Blindwiderstand. . . . . . . . . . . . . . . . 135 Spannungsdreieck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Widerstandsdreieck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 Verlustwinkel, Verlustfaktor und Gütefaktor einer Spule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 Parallelschaltung aus Wirkwiderstand und induktivem Blindwiderstand. . . . . . . . . . . . . . . . 138 Stromdreieck und Leitwertdreieck . . . . . . . . . . . 138 Leistungen im Wechselstromkreis . . . . . . . . . . 139 Wirkleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 Scheinleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 Blindleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 Leistungsdreieck bei induktiver Last . . . . . . . . . 140 Leistungsfaktor, Wirkfaktor und Blindfaktor . . . 141 Verlustleistung bei realen Spulen . . . . . . . . . . . 141 Kondensator im Wechselstromkreis . . . . . . . . . 142 Kapazitiver Blindwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . 142 Reihenschaltung aus Wirkwiderstand und kapazitivem Blindwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . 143 Parallelschaltung aus Wirkwiderstand und kapazitivem Blindwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . 144 Verlustwinkel und Gütefaktor eines Kondensators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 Schaltung aus Spule, Kondensator und Wirkwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 Reihenschaltung aus Wirkwiderstand, induktivem und kapazitivem Blindwiderstand 146 Parallelschaltung aus Wirkwiderstand, induktivem und kapazitivem Blindwiderstand 147 Schwingkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 Resonanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 Reihenschwingkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 Parallelschwingkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 Siebschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 RL-Tiefpass. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 RL-Hochpass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 RC-Tiefpass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 RC-Hochpass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 Dreiphasenwechselstrom (Drehstrom) . . . . . . 154 Entstehung der Dreiphasenwechselspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 Verkettung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 Sternschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 Dreieckschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 Leiterfehler in Drehstromsystemen . . . . . . . . . . 159 Leistung in Drehstromsystemen . . . . . . . . . . . . 160 Leistungsmessung in Drehstromsystemen . . . 161 Kompensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 Kompensationsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 Bemessung von Kompensationskondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 Tonfrequenzsperrkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 Kompensation bei nichtsinusförmigen Strömen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 Wiederholungsseite zu Kapitel 7 . . . . . . . . . . . . 166 8 8.1 8.1.1 8.1.2 8.1.3 8.1.3.1 8.1.3.2 8.1.4 8.1.5 8.1.5.1 8.1.5.2 8.2 8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.2.4 8.2.5 8.3 8.3.1 8.3.1.1 8.3.1.2 8.3.1.3 8.3.2 8.4 8.4.1 8.4.2 8.4.2.1 8.4.2.2 8.4.2.3 8.4.3 8.4.3.1 8.4.3.2 8.4.3.3 8.4.3.4 9 9.1 9.2 9.2.1 9.2.2 9.2.3 9.2.4 9.3 9.4 9.4.1 9.4.2 9.4.3 9.4.4 9.4.5 9.5 9.5.1 9.5.1.1 9.5.1.2 9.5.1.3 9.5.1.4 9.5.1.5 9.5.1.6 9.5.2 9.6 9.6.1 Messtechnik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Elektrische Messgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundbegriffe der Messtechnik . . . . . . . . . . . . . Anzeigearten von Messgeräten . . . . . . . . . . . . . Analoge Messgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messfehler von analogen Messgeräten . . . . . . Elektrische Messwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Digitale Messgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrizitätszähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Induktionszähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektronische Elektrizitätszähler . . . . . . . . . . . . . Praktisches Messen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messen von Leistungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messen von Widerständen . . . . . . . . . . . . . . . . . Messen mit Strommesszangen . . . . . . . . . . . . . Messkategorien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Durchführung einer praktischen Messung . . . . Praxistipp: Effektivwertmessung nicht sinusförmiger Größen . . . . . . . . . . . . . . . . Oszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Analoges Oszilloskop. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau eines Analog-Oszilloskops . . . . . . . . . . Zweikanal-Oszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messen mit dem Oszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . Digitalspeicher-Oszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . Praxistipp: Messen mit dem Oszilloskop . . . . . Messen nichtelektrischer Größen mit Sensoren Aktive und passive Sensoren . . . . . . . . . . . . . . Anwendungen von Sensoren. . . . . . . . . . . . . . . Sensoren zur Weg- und Winkelmessung . . . . . Sensoren zur Messung von Dehnung, Kraft, Druck und Drehmoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sensoren zur Messung von Temperaturen . . . . Näherungsschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Optische Näherungsschalter. . . . . . . . . . . . . . . . Induktive Näherungsschalter . . . . . . . . . . . . . . . Kapazitive Näherungsschalter . . . . . . . . . . . . . . Ausführung von Näherungsschaltern . . . . . . . . Wiederholungsseite zu Kapitel 8 . . . . . . . . . . . . 167 167 168 168 169 170 171 173 173 174 175 175 175 176 176 177 178 179 179 179 181 181 182 183 184 184 185 185 187 188 189 189 189 190 190 191 Elektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 Halbleiterwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Halbleiterwiderstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spannungsabhängige Widerstände (Varistoren) Heißleiter (NTC-Widerstände) . . . . . . . . . . . . . . Kaltleiter (PTC-Widerstände). . . . . . . . . . . . . . . . Feldplatten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hallgeneratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Halbleiterdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirkungsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leistungsdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Z-Dioden (Begrenzerdioden). . . . . . . . . . . . . . . . Halbleiterkennzeichnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kühlung von Halbleiterbauelementen . . . . . . . Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bipolare Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transistoren in der Praxis . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einstellung des Arbeitspunktes . . . . . . . . . . . . . Stabilisierung des Arbeitspunktes . . . . . . . . . . . Transistor als Schalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kippschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bistabile Kippschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Timer-IC NE 555 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Monostabile Kippschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . Astabile Kippschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schwellwertschalter (Schmitt-Trigger) . . . . . . . Verstärkerschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundbegriffe der Verstärkertechnik . . . . . . . . . Grundschaltungen des bipolaren Transistors . Einstufiger bipolarer Transistorverstärker in Emitterschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Feldeffekttransistoren (FET). . . . . . . . . . . . . . . . . Verstärkergrundschaltungen mit Feldeffekttransistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Optoelektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Optoelektronische Sender . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 194 194 195 196 198 198 199 199 199 200 201 202 203 203 205 206 207 208 210 210 210 211 211 211 212 212 212 213 214 216 217 217 9.6.2 9.6.3 9.6.4 9.7 9.7.1 9.7.2 9.7.3 9.8 9.8.1 9.8.2 9.8.2.1 9.8.2.2 9.8.2.3 9.8.3 9.8.3.1 9.8.3.2 9.8.3.3 9.8.3.4 9.8.4 9.8.4.1 9.8.4.2 9.8.5 9.8.6 9.8.7 9.8.7.1 9.8.7.2 9.8.7.3 9.8.8 9.8.9 9.9 9.9.1 9.9.1.1 9.9.1.2 9.9.1.3 9.9.1.4 9.9.1.5 9.9.2 9.9.3 9.9.3.1 9.9.3.2 Leuchtdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Laserdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Optoelektronische Empfänger (Detektoren) . . . Fotodioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fotowiderstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fotoelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Solarzellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fototransistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schaltungsbeispiele optoelektronischer Empfänger mit Fototransistoren . . . . . . . . . . . . Flüssigkristallanzeigen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Optokoppler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Operationsverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Analoge Schaltungen mit Operationsverstärkern Digitale Schaltungen mit Operationsverstärkern Digitaltechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Signalarten der Digital- und Steuerungstechnik Grundverknüpfungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . UND-Verknüpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ODER-Verknüpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . NICHT-Verknüpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundverknüpfungen mit Ausgangs- oder Eingangsnegation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verknüpfungen mit Ausgangsnegation . . . . . . Verknüpfungen mit Eingangsnegation . . . . . . . Eingangsbeschaltung log. Verknüpfungen . . . Anwendung der Grundverknüpfungen . . . . . . Schaltkreisfamilien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . TTL-Schaltkreisfamilie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CMOS-Schaltkreisfamilie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schaltalgebra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Antivalenz- und Äquivalenz-Verknüpfung . . . . Kippglieder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zustandsgesteuerte und taktgesteuerte Kippglieder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zweiflankengesteuertes JK-Kippglied . . . . . . . Schaltungen mit Kippgliedern . . . . . . . . . . . . . . Duales Zahlensystem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zählerschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Analog-Digital-Umsetzer (AD-Umsetzer) . . . . . Digital-Analog-Umsetzer (DA-Umsetzer) . . . . . Leistungselektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauelemente der Leistungselektronik . . . . . . . . Thyristor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . GTO-Thyristor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Triac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IGBT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Begriffe der Leistungselektronik. . . . . . . . . . . . . Gleichrichterschaltungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ungesteuerte Gleichrichterschaltungen . . . . . . Gleichrichterschaltungen für Wechselstrom . . Einpuls-Einwegschaltung E1U . . . . . . . . . . . . . . Zweipuls-Brückenschaltung B2U . . . . . . . . . . . . Ungesteuerte Gleichrichterschaltungen für Drehstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dreipuls-Mittelpunktschaltung M3U . . . . . . . . . Sechspuls-Brückenschaltung B6U . . . . . . . . . . . Welligkeit bei Gleichrichterschaltungen . . . . . . Transformatorbauleistung bei Gleichrichterschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Glätten pulsierender Gleichspannungen . . . . . Gesteuerte Gleichrichterschaltungen. . . . . . . . . Vollgesteuerte Einpuls-Einwegschaltung E1C . Einfluss verschiedener Lastarten auf gesteuerte Gleichrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vollgesteuerte ZweipulsBrückenschaltung B2C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 218 219 219 219 219 219 220 220 221 221 222 222 224 226 228 228 228 228 229 229 9.9.4 9.9.5 9.9.5.1 9.9.5.2 9.9.6 9.9.6.1 9.9.6.2 9.9.6.3 9.9.7 9.9.8 9.9.9 9.9.9.1 9.9.9.2 9.9.9.3 9.9.9.4 9.9.9.5 230 230 230 231 231 232 232 232 233 234 235 235 236 237 237 237 238 240 241 241 241 244 244 245 246 247 248 248 248 248 249 250 250 250 251 251 252 253 253 253 254 9.9.9.6 9.9.9.7 9.9.9.8 9.9.10 9.9.10.1 9.9.10.2 9.9.10.3 10 10.1 10.1.1 10.1.1.1 10.1.1.2 10.1.1.3 10.1.1.4 10.1.1.5 10.1.2 10.1.2.1 10.1.2.2 10.1.3 10.1.3.1 10.1.3.2 10.1.3.3 10.1.4 10.1.4.1 10.1.4.2 10.1.5 10.1.5.1 10.1.5.2 10.1.5.3 10.1.5.4 10.1.5.5 Ansteuerung von Thyristoren (Ventilen) . . . . . . Steuerkennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vollgesteuerte Drehstromgleichrichter . . . . . . . Wechselrichterbetrieb von netzgeführten Stromrichtern. . . . . . . . . . . . . . . . Wechselstrom-Umrichter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wechselwegschaltung W1C . . . . . . . . . . . . . . . . Phasenanschnittsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . Phasenabschnittsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . Nachteile der Phasenanschnittsteuerung . . . . . Vielperiodensteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gleichstrom-Umrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gleichstromsteller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Durchfluss- und Sperrwandler . . . . . . . . . . . . . . Ansteuerungsarten für Gleichstromsteller . . . . Selbstgeführte Wechselrichter . . . . . . . . . . . . . . Unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme (USV) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stromrichter-Antriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betriebsarten elektrischer Antriebe . . . . . . . . . . Gleichstrommotor am Thyristor-Stromrichter Gleichstrommotor an Sechspuls-Brückenschaltung B6C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gleichstrommotor im Vierquadranten-Betrieb (4-Q-Betrieb) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Drehzahlsteuerung mit TransistorGleichstromsteller. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Frequenzumrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Drehstrom-Asynchronmotor am Frequenzumrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auswahl eines Drehstromantriebes mit Frequenzumrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Praxistipp: Frequenzumrichter, Installation und Inbetriebnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Netzgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geregelte Netzgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spannungsregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schaltnetzgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wiederholungsseite zu Kapitel 9 . . . . . . . . . . . . 254 254 255 256 257 257 257 257 258 258 259 259 260 260 261 262 263 263 264 265 265 266 267 268 269 270 271 271 272 272 273 Elektrische Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 Energieerzeugung und Energieübertragung . . Kraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wärmekraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umweltschutz in Wärmekraftwerken . . . . . . . . Blockheizkraftwerke (BHKW). . . . . . . . . . . . . . . . Wasserkraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erneuerbare Energien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fotovoltaikanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betriebsarten von Fotovoltaikanlagen . . . . . . . Praxistipp: Auslegung und Dimensionierung einer Fotovoltaikanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Windenergieanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Deponie- und Biogasanlagen . . . . . . . . . . . . . . . Energiemanagement in intelligenten Netzen (Smart Grid) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Smart Grid in Gebäuden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energiespeichersysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umspannwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spannungsebenen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umspannanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hochspannungsschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Übertragungs- und Verteilnetze . . . . . . . . . . . . . Höchst-, Hoch-, Mittel- und Niederspannungsnetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Netzformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Niederspannungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . Netzaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hausanschluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erdungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schutzpotenzialausgleich über die Haupterdungsschiene. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hauptstromversorgungssysteme . . . . . . . . . . . Praxistipp: Zählerschrank mit Stromkreis- und Multimediaverteiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Praxistipp: Ausstattung elektrischer Anlagen in Wohngebäuden . . . . . . . . . . . . . . . . 274 274 275 276 277 278 279 279 279 282 283 283 284 285 285 286 286 286 287 289 289 290 291 291 292 294 295 296 298 301 Inhaltsverzeichnis 7 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 8 10.1.6 10.2 10.2.1 10.2.2 10.2.3 10.2.4 10.3 10.4 10.4.1 10.4.2 10.4.3 10.4.4 10.4.5 10.4.6 10.5 10.5.1 10.5.2 10.6 10.6.1 10.6.2 10.6.3 10.6.4 10.6.5 10.6.6 10.6.7 10.6.8 10.6.8.1 10.6.8.2 10.6.8.3 10.6.9 10.7 10.7.1 10.7.2 11 11.1 11.1.1 11.1.2 11.1.3 11.2 11.2.1 11.2.2 11.2.3 11.2.4 11.2.5 11.2.6 11.3 11.4 11.5 11.5.1 11.5.2 11.5.3 11.5.4 11.5.5 11.6 11.7 11.8 Inhaltsverzeichnis Elektromagnetische Verträglichkeit und TN-System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Isolierte Leitungen, Kabel und Freileitungen . . Isolierte Leitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Praxistipp: Farbkennzeichnung von Leitern . . . Kabel für Mittelspannungs- und Niederspannungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . Freileitungen für Hoch- und Mittelspannungsanlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Datenleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Praxistipp: Verlegen von Leitungen . . . . . . . . . . Schutz elektrischer Leitungen und Verbraucher Schutzschalter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermischer Auslöser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektromagnetischer Auslöser . . . . . . . . . . . . . . Leitungsschutzschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Selektiver Hauptleitungsschutzschalter . . . . . . Leistungsschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Motorschutzeinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . Bemessung von fest verlegten Kabeln und Leitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spannungsfall an Leitungen. . . . . . . . . . . . . . . . Anordnung von Überstrom-Schutzeinrichtungen Praxistipp: Beispiel einer Leitungsberechnung Praxistipp: Leiterquerschnittsermittlung bei Oberschwingungsströmen . . . . . . . . . . . . . . . . . Räume und Anlagen besonderer Art . . . . . . . . . Elektroinstallation in Räumen mit Badewanne oder Dusche. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sauna-Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Baustellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Landwirtschaftliche und gartenbauliche Betriebsstätten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Feuergefährdete Betriebsstätten . . . . . . . . . . . . Explosionsgefährdete Bereiche . . . . . . . . . . . . . Medizinisch genutzte Bereiche . . . . . . . . . . . . . Stromversorgungen für Elektro-Fahrzeugen . . Ladestationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ladebetriebsarten und Ladesteckeinrichtungen Installationsvorschriften. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Übersicht der Raumarten und Betriebsstätten Brandbekämpfung in elektrischen Anlagen . . . Verhalten beim Brand in elektrischen Anlagen Löschmittel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wiederholungsseite zu Kapitel 10 . . . . . . . . . . . 302 305 305 308 309 309 310 311 312 315 315 315 316 316 317 317 11.12 11.12.1 11.12.2 11.12.3 11.12.4 320 321 322 323 11.12.5 324 326 11.12.6.1 326 328 328 329 330 332 333 334 334 335 335 336 337 337 337 338 Schutzmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 Gefahren im Umgang mit dem elektrischen Strom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirkungen des elektrischen Stroms im menschlichen Körper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Direktes und indirektes Berühren. . . . . . . . . . . . Fachbegriffe Schutzmaßnahmen . . . . . . . . . . . . Sicherheitsbestimmungen für Niederspannungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . Schutzklassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IP-Schutzarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Maßnahmen bei Arbeiten an elektrischen Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Qualifikationen für Arbeiten in der Elektrotechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fehlerarten in elektrischen Anlagen. . . . . . . . . . Spannungen im Fehlerfall . . . . . . . . . . . . . . . . . Netzsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schutz gegen elektrischen Schlag . . . . . . . . . . Automatische Abschaltung der Stromversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anforderungen an den Basisschutz (Schutz gegen direktes Berühren) . . . . . . . . . . . Anforderungen an den Fehlerschutz (Schutz bei indirektem Berühren) . . . . . . . . . . . Schutz im TN-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schutz im TT-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schutz im IT-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Doppelte oder verstärkte Isolierung . . . . . . . . . Schutztrennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schutz durch Kleinspannung mittels SELV oder PELV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.9 11.9.1 11.9.2 11.9.3 11.9.4 11.9.5 11.10 11.11 339 339 341 341 342 342 343 11.12.6 11.12.6.2 11.12.6.3 11.12.6.4 11.12.6.5 11.12.7 11.12.8 11.13 12 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 12.1.9 12.1.10 12.1.11 344 345 346 346 347 348 349 349 350 351 352 353 354 354 355 12.1.12 12.1.13 12.1.14 12.2 12.2.1 12.2.2 12.2.3 12.2.4 12.2.5 12.2.5.1 12.2.5.2 12.2.5.3 12.2.6 12.2.7 Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen . . . . . . . . . . Aufbau und Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anwendungen von RCDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kennwerte von RCDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auswahl und Einsatz von RCDs . . . . . . . . . . . . . RCD als Brandschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Differenzstrom-Überwachungseinrichtung . . . Schutzvorkehrungen für Anlagen, die nur durch Elektrofachkräfte betrieben und überwacht werden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prüfen der Schutzmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . Erstprüfungen von ortsfesten elektrischen Anlagen und Betriebsmitteln nach ÖVE/ÖNORM E 8001-6-61 . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prüfen der Schutzleiter und Schutzpotenzialausgleichsleiter . . . . . . . . . . . . . Messen der Isolationswiderstände in elektrischen Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prüfen der Schutzmaßnahmen SELV, PELV und Schutztrennung . . . . . . . . . . . . . . . . . Messen des Isolationswiderstandes von Fußböden und Wänden . . . . . . . . . . . . . . . . Prüfen der Schutzmaßnahme: Automatische Abschaltung der Stromversorgung im TN-, TT- und IT-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prüfen im TN-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messen der Schleifenimpedanz . . . . . . . . . . . . . Prüfen im TT-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messen des Erdungswiderstandes . . . . . . . . . . Prüfen im IT-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prüfen der Fehlerstrom-Schutzeinrichtung (RCD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prüfen der Drehfeldrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . Wiederkehrende Prüfungen von elektrischen Anlagen und ortsfesten Betriebsmitteln nach ÖVE/ÖNORM E 8001-6-62 . . . . . . . . . . . . . . . . . . E-Check als Gütesiegel für die Elektroanlage . Praxistipp: Prüfung elektrischer Anlagen . . . . . Praxistipp: Beispiel Fehlerstrom-Schutzeinrichtung (RCD) hat ausgelöst. . . . . . . . . . . . . Schutz gegen elektrostatische Aufladung . . . . Wiederholungsseite zu Kapitel 11 . . . . . . . . . . . 356 356 357 358 358 360 360 361 362 363 365 365 366 366 367 367 367 368 368 369 369 369 370 371 372 374 375 376 Gebäudetechnische Anlagen. . . . . . . . . . 377 Beleuchtungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377 Farbspektrum und Farbwiedergabe. . . . . . . . . . 378 Lichttechnische Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379 Kriterien für eine gute Beleuchtung . . . . . . . . . . 381 Energieeffizienzanforderungen . . . . . . . . . . . . . 382 Lampenübersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383 Halogenlampen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384 Leuchtstofflampen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386 Vorschaltgeräte für Leuchtstofflampen . . . . . . . 387 Induktionslampen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388 Natriumdampf-Niederdrucklampen . . . . . . . . . 388 LED-Lampen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388 Praxistipp: Halogen-Beleuchtung wird durch LED-Beleuchtung ersetzt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389 Praxistipp: Beispiel zur Ermittlung der Lampenzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390 Lichtberechnungssoftware . . . . . . . . . . . . . . . . . 391 Lichtstärkeverteilung von Leuchten . . . . . . . . . . 391 Lichtmanagementsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . 392 Elektrogeräte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393 Allgemeines über Elektrogeräte . . . . . . . . . . . . 393 Elektrische Warmwasserbereiter . . . . . . . . . . . . 394 Elektrische Raumheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396 Elektrische Geräte zur Nahrungsvorratshaltung und -zubereitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400 Elektrische Geräte zur Wäschepflege und Geschirrreinigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404 Waschmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404 Wäschetrockner. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405 Geschirrspülmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406 Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) elektrischer Geräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407 Prüfen von Elektrogeräten nach Instandsetzung und Änderung . . . . . . . . . . . . . . 409 12.2.8 12.3 12.3.1 12.3.2 12.3.3 12.3.4 12.3.5 12.3.6 12.3.7 12.3.8 12.3.9 12.4 12.4.1 12.4.2 12.4.3 12.5 12.5.1 12.5.2 12.5.3 12.6 12.6.1 12.6.2 12.7 12.7.1 12.7.2 12.7.3 12.7.3.1 12.7.3.2 12.7.3.3 13 13.1 13.1.1 13.1.1.1 13.1.1.2 13.1.1.3 13.1.1.4 13.1.1.5 13.1.1.6 13.1.1.7 13.1.1.8 13.1.2 13.1.2.1 13.1.2.2 13.1.2.3 13.1.3 13.1.3.1 13.1.3.2 13.1.4 13.1.4.1 13.1.4.2 13.1.5 13.1.5.1 13.1.5.2 13.1.5.3 13.1.5.4 13.1.6 13.2 13.2.1 13.2.1.1 13.2.1.2 13.2.1.3 13.2.1.4 13.2.1.5 13.2.1.6 Wiederholungsprüfungen an elektrischen Geräten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Antennen- und Verteilanlagen . . . . . . . . . . . . . . Wirkungsweise der Antennen. . . . . . . . . . . . . . . Empfangsantennen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verstärkungsmaß, Dämpfungsmaß und Pegel Aufbau von Antennenanlagen . . . . . . . . . . . . . . Satelliten-Fernsehempfangsanlagen . . . . . . . . Praxistipp: Baugruppen zum digitalen Sat-Empfang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DVB-T-Fernsehempfangsanlagen . . . . . . . . . . . Breitband-Kommunikationsanlagen . . . . . . . . . Berechnung einer Empfangsantennenanlage Errichten von Empfangsantennenanlagen . . . Praxistipp: Multimediaverkabelung im Wohnbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Telekommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Datenübertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Analoges Telekommunikationssystem . . . . . . . Digitales Kommunikationssystem . . . . . . . . . . . Gebäudeautomation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gebäudeleittechnik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gebäudesystemtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Praxistipp: KNX-Projekt programmieren . . . . . Praxistipp: Umrüsten einer Jalousiesteuerung auf KNX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gebäudeautomation mit Visualisierung . . . . . Praxistipp: Das vernetzte Haus . . . . . . . . . . . . . . Gefahrenmeldeanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einbruchmeldeanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Brandmeldeanlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Praxistipp: Beispiel einer Einbruchmeldeanlage Praxistipp: Installation von Rauchmeldern . . . . . Blitzschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entstehung der Gewitterzelle . . . . . . . . . . . . . . . Wirkungen des Blitzstromes . . . . . . . . . . . . . . . Blitzschutzsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Äußerer Blitzschutz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Innerer Blitzschutz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trennungsabstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wiederholungsseite zu Kapitel 12 . . . . . . . . . . . 411 412 412 413 415 416 417 420 421 421 422 423 423 425 426 426 427 431 431 432 436 438 439 440 442 442 446 448 449 450 450 450 450 451 452 453 455 Elektrische Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . 456 Transformatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einphasentransformatoren . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau und Wirkungsweise . . . . . . . . . . . . . . . . Leerlaufspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Übersetzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betriebsverhalten im Leerlauf . . . . . . . . . . . . . . Betriebsverhalten bei Belastung . . . . . . . . . . . . Betriebsverhalten bei Kurzschluss . . . . . . . . . . . Kurzschlussstrom und Einschaltstrom . . . . . . . Wirkungsgrad von Transformatoren . . . . . . . . . Kleintransformatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arten von Kleintransformatoren . . . . . . . . . . . . Prüfspannungen bei Kleintransformatoren . . . Sondertransformatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spartransformatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Streufeldtransformatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messwandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spannungswandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stromwandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Drehstromtransformatoren . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau und Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Unsymmetrische Belastung . . . . . . . . . . . . . . . . Gebräuchliche Schaltgruppen. . . . . . . . . . . . . . . Parallelschalten von Transformatoren . . . . . . . . Rotierende elektrische Maschinen . . . . . . . . . . Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leistung und Drehmoment . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau umlaufender Maschinen . . . . . . . . . . . . Leistungsschild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Drehsinn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betriebsarten elektrischer Maschinen . . . . . . . . Kühlung elektrischer Maschinen . . . . . . . . . . . . 457 457 457 457 458 459 459 460 461 462 463 463 464 465 466 466 467 467 467 468 469 469 470 472 473 474 475 475 475 476 476 476 477 478 13.2.1.7 13.2.1.8 13.2.2 13.2.2.1 13.2.2.2 13.2.2.3 13.2.2.4 13.2.2.5 13.2.2.6 13.2.2.7 13.2.2.8 13.2.3 13.2.4 13.2.5 13.2.5.1 13.2.5.2 13.2.5.3 13.2.6 13.2.7 13.2.7.1 13.2.7.2 13.2.7.3 13.2.7.4 13.2.7.5 13.2.7.6 13.2.7.7 13.2.7.8 13.2.8 13.2.8.1 13.2.8.2 13.2.9 14 14.1 14.2 14.2.1 14.2.2 14.2.3 14.3 14.4 14.4.1 14.4.2 14.4.3 14.4.4 14.4.5 14.5 14.5.1 14.5.2 14.5.2.1 14.5.2.2 14.5.3 14.6 14.6.1 14.6.2 14.6.3 14.7 14.7.1 14.7.2 14.7.3 14.7.4 14.7.5 Bauformen und Baugrößen von drehenden elektrischen Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische Isolierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Drehstromasynchronmotoren . . . . . . . . . . . . . . Entstehung des Drehfeldes . . . . . . . . . . . . . . . . . Kurzschlussläufermotor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anlassen von Kurzschlussläufermotoren . . . . . Schleifringläufermotor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Polumschaltbare Motoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . Praxistipp: Anschließen eines Drehstrommotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Formelübersicht zum Drehstrommotor . . . . . . Praxistipp: Auswahl eines Elektromotors . . . . Bremsbetrieb von Drehstromasynchronmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Drehstrommotor an Wechselspannung (Steinmetzschaltung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wechselstrom-Asynchronmotor . . . . . . . . . . . . Drehstromlinearmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . Synchronmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sondermotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spaltpolmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reluktanzmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schrittmotor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Synchrongenerator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stromwendermaschinen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirkungsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau einer Gleichstrommaschine . . . . . . . . . Ankerquerfeld und Ankerrückwirkung. . . . . . . . Anschlussbezeichnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arten von Gleichstrommotoren . . . . . . . . . . . . . Anlassen von Gleichstrommotoren . . . . . . . . . Drehzahlsteuerung von Gleichstrommotoren Universalmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Servomotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gleichstromservomotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Drehstromservomotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wartung und Prüfung elektrischer Maschinen Wiederholungsseite zu Kapitel 13 . . . . . . . . . . . 479 479 480 480 481 484 486 487 488 489 490 492 493 494 495 496 497 497 498 498 501 503 503 504 505 506 507 509 510 511 512 513 513 516 517 Informationstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . 518 Bereiche der Informationstechnik . . . . . . . . . . . Computer, Programme und Peripherie . . . . . . . Bestandteile und Funktionsweise eines Computers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hardware, Software und Firmware . . . . . . . . . . Computersystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mikrocomputer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Personal Computer (PC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Komponenten eines PC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mikroprozessor (CPU) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Halbleiterspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Buskommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Eingabe- und Ausgabe-Einheit . . . . . . . . . . . . . Praxistipp: Auswahl eines PC-Mainboard . . . . Geräte für Eingabe, Ausgabe und Speicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geräte zur Eingabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geräte zur Ausgabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Drucker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Farbmonitore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Periphere Geräte zur Datenspeicherung . . . . . Praxistipp: Servicearbeiten am PC . . . . . . . . . . Software. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Systemprogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anwendungsprogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . Softwareentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vernetzung von Computern . . . . . . . . . . . . . . . . Dienste in Computernetzwerken . . . . . . . . . . . . Netzwerktopologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bestandteile eines lokalen Netzwerkes (LAN) in Sterntopologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Netzwerkprotokoll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Globales Netzwerk Internet . . . . . . . . . . . . . . . . Praxistipp: Verbinden von zwei PCs über ein Netzwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Praxistipp: Herstellen einer WLAN-Verbindung zu einem Netzwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518 519 519 520 520 521 522 522 523 524 525 525 526 527 527 527 527 528 529 530 531 531 532 533 534 534 534 535 536 537 538 539 Inhaltsverzeichnis 9 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 10 14.8 14.9 15 15.1 15.1.1 15.1.1.1 15.1.1.2 15.2 15.3 15.3.1 15.3.2 15.3.3 15.3.4 15.3.5 15.3.5.1 15.3.5.2 15.3.5.3 15.3.5.4 15.3.5.5 15.3.5.6 15.3.6 15.3.6.1 15.3.6.2 15.3.6.3 15.3.6.4 15.3.6.5 15.3.7 15.3.8 15.3.8.1 15.3.8.2 15.3.8.3 15.3.9 15.3.9.1 15.4 15.5 15.5.1 15.5.2 15.5.2.1 15.5.2.2 15.5.3 15.5.3.1 15.5.3.2 15.5.4 15.5.4.1 15.5.4.2 15.5.4.3 15.5.5 16 16.1 16.1.1 16.1.1.1 16.1.1.2 16.1.2 16.1.2.1 16.1.2.2 16.1.2.3 16.2 16.2.1 16.2.1.1 16.2.1.2 16.2.2 16.2.3 16.3 16.3.1 16.3.2 Inhaltsverzeichnis Datensicherheit, Datenschutz und Urheberrechte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 540 Schädliche Programme (Malware) . . . . . . . . . . 540 Wiederholungsseite zu Kapitel 14 . . . . . . . . . . . 541 Automatisierungstechnik. . . . . . . . . . . . . 542 Steuerungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Steuern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fachbegriffe der Steuerungstechnik . . . . . . . . . Steuerungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kleinsteuergeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) . . . Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Programmiersprachen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arbeitsweise einer SPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bausteinstruktur in STEP 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . Programmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundverknüpfungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Öffner und Schließer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Speicherfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zeitfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vergleicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ablaufsteuerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arten von Ablaufsteuerungen . . . . . . . . . . . . . . Betriebsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ablaufkette (Struktur). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verzweigte Ablaufketten (Ablaufauswahl) . . . . Programmierung einer Ablaufkette mit SPS . . Bibliotheksfähige Bausteine . . . . . . . . . . . . . . . . Praxistipp: S7-Projekt erstellen . . . . . . . . . . . . . . Maschinensicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheitskategorien (Performance Level) . . . Sicherheitsbezogene Teile . . . . . . . . . . . . . . . . . . Handlungen im Notfall (NOT-HALT, NOT-AUS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bussysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Feldbusse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prozessvisualisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufgaben und Begriffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelstrecken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Statisches Verhalten von Regelstrecken . . . . . . Dynamisches Verhalten von Regelstrecken . . . Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Unstetige Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stetige Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelkreis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schwingungsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reglerauswahl. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reglereinstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Universalregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Praxistipp: Entwurf einer Regelung . . . . . . . . . . Wiederholungsseite zu Kapitel 15 . . . . . . . . . . . Werkstoffe, Fertigungsverfahren, Umweltschutz und Energieeinsparung Werkstoffe der Elektrotechnik . . . . . . . . . . . . . . Leiter- und Kontaktwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . Leiterwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kontaktwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Isolierstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische Eigenschaften von Isolierstoffen. . . Anorganische und organische Isolierstoffe . . . Flüssige und gasförmige Isolierstoffe . . . . . . . . Fertigungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verbindungen (Fügen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lösbare Verbindungen in der Elektrotechnik . . Unlösbare Verbindungen in der Elektrotechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gedruckte Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . SMD-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umweltschutz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umweltschutzverordnungen im Bereich der Elektrotechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umweltschutz im Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542 542 542 543 545 547 547 548 548 550 551 551 552 554 556 557 559 560 560 560 561 562 563 564 567 569 569 569 570 571 571 575 577 577 578 578 579 582 582 584 588 588 588 589 590 591 592 593 593 594 594 595 596 596 597 598 599 599 599 599 602 604 605 605 606 16.3.3 16.4 16.4.1 16.4.2 16.4.3 17 17.1 17.1.1 17.1.2 17.1.3 17.1.4 17.1.5 17.2 17.2.1 17.2.2 17.2.3 17.3 17.3.1 17.3.2 17.4 17.4.1 17.4.2 17.4.3 17.5 17.5.1 17.5.2 17.5.3 17.5.4 17.6 17.6.1 17.6.2 17.6.3 17.6.4 Wiederverwertung und Entsorgung von Abfallstoffen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energieeinsparung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rationeller Umgang mit Energie . . . . . . . . . . . . Stand-by-Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tipps zum Energiesparen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wiederholungsseite zu Kapitel 16 . . . . . . . . . . . 607 609 609 611 612 613 Beruf und Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614 Berufliche Handlungskompetenz . . . . . . . . . . . Praxistipp: Benehmen und Stil im Beruf – Business-Etikette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Teamarbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arbeitsmethoden und Zeitplanung . . . . . . . . . . Kommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kreativitätstechniken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Informationsbeschaffung . . . . . . . . . . . . . . . . . . Präsentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufgaben einer Präsentation und Vorbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Visualisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vortragen einer Präsentation . . . . . . . . . . . . . . . Projektmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufgaben von Projekten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Projektphasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kundenauftrag und Kundenservice . . . . . . . . . Kundenerwartungen und Umgang mit dem Kunden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Phasen eines Kundenauftrags . . . . . . . . . . . . . . Kundenservice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kalkulation und Angebot . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kalkulation im Industriebetrieb . . . . . . . . . . . . . Kalkulation von Dienstleistungen . . . . . . . . . . . Kalkulation im Handwerksbetrieb . . . . . . . . . . . Rechnungsstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Qualitätsmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ziele des Qualitätsmanagements . . . . . . . . . . . Normreihe ÖNORM EN ISO 9000 ff. . . . . . . . . . TQM-Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Qualitätswerkzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Praxistipp: Existenzgründung. . . . . . . . . . . . . . . Wiederholungsseite zu Kapitel 17 . . . . . . . . . . . Wiederholungsseiten (Rechenergebnisse) . . . . 614 615 617 618 619 620 621 622 622 623 624 625 625 626 627 627 628 630 631 632 633 634 635 636 636 636 637 638 639 640 641 Infoteil Schaltzeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wichtige elektrotechnische Symbole . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wichtige Prüfzeichen, Symbole und Logos. . . . . . . . . . . . . Kennzeichnung von Widerständen und Kondensatoren. . Auslösekennlinien von ÜberstromSchutzeinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verlegearten von Kabeln und isolierten Leitungen, Mindestquerschnitte elektrischer Leiter . . . . . . . . . . . . . . . . Strombelastbarkeit, Umrechnungsfaktoren von Kabeln und isolierten Leitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betriebsdaten von Drehstrom-Kurzschlussläufermotoren Kennlinien von Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kennlinien eines NPN-Transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kennlinien Thyristor, Triac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wichtige Abkürzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fachbegriffe Englisch – Deutsch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Firmenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sachwortverzeichnis Deutsch – Englisch . . . . . . . . . . . . . . . Vordere Innenumschlagseite: Wichtige Formelzeichen, Größen und Einheiten Hintere Innenumschlagseite: Arbeitssicherheit und Unfallverhütung 642 648 649 650 651 652 653 654 655 656 657 658 660 663 664 Komplexe Rechnung Darstellungen komplexer Zahlen Zahlenbereiche: • kartesische orthogonale Koordinaten (Komponentenform) (Bild 2) durch Angabe von Realteil Re(z) = a und Imaginärteil Re(z) = b. Dabei sind a und b reelle Zahlen (sie bilden ein Zahlenpaar). 1. Natürliche Zahlen ℕ: 1, 2, 3, … 2. Ganze Zahlen ℤ: –3, –2, –1, 0, 1, 2, 3 3. Rationale Zahlen ℚ (lat. ratio = Verhältnis): –3/4, –1/2, +1/2, +3/4, … z = a + jb = Re (z) + j Im (z) 4. Irrationale Zahlen � (nicht als Verhältnis darstellbar): 122 = 1,414 … p = 3,141 … e = 2,718 … 6. Imaginäre Zahlen ℂ: Sind die Wurzeln aus negativen Zahlen. – 13 –4, – 13 –2, 13 –2, 13 –4 - 2,8 -4 -3 1,5 -2 -1 0 1 ü 2 3 4 Imaginäre Zahlen sind gerade Wurzeln aus negativen Zahlen und können auf der Zahlengerade nicht dargestellt werden. Das Quadrat einer negativen Zahl ergibt wieder eine positive reelle Zahl. Imaginäre Einheit lautet j = 13 –1 ∫ j 2 = –1 In der Mathematik wird diese imaginäre Einheit mit i bezeichnet. Um Verwechslungen mit dem Augenblickswert des Stromes i zu vermeiden, wird in der Elektrotechnik das Zeichen j verwendet. Potenzen der imaginären Einheit: j 0 = 1; j 1 = j; j 2 = −1; j 3 = −j; Komplexe Zahl z = a ± jb a…Realteil (reelle Zahl) b…Imaginärteil (reelle Zahl) j 4 = 1; j 5 = j = 13 –1 Gauß´sche Zahlenebene: Eine komplexe Zahl stellt ein Zahlenpaar (bestehend aus zwei reellen Zahl) dar. Zur Darstellung komplexer Zahlen wurde vom Mathematiker Gauß1 zur Zahlenreihe (Zahlengerade) der reellen Zahlen eine zweite Zahlengerade (imaginäre Achse) eingeführt. Diese steht im rechten Winkel zur ersten Reihe (reelle Achse). Komplexe Zahlen werden mit unterstrichenen Formelzeichen dargestellt. 3 z.B.: U, I, Z … Im (z) Die komplexen Zah2 len (Bild 1) z1 = 3 + j, z2 z1 1 z2 = –2 + j, z3 = –1–2j und z4 = –2–2j ent0 0 1 2 3 Re (z) sprechen Punkten -3 - 2 - 1 -1 in der komplexen Ebene. Die Pfeile z3 -2 z4 stellen die Zeiger vom Ursprung zu -3 diesen Punkten dar. Bild 1: Vier Quadranten der komplexen Zahlen b 1 0 0 1 3 Re (z) 2 Bild 2: Komponentendarstellung |z| = 13333333 a2 + b2 Re(z)2 + Im (z)2 = 13233 7. Komplexe Zahlen: Ist die Menge der reellen und der imaginären Zahlen -5 z = a + jb 2 trigonometrische Normalform z = |z| · (cosj + j sinj) Re (z) = a = |z| · cosj Im (z) = b = |z| · sinj a… Re (z) Realteil von z b… Im (z) Imaginärteil von z |z|… Betrag entspricht der Länge des Zeigers 5. Reelle Zahlen ℝ: Ist die Menge aller oben genannter Zahlenmengen Komplexe Zahlen erweitern den Zahlenbereich der reellen Zahlen derart, dass eine Gleichung x 2 + 1 = 0 lösbar wird. ∫ x1 = – 13 –1, x2 = + 13 –1 oder x = ± 13 –1 Reelle Zahlen können auf einer Zahlengerade dargestellt werden: Im (z) a 3 arg (z) = arctan Im (z) b = arctan Re (z) a Im (z) • Polarkoordinaten z = z e jJ 3 (Polarform) (Bild 3) 2 Darstellung nach Euler2: Ist eine weitere Möglichkeit 1 eine komplexe Größe symboJ 0 lisch auszudrücken. 0 1 2 3 Re (z) e±jj = cosf ± j sinf ∫ |e±jj| = 1 Bild 3: Darstellung in jj z = |z| · e …Exponentialform Polarform z = |z| ∠j …Versorform (Polare Form) j …Winkel von z (Argument) Komplexe Zahlen sind konjugiert komplex, wenn der Realteil gleich ist und der Imaginärteil sich im Vorzeichen unterscheidet (Bild 4). Konjugierte komplexe Größen (Bild 4) werden mit einem hochgestellten Stern (z. B. z*) gekennzeichnet. Beispiel: z = a + jb z* = a – jb z*…konjugiert komplexe Größe z* = a – jb = |z | · (cosj – j · sinj) z* = |z | · ∠j* wobei j* = – j ist Im (z) 3 z = z e jJ 2 1 0 J 0 J* 1 -1 2 3 Re (z) J* = – J -2 -3 z * = z e - jJ Bild 4: Konjugierte komplexe Größe Rechenoperationen mit komplexen Zahlen Die geschlossene Theorie der komplexen Zahlen ist Grundlage vieler technischer Analysen. Viele Taschenrechnermodelle unterstützen technische Berechnungen mithilfe komplexer Zahlen. Die Grundlagen der komplexen Zahlen bilden für jeden Techniker ein unverzichtbares technisches Rüstzeug. Addition und Subtraktion: Die Berechnung erfolgt in der Komponentenform. Die Realteile und die Imaginärteile müssen getrennt addiert bzw. subtrahiert werden. z1 = a1 + jb1 und z2 = a2 + jb2 1 2 Carl Friedrich Gauß (1777–1855), deutscher Mathematiker Leonhard Euler (1707–1783), schweizer Mathematiker und Physiker Komplexe Zahlen 11 Komplexe Zahlen Komplexe Zahlen 12 Komplexe Zahlen Addition: z1 + z2 = (a1 + a2) + j (b1 + b2) Subtraktion: z1 – z2 = z1+ (–z2) = (a1 – a2) + j (b1 – b2) Im (z) 3 Im (z) a1 + a2 3 z1 + z2 a1 z1 2 b1 + b2 b1 1 z2 a2 b2 0 0 1 2 3 Re (z) Bild 1: Grafische Darstellung Addition z1 + z2 a1 2 z2 a2 1 b2 -2 0 -1 z1 a 1- a 2 b1 0 1 2 z1 - z2 b1 - b2 Lösung: a) z1 + z2 = (a1 + a2) + j (b1 + b2) = (4,5 + 2,5) + j · (3,5 – 1) = 7 + j · 2,5 b) z1 – z2 = z1 + (–z2) = (a1 – a2) + j (b1 – b2) = (4,5 – 2,5) + j · (3,5 – (–1)) = 2 + j · 4,5 c) z2 – z1 = z2 + (–z1) = (a2 – a1) + j (b2 – b1) = (2,5 – 4,5) + j · ((–1) – 3,5) = –2 – j · 4,5 2. Komplexe Zahlen z1= 0,5 – j und z2 = 0,75 + j 0,5. 3 Re (z) Zu berechnen sind: a) das Produkt z1 · z2 z b) den Quotient 1 z2 z c) den Quotient 2 z1 – z2 -1 Bild 2: Grafische Darstellung Subtraktion z1 – z2 Multiplikation und Division Die Berechnung erfolgt in der Polarform. Die Beträge der beiden komplexen Zahlen müssen getrennt multipliziert bzw. dividiert werden. Der Winkel resultiert aus Addition bzw. Subtraktion der einzelnen Winkeln der beiden komplexen Zahlen. Im (z) z1 • z2 3 2 z1 1 0 2 J1 + J2 z2 1 2 Im (z) z1 z2 1 J2 J1 0 3 0 3 Re (z) Bild 3: Multiplikation z = z1 · z2 Multiplikation: J2 0 J1 1 z1 z2 J1 – J2 2 3 Re (z) Bild 4: Division z = Lösung: Zuerst werden die Zeiger in die Polarform umgewandelt: 2 |z1| = 133 a 12 +3 b3 0,52 + (–1)2 = 1,12 1 = 1323333 b1 –1 = arctan f1 = arctan = – 63,4° a1 0,5 z1 = 1,12 ∠ – 63,4° = 1,12 e–j63,4° 2 |z2| = 133 a 22 +3 b3 0,752 + 0,32 = 0,90 2 = 1323333 b2 0,5 f2 = arctan = arctan = 33,7° a2 0,75 z2 = 0,90 ∠33,7° = 0,90 e+j33,7° a) z1 · z2 = |z1| · |z2| ∠(f1 + f2) = 1,12 · 0,90 ∠(–63,4° + 33,7°) = 1,01 ∠ – 29,7° = 1,01 · e–j29,7° |z | 1,12 ∠(–63,4° – 33,7°) b) z1 : z2 = 1 ∠(f1 – f2) = |z2| 0,90 = 1,24 ∠ – 97,1° = 1,24 · e–j97,1° |z | 0,90 ∠(33,7° – (– 63,4°)) c) z2 : z1 = 2 ∠(f2 – f1) = |z1| 1,12 = 0,81 ∠ 97,1° = 0,81 · e+j97,1° z1 z2 z = z1 · z2 = (a1 + j b1) · (a2 + j b2) Komponentenform = a1 a2 + j b1 a2 + j a1 b2 – b1 b2 (algebraische Form) = (a1 a2 – b1 b2) + j (a1 b2 + b1 a2) Normalform (trigonom. Form) z = z1 · z2 = |z1| · (cosf1 + j sinf1) · |z2| (cosf2 + j sinf2) z = |z1| · |z2| [cosf1 cosf2 – sinf1 sinf2 + j (sinf1 cosf2 + cosf1 sinf2)] z = |z1| · | z2| [cos(f1 + f2) + j sin(f1 + f2)] Exponentialform z1 = |z1| · ejf1 z2 =|z2| · e jf2 z = z1 · z2 = |z1| · |z2| · ej(f1 + f2) Versorform (polare Form) z1 = |z1| ∠f1 z2 = |z2| ∠f2 z = z1 · z2 = (|z1| · |z2|) ∠ (f1 + f2) Division: Analyse von Wechselstromkreisen Beim Einschalten von Wechselstromkreisen findet ein Einschwingvorgang statt, der mit komplexer Rechnung nicht analysiert werden kann. Die komplexe Rechnung erfasst ausschließlich den stationären eingeschwungenen Zustand einer Wechselstromgröße. z1 a1 + jb1 = z2 a2 + jb2 a1 + jb1 a2 – jb2 = · a2 + jb2 a2 – jb2 a a + b1 b2 + j (b1 a2 – a1 b2) = 1 2 a 22 + b 22 Komponentenform z = Normalform u (t ) Im (u) 3 z1 |z1| (cosf1 + j sinf1) = z2 |z2| (cosf2 + j sinf2) z |z | z = 1 = 1 [cos(f1 – f2) + j sin(f1 – f2)] z2 |z2| z= Exponentialform z= z1 |z1| j (f1 – f2) = e z2 |z2| Versorform z= z1 |z1| = ∠ (f1 – f2) z2 |z2| Beispiele 1. Komplexe Zahlen z1 = 4,5 + j 3,5 und z2 = 2,5 – j. Zu berechnen sind: a) Summe von z1 + z2 b) Differenz von z1 – z2 c) Differenz von z2 – z1 3 2 2 u 1 -2 -1 0 1 J0 0 1 2 3 Re (u) 0 -1 -1 -2 -2 -3 -3 J0 Bild 5: Zusammenhang komplexer Zeiger mit Sinusschwingung qt Ohmscher Widerstand R: Der ohmsche Widerstand besitzt nur einen positiven Realanteil R. Strom und Spannung sind in Phase, das heißt der Phasenverschiebungswinkel resultiert zu f = 0°. Der Widerstand bleibt bei Frequenzänderung immer gleich. Annahme: u(t) = û · sin(wt + f) ∫ i(t) = 1/R · u(t) û = sin(wt + f) R Annahme u(t) ist sinusförmig: u(t) = û · sin(w · t +90°) Ü -2 u (t), i (t) 2 uL 1 1 J 0 -1 0 -1 0 -1 1 iL 2 Re (u, i) 0 -2 -3 -3 2 Re (u, i) -2 -2 -3 -3 qt Impedanz Z: Die Impedanz (Seite 146, Bild 2) besitzt einen Real- und Imaginärteil. Der Realteil ist immer positiv und entspricht dem Gleichstromwiderstand. Je nach Verbrauchertypus weist die Impedanz einen positiven bzw. negativen Imaginärteil auf. Im(Z) < 0 … kapazitiver Verbraucher Im(Z) > 0 … induktiver Verbraucher Reihenschaltung wird mit dem Widerstandsdreieck (Bild 1) gerechnet. Z = R ± jX Z = |Z| · e jf = |Z| (cosf + j sinf) Z = |Z| ∠± f X f = arctan R Parallelschaltung wird mit dem Leitwertdreieck (Bild 2) gerechnet. Y = 1/Z Y = G + jB B f = arctan G Im (Y ) Im (Z ) Y Z jX jB q -1 -2 1 -1 1 0 1 0 -1 J -2 2 uC iC 3 J 2 3 J 2 U Annahme u(t) ist sinusförmig: u(t) = û · sin(w · t –90) Im (u, i) 3 UR Induktiver Blindwiderstand XL: Eine Spule mit einer Induktivität L (H. Henry = Vs/A) besitzt einen induktiven Wechselstromwiderstand (Seite 134). Der komplexe induktive Widerstand besitzt nur einen positiven Imaginärteil. Der Strom eilt der Spannung um f = 90° nach. XL = w · L Kreisfrequenz w = 2 · p · f Der komplexe Blindwiderstand XL = j w · L = w · L e j90° berücksichtigt bereits die Phasenverschiebung von Strom und Spannung. Der Betrag des induktiven Wechselstromwiderstandes wird mit steigender Frequenz f größer. Ü Annahme L = konstant F=L·I ∆F · U = F oder XL UL . ∆t U · N · · U=F =LI=LI+LI X · · L = const ∫ L = 0 ∫ u = L · I 3 u (t), i (t) Im (u, i) R Kapazitiver Blindwiderstand XC: Ein Kondensator mit der Kapazität C (F…Farad = As/V) hat einen kapazitiven Widerstand (Seite 142). Der komplexe kapazitive Widerstand besitzt ausschließlich einen negativen Imaginärteil. Der Strom eilt der Spannung um f = 90° vor. XC = 1/(w · C) Kreisfrequenz w = 2 · p · f Der komplexe kapazitive Widerstand XC = 1/(jw · C) = 1/(w · C) e –j90° berücksichtigt die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung. Der kapazitive Wechselstromwiderstand wird mit steigender Frequenz f kleiner. Annahme C = konstant Ü Q =C·U . · P Q =C·U · · XC UC I =C·U+C·U Z U = 0 … C = const. ∆u i = C · u· = C · ∆t 0 J 0 0 Re (Z ) R J 0 G Re (Y) Bild 2: Leitwertdreieck Y…Admittanz B…Suszeptanz G…Konduktanz Bild 1: Widerstandsdreieck Z…Impedanz (Scheinwiderstand) X…Reaktanz (Blindwiderstand) R…Resistanz (Wirkwiderstand) Beispiel R und L in Reihe û = 2 V, R = 575,1 mΩ, L = 1 mH, f = 205,6 Hz Ü UR R U XL UL u (t ), i (t) Im (u, i) 3 3 2 2 J 1 1 u -2 -1 0 0J 1 2 Re (u, i) 0 qt -1 -1 i -2 -2 -3 -3 |Z | = 133 332= 132333333333333333 R 2 +3 (wL) (0,5751 Ω)2 + (2 · p · 205,6 Hz · 1 mH)2 = 1,293 Ω lm(Z) wL 2 · p · 205,6 Hz · 1 mH = arctan = arctan = 66° f = arctan Re(Z) R 0,5751 Ω û 2V = = 1,547 A ∫ î= |Z | 1,293 Ω Komplexe Zahlen 13 Komplexe Zahlen Normen und Gesetze 14 Normen und Gesetze Normen Allgemein: Eine Norm ist eine Zusammenfassung von verschiedenen Regeln der Technik eines bestimmten Fachabschnittes. Das Normungsinstitut in Österreich stellt die Schnittstelle zu allen nationalen und internationalen Normen dar. Für den Fachbereich Elektrotechnik ist der ÖVE (Österreichischer Verband für Elektrotechnik, www.ove.at) zuständig. Beim ÖVE gibt es sechs verschiedene Fachgruppen, die jeweils für ein Hauptgebiet zuständig sind. In jeder Fachgruppe befinden sich Experten, die sich mit den aktuellen technischen Entwicklungen auseinandersetzen und daraus dementsprechende Richtlinien für den Einsatz in der Praxis entwickeln. Diese Richtlinien, auch als Regeln der Technik bezeichnet, sind die sogenannten ÖVE-Normen. Eine Norm besteht immer aus der Länderkennung ÖVE/ÖNORM, im Europäischen Bereich EN und im internationalen Bereich IEC. Erst danach erfolgt die Nummerierung, z. B. ÖVE/ÖNORM E 8001-1 Schutzmaßnahmen oder EN 50110 Betrieb von elektrischen Anlagen. Normensuche: Die Suche einer Norm erfolgt über das Normungsinstitut www.as-search.at. Bei der Suche muss zwischen der Abkürzung der Norm und der Nummer ein Leerzeichen sein (z. B. E 8001 oder EN 50110). Änderungen/Ergänzungen in Normen: Wegen der raschen technischen Entwicklung ist es in gewissen Abständen notwendig, Teile von Normen zu ersetzen bzw. zu ergänzen. Wenn eine Norm komplett ersetzt wird, so besitzt die vorige Norm ein „Ablaufdatum“ und die neue Norm tritt ab einem bestimmten Datum in Kraft. Es können für eine gewisse (kurze) Zeit beide Normen wegen der Übergangsfrist gültig sein. Werden hingegen nur Teile einer Norm ersetzt, so bezeichnet man dies als Änderungen (z. B. E 8001-1 ist die Grundnorm, und diese wurde mittlerweile mit Anhängen E 8001-1/AC, A1, A2, A3, A4, A5 ergänzt). Bei zu vielen Änderungen werden diese dann wieder zusammengefasst und es entsteht die gleiche Normennummer mit einer anderen Jahreszahl (z. B. alle Änderungen der E 8001-1:2000 werden die neue E 8001-1:2010). Normengültigkeit: Bevorzugt gelten die Normen mit der Länderkennung ÖVE/ÖNORM. Sollte es jedoch für ein Detailgebiet keine österreichische Norm geben, so wird als Referenz folgende Reihenfolge zur Anwendung gebracht: 1. DIN-Normen (Deutschland) 2. EN-Normen (Europa) 3. lEC-Norm (International) TAEV (Technische Anschlussbedingungen): Dieses Nachschlagewerk, herausgegeben von Österreichs Energie (früher VEÖ), dient als Auszug von Normenteilen für die Praxis, oesterreichsenergie.at Gesetze Allgemein: In Österreich sind alle Gesetze sowie Verordnungen für jeden zugänglich. Über die Internetseite des Bundeskanzleramtes-Rechtsinformationssystems www.ris.bka.gv.at können alle Gesetzesblätter sowie Verordnungen heruntergeladen werden. Es ist zu berücksichtigen, dass es drei Einteilungen gibt. I. Gesetze (einfache Regelungen) II. Verordnungen (Erlasse von Ministerien) III. Staatsabkommen Gesetze werden im Nationalrat beschlossen und vom Bundesrat genehmigt, danach vom Bundeskanzler und vom Bundespräsidenten unterzeichnet. Verordnungen kann der jeweils zuständige Minister selbst erlassen (z. B. Elektrotechnikverordnung, erlassen vom Bundesminister für Wirtschaft und Arbeit). Die Nummerierung der Gesetze bzw. Verordnungen erfolgt nach folgendem Schema: laufende Nummer/ aktuelles Jahr (z. B.: Verordnung Nr. 33/2006 „Änderung der Elektrotechnikverordnung von 2002“). Die gesetzlichen Grundlagen für die Anwendung der österreichischen Vorschriften und Normen für die Elektrotechnik bildet das Bundesgesetz 106/1993 über Sicherheitsmaßnahmen, Normalisierung und Typisierung (SNT) auf dem Gebiet der Elektrotechnik. Bereich Elektrotechnik: Darüber hinaus gelten folgende Verordnungen: 222/2002 Elektrotechnikverordnung 2002 229/2014 Änderung der Elektrotechnikverordnung von 2002 In diesen Verordnungen der aktuell gültigen Fassungen findet man sämtliche SNT-Vorschriften, also Normen, die der Gesetzgeber für verbindlich erklärt. Verstößt man gegen eine Norm, die vom Gesetzgeber als verbindlich erklärt wurde, ist dies eine Gesetzesübertretung. Bei einem Verstoß gegen eine Norm, die nicht als verbindlich erklärt wurde, sondern nur eine Regel der Technik darstellt, handelt man fahrlässig. 15 Sicherheit am Arbeitsplatz 1 Arbeitssicherheit und Gesundheitsschutz 1.1 Sicherheit und Gesundheitsschutz am Arbeitsplatz Elektrounfälle lassen sich meist auf technische Mängel, z.B. fehlende Schutzabdeckungen oder fehlerhafte Isolation, zurückführen. Auch organisatorische Mängel, z.B. fehlende oder ungenügende Arbeitsanweisungen, und persönliche Fehler, z.B. Fehlhandlungen, führen zu Unfällen. Die persönliche Schutzausrüstung am Arbeitsplatz ist von großer Bedeutung als Schutz vor Verletzung und Erkrankung. Persönliche Schutzausrüstung ist alles, was den Körper gegen schädigende Einflüsse schützt, z.B. Schutzkleidung oder Schutzhelm. Schutzvorrichtungen und erklärende Hinweisschilder, z. B. das Hinweisschild zur Sicherheit am Arbeitsplatz (Bild), darf man nicht entfernen. Die Betriebssicherheitsverordnung in Österreich setzt sich aus mehreren Verordnungen zusammen, z. B. VbF, VEXAT, FGV, DGPLV2002. Übersicht: Gesetze und Vorschriften (Beispiele) • ÖVE-Vorschriften • Elektrotechnikgesetz 1992 (ETG) • Elektrotechnikverordnung 2002, Fassung von 2006 (ETV) • ArbeitnehmerInnenschutzgesetz (ASchG) • Elektroschutzverordnung 2012 (ESV) • Niederspannungsgeräteverordnung 1995 (NspGV) • Grenzwertverordnung (GrenzwertV) • Verordnung für brennbare Flüssigkeiten (VbF) • Verordnung über explosionsfähige Atmosphären • Maschinen-Sicherheitsverordnung 2009 (MSV) Sicherheit am Arbeitsplatz Arbeiten Sie sicher und umsichtig. Nutzen Sie die passive Sicherheit. Tragen Sie persönliche Schutzausrüstung. Achten Sie auf: Warnzeichen Gebotszeichen Verbotszeichen ArbeitnehmerInnenschutzgesetz (ASchG). Dieses Gesetz dient dazu, Sicherheit und Gesundheitsschutz der Beschäftigten bei der Arbeit durch Maßnahmen des Arbeitsschutzes zu sichern und zu verbessern. Rettungszeichen Der Arbeitgeber ist verantwortlich für Sicherheit und Gesundheitsschutz im Betrieb. Mit der Durchführung einer gesetzlich vorgeschriebenen Gefährdungsbeurteilung (Seite 19) muss er die konkreten Gefährdungen der Arbeitsmittel und Anlagen sowie der Arbeitsbedingungen für die Beschäftigten und die Umwelt erfassen und beurteilen. Maschinen-Sicherheitsverordnung (MSV) ist die Verordnung über das Inverkehrbringen und Aufstellen von Maschinen und über grundlegende Sicherheitsanforderungen an Maschinen. 1.2 Produktsicherheitsgesetz Das Produktsicherheitsgesetz (ProdSG) regelt die Anforderungen an die Sicherheit von Produkten und deren Kontrolle und Kennzeichnung (z. B. CEKennzeichnung). Es gilt, wenn im Rahmen einer Geschäftstätigkeit Produkte auf dem Markt bereitgestellt, ausgestellt oder erstmals verwendet werden. Brandschutzzeichen Beachten Sie Verbote, z.B. Alkoholverbot, Rauchverbot, Zutrittsverbot. Melden bzw. beseitigen Sie Sicherheitsmängel oder Gefahrenzustände sofort. Benutzen Sie nicht ohne Befugnis Betriebseinrichtungen, Arbeitsgeräte oder Arbeitsmittel. Halten Sie Ordnung am Arbeitsplatz. Durch aktive Mitarbeit bewahren Sie sich und Ihre Kollegen vor Unfällen und gesundheitlichen Schäden. Bild: Hinweisschild zur Sicherheit am Arbeitsplatz i Arbeiten in der Elektrotechnik (Seite 345) i Produkte umfassen z. B. Maschinen, Heimwerkerund Haushaltsgeräte, Werkzeuge, Sport- und Freizeitgeräte, sämtliche Textilien, Möbel sowie Spielzeug und persönliche Schutzausrüstungen. Arbeiten an elektrotechnischen Anlagen dürfen nur durch Elektrofachkräfte oder unter deren Leitung und Aufsicht ausgeführt werden. Elektrofachkräfte müssen die übertragenen Aufgaben beurteilen, mögliche Gefahren erkennen und erforderliche Sicherheitsmaßnahmen treffen können. 16 Geräte- und Produktsicherheitsgesetz, Gefahrstoffverordnung Produkte, die innerhalb der europäischen Union auf den Markt gelangen, müssen den Sicherheitsanforderungen der EG-Richtlinien genügen. Als Zeichen der Übereinstimmung tragen diese Produkte das CE1-Kennzeichen (Bild a). Der Hersteller erklärt damit die Übereinstimmung (Konformität) des Produktes mit den grundlegenden Sicherheitsanforderungen und bringt in eigener Verantwortung die CE-Kennzeichnung am Produkt an. Mit dem Anbringen der CE-Kennzeichnung bestätigt der Hersteller, dass das Produkt den Anforderungen der EU-Rechtsvorschriften entspricht. Neben dem CE-Kennzeichen können Produkte das GS-Zeichen (Bild b) für geprüfte Sicherheit erhalten. Das GS-Zeichen beruht auf dem Produktsicherheitsgesetz. Hersteller können ihre Erzeugnisse freiwillig bei Prüfstellen, die vom Bundesministerium für Arbeit und Soziales (BMAS) benannt sind, z.B. TÜV2 und ÖVE3, prüfen lassen. Produkte mit dem GS-Zeichen garantieren, dass die Sicherheit und Gesundheit des Nutzers nicht gefährdet ist. Die Anbringung dieses Zeichens ist nur nach einer Prüfung durch die GS-Prüfstellen erlaubt. 1.3 Gefahrstoffverordnung a) b) geprüfte Sicherheit Bild: CE-Kennzeichen und GS-Zeichen i Kennzeichnungssystem nach der CLP-(GHS-)Verordnung • Gefahrenpiktogramm, z. B. • Gesundheitsgefahren mit Gefahrenkategorien, z. B. Akute Toxizität, Ätz-, Reizwirkung auf der Haut, Gase unter Druck. • Signalworte „Achtung“ oder „Gefahr“ • Gefahrenhinweise, H-Sätze (Hazard Statements) beschreiben die Art und gegebenenfalls den Schweregrad, der von gefährlichen Stoffen oder Gemischen ausgehenden Gefahr (Bild 1, Seite 17). Der 4. Abschnitt des ArbeitnehmerInnenschutzgesetzes (ASchG) gilt für das Inverkehrbringen von Stoffen, Gemischen und Erzeugnissen, weiterhin zum Schutz der Beschäftigten und anderer Personen vor Gefähr• Sicherheitshinweise P-Sätze dungen ihrer Gesundheit und Sicherheit durch Gefahrstoffe und zum (Precautionary Statements) beSchutz der Umwelt vor stoffbedingten Schädigungen. Insbesondere schreiben die empfohlenen Maßnahmen, um schädliche sind gefährliche Stoffe und Gemische ordnungsgemäß zu verpacken Wirkungen aufgrund der Exposiund zu kennzeichnen. Durch das global harmonisierte System (GHS4) tion gegenüber einem gefährliwerden chemische Stoffe weltweit nach identischen Kriterien eingestuft chen Stoff oder Gemisch zu beund gekennzeichnet. Das GHS-System wurde mit der CLP5-Verordnung, grenzen oder zu vermeiden Verordnung über die Einstufung, Kennzeichnung und Verpackung von (Bild 1, Seite 17). Stoffen und Gemischen in der EU eingeführt. Am auffälligsten ist die Für Stoffe ist die CLP-Verordnung ab dem 1.12.2010 verbindlich, für Gemische ab Änderung der Kennzeichnungssymbole. Zur Darstellung der Gefahren dem 1.6.2015 werden statt der Gefahrensymbole, neun Gefahrenpiktogramme, rot umrandete Raute mit schwarzem Symbol auf weißem Hintergrund (Tabelle), verwendet. Drei Piktogramme sind neu hinzugekommen, die Gasflasche, das Ausrufezeichen und das Korpussymbol (Mensch mit Stern). Zur weiteren Kennzeichnung wurden die Signalwörter „Achtung“ und „Gefahr“ eingeführt. • Achtung: Signalwort für die weniger schwerwiegenden Gefahrenkategorien. • Gefahr: Signalwort für die schwerwiegenden Gefahrenkategorien. Tabelle: Gefahrenkennzeichnung (Alt und Neu im Vergleich) Physikalisch chemische Gefahren Gesundheitsgefahren Umweltgefahren Alt E F F+ O C T T+ Xi Ätzend, Reizend Giftig Reizend Xn N Neu Explosiv 1 3 4 5 Entzündlich Brandfördernd Komprimierte Gase Korrosiv wirkende Stoffe Gesundheitsschädlich KMR-Stoffe Umweltgefährlich 2 CE, Abk. für: Communauté Européenne (franz.) = Europäische Gemeinschaft TÜV, Abk. für: Technischer Überwachungsverein ÖVE, Abk. für: Österreichischer Verband für Elektrotechnik GHS, Abk. für: Globally Harmonised System (engl.) = Global Harmonisiertes System CLP, Abk. für: Classification, Labelling and Packaging (engl.) = Einstufung, Kennzeichnung und Verpackung 17 Sicherheitszeichen Eine Substanz die als gefährlich eingestuft und verpackt ist, muss ein Kennzeichnungsetikett (Bild 1) mit folgenden Elementen tragen. Chemische Bezeichnung des Stoffes Name und Indexnummer Methanol (Index Nr. 603-001-00-X) Flüssigkeit und Dampf leicht entzündbar. Giftig bei Verschlucken. Giftig bei Hautkontakt. Giftig bei Einatmen. Schädigt die Augen, Erblindungsgefahr. Gefahrenpiktogramme (Tabelle, Seite 16) Von Hitze/Funken/offener Flamme/heißen Oberflächen fernhalten. Nicht rauchen. An einem gut belüfteten Ort lagern. Behälter dicht verschlossen halten. Schutzhandschuhe/Schutzkleidung tragen. Bei Berührung mit der Haut: Mit reichlich Wasser und Seife waschen. Bei Verschlucken: Sofort Giftinformationszentrum oder Arzt rufen. Unter Verschluss lagern. Nennmenge Signalwort Vollständige Anschrift des Herstellers, Vertreibers oder Einführers 5L Gefahr Max Meier KG, Schellingerstr. 20 Gefahrenhinweise H-Sätze Sicherheitshinweise P-Sätze München, Tel. 089… Bild 1: Beispiel für die Kennzeichnung eines gefährlichen Stoffes 1.4 Sicherheitszeichen Die Kennzeichnungsverordnung (KennV) beschreibt die Anforderungen für die Sicherheits- und Gefahrenschutzkennzeichnung in Arbeitsstätten. Sicherheitszeichen (Hintere Umschlaginnenseite, Tabelle) dienen zur Sicherheits- und Gesundheitsschutzkennzeichnung. Sie warnen vor Gefahren, leiten in gefährlichen Situationen und geben Handlungsanweisungen. Dazu gehört ebenso das Aufzeigen von Verboten. Jede Kennzeichnung soll schnell und unmissverständlich die Aufmerksamkeit auf Gegenstände und Sachverhalte lenken, die Gefahren verursachen können. Sicherheitszeichen ermöglichen allein durch die Kombination von Form und Sicherheitsfarbe eine Aussage darüber, ob es sich dabei um Verbots-, Gebots-, Warn-, Rettungs- oder Brandschutzzeichen handelt (Tabelle). Zusätzlich haben Sicherheitszeichen noch ein entsprechendes Bildsymbol. • Verbotszeichen untersagen ein Verhalten, durch das eine Gefahr entstehen kann, z.B. Nicht schalten (Bild 2). • Gebotszeichen schreiben ein bestimmtes Verhalten vor, z.B. Schutzhelm benutzen. • Warnzeichen warnen vor Risiken oder Gefahren, z.B. Warnung vor Laserstrahl. • Rettungszeichen kennzeichnen Rettungswege oder Notausgänge oder den Weg zu einer ErsteHilfe-Einrichtung. • Brandschutzzeichen kennzeichnen die Standorte von Feuermelde- oder Feuerlöscheinrichtungen. • Zusatzzeichen (Bild 2) dürfen nur in Verbindung mit einem Sicherheitszeichen verwendet werden. Sie liefern zusätzliche Hinweise durch Worte oder Texte. Tabelle: Form, Farbe und Bedeutung von Sicherheitszeichen Geometrische Form Bedeutung Verbot Sicherheitsfarbe ROT Kreis mit Diagonalbalken Rauchen verboten Gebot BLAU Kreis gleichseitiges Dreieck mit gerundeten Ecken Anwendungsbeispiel Kopfschutz benutzen Warnung Gefahrlosigkeit GELB Warnung vor feuergefährlichen Stoffen GRÜN Quadrat Notruftelefon Brandschutz ROT Quadrat Feuerlöscher Verbotszeichen Es wird gearbeitet! Zusatzzeichen Ort: Datum: Entfernen des Schildes nur durch: Bild 2: Verbotszeichen mit Zusatzzeichen 18 Erste Hilfe 1.5 Erste Hilfe i Unter Erster Hilfe versteht man Hilfeleistungen vor Ort, bevor der Verletzte oder Kranke ärztlich versorgt wird. Häufig hängt das Leben eines Verletzten davon ab, dass möglichst rasch und noch am Unfallort Erste Hilfe (Bild 2) geleistet wird. Der Arbeitgeber (Unternehmer) ist für eine wirksame Erste Hilfe verantwortlich und hat die dafür erforderlichen Maßnahmen zu treffen. Dazu gehören insbesondere auch die Benennung einer ausreichenden Anzahl von Ersthelfern (gesetzlich vorgeschrieben in ArbeitnehmerInnenschutzgesetz (ASchG) § 26 und in der Arbeitsstättenverordnung (AStV), die Sicherstellung einer entsprechenden Ausbildung und die Zurverfügungstellung einer geeigneten Erste-Hilfe-Ausrüstung. • • • • • Notruf 112 Wo geschah der Unfall? Was geschah? Wie viele Verletzte? Welche Verletzungen? Warten auf Rückfragen der Rettungsleitstelle! Niemals das Gespräch selbst beenden. Bei Unfällen durch elektrischen Strom ist auf Eigenschutz zu achten und der über den Menschen fließende Strom muss unterbrochen werden. In Niederspannungsanlagen (übliche Spannung im Haushalt und Gewerbe 230/400 V bis maximal 1000 V) erfolgt eine Unterbrechung des Stromkreises z.B. durch Ausschalten, Ziehen des Steckers oder He- Bild 1: Warnung vor gefährlicher rausnehmen der Sicherung. Kann der Stromkreis nicht unterbrochen elektrischer Spannung werden, so ist der Verunglückte durch einen nichtleitenden Gegenstand, z.B. eine Isolierstange, von den unter Spannung stehenden Teilen zu trennen. In Hochspannungsanlagen (über 1000 V, durch Warnschild mit Blitzpfeil gekennzeichnete Anlagen, Bild 1) ist sofort der Notruf zu veranlassen und Fachpersonal zu verständigen. Die Rettung aus Hochspannungsanlagen erfolgt nur durch Fachpersonal. Der Stromkreis darf deshalb nur von einer Elektrofachkraft mit Schaltberechtigung abgeschaltet werden. Bei unbekannter Spannung ist ebenso wie bei Hochspannung ein Sicherheitsabstand von mindestens 5 m zu halten. Es sind die gleichen Maßnahmen zu ergreifen wie bei Hochspannung. Vorgehen beim Auffinden einer Person Allgemeine Verhaltensregeln Ruhe bewahren, Unfallstelle sichern, auf Eigenschutz achten, Person aus dem Gefahrenbereich retten Bewusstsein prüfen Ansprechen, anfassen, schütteln an den Schultern vorhanden nicht vorhanden Hilfe nach Notwendigkeit z.B. Lagerung, Verbände … um Hilfe rufen, Notruf veranlassen ggf. Rettungsdienst alarmieren Atemkontrolle • Atemwege kontrollieren und ggf. freimachen • Kopf überstrecken und Kinn anheben • Atmung prüfen durch 10 Sekunden hören, sehen und fühlen normale Atmung Stabile Seitenlage Ständige Kontrolle der Atmung Notruf 112 *AED Abk. für: Automatisierter Externer Defibrillator Bild 2: Maßnahmen zur Ersten Hilfe keine normale Atmung Notruf Herz-Lungen-Wiederbelebung Herz-Druckmassage: Beatmung 30:2 Beginnen mit der Herz-Druckmassage! Falls AED* vorhanden Anweisungen folgen. Keine Unterbrechung bis zum Eintreffen des Rettungsdienstes oder bis zum Einsetzen der normalen Atmung! 112 19 Gefährdungsbeurteilung Handlungsanleitung zur Durchführung einer Gefährdungsbeurteilung Jede Tätigkeit ist mit Unfall- und Gesundheitsrisiken verbunden. Damit die Risiken möglichst gering gehalten werden, muss nach dem ArbeitnehmerInnenschutzgesetz (ASchG) in Verbindung mit der Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) in Betrieben eine Gefährdungsbeurteilung durchgeführt werden. Die Technische Regel für Betriebssicherheit (TRBS) 1111 beschreibt den grundsätzlichen Ablauf der Ermittlung und Bewertung von Gefährdungen sowie der Ableitung geeigneter Maßnahmen. Erfassen der Betriebsorganisation Erfassen der Sicherheitsorganisation des Betriebs Strukturierung des Betriebs in zu erfassende Arbeitsbereiche, z. B. Verwaltung, Werkstatt, Lager und Tätigkeiten Erfassen und Ermitteln möglicher Gefährdungen und Belastungen Gefährdungen bzw. Belastungen können z. B. unterteilt werden in • Mechanische Gefährdungen, z. B. Stolpern, Rutschen, Stürzen ... • Elektrische Gefährdungen, z. B. elektrische Körperdurchströmung infolge defekter Geräte • Gefährdung durch Gefahrstoffe, z. B. Einatmen oder Verschlucken giftiger Stoffe • Biologische Gefährdung, z. B. Infektionsgefahr durch Mikroorganismen • Physikalische Gefährdungen, z. B. Einwirkungen von Lärm, Vibrationen, Strahlung • Gefährdungen durch physische Belastung, z. B. schwere körperliche Arbeit • Gefährdungen durch Mängel der Sicherheitsorganisation, z. B. mangelnde Regelung zur Ersten Hilfe, Kennzeichnung von Fluchtwegen, persönliche Schutzausrüstung, Unterweisungen, Betriebsanweisungen. Was kann zu einer Gefährdung führen? Bewertung der Gefährdungen Festlegen und Durchführen von Maßnahmen Beurteilung darüber, wie sich die ermittelten Gefährdungen auf die Gesundheit der Arbeitnehmer auswirken können. Maßnahmen sind nach den allgemeinen Grundsätzen des ASchG festzulegen. Sind Sicherheit und Gesundheit der Arbeitnehmer gefährdet? Daraus ergibt sich die Rangfolge technisch, organisatorisch und persönlich (TOP) der festzulegenden Schutzmaßnahmen. nein Vorhandene Maßnahmen ausreichend? • Technische Schutzmaßnahmen, z. B. Absauganlagen, Positionsschalter. • Organisatorische Schutzmaßnahmen, z. B. Organisation der Ersten Hilfe, Unterweisung, Arbeitsmedizin, Hygiene. • Persönliche Schutzmaßnahmen, z. B. persönliche Schutzausrüstung (Schutzbrille, Handschuhe), kommen erst zum Einsatz, wenn technische Maßnahmen die Beschäftigten nicht schützen können. Wer macht Was bis Wann? ja Getroffene Maßnahmen auf Wirksamkeit überprüfen! Maßnahmen nicht wirksam Maßnahmen wirksam Dokumentation Die Dokumentation umfasst nach ArbeitnehmerInnenschutzgesetz (ASchG)/Dokumentations-Verordnung (DoK-VO): • Das Ergebnis der Gefährdungsbeurteilung. • Die festgelegten Maßnahmen des Arbeitsschutzes. • Das Ergebnis ihrer Überprüfung. • Unfälle im Betrieb, bei denen ein Beschäftigter getötet oder so verletzt wird, dass er stirbt oder für mehr als drei Tage völlig oder teilweise arbeits- oder dienstunfähig wird. Praxistipp: Gefährdungsbeurteilung Welche Tätigkeiten werden ausgeführt? (Nächster Praxistipp: Seite 103) Z. B. Organisation der Ersten Hilfe, Umgang mit Gefahrstoffen, Sicherheitsbeauftragte ... Wiederholen – Anwenden – Vertiefen: Arbeitsschutz 20 Arbeitsschutz 1. a) Auf welche Mängel bzw. Fehler lassen sich 13. Durch welche zwei Merkmale lassen sich Si- Elektrounfälle meist zurückführen? Nennen Sie Beispiele. b) Welche Forderungen lassen sich daraus für technische Anlagen ableiten? 14. Nennen Sie die Sicherheitsfarben a) bis d) für 2. a) Was versteht man unter persönlicher Schutz- die in der Tabelle angegebenen Sicherheitszeichen. ausrüstung? b) Welche Aufgabe erfüllt die persönliche Schutzausrüstung? c) Geben Sie Beispiele für die persönliche Schutzausrüstung an. 3. a) Zu welchem Zweck wird eine Gefährdungsbeurteilung durchgeführt? b) Nennen Sie die Schritte zur praktischen Durchführung einer Gefährdungsbeurteilung. cherheitszeichen unterscheiden? Tabelle: Form und Sicherheitsfarben von Sicherheitszeichen Sicherheitsfarbe a) b) c) d) Form Gebot Verbot 4. Welche Pflichten ergeben sich aus den Unfall- Warnung verhütungsvorschriften für die Arbeitgeber? Brandschutz 5. Welche Gesetze bzw. Verordnungen werden Gefahrlosigkeit durch die folgenden Abkürzungen beschrieben: a) ASchG, b) MSV, c) KennV und d) AStV? 6. Welche Bedeutung hat auf Produkten das a) CEZeichen und b) GS-Zeichen? 7. Welche Verordnung dient dem Schutz von Beschäftigten vor einer Gefährdung ihrer Gesundheit durch Gefahrstoffe? 8. Geben Sie die Bezeichnungen für die in Bild 1 15. a) Welche Sicherheitszeichen können unterschieden und b) welche Aussagen können durch die jeweiligen Zeichen gemacht werden? 16. Benennen Sie die im Bild 2 dargestellten Sicherheitszeichen und geben Sie ihre Bedeutung an. dargestellten Gefahrenpiktogramme von a) bis g) an. a) a) b) c) d) e) f) g) b) c) d) Bild 2: Sicherheitszeichen Bild 1: Gefahrenpiktogramme 9. Welche Angaben müssen auf der Verpackung von gefährlichen Stoffen vorhanden sein? 10. a) Durch welche Beurteilung werden die Unfallund Gesundheitsrisiken in Betrieben möglichst gering gehalten? b) Was beschreibt die TRBS 1111 bei der Gefährdungsbeurteilung? 11. Welche Pflichten ergeben sich u. a. für die Unternehmen aus der Unfallverhütungsvorschrift „Sicherheits- und Gesundheitsschutzkennzeichnung am Arbeitsplatz“? 12. a) Was versteht man nach dem ProdSG unter Produkten? b) Unter welchen Voraussetzungen dürfen Produkte auf den Markt gebracht werden, und durch welches Zeichen wird dies angegeben? 17. Warum werden häufig bei Sicherheitszeichen Zusatzzeichen verwendet? 18. Welche Angaben müssen bei einem Notruf unbedingt gemacht werden? 19. Was versteht man unter Erster Hilfe? 20. Welche Sofortmaßnahmen sind bei Unfällen durch den elektrischen Strom zu treffen? 21. Wie kann man einem durch elektrischen Strom Verunglückten helfen, wenn der Stromkreis nicht unterbrochen werden kann? 22. Beschreiben Sie die Maßnahmen der Ersten Hilfe, wenn Sie einen Verletzten auffinden, der a) ansprechbar ist oder b) nicht ansprechbar ist. 21 Masse, Kraft 2 Grundbegriffe der Elektrotechnik 2.1 Umgang mit physikalischen Größen Gesetze und Normen Das Gesetz über Einheiten im Messwesen schreibt Einheiten und Einheitenzeichen vor. Wichtige Normen sind in der Übersicht genannt. Gleichungen und Formeln Man unterscheidet • Zahlenwertgleichungen, z.B. 3x = 8 + x • Größengleichungen (Formeln), z.B. FG = m · g Zahlenwertgleichungen setzen zwei Terme z.B. (3x und 8 + x) mit Zahlen und Variablen (x) gleich. Die Zahl für die Variable (x), die beide Terme gleichwertig macht, ist die Lösung der Gleichung (x = 4). Größengleichungen (Formeln) bestehen meist aus Variablen, z. B. FG, m. Sie erfassen den mathematischen Zusammenhang zwischen physikalischen Größen. Einheitenvorsätze Sehr große oder sehr kleine Größenwerte drückt man mit einem Einheitenvorsatz aus (Tabelle 1). Man schreibt z.B. 5432 km statt 5 432 000 m. Physikalische Größen Messbare Eigenschaften von Körpern oder physikalischen Zuständen nennt man physikalische Größen, z.B. Länge, Temperatur, Spannung. Sie bestehen aus einem Zahlenwert und der Maßeinheit, z.B. 3,4 m, 36 °C oder 230 V. Physikalische Größen werden mit Formelzeichen abgekürzt, z.B. l für Länge, T für Temperatur, U für elektrische Spannung. Übersicht: Normen über Größen und Einheiten, Formelzeichen und Gleichungen • ÖNORM A6401 Zeichen für Größe und Einheiten • ÖNORM A6402 Physikalische Größe und Einheiten • ÖNORM A6438 Formelzeichen • ÖNORM A6436 Wärme Größen und Einheiten Gewichtskraft Formel FG = m · g Maßeinheit der Kraft F [F] = kg · m/s2 = N Formelzeichen Einheitenzeichen, Maßeinheit FG Gewichtskraft eines Körpers (Gewicht) m Masse g Erdbeschleunigung (9,81 m/s2) physikalische Größen Beispiel: Eine Kiste mit Werkzeugen hat die Masse m = 15 kg. Berechnen Sie die Gewichtskraft FG. Lösung: FG = m · g = 15 kg · 9,81 m = 147 N s2 F Last Kran FG In der Technik werden nur SI1-Einheiten oder davon abgeleitete Einheiten benutzt (Tabelle 2). Kursiv schreibt man nach DIN 1313 und DIN 1338 • Formelzeichen z.B. F (Kraft), • Variablen, z.B. x, y. Masse und Kraft Bild: Kräfte auf eine Last am Kran Den Materiegehalt einer Stoffmenge z.B. von einem Liter Wasser nennt man Masse. Die Masse hat das Formelzeichen m und die Maßeinheit kg. Die Masse ist ortsunabhängig. Auf der Erde wirkt auf jede Masse eine Anziehung. Diese Eigenschaft nennt man Gewichtskraft FG (Bild). Tabelle 1: Vorsätze für Vielfache und Teile der Einheiten (Auswahl) Vorsatz Zeichen Faktor Peta P 1015 Tera T 1012 Giga G 109 Mega M 106 Kilo k 103 Dezi d 10–1 Zenti c 10–2 Milli m 10–3 Mikro μ 10–6 Nano n 10–9 Piko p 10–12 Tabelle 2: SI-Basisgrößen und SI-Basiseinheiten Basisgröße Formelzeichen Basiseinheit Einheitenzeichen 1 Länge l Meter m Zeit t Sekunde s Masse m Kilogramm kg Stromstärke I Ampere A Temperatur T Kelvin K Stoffmenge n Mol mol Lichtstärke Iv Candela cd Internationales Einheitensystem SI (frz. Système international d’unités) ist das am weitesten verbreitete Einheitensystem für physikalische Größen. 22 Arbeit, Energie, Leistung Mechanische Arbeit Energie Die angehobene Last hat sich äußerlich nicht geändert. Sie hat jedoch beim Anheben Energie gespeichert. Beim Absenken der Last ist sie in der Lage, Arbeit zu verrichten, z.B. einen Generator anzutreiben. Energie ist das Vermögen, Arbeit zu leisten. Die Last am Kran kann beim Absenken genauso viel Arbeit verrichten, wie zuvor Arbeit aufgewendet wurde, um die Last anzuheben. Diesen Zusammenhang nennt man Energieerhaltungssatz. Energie kann nicht erzeugt oder verbraucht werden. Energie kann man nur umwandeln. Die Maßeinheit der Energie ist Newtonmeter (Nm) oder Joule (J), genau wie bei der Arbeit. Die Energie, die in der angehobenen Last gespeichert ist, heißt potenzielle Energie Wpot (Lageenergie). Beim Absenken wird sie in Bewegungsenergie (kinetische Energie Wkin), beim Bremsen meist in Wärme umgewandelt. Man unterscheidet außer der mechanischen Energie noch andere Energiearten (Übersicht). W Wpot F s m g h [W] = Nm Arbeit, Energie potenzielle Energie Kraft Weg Masse Erdbeschleunigung (9,81 m/s2) Höhe Übersicht: Energiearten • • • • • • Mechanische Energie Kernenergie Wärmeenergie Elektrische Energie Lichtenergie Chemische Energie i 1 Nm = 1 J = 1 Ws F FG s Eine Arbeit wird immer dann verrichtet, wenn ein Körper durch Einwirkung einer Kraft F entlang eines Weges s bewegt wird, z.B. wenn der Kran in Bild, Seite 21 die Last gegen die Gewichtskraft FG hochhebt. Dabei müssen die Richtung der Kraft F und die Bewegungsrichtung des Körpers gleich sein. Die Arbeit W 1 wird in der Maßeinheit Newtonmeter (Einheitenzeichen Nm) oder mit dem besonderen Einheitennamen Joule2 (Einheitenzeichen J) gemessen. Arbeit und Energie W=F·s Wpot = m · g · h Beispiel: Ein Gabelstapler hebt einen Elektromotor mit der Masse m = 75 kg den Weg s = 1,2 m hoch (Bild). Berechnen Sie a) die Gewichtskraft des Elektromotors, b) die Arbeit, die zum Anheben nötig ist. Lösung: m a) FG = m · g = 75 kg · 9,81 2 = 736 N; b) W = F · s = 736 N · 1,2 m = 883 Nm s F Kraft zum Anheben der Last FG Gewichtskraft des Motors Bild: Verrichten einer Arbeit durch einen Gabelstapler Leistung Elektrische Energie: Seite 42, elektrische Leistung: Seite 44 P = W = F·s =F·v t t Mechanische Leistung Die aufgewendete Leistung des Gabelstaplers ist umso größer, je schwerer die Last ist, die er anhebt, und je kürzer die Zeit ist, die er dafür benötigt. Allgemein gilt: Je größer eine Arbeit ist und je schneller sie verrichtet wird, desto mehr Leistung P 3 muss dazu aufgebracht werden. Die Maßeinheit für die Leistung ist Watt4 (W). Leistung ist verrichtete Arbeit geteilt durch die benötigte Zeit. Beispiel: Der Gabelstapler aus obigem Beispiel benötigt zum Anheben der Last 3 s. Berechnen Sie die erforderliche Leistung. Lösung: P= 1 3 W 883 Nm Nm Ws = = 294 = 294 = 294 W t 3s s s W von work (engl.) = Arbeit, 2 nach Joule (sprich dschul), engl. Physiker, 1818 bis 1889 P von power (engl.) = Leistung 4 nach James Watt, engl. Physiker, 1736 bis 1819 [P] = Nm = Ws = W s s Leistung Arbeit Zeit Geschwindigkeit P W t v i • • • • F Kraft s Weg Leistung Formelzeichen: P Einheitenname: Watt Einheitenzeichen: W Einheitenvorsätze (Beispiele): 1 mW = 0,001 W = 1 · 10–3 W 1 kW = 1000 W = 1 · 103 W 1 MW = 1 000 000 W = 1 · 106 W 23 Stromkreise 2.2 Arten von Stromkreisen Elektrischer Gleichstromkreis (Seite 24) Betriebsmittelanschluss In der Elektrotechnik muss die elektrische Energie sicher und wirtschaftlich bis zum Verbraucher geliefert werden. Dazu benötigt man verschiedene Stromkreise. Man unterscheidet in der Praxis: Positiver Pol + Negativer Pol – Leiterbenennung • Gleichstromkreise, • Einphasen-Wechselstromkreise Kennzeichnung + Kennzeichnung Positiver Leiter L+ Negativer Leiter L– Schaltplan – L+ L– M (vereinfacht Wechselstromkreise genannt), • Dreiphasen-Wechselstromkreise Überstrom-Schutzeinrichtungen (Sicherungen) (auch Drehstromkreise genannt). + – Gleichrichtung: Seite 248 Dreiphasen-Wechselstromkreis (Seite 154) Leiterbenennung Kennzeichnung Außenleiter 1 L1 Außenleiter 2 L2 L1 Außenleiter 3 L3 L2 400 V Neutralleiter N Schutzleiter PE L3 400 V Neutralleiter mit Schutzfunktion PEN Schaltplan PEN 400 V 230 V N 0V PE • Motoren: Seite 475 • Schaltzeichen: Seite 642 M 3_ Einphasen-Wechselstromkreis (Seite 126) Leiterbenennung Drehstrommotor Kennzeichnung 3 RCD Schaltplan Außenleiter L* L Neutralleiter N N Schutzleiter PE Abzweigdose PE F1 X1 Statt schwarzer Ader auch blaue Ader möglich, falls keine Verwechselungen entstehen können. Schutzkontaktsteckdose X2 Leuchte mit Lampe E2 Q1 • Installationsschaltungen: Seite 104 Schutzkontaktstecker * E1 • Farbkennzeichnung von Leitern: Seite 307 • Leitungsverlegung: Seite 311 Die Zahl nach „L“, z.B. L1, L2, L3, wird nur in Stromkreisen mit mehr als einem Außenleiter angegeben. Ausschalter 24 Stromkreis, Leiter, Nichtleiter Elektrischer Gleichstromkreis ID S1 Strom Versuch 1: Verbinden Sie durch zwei Kupferdrähte eine Lampe für 1,2 V/0,22 A mit den Anschlüssen einer 1,5-V-Batterie, z. B. einer Mignon-AABatterie (Bild 1). Batterie Cu-Draht Die Lampe leuchtet nur, wenn sie mit den Drähten verbunden ist und diese mit den Polen der Batterie Kontakt haben. Die Batterie liefert die elektrische Energie, welche die Lampe zum Leuchten bringt. Die Batterie ist im Versuch der Erzeuger (nach ÖVE/ ÖNORM E 8001-1 auch Stromquelle genannt). Die Lampe ist das elektrische Verbrauchsmittel oder kurz der Verbraucher. (Für die Begriffe Erzeuger und Verbraucher siehe auch Seite 42.) – Bild 1: Einfacher Gleichstromkreis Bild 2: Taschenlampe Lampe + Batterie Stab – Bild 3: Leiter und Isolierstoffe im Stromkreis Versuch 2: Fügen Sie in den Stromkreis des letzten Versuchs nacheinander Stäbe aus Kupfer, Aluminium, Stahl, Kohle, Glas, Porzellan und Kunststoff ein (Bild 3). Salzlösung + Nur bei den Metallstäben und beim Kohlestab leuchtet die Lampe (allerdings mit unterschiedlicher Helligkeit). Metalle leiten den elektrischen Strom gut, Kohle weniger gut; Glas, Porzellan und Kunststoffe leiten den Strom gar nicht. Versuch 3: Füllen Sie einen Becher aus Glas mit destilliertem Wasser1 und tauchen Sie zwei blanke Kupferdrähte hinein. Verbinden Sie die Drähte mit der 1,5-V-Batterie und der Lampe. Schließen Sie den Stromkreis mit einem dritten Kupferdraht von der Lampe zur Batterie (Bild 4). Geben Sie dann etwas Kochsalz in das Wasser und lösen Sie es durch Umrühren mit einem Glasstab auf. – Lampe Batterie Bild 4: Salzlösung als Leiter Bei destilliertem Wasser bleibt die Lampe dunkel. Nach Auflösen des Salzes leuchtet sie. "Schalter" Lampe + Reines Wasser leitet den elektrischen Strom fast nicht. Die Lösung eines Salzes oder einer Säure ist ebenso wie eine Salzschmelze stromleitend. Die einzelnen Stoffe leiten den elektrischen Strom mehr oder weniger gut. Metalle, z. B. Kupfer oder Aluminium, besitzen eine gute Leitfähigkeit. Man verwendet sie als Leiter. Stoffe, die den elektrischen Strom nicht leiten, wie Luft, Gummi, Glas, Porzellan oder Kunststoffe bezeichnet man als Nichtleiter. Sie werden als Isolierstoffe benutzt. + Strom Der elektrische Strom fließt vom Erzeuger zum Verbraucher und wieder zurück zum Erzeuger. Diesen geschlossenen Weg nennt man elektrischen Stromkreis. Fließt der Strom im Stromkreis immer in die selbe Richtung, so spricht man von Gleichstrom. • Elektrischer Strom fließt nur im geschlossenen Stromkreis. • Ein Stromkreis besteht mindestens aus Erzeuger, Verbraucher und aus dem Hin- und Rückleiter. • Im elektrischen Gleichstromkreis hat der Strom immer die gleiche Richtung. Die Höhe des Stromes kann sich verändern. + – 1,5 V – 1,5 V Die Lampe leuchtet, wenn sie vom elektrischen Strom durchflossen wird. Dieser Strom fließt vom Pluspol der Batterie durch den oberen Draht zum Fußkontakt der Lampe, durch den Glühfaden hindurch zum Lampengewinde und durch den unteren Draht zur Batterie zurück (Bild 1). In der Praxis wird diese Schaltung z.B. in einer Taschenlampe verwendet (Bild 2). Lampe + Batterie – Bild 5: Unterbrechen des Stromkreises Stoffe, deren elektrische Leitfähigkeit zwischen der Leitfähigkeit von Leitern und von Nichtleitern (Isolierstoffen) liegt, nennt man Halbleiter (Seite 192). Sie werden für Bauelemente der Elektronik verwendet. Leiter sind alle Metalle, Kohle, feuchte Erde und manche Flüssigkeiten. Nichtleiter (Isolierstoffe) sind z. B. Luft, Gummi, Glas oder Kunststoffe. Halbleiter sind z. B. Silicium und Germanium. 1 Destilliertes Wasser ist Wasser ohne die im normalen Leitungswasser vorkommenden Ionen, Spurenelemente und Verunreinigungen. 25 Schaltplan, Schaltzeichen Ein Schalter besteht aus einem beweglichen Metallstück (Schaltstück), das mit festen Leiterwerkstoffen verbunden werden kann. Ein Isolierstoff, meist Luft, trennt in geöffnetem Zustand die Leiterwerkstoffe voneinander. Den Schalter baut man so in die Hinleitung ein, dass er sich leicht bedienen lässt. Durch Schließen bzw. Öffnen des Schalters kann man den Verbraucher ein- bzw. wieder ausschalten. Schaltzeichen Schaltzeichen verwendet man zur Darstellung von Betriebsmitteln in Schaltplänen (Seite 101), hauptsächlich für Stromlaufpläne (Seite 102). Schaltzeichen (Tabelle) sind genormte Sinnbilder elektrischer Betriebsmittel wie Erzeuger, Verbraucher, Schalter, Widerstände oder Leiter. Schaltzeichen sollen die elektrischen Eigenschaften der Betriebsmittel zum Ausdruck bringen, über den konstruktiven Aufbau geben sie keine Auskunft. Widerstände haben z. B. immer das gleiche Schaltzeichen, unabhängig von ihrer Größe, ihrer Leistung oder ihrer Ausführungsform. Die Schaltzeichen können in beliebiger Lage dargestellt werden, man bevorzugt jedoch die waagerechte oder senkrechte Lage. Mit den Schaltzeichen lassen sich Stromkreise einfach und übersichtlich darstellen. In einem Schaltplan werden die Schaltzeichen so zusammengestellt, wie die Teile der Stromkreise miteinander verbunden sind (Bild). Bei einer Verzweigung der Leiter kann die Verbindung der Leiter durch einen Punkt gekennzeichnet sein. Dieser Punkt darf auch weggelassen werden, wenn dadurch keine Verwechslung möglich ist (Tabelle), z. B. bei einer Leiterverzweigung. Ob die einzelnen Schaltzeichen groß oder klein gezeichnet werden, hängt von der optischen Gesamtwirkung des Schaltbildes ab. Die Funktion der Schaltung muss jedoch gut erkennbar sein. Benennung Bild Schaltzeichen Leiter Leiterkreuzung (nichtleitend) Leiterverzweigung, einfach Leiterverzweigung, doppelt Batterie (Erzeuger) Form 1 Form 2 Form 1 Form 2 + Die Lampe leuchtet nur, wenn der Schalter geschlossen ist und die Drähte elektrischen Kontakt miteinander haben. Tabelle: Schaltzeichen Glühlampe Widerstand Schalter i Schaltzeichen (Seite 642) sind nach ÖVE/ÖNORM EN 60617 genormt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird bei Leitungsverzweigungen in diesem Buch die Form 2 verwendet. a) Praktische Darstellung EUROPA Versuch 4: Bauen Sie einen Stromkreis nach Bild 5, Seite 24, auf. Drücken Sie die losen Enden der Drähte zusammen und öffnen Sie danach diesen improvisierten Schalter wieder. Schalter Erzeuger, z.B. Batterie Verbraucher, z.B. Glühlampe b) Zeichnerische Darstellung Erzeuger, z.B. Batterie + – Schalter Leiter Verbraucher, z.B. Glühlampe Bild: Schaltplan eines Stromkreises Wiederholungsfragen 1 Aus welchen Teilen besteht ein elektrischer Stromkreis? 2 Unter welcher Bedingung fließt in einem Stromkreis ein elektrischer Strom? 3 In welche Gruppen kann man alle Stoffe nach ihrer elektrischen Leitfähigkeit einteilen? 4 Wodurch unterscheiden sich elektrische Leiter von den Isolierstoffen? 5 6 7 8 Nennen Sie einige elektrische Leiter. Zählen Sie gebräuchliche Isolierstoffe auf. Wozu benötigt man Schaltzeichen? Worauf ist bei der Darstellung der Betriebsmittel eines Schaltplanes zu achten? 9 Worin unterscheidet sich die Form 1 von der Form 2 bei Schaltzeichen zu Leiterverzweigungen? 26 Elektrische Ladung 2.3 Elektrische Ladung (Elektrizitätsmenge) Versuch 1: Reiben Sie einen Stab aus Kunststoff, z. B. aus Polystyrol, mit einem trockenen Wolltuch und halten Sie ihn über Papierschnitzel, die auf einen Tisch gestreut sind (Bild 1). Polystyrolstab Der Kunststoffstab zieht die Papierschnitzel an. Entdeckt wurden diese Kräfte durch den Menschen beim Umgang mit Bernstein. Da Bernstein im Griechischen ηλεκτρον (sprich elektron) heißt, nannte man diesen besonderen Zustand: elektrisch. Als Ursache für die Kräfte, die z.B. beim Reiben von Bernstein oder Kunststoff entstehen, hat man die physikalische Größe als elektrische Ladung Q festgelegt. Versuch 2: Reiben Sie einen Polystyrolstab mit dem Wolltuch und hängen Sie ihn an einem dünnen Faden auf (Bild 2). Bringen Sie einen zweiten mit dem Tuch geriebenen Polystyrolstab in seine Nähe. Papierschnitzel Bild 1: Anziehung durch Reibung i Elektrische Ladung Elektrische Ladung nennt man die Eigenschaft von Stoffen, die besondere Kräfte (Anziehung oder Abstoßung) hervorrufen können. Die elektrische Ladung ist die Ursache für alle elektrischen Vorgänge. Der drehbar aufgehängte Stab wird abgestoßen. Versuch 3: Wiederholen Sie Versuch 2 mit Acrylglasstäben, die ebenfalls mit dem Wolltuch gerieben werden. Aufhängung Geriebene Acrylglasstäbe stoßen sich ebenfalls ab. Polystyrolstab Versuch 4: Reiben sie mit dem Wolltuch einen Polystyrolstab und danach einen Acrylglasstab. Hängen Sie einen der Stäbe drehbar auf und nähern Sie den anderen Stab (Bild 3). Polystyrolstab und Acrylglasstab ziehen sich an. Da es abstoßende Kräfte und anziehende Kräfte gibt, musste man auch zwei verschiedene Ladungsarten festlegen. Die eine Ladungsart tritt am geriebenen Polystyrolstab auf und die andere Ladungsart am geriebenen Acrylglasstab. Die beiden entgegengesetzten Ladungen hat man positive Ladung +Q und negative Ladung –Q genannt. Zwischen elektrischen Ladungen wirken Kräfte (Bild 4). Um das Wesen der elektrischen Erscheinungen genauer erklären zu können, hat man den Stoffaufbau untersucht. Alle Stoffe sind aus Atomen1 aufgebaut. Die Atome sind so klein (Durchmesser etwa 1 /10 000 μm), dass man sie nur mit einem Rasterelektronen-Mikroskop sehen kann. Deshalb verwendet man z.B. das bohrsche2 Atommodell, mit dem man das Verhalten der Atome beschreiben kann. 1 2 atomos (griech.) = unteilbar Niels H. D. Bohr, dän. Physiker, 1885 bis 1962 Abstoßung Bild 2: Abstoßung zwischen geriebenen Polystyrolstäben Aufhängung Acrylglasstab ng hu zie An • Gleichartige elektrische Ladungen stoßen sich ab. • Ungleichartige elektrische Ladungen ziehen sich an. • Die elektrische Ladung hat das Formelzeichen Q. Polystyrolstab Polystyrolstab Bild 3: Anziehung von geriebenem Polystyrol- und Acrylglasstab Abstoßung zwischen gleichartigen Ladungen F + - + F - F Anziehung zwischen ungleichartigen Ladungen + F F - Bild 4: Kraftwirkungen zwischen elektrischen Ladungen 28 Elektrische Spannung 2.4.1 Spannungserzeugung b) mechanische Spannung + + Die Spannung am Verbraucher ist die bei der Ladungsverschiebung frei werdende Arbeit W pro Ladung Q (Formelkasten rechts). - d) halbe mechanische Spannung gegenüber c) Bild 1: Mechanische Spannung U Spannung W Arbeit i • • • • nach Volta, ital. Physiker, 1745 bis 1827; Spannung Tabelle: Spannungsbeispiele Thermospannung Monozelle Autobatterie Wechselstromnetz Drehstromnetz Höchstspannung Blitz 4 j griech. Kleinbuchstabe phi. Ladung Formelzeichen: U Einheitenname: Volt1 Einheitenzeichen: V Einheitenvorsätze (Beispiele): 1 mV = 0,001 V = 1 · 10–3 V 1 kV = 1000 V = 1 · 103 V 1 MV = 1 000 000 V = 1 · 106 V 5 2 Q Das Berühren von Spannungen über 50 V kann tödlich sein (Seite 340). 3 EIN 2 AUS 1 40 µV 1,5 V 12 V 230 V 400 V 220 kV, 380 kV bis 1000 MV 12V 9V 6V 3V 0V Masse Bild 2: Potenziale Spannung als Potenzialdifferenz U21 = j2 – j1 Eine Potenzialdifferenz ist Spannung. 1 Spannung [U] = Nm = VAs = V C As W U= Q 2.4.3 Potenzial Die verschiedenen Ausgangsspannungen eines Netzgerätes (Bild 2) bestehen zwischen dem jeweiligen Ausgang, z. B. 5, und dem Bezugspunkt 1 mit 0 V (Bild 2). Eine Spannung, die auf einen bestimmten Punkt, z. B. auf 0 V, bezogen ist, nennt man Potenzial f. Man sagt, ein Punkt liegt auf einem bestimmten Potenzial, z. B. Punkt 4 liegt auf dem Potenzial f = 9 V. Zwischen zwei Punkten mit unterschiedlichen Potenzialen herrscht eine Spannung. Zwischen Punkt 4 mit dem Potenzial f4 = 9 V und Punkt 3 mit dem Potenzial f3 = 6 V besteht eine Spannung von U43 = f4 – f3 = 9 V – 6 V = 3 V. F2 = 2 • F1 12 V 2.4.2 Spannung am Verbraucher F2 = 2 • F1 c) doppelte mechanische Spannung gegenüber b) Die erzeugte Spannung U ist die bei der Ladungsverschiebung aufgewendete Arbeit W pro Ladung Q (Formelkasten rechts). Wird ein Verbraucher an eine Spannungsquelle angeschlossen, gleichen sich die in der Spannungsquelle getrennten Ladungen über den Verbraucher aus. Die zuvor bei der Ladungstrennung gespeicherte Energie wird im Verbraucher in Arbeit umgesetzt und man kann am Verbraucher eine Spannung (Bild 3, Seite 30) messen. - + 3V Der Vergleich mit der mechanischen Spannung in einem Gummiband kann die elektrische Spannung veranschaulichen. Man stellt sich eine positive und eine negative Ladung als zwei Kugeln, befestigt an den beiden Enden eines Gummibandes vor. Sind die beiden Kugeln (Ladungen) dicht beieinander, besteht keine Spannung im Gummiband (Bild 1a). Zieht man mit einer Kraft F die Kugeln (Ladungen) auseinander, herrscht eine Spannung im Gummiband (Bild 1b). Erhöht man die Kraft, zum Auseinanderziehen der Kugeln, steigt die Spannung im Gummiband (Bild 1c). Trennt man nun zwei Kugelpaare mit der gleichen Kraft wie zuvor, können sie nur noch halb so weit auseinandergezogen werden, im Gummiband herrscht nur noch die halbe Spannung (Bild 1d). Die Spannung ist umso größer, je mehr Arbeit zur Trennung pro Kugel (Ladung) aufgewendet wurde. F1 - 9V Durch Ladungstrennung wird Spannung erzeugt. Getrennte Ladungen haben das Bestreben, sich auszugleichen. + 6V In Spannungsquellen werden elektrische Ladungen voneinander getrennt. Dabei entsteht an einem Pol der Spannungsquelle ein Elektronenüberschuss und an dem anderen Pol ein Elektronenmangel. Der Pol mit Elektronenüberschuss ist negativ geladen und wird Minuspol genannt, der Pol mit Elektronenmangel ist positiv geladen und wird Pluspol genannt. Zwischen Pluspol und Minuspol einer Spannungsquelle kann man eine Spannung messen (Bild 2, Seite 30). Bei der Ladungstrennung werden Ladungen verschoben. Da zwischen ungleichartigen Ladungen Anziehungskräfte wirken, muss dazu Arbeit verrichtet werden. Diese Arbeit ist als Energie in den Ladungen gespeichert. - + a) keine mechanische Spannung 3V 2.4 Elektrische Spannung, Potenzial U Spannung j Potenzial
