Grundwissen Elektrotechnik und Elektronik eine leicht verständliche Einführung : 117 Aufgaben mit Lösungswegen

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Bibliographische Detailangaben
Vorheriger Titel:Stiny, Leonhard Grundwissen Elektrotechnik
1. Verfasser: Stiny, Leonhard (VerfasserIn)
Format: Buch
Sprache:German
Veröffentlicht: Wiesbaden Springer Vieweg [2018]
Ausgabe:7., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage
Schriftenreihe:Lehrbuch
Schlagworte:
Grundlage
Elektrotechnik
Elektronik
Elektrizitätslehre
Einführung
Lehrbuch
Online-Zugang:Inhaltsverzeichnis
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adam_text 1 ELEKTRISCHER S T R O M ....................................................................................... 1 1.1 DER AUFBAU DER MATERIE......................................................................... 2 1.1.1 STOFFE....................................................................................... 2 1.1.2 ZUSAMMENFASSUNG: STOFFE...................................................... 3 1.1.3 BEISPIEL ZUR ZERLEGUNG DER M A TE RIE ...................................... 4 1.1.4 DENKMODELL FUER ATOM UND M OLEKUEL ...................................... 4 1.1.5 DER ATOMBAU.......................................................................... 6 1.1.6 ZUSAMMENFASSUNG: DER A TOM BAU......................................... 8 1.2 ELEKTRISCHE LADUNG UND ELEKTRISCHER STROM .......................................... 9 1.2.1 ELEKTRISCHE L ADUNG................................................................ 9 1.2.2 ELEKTRISCHER STROM ................................................................... 10 1.3 NICHTLEITER, LEITER UND H ALBLEITER ......................................................... 11 1.4 WIDERSTAND UND LEITFAEHIGKEIT .............................................................. 12 1.5 ELEKTRISCHE SPANNUNG........................................................................... 13 1.6 ZUSAMMENFASSUNG: DER ELEKTRISCHE S TRO M .......................................... 15 1.7 H ALBLEITER............................................................................................ 16 1.7.1 ELEKTRIZITAETSLEITUNG IN FESTEN STOFFEN (WIEDERHOLUNG) .......... 16 1.7.2 ZUSAMMENFASSUNG: HALBLEITER .............................................. 21 2 DER UNVERZWEIGTE GLEICHSTROMKREIS ........................................................... 23 2.1 GROESSEN IM GLEICHSTROMKREIS................................................................. 23 2.1.1 ALLGEMEINES ZU PHYSIKALISCHEN GROESSEN UND EINHEITEN .......... 23 2.1.2 DIE GROESSE FUER DEN ELEKTRISCHEN STROM ..................................... 27 2.1.3 DIE GROESSE FUER DIE ELEKTRISCHE S PANNUNG............................... 31 2.1.4 DIE GROESSE FUER DEN ELEKTRISCHEN W IDERSTAND........................... 32 2.1.5 ZUSAMMENFASSUNG: GROESSEN IM GLEICHSTROMKREIS ................... 33 2.2 DAS OHM*SCHE G ESETZ.......................................................................... 34 2.2.1 AUSSAGE DES OHMSCHEN GESETZES ........................................... 34 2.2.2 RECHNEN MIT DEM OHMSCHEN G ESETZ ...................................... 35 2.2.3 GRAFISCHE DARSTELLUNG DES OHMSCHEN GESETZES .................... 36 2.2.4 ZUSAMMENFASSUNG: DAS OHMSCHE GESETZ............................... 37 2.3 DEFINITIONEN.......................................................................................... 37 2.3.1 GLEICHSTROM, GLEICHSPANNUNG, WECHSELSTROM, WECHSEL SPANNUNG................................................................... 37 2.3.2 VERBRAUCHER............................................................................. 38 2.3.3 REIHENSCHALTUNG..................................................................... 39 2.3.4 PARALLELSCHALTUNG..................................................................... 39 2.3.5 UNVERZWEIGTER UND VERZWEIGTER STROM KREIS.......................... 39 2.3.6 SCHALTZEICHEN UND SCHALTBILD................................................. 40 2.3.7 WERTE VON STROEMEN UND SPANNUNGEN IN SCHALTBILDERN ........... 42 2.3.8 KURZSCHLUSS............................................................................. 46 2.3.9 PASSIVE BAUELEM ENTE ............................................................. 47 2.3.10 AKTIVE BAUELEMENTE................................................................ 47 2.3.11 ZUSAMMENFASSUNG: DEFINITIONEN ........................................... 47 2.4 ARBEIT UND LEISTUNG............................................................................. 48 2.4.1 ELEKTRISCHE A RBEIT.................................................................... 48 2.4.2 ELEKTRISCHE LEISTUNG ............................................................. 49 2.5 WIRKUNGSGRAD....................................................................................... 51 2.6 DIE STROM DICHTE.................................................................................. 53 2.6.1 HOMOGENER STROMFLUSS........................................................... 53 2.6.2 INHOMOGENER STROMFLUSS ........................................................ 55 2.6.3 PRAKTISCHE BEDEUTUNG DER STROM DICHTE ................................. 56 3 LINEARE BAUELEMENTE IM GLEICHSTROM KREIS ................................................ 59 3.1 DEFINITION DES BEGRIFFES *LINEAR* ........................................................ 59 3.2 DER OHMSCHE WIDERSTAND..................................................................... 61 3.2.1 WIRKUNGSWEISE DES W IDERSTANDES......................................... 62 3.2.2 SPEZIFISCHER W IDERSTAND ........................................................ 63 3.2.3 VERWENDUNGSZWECK VON WIDERSTAENDEN ................................. 67 3.2.4 WIDERSTAND ALS BAUELEM ENT................................................... 69 3.2.5 ZUSAMMENFASSUNG: DER OHMSCHE WIDERSTAND ....................... 78 3.3 DER KONDENSATOR.................................................................................. 79 3.3.1 WIRKUNGSWEISE DES KONDENSATORS......................................... 79 3.3.2 GROESSE FUER DIE KAPAZITAET ........................................................ 80 3.3.3 PLATTENKONDENSATOR................................................................ 81 3.3.4 DIELEKTRIKUM.......................................................................... 83 3.3.5 VERWENDUNGSZWECK VON KONDENSATOREN............................... 86 3.3.6 KONDENSATOR ALS B AUELEM ENT ................................................ 90 3.3.7 KENNGROESSEN VON KONDENSATOREN ........................................... 92 3.3.8 ELEKTRISCHES FELD .................................................................. 93 3.3.9 ZUSAMMENFASSUNG: DER KONDENSATOR.................................... 96 3.4 DIE SPULE ............................................................................................ 96 3.4.1 GRUNDLAGEN DES MAGNETISMUS ................................................. 96 3.4.2 ZUSAMMENFASSUNG: GRUNDLAGEN DES MAGNETISMUS ............... 99 3.4.3 ELEKTROMAGNETISMUS ............................................................. 99 3.4.4 WIRKUNGSWEISE DER S P U LE ........................................................ 102 3.4.5 AUFBAU DER S P U LE ..................................................................... 113 3.4.6 VERWENDUNGSZWECK VON S P U LE N .............................................. 115 3.4.7 SPULE ALS BAUELEMENT................................................................ 116 3.4.8 KENNGROESSEN VON S P U LE N ........................................................... 116 3.4.9 MAGNETISCHE K REISE...................................................................117 3.5 ZUSAMMENFASSUNG: DIE S PULE.................................................................124 4 GLEICHSPANNUNGSQUELLEN..................................................................................127 4.1 PRIMAERELEMENTE (GALVANISCHE ELEMENTE, BATTERIEN) ............................... 128 4.1.1 WIRKUNGSWEISE DES GALVANISCHEN ELEMENTS ............................ 128 4.1.2 BATTERIEN .................................................................................... 129 4.2 SEKUNDAERELEMENTE (AKKUMULATOREN)......................................................130 4.2.1 DER BLEIAKKUMULATOR................................................................ 130 4.2.2 NICKEL-CADMIUM-AKKUMULATOREN............................................130 4.2.3 NICKEL-METALLHYDRID-UND LITHIUM-IONEN-AKKUMULATOREN . . 131 4.2.4 TECHNISCHE EIGENSCHAFTEN VON AKKUMULATOREN ....................... 131 4.3 NETZGERAETE...............................................................................................132 4.4 STOERUNGSFREIE VERSORGUNG MIT GLEICHSPANNUNG ...................................... 133 4.5 DIE BELASTETE GLEICHSPANNUNGSQUELLE......................................................135 4.5.1 REALE SPANNUNGSQUELLE ............................................................. 135 4.5.2 ERMITTLUNG DES INNENWIDERSTANDES ........................................... 137 4.5.3 KURZSCHLUSSSTROM..................................................................... 138 4.5.4 L EERLAUF.................................................................................... 139 4.5.5 ANPASSUNGEN.............................................................................139 4.6 STROMQUELLE............................................................................................ 141 4.7 ZUSAMMENFASSUNG: GLEICHSPANNUNGSQUELLEN ......................................... 142 5 BERECHNUNGEN IM UNVERZWEIGTEN G LEICHSTROM KREIS....................................145 5.1 REIHEN-UND PARALLELSCHALTUNG VON ZWEIPOLEN ...................................... 145 5.2 REIHENSCHALTUNG VON OHMSCHEN WIDERSTAENDEN ...................................... 146 5.3 REIHENSCHALTUNG VON KONDENSATOREN......................................................151 5.4 REIHENSCHALTUNG VON SPULEN .................................................................. 153 5.5 REIHENSCHALTUNG VON GLEICHSPANNUNGSQUELLEN ...................................... 153 5.6 REIHENSCHALTUNG VON WIDERSTAENDEN, KONDENSATOREN UND SPULEN .... 154 5.6.1 ZUSAMMENFASSUNG VON BAUELEMENTEN........................................154 5.6.2 REIHENSCHALTUNG VON KONDENSATOR UND R ODER L .....................154 5.6.3 REIHENSCHALTUNG EINER SPULE MIT R ODER C ...............................154 5.7 REIHENSCHALTUNG IN DER PRAXIS................................................................ 155 5.7.1 ERSATZ VON B AUTEILEN ................................................................. 155 5.7.2 VORWIDERSTAND...........................................................................155 5.7.3 SPANNUNGSABFALL AN L EITUNGEN ................................................. 156 5.7.4 SPANNUNGSTEILER........................................................................ 157 5.8 ZUSAMMENFASSUNG: BERECHNUNGEN IM UNVERZWEIGTEN GLEICHSTROMKREIS 157 6 MESSUNG VON SPANNUNG UND S TRO M ................................................................ 159 6.1 VOLTMETER UND AMPEREMETER................................................................... 159 6.2 ERWEITERUNG DES MESSBEREICHES EINES VOLTMETERS..................................163 6.3 INDIREKTE MESSUNG VON WIDERSTAND UND LEISTUNG...................................164 7 SCHALTVORGAENGE IM UNVERZWEIGTEN GLEICHSTROMKREIS .................................... 165 7.1 SCHALTVORGANG BEIM OHMSCHEN WIDERSTAND............................................166 7.1.1 WIDERSTAND EINSCHALTEN..............................................................166 7.1.2 WIDERSTAND AUSSCHALTEN..............................................................166 7.2 SCHALTVORGANG BEIM KONDENSATOR ........................................................... 167 7.2.1 KONDENSATOR LADEN (EINSCHALTEN) .............................................. 167 7.2.2 KONDENSATOR AUSSCHALTEN ........................................................... 169 7.2.3 KONDENSATOR ENTLADEN ................................................................ 170 7.2.4 EXPONENTIALFUNKTION VON SPANNUNG UND S TRO M ....................... 171 7.3 SCHALTVORGANG BEI DER S P U LE ...................................................................175 7.3.1 SPULE EINSCHALTEN ..................................................................... 175 7.3.2 SPULE AUSSCHALTEN (MIT ABSCHALT-INDUKTIONSSTROMKREIS) .... 177 7.3.3 SPULE AUSSCHALTEN (OHNE ABSCHALT-INDUKTIONSSTROMKREIS) . . . 179 7.3.4 ZEITVERLAUF VON SPANNUNG UND S TRO M .......................................182 7.4 ZUSAMMENFASSUNG: SCHALTVORGAENGE IM UNVERZWEIGTEN GLEICHSTROMKREIS.....................................................................................183 8 DER VERZWEIGTE G LEICHSTROM KREIS...................................................................185 8.1 DIE KIRCHHOFPSEHEN GESETZE ................................................................ 186 8.1.1 DIE KNOTENREGEL (1. KIRCHHOFF*SCHES G E SE TZ ) .......................... 186 8.1.2 DIE MASCHENREGEL (2. KIRCHHOFF*SCHES G E SE TZ ) ........................ 187 8.2 BERECHNUNG VON PARALLELSCHALTUNGEN...................................................... 188 8.2.1 PARALLELSCHALTUNG VON OHMSCHEN W IDERSTAENDEN ....................... 188 8.2.2 DIE STROMTEILERREGEL...................................................................190 8.2.3 PARALLELSCHALTUNG VON KONDENSATOREN.......................................192 8.2.4 PARALLELSCHALTUNG VON S P U LEN ................................................... 192 8.2.5 PARALLELSCHALTUNG VON GLEICHSPANNUNGSQUELLEN ....................... 193 8.3 PARALLELSCHALTUNG IN DER PRAXIS ................................................................ 194 8.3.1 ERSATZ VON B AUTEILEN ................................................................ 194 8.3.2 ERWEITERUNG DES MESSBEREICHES EINES AMPEREMETERS .......... 194 8.3.3 DER BELASTETE SPANNUNGSTEILER ................................................... 196 8.3.4 BERECHNUNG DES BELASTETEN SPANNUNGSTEILERS.............................197 8.4 GEMISCHTE SCHALTUNGEN .......................................................................... 199 8.5 STERN-DREIECK- UND DREIECK-STEM-UMWANDLUNG ................................. 201 8.6 UMWANDLUNG VON Q UELLEN.....................................................................204 8.7 ANALYSE VON NETZWERKEN ....................................................................... 205 8.7.1 DIE MASCHENANALYSE................................................................207 8.7.2 DIE KNOTENANALYSE .................................................................. 214 8.7.3 DER UEBERLAGERUNGSSATZ ............................................................. 217 8.7.4 DER SATZ VON DER ERSATZSPANNUNGSQUELLE ................................. 220 8.7.5 BESTIMMUNG DES INNENWIDERSTANDES EINES NETZWERKES .... 226 8.8 V IERPOLE.................................................................................................228 8.9 ZUSAMMENFASSUNG: DER VERZWEIGTE GLEICHSTROMKREIS ......................... 229 9 WECHSELSPANNUNG UND W ECHSELSTROM ........................................................ 231 9.1 GRUNDLEGENDE BETRACHTUNGEN................................................................231 9.2 ENTSTEHUNG DER SINUSKURVE, LINIENDIAGRAMM.........................................238 9.3 RELEVANZ SINUSFOERMIGER WECHSELGROESSEN ................................................ 240 9.4 KENNWERTE VON WECHSELGROESSEN ............................................................. 242 9.4.1 PERIODENDAUER..........................................................................242 9.4.2 FREQUENZ ................................................................................. 242 9.4.3 KREISFREQUENZ ..........................................................................243 9.4.4 WELLENLAENGE............................................................................... 244 9.4.5 AMPLITUDE..................................................................................244 9.4.6 SPITZE-SPITZE-WERT .................................................................. 245 9.4.7 EFFEKTIVWERT ............................................................................ 245 9.4.8 GLEICHRICHTWERT ....................................................................... 249 9.4.9 NULLPHASENWINKEL.....................................................................252 9.4.10 PHASENVERSCHIEBUNG.................................................................. 253 9.5 ZUSAMMENFASSUNG: KENNWERTE VON WECHSELGROESSEN...............................256 9.6 ZEIGERDIAGRAMM.................................................................................... 257 9.6.1 ZEIGERDARSTELLUNG VON SINUSGROESSEN.........................................257 9.6.2 PHASENVERSCHIEBUNGSWINKEL IM ZEIGERDIAGRAMM .................... 261 9.7 ZUSAMMENFASSUNG: ZEIGERDIAGRAMM ..................................................... 262 9.8 ZUSAMMENSETZUNG VON WECHSELSPANNUNGEN.........................................263 9.9 OBERSCHWINGUNGEN ...............................................................................266 9.9.1 FOURIER-REIHEN..........................................................................267 9.9.2 BEISPIEL ZUR FOURIER-ANALYSE...................................................271 9.9.3 BEDEUTUNG DER FOURIER-ANALYSE ................................................ 274 9.9.4 KLIRRFAKTOR ................................................................................. 275 10 KOMPLEXE DARSTELLUNG VON SINUSGROESSEN ..................................................... 277 10.1 GRUNDBEGRIFFE DER KOMPLEXEN R ECHNUNG .............................................. 277 10.1.1 RECHENREGELN FUER IMAGINAERE Z A H LEN .......................................... 282 10.1.2 RECHENREGELN FUER KOMPLEXE Z A H LE N ......................................... 282 10.1.3 VORTEILE KOMPLEXER ZAHLEN.........................................................287 10.1.4 SINUSFOERMIGE WECHSELSPANNUNG IN KOMPLEXER DARSTELLUNG . . 290 10.1.5 DER KOMPLEXE WIDERSTAND.........................................................296 10.2 ZUSAMMENFASSUNG: KOMPLEXE DARSTELLUNG VON SINUSGROESSEN ............. 299 11 EINFACHE WECHSELSTROMKREISE ........................................................................ 301 11.1 OHM*SCHER WIDERSTAND IM WECHSELSTROMKREIS .................................... 302 11.2 SPULE IM WECHSELSTROMKREIS ................................................................ 305 11.3 KONDENSATOR IM WECHSELSTROMKREIS...................................................... 308 11.4 REIHENSCHALTUNG AUS OHMSCHEM WIDERSTAND UND S P U LE .....................312 11.4.1 KOMPLEXER FREQUENZPARAMETER ............................................312 11.4.2 ANWENDUNG VON § BEI DER RL-REIHENSCHALTUNG.......................313 11.5 REIHENSCHALTUNG AUS OHMSCHEM WIDERSTAND UND KONDENSATOR .......... 319 11.6 RC-REIHENSCHALTUNG IN DER P R A X IS .........................................................322 11.6.1 DIE UEBERTRAGUNGSFUNKTION.........................................................322 11.6.2 VERSTAERKUNGSMASS, DEZIBEL.........................................................326 11.6.3 BODE-DIAGRAMM........................................................................ 327 11.6.4 DAEMPFUNG.................................................................................. 328 11.6.5 GRENZFREQUENZ .......................................................................... 329 11.6.6 NORMIERTE UEBERTRAGUNGSFUNKTION..............................................329 11.6.7 DER RC-TIEFPASS........................................................................330 11.6.8 BODE-DIAGRAMME MIT M ATHCAD.................................................334 11.6.9 FILTERUNG EINES GESTOERTEN SINUSSIGNALS ...................................... 337 11.6.10 DER RC-HOCHPASS ..................................................................... 338 11.7 REIHENSCHALTUNG AUS SPULE, WIDERSTAND UND KONDENSATOR .................. 341 11.8 PARALLELSCHALTUNG AUS WIDERSTAND UND S P U LE ......................................... 342 11.9 PARALLELSCHALTUNG AUS WIDERSTAND UND KONDENSATOR ............................ 343 11.10 BODE-DIAGRAMM MIT EXCEL-TOOL........................................................... 344 11.11 ZUSAMMENFASSUNG: EINFACHE WECHSELSTROMKREISE ................................. 344 12 ERSATZSCHALTUNGEN FUER B AUELEM ENTE..............................................................347 12.1 DIE ELEKTRISCHE LEITUNG .......................................................................... 348 12.2 WIDERSTAND MIT EIGENKAPAZITAET UND EIGENINDUKTIVITAET ....................... 349 12.3 VERLUSTE IN S P U LE N .................................................................................. 349 12.3.1 WICKLUNGSVERLUSTE ..................................................................... 349 12.3.2 VERLUSTE DURCH DEN SKINEFFEKT ................................................... 350 12.3.3 HYSTERESEVERLUSTE ..................................................................... 351 12.3.4 WIRBELSTROMVERLUSTE...................................................................352 12.4 VERLUSTE IM KONDENSATOR........................................................................352 12.5 ZUSAMMENFASSUNG: ERSATZSCHALTUNGEN FUER BAUELEMENTE ....................... 353 13 LEISTUNG IM W ECHSELSTROM KREIS.....................................................................355 13.1 REINE WIRKLEISTUNG ...............................................................................355 13.2 REINE BLINDLEISTUNG...............................................................................356 13.3 WIRK- UND BLINDLEISTUNG ....................................................................... 359 13.4 SCHEINLEISTUNG ...................................................................................... 360 13.5 BLINDLEISTUNGSKOMPENSATION.................................................................. 361 13.6 ZUSAMMENFASSUNG: LEISTUNG IM WECHSELSTROMKREIS ............................ 364 14 TRANSFORMATOREN (UE BERTRAGER)....................................................................... 365 14.1 GRUNDPRINZIP......................................................................................... 365 14.2 TRANSFORMATOR MIT EISENKERN.................................................................. 366 14.3 DER VERLUSTLOSE, STREUFREIE TRANSFORMATOR..............................................368 14.3.1 TRANSFORMATION DER SPANNUNGEN..............................................369 14.3.2 TRANSFORMATION DER STROMSTAERKEN..............................................369 14.3.3 TRANSFORMATION DES W IDERSTANDES ........................................... 370 14.4 DER VERLUSTLOSE TRANSFORMATOR MIT STREUUNG ......................................... 371 14.5 DER REALE TRANSFORMATOR ....................................................................... 373 14.6 FREQUENZVERHALTEN DES NF-UEBERTRAGERS ................................................ 373 14.7 UEBERTRAGER ZWISCHEN OHMSCHEN WIDERSTAENDEN ...................................... 374 14.7.1 IDEALER UEBERTRAGER UNTER VERNACHLAESSIGUNG DER WICKLUNGSWIDERSTAENDE.............................................................374 14.7.2 IDEALER UEBERTRAGER MIT WICKLUNGSWIDERSTAENDEN ....................... 375 14.8 SPEZIELLE AUSFUEHRUNGEN VON TRANSFORMATOREN ...................................... 379 14.9 ZUSAMMENFASSUNG: TRANSFORMATOREN (UE BERTRAGER) .............................. 379 15 SCHWINGKREISE .................................................................................................381 15.1 REIHENSCHWINGKREIS OHNE VERLUSTE........................................................381 15.2 REIHENSCHWINGKREIS MIT VERLUSTEN........................................................384 15.3 PARALLELSCHWINGKREIS OHNE VERLUSTE........................................................396 15.4 PARALLELSCHWINGKREIS MIT VERLUSTEN........................................................398 15.5 ZEITVERHALTEN ELEKTRISCHER SCHWINGKREISE .................................. 409 15.6 GRUNDSAETZLICHE KOPPLUNGSARTEN.............................................................409 15.6.1 GALVANISCHE KOPPLUNG.............................................................410 15.6.2 INDUKTIVE KOPPLUNG..................................................................410 15.6.3 KAPAZITIVE KOPPLUNG ............................................................... 411 15.6.4 FUSSPUNKTKOPPLUNG ............................................................... 411 15.7 B ANDFILTER........................................................................................... 411 15.8 KOPPLUNGSARTEN BEI BANDFILTEM.............................................................413 15.8.1 TRANSFORMATORISCHE KOPPLUNG...................................................413 15.8.2 INDUKTIVE KOPPLUNG MIT KOPPELSPULE ...................................... 414 15.8.3 KAPAZITIVE KOPFPUNKTKOPPLUNG ................................................ 415 15.8.4 KAPAZITIVE FUSSPUNKTKOPPLUNG ................................................ 415 15.9 ZUSAMMENSCHALTUNG VON SCHWINGKREISEN..............................................416 15.9.1 LC-BANDPASS.............................................................................416 15.9.2 LC-BANDSPERRE.......................................................................... 417 15.10 ZUSAMMENFASSUNG: SCHWINGKREISE ........................................................ 418 16 MEHRPHASENSYSTEME ....................................................................................... 419 16.1 ERZEUGUNG VON DREHSTROM ..................................................................... 419 16.1.1 STERNSCHALTUNG DES G ENERATORS ................................................ 421 16.1.2 DREIECKSCHALTUNG DES GENERATORS..............................................423 16.2 VERBRAUCHER IM DREHSTROMSYSTEM...........................................................424 16.2.1 STERNSCHALTUNG DES VERBRAUCHERS MIT MITTELLEITER .................... 424 16.2.2 STERNSCHALTUNG DES VERBRAUCHERS OHNE M ITTELLEITER .................. 425 16.2.3 DREIECKSCHALTUNG DES VERBRAUCHERS.........................................430 16.3 LEISTUNG BEI DREHSTROM.......................................................................... 432 16.4 ZUSAMMENFASSUNG: MEHRPHASENSYSTEME..............................................434 17 ANALYSE ALLGEMEINER W ECHSELSTROM NETZE ..................................................... 435 18 H ALBLEITERDIODEN.............................................................................................. 449 18.1 DER PN-UEBERGANG OHNE AEUSSERE SPANNUNG..............................................449 18.2 DER PN-UEBERGANG MIT AEUSSERER SPANNUNG ..............................................453 18.2.1 AEUSSERE SPANNUNG IN DURCHLASSRICHTUNG....................................453 18.2.2 AEUSSERE SPANNUNG IN SPERRRICHTUNG .........................................455 18.2.3 VOLLSTAENDIGE KENNLINIE EINES PN-UEBERGANGS ............................ 458 18.3 BESCHREIBUNG DER DIODE DURCH GLEICHUNGEN.........................................460 18.3.1 SHOCKLEY-GLEICHUNG ................................................................460 18.3.2 VEREINFACHUNG FUER DEN DURCHLASSBEREICH ................................. 461 18.3.3 VEREINFACHUNG FUER DEN SPERRBEREICH.........................................462 18.4 LINEARISIERUNG DER DURCHLASSKENNLINIE IN EINEM ARBEITSPUNKT .......... 464 18.4.1 ARBEITSPUNKT ............................................................................ 464 18.4.2 GLEICHSTROMWIDERSTAND ............................................................. 465 18.4.3 WECHSELSTROMWIDERSTAND..........................................................465 18.5 NAEHERUNGEN FUER DIE DIODENKENNLINIE.......................................................466 18.5.1 DIE IDEALE D IODE ....................................................................... 466 18.5.2 BERUECKSICHTIGUNG DER SCHLEUSENSPANNUNG .............................. 467 18.5.3 BERUECKSICHTIGUNG DES BAHNWIDERSTANDES ................................. 467 18.6 KENN- UND GRENZWERTE VON DIODEN........................................................ 475 18.7 SCHALTVERHALTEN VON D IO D E N .................................................................. 475 18.7.1 DIODE EINSCHALTEN.....................................................................476 18.7.2 DIODE AUSSCHALTEN.....................................................................477 18.8 TEMPERATURABHAENGIGKEIT DER DIODENKENNLINIE ...................................... 478 18.8.1 TEMPERATURABHAENGIGKEIT DES SPERRSTROMES .............................. 478 18.8.2 TEMPERATURABHAENGIGKEIT DER DURCHLASSSPANNUNG ................. 480 18.9 DIODE UND VERLUSTLEISTUNG .................................................................. 480 18.10 ARTEN VON D IO D E N ............................................................................... 486 18.10.1 UNIVERSALDIODEN.....................................................................486 18.10.2 SPEZIALDIODEN ....................................................................... 487 18.11 ARBEITSPUNKT UND WIDERSTANDSGERADE ................................................ 503 18.11.1 WIDERSTANDSGERADE, EINFACHE ANLEITUNG ................................. 504 18.11.2 WIDERSTANDSGERADE, RECHNERISCHES VERFAHREN ......................... 506 18.11.3 WIDERSTANDSGERADE, STRAHLENSATZ ........................................... 507 18.11.4 MATHEMATISCHE NAEHERUNGSLOESUNG DURCH ITERATION .................. 508 18.12 ANWENDUNGEN VON DIODEN .................................................................. 512 18.12.1 GLEICHRICHTUNG VON WECHSELSPANNUNGEN .............................. 513 18.12.2 SCHUTZDIODE, FREILAUFDIODE...................................................526 18.12.3 EINGANGSSCHUTZSCHALTUNG EINER BAUGRUPPE ............................ 527 18.12.4 DIODEN IN DER DIGITALTECHNIK ................................. .. ............ 529 18.12.5 BEGRENZUNG EINER WECHSELSPANNUNG ...................................... 531 18.13 ZUSAMMENFASSUNG: HALBLEITERDIODEN...................................................532 19 BIPOLARE TRANSISTOREN ................................................................................. 535 19.1 DEFINITION UND KLASSIFIZIERUNG VON TRANSISTOREN ................................. 535 19.2 AUFBAU DES BIPOLARTRANSISTORS............................................................. 537 19.3 RICHTUNG VON STROEMEN UND SPANNUNGEN BEIM T RANSISTOR .................. 539 19.4 WIRKUNGSWEISE.................................................................................... 540 19.5 DIE DREI GRUNDSCHALTUNGEN DES TRANSISTORS.........................................545 19.6 BETRIEBSARTEN.......................................................................................546 19.6.1 VERSTAERKERBETRIEB.....................................................................546 19.6.2 SCHALTERBETRIEB....................................................................... 547 19.7 KENNLINIEN DES TRANSISTORS.................................................................. 550 19.7.1 EINGANGSKENNLINIE.................................................................. 550 19.7.2 UEBERTRAGUNGSKENNLINIE (STEUERKENNLINIE) .............................. 555 19.7.3 AUSGANGSKENNLINIEN................................................................563 19.7.4 VIERQUADRANTEN-KENNLINIENFELD, ARBEITSPUNKT, LASTGERADE . . 570 19.8 ABHAENGIGKEITEN DER STROMVERSTAERKUNG ................................................ 573 19.8.1 STROMVERSTAERKUNG IN ABHAENGIGKEIT VON ARBEITSPUNKT UND TEMPERATUR ............................................................................ 573 19.8.2 STROMVERSTAERKUNG IN ABHAENGIGKEIT DER GRUNDSCHALTUNG .... 575 19.8.3 STROMVERSTAERKUNG IN ABHAENGIGKEIT DER FREQUENZ, GRENZFREQUENZEN.....................................................................577 19.9 WAHL DES ARBEITSPUNKTES.....................................................................580 19.9.1 ERLAUBTER ARBEITSBEREICH........................................................ 580 19.9.2 BETRIEBSARTEN ALS VERSTAERKER...................................................581 19.10 DIE GRUNDSCHALTUNGEN IM D E TA IL........................................................ 583 19.10.1 DIE EMITTERSCHALTUNG ................................................................ 583 19.10.2 DIE BASISSCHALTUNG...................................................................589 19.10.3 DIE KOLLEKTORSCHALTUNG..............................................................591 19.11 RUECKKOPPLUNG ....................................................................................... 594 19.11.1 ALLGEMEINE FOLGEN DER GEGENKOPPLUNG .................................... 596 19.11.2 EMITTERSTUFE MIT GEGENKOPPLUNG .............................................. 601 19.12 ERSATZSCHALTUNGEN DES TRANSISTORS .........................................................603 19.12.1 DIE FORMALE ERSATZSCHALTUNG ................................................... 604 19.12.2 DIE PHYSIKALISCHE ERSATZSCHALTUNG............................................609 19.13 SPEZIELLE SCHALTUNGEN MIT BIPOLARTRANSISTOREN .................................... 614 19.13.1 DARLINGTON-SCHALTUNG ................................................................ 614 19.13.2 BOOTSTRAP-SCHALTUNG ................................................................ 614 19.13.3 KASKODESCHALTUNG ..................................................................... 615 19.13.4 KONSTANTSTROMQUELLE................................................................ 616 19.13.5 DIFFERENZVERSTAERKER...................................................................618 19.13.6 SELEKTIV VERSTAERKER ..................................................................... 621 19.13.7 OSZILLATOREN ............................................................................... 621 19.14 DER TRANSISTOR ALS SCHALTER...................................................................623 19.14.1 SCHALTTRANSISTOR IM SPERRZUSTAND .............................................. 624 19.14.2 SCHALTTRANSISTOR IM DURCHLASSZUSTAND ...................................... 625 19.14.3 DYNAMISCHES SCHALTVERHALTEN ................................................... 626 19.14.4 VERKUERZUNG DER SCHALTZEITEN......................................................628 19.14.5 BEISPIELE FUER DIE ANWENDUNG VON SCHALTTRANSISTOREN ............... 628 19.15 TRANSISTOREN IN DER DIGITALTECHNIK........................................................... 635 19.15.1 KODES, LOGISCHE FUNKTIONEN, SCHALTALGEBRA ............................ 635 19.15.2 SCHALTUNGSTECHNISCHE REALISIERUNG DER LOGISCHEN GRUNDFUNKTIONEN........................................................................641 19.16 ZUSAMMENFASSUNG: BIPOLARE TRANSISTOREN .............................................. 647 20 FELDEFFEKTTRANSISTOREN.................................................................................. 651 20.1 BEZEICHNUNGEN UND KLASSIFIZIERUNG ......................................................651 20.2 SPERRSCHICHT-FET (JFET) MIT N-KANAL ................................................... 655 20.2.1 AUFBAU UND A RBEITSW EISE ........................................................ 655 20.2.2 KENNLINIEN UND ARBEITSBEREICHE DES JFETS ............................ 657 20.3 ISOLIERSCHICHT-FET (MOSFET) MIT N -K A N A L ......................................... 661 20.3.1 AUFBAU UND A RBEITSW EISE ........................................................ 661 20.3.2 KENNLINIEN UND ARBEITSBEREICHE DES MOSFETS ....................... 664 20.4 SCHALTUNGSTECHNIK MIT FETS (BEISPIELE).................................................667 20.4.1 DIE DREI GRUNDSCHALTUNGEN DES FELDEFFEKTTRANSISTORS ............... 667 20.4.2 VERSTAERKERBETRIEB........................................................................668 20.4.3 BETRIEB ALS STEUERBARER WIDERSTAND............................................670 20.4.4 KONSTANTSTROMQUELLE MIT F E T ................................................... 671 20.4.5 DER FET ALS SCHALTER................................................................671 20.4.6 INVERSDIODE...............................................................................672 20.4.7 LOWSIDE-, HIGHSIDE-SCHALTER................................................... 673 20.5 ZUSAMMENFASSUNG: FELDEFFEKTTRANSISTOREN ............................................680 21 OPERATIONSVERSTAERKER....................................................................................... 683 21.1 BEGRIFFE, ANWENDUNGSBEREICHE............................................................. 683 21.2 INTERNER AUFBAU VON OPERATIONSVERSTAERKERN ........................................... 684 21.3 EIGENSCHAFTEN DES OPERATIONSVERSTAERKERS..............................................686 21.3.1 LEERLAUFSPANNUNGS VERSTAERKUNG ................................................ 686 21.3.2 EINGANGSWIDERSTAENDE, EINGANGSSTROEME....................................687 21.3.3 AUSGANGS WIDERSTAND................................................................687 21.3.4 UEBERTRAGUNGSKENNLINIE............................................................. 687 21.3.5 GLEICHTAKTVERSTAERKUNG, GLEICHTAKTUNTERDRUECKUNG .................... 689 21.3.6 OFFSETSPANNUNG ....................................................................... 690 21.3.7 FREQUENZVERHALTEN.....................................................................691 21.3.8 SPRUNGVERHALTEN....................................................................... 694 21.4 DER IDEALE OPERATIONSVERSTAERKER............................................................. 695 21.5 EINSATZ VON OPERATIONSVERSTAERKERN........................................................696 21.5.1 BESCHAEL TETER OPERATIONSVERSTAERKER ........................................... 696 21.5.2 GRUNDSCHALTUNGEN.....................................................................701 21.5.3 ANWENDUNGSBEISPIELE ............................................................. 711 21.6 ZUSAMMENFASSUNG: OPERATIONSVERSTAERKER..............................................717 LISTE VERWENDETER FORMELZEICHEN..........................................................................719 L ITERATUR.................................................................................................................. 725 SACHVERZEICHNIS 727
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