Helmut Lindner, Harry Brauer, Constans Lehmann
Taschenbuch der Elektrotechnik und Elektronik
Größen und Einheiten
2
1 Gleichstrom
25
1.1 Grundgrößen und Grundbegriffe
25
1.1.1 Elektrische Ladung
25
1.1.2 Elektrischer Strom
25
1.1.3 Elektrische Spannung und Potenzial
26
1.1.4 Elektrischer Widerstand
28
1.1.5 Ohm’sches Gesetz
32
1.1.6 Elektrische Arbeit und Leistung
33
1.2 Zusammengesetzte Widerstände
34
1.2.1 Reihenschaltung von Widerständenund Spannungsteilung
34
1.2.2 Parallelschaltung von Widerständen und Stromteilung
35
1.2.3 Gemischte Schaltung von Widerständen
36
1.2.4 Dreieck-Stern-Umwandlung
36
1.3 Stromkreise und Netzwerke
37
1.3.1 Grundstromkreis
37
1.3.2 Kirchhoff’sche Regeln
40
1.3.3 Berechnung von Netzwerken
41
1.3.4 Belasteter Spannungsteiler
46
1.4 Messung der elektrischen Grundgrößen
48
1.4.1 Messung von Spannung und Strom
48
1.4.2 Messung des Widerstandes
49
1.4.3 Messung der Leistung
51
2 Elektrische und magnetische Felder
53
2.1 Elektrostatisches Feld
53
2.1.1 Elektrische Feldstärke
53
2.1.2 Influenz
54
2.1.3 Verschiebungsdichte und Verschiebungsfluss
54
2.1.4 Dielektrikum
55
2.1.5 Kondensatoren
56
2.1.6 Kräfte im elektrischen Feld
61
2.1.7 Energie im elektrischen Feld
63
2.1.8 Piezoelektrischer Effekt
64
2.1.9 Thermoelektrischer Effekt
65
2.1.10 Lichtelektrischer Effekt
66
2.2 Stationäres elektrisches Strömungsfeld
67
2.2.1 Strömungsfeld
67
2.2.2 Stromdichte
67
2.2.3 Stromdichte und Feldstärke
69
2.2.4 Feldstärke und Potenzial
70
2.3 Magnetisches Feld
70
2.3.1 Magnetische Feldstärke
70
2.3.2 Magnetische Flussdichte
75
2.3.3 Magnetischer Fluss und Streuung
75
2.3.4 Permeabilität
76
2.3.5 Magnetismus des Eisens
77
2.3.6 Arten magnetischer Werkstoffe
79
2.3.7 Ohm’sches Gesetz des magnetischen Kreises
81
2.3.8 Eisengefüllte magnetische Kreise
82
2.3.9 Induktionsgesetz
86
2.3.10 Selbstinduktion
92
2.3.11 Gegeninduktivität und induktive Kopplung
94
2.4 Kräfte und Energie im Magnetfeld
95
2.4.1 Kraft auf eine bewegte elektrische Ladung
95
2.4.2 Kraft auf geradlinige Stromleiter
96
2.4.3 Kraft zwischen zwei parallelen Stromleitern
96
2.4.4 Prinzip des Gleichstrommotors
97
2.4.5 Energie des magnetischen Feldes
98
2.4.6 Schaltvorgänge mit Induktivitäten
101
2.4.7 Hall-Effekt
103
2.4.8 Elektromagnetische Verträglichkeit
105
3 Wechselstrom
107
3.1 Grundgrößen und Grundbegriffe
107
3.1.1 Vorteile des Wechselstroms gegenüber Gleichstrom
107
3.1.2 Kenngrößen sinusförmiger Wechselgrößen
107
3.1.3 Zeiger- und Liniendiagramm
108
3.1.4 Addition phasenverschobener Wechselgrößengleicher Frequenz
109
3.1.5 Mittelwerte sinusförmiger Wechselgrößen
110
3.1.6 Scheitel- und Formfaktor
112
3.2 Widerstände im Wechselstromkreis
114
3.2.1 Wirkwiderstand
114
3.2.2 Induktiver Widerstand
114
3.2.3 Kapazitiver Widerstand
115
3.3 Komplexe Wechselgrößen
116
3.3.1 Grundlagen
117
3.3.2 Arithmetik
117
3.4 Schaltungen von Widerständenim Wechselstromkreis
118
3.4.1 Reihenschaltungen
118
3.4.2 Parallelschaltungen
121
3.4.3 Darstellung komplexer Größen in Wechselstromkreisen
123
3.4.4 Umwandlung von Schaltungen
125
3.5 Leistung und Arbeit im Wechselstromkreis
127
3.5.1 Augenblicksleistung
127
3.5.2 Mittlere Leistung
128
3.5.3 Leistungsfaktor
131
3.5.4 Wirk-, Blind- und Gesamtstrom
132
3.5.5 Verbesserung des Leistungsfaktors
132
3.5.6 Leistung in komplexer Schreibweise
133
3.5.7 Messung der Wechselstromleistung
134
4 Besondere Wechselstromkreise
139
4.1 Zusammengesetzte Schaltungen
139
4.1.1 Komplexer Spannungs- und Stromteiler
139
4.1.2 Gemischte Schaltungen
141
4.2 Frequenzverhalten von Wechselstromkreisen
145
4.2.1 Verluste in Wechselstromkreisen
145
4.2.2 Reihenresonanz
147
4.2.3 Parallelresonanz
151
4.2.4 Übertragungsfunktion von Vierpolen
154
4.2.5 Filter
155
4.3 Spule mit Eisen
159
4.3.1 Eisenverluste
159
4.3.2 Kupferverluste
161
4.3.3 Induktiver Spannungsabfall
161
4.3.4 Ersatzschaltbild der Spule mit Eisenkern
162
4.3.5 Drosselspule mit Gleichstromvormagnetisierung
163
4.4 Transformator
164
4.4.1 Arten der Transformatoren
164
4.4.2 Idealer Transformator
165
4.4.3 Realer belasteter Transformator
166
4.4.4 Grundgleichungen des Transformatorsin komplexer Form
167
4.4.5 T-Ersatzschaltung des Transformators
167
4.4.6 Reduzierte Ersatzschaltung
168
4.4.7 Vereinfachtes Zeigerdiagramm des Starkstromtransformators
169
4.4.8 Kapp-Diagramm
170
4.4.9 Verluste und Wirkungsgrad des Transformators
171
4.4.10 Spartransformator
172
4.5 Dreiphasenstrom
173
4.5.1 Erzeugung des Dreiphasenstromes
173
4.5.2 Arten der Verkettung
174
4.5.3 Leistung des Drehstromes
176
4.5.4 Drehstromtransformator
177
4.6 Inversion komplexer Wechselgrößen
179
4.6.1 Inversion eines einzelnen Zeigers
179
4.6.2 Wahl des Maßstabs
181
4.6.3 Inversion von Punkten, Geraden und Kreisen
181
4.7 Ortskurven
185
4.7.1 Definition
185
4.7.2 Maßstäbe und Maßteilungen
185
4.7.3 Ortskurven von Grundschaltungen
186
4.7.4 Ortskurven gemischter Schaltungen
191
4.7.5 Konstruktion von Ortskurven mittels Wertetabelle
194
5 Signale und Systeme
197
5.1 Signale
197
5.1.1 Begriffsbestimmung und Übersicht
197
5.1.2 Periodische Signale mit konstanter Amplitude
197
5.1.3 Nichtperiodische Signale mit zweiseitiger Begrenzung
204
5.1.4 Nichtperiodische Signale mit einseitiger Begrenzung
209
5.2 Systeme
212
5.2.1 Begriffsbestimmung
212
5.2.2 Lineare, zeitinvariante Systeme (LTI-Systeme)
213
5.2.3 Abtastsysteme
219
5.3 Elemente der digitalen Signalverarbeitung
223
5.3.1 Diskrete Signale
223
5.3.2 Zeitdiskrete Systeme
224
5.3.3 z-Transformation
227
5.4 Grundlagen digitaler Filter
229
5.4.1 Begriffsbestimmung
229
5.4.2 FIR-Filter
230
5.4.3 IIR-Filter
236
6 Bauelemente der Elektronik
243
6.1 Begriffsbestimmung und Übersicht
243
6.2 Leiterplatten
244
6.2.1 Halbzeuge
244
6.2.2 Entwurf und Herstellung von Leiterplatten
245
6.2.3 Leiterplatten-Montagetechniken
247
6.3 Die internationalen E-Reihen
247
6.4 Widerstände
249
6.4.1 Der Widerstand als Bauelement
249
6.4.2 Festwiderstände
250
6.4.3 Einstellwiderstände
252
6.5 Kondensatoren
252
6.5.1 Kenngrößen
252
6.5.2 Technische Kondensatoren
253
6.5.3 Kondensatoren mit veränderbarer Kapzität
254
6.6 Spulen
255
6.6.1 Kenngrößen
255
6.6.2 Technische Spulen
255
6.7 Physikalische Grundlagen der Halbleiter
256
6.7.1 Reine Halbleiter
256
6.7.2 Dotierte Halbleiter
258
6.7.3 pn-Übergänge
259
6.8 Halbleiterdioden
266
6.8.1 Gleichrichter- und Schaltdioden
266
6.8.2 PIN- und PSN-Dioden
267
6.8.3 Schottky-Dioden
268
6.8.4 Heterodioden
269
6.8.5 Z-Dioden
270
6.8.6 Tunneldioden
271
6.8.7 Backwarddioden
273
6.8.8 Kapazitätsdioden
274
6.8.9 Spezielle Diodenarten
274
6.9 Bipolare Transistoren
275
6.9.1 Aufbau und Wirkprinzip
275
6.9.2 Grundschaltungen des Transistors
279
6.9.3 Strom-Spannungs-Kennlinie des Transistors
279
6.9.4 Kleinsignalverhalten des Transistors
283
6.9.5 Transistorkennwerte und -grenzwerte
286
6.9.6 Anwendungen bipolarer Transistoren
288
6.10 Feldeffekttransistoren (FET)
293
6.10.1 Übersicht
293
6.10.2 Strom-Spannungs-Kennlinie
296
6.10.3 Kleinsignalverhalten
299
6.10.4 Effekte bei integrierten MOSFET
300
6.10.5 Thermisches Verhalten
301
6.10.6 Anwendungen von Feldeffekttransistoren
301
6.11 Thyristorbauelemente
310
6.11.1 Überblick
310
6.11.2 Einrichtungs-Thyristordiode
311
6.11.3 Zweirichtungs-Thyristordiode und Diac
312
6.11.4 Einrichtungs-Thyristortriode
313
6.11.5 Zweirichtungs-Thyristortriode
316
6.11.6 Anwendungen von Thyristor und Triac
317
6.11.7 Spezielle Thyristoren
321
6.12 Optoelektronische Bauelemente
321
6.12.1 Übersicht
321
6.12.2 Fotometrische Beziehungen
322
6.12.3 Lichtempfindliche Fotohalbleiter
324
6.12.4 Lichtemittierende Fotohalbleiter
328
6.12.5 Optoelektronische Koppelelemente
330
6.12.6 Feldeffekt-Anzeigeelemente
331
6.13 Halbleitersensoren
331
6.13.1 Temperatursensoren
332
6.13.2 Drucksensoren
336
6.13.3 Magnetfeldsensoren
338
6.13.4 Feuchtesensoren
340
6.13.5 Gassensoren
341
6.13.6 Fotosensoren
342
6.13.7 Auswerteprinzipien und Messschaltungen für Sensoren
342
6.14 Integrierte Schaltungen
343
6.14.1 Übersicht
343
6.14.2 Filmschaltkreise
344
6.14.3 Festkörperschaltkreise
345
6.14.4 Schaltkreisgehäuse
351
6.15 Kühlung von Halbleiterbauelementen
352
6.16 Rauschen elektronischer Bauelemente
354
6.16.1 Grundbeziehungen und Widerstandsrauschen
354
6.16.2 Äquivalenter Rauschwiderstand
355
6.16.3 Rauschzahl und Rauschmaß
355
6.16.4 Rauschen von Feldeffekttransistoren
355
6.16.5 Rauschen bipolarer Transistoren
356
7 Analoge Schaltungen
358
7.1 Begriffsbestimmung
358
7.2 Analysemethoden
360
7.2.1 Vierpolanalyse (Zweitoranalyse)
360
7.2.2 Knotenspannungsanalyse
369
7.2.3 Computergestützte Netzwerk-Analysen
371
7.3 Aktive Grundschaltungen
373
7.3.1 Begriffsbestimmung
373
7.3.2 Gegengekoppelte Schaltungen
374
7.3.3 Kopplungsarten bei mehrstufigen Verstärkern
379
7.3.4 Differenzverstärker
382
7.3.5 Leistungsendstufen
386
7.4 Operationsverstärker
390
7.4.1 Begriffsbestimmung und Übersicht
390
7.4.2 Kenngrößen
392
7.4.3 Grundschaltungen mit Operationsverstärkern
398
7.5 Filter
405
7.5.1 Übersicht
405
7.5.2 Aktive RC-Filter
406
7.5.3 SC-Filter
412
7.6 Oszillatoren
413
7.6.1 Begriffsbestimmung
413
7.6.2 RC-Oszillatoren
414
7.6.3 Quarzoszillatoren
416
7.7 Analog/Digital- und Digital/Analog-Umsetzer
418
7.7.1 Analog/Digital-Umsetzer
420
7.7.2 Digital/Analog-Umsetzer
428
8 Digitale Schaltungen
433
8.1 Begriffsbestimmung
433
8.2 Grundlagen der Schaltalgebra
435
8.2.1 Logische Funktionen
435
8.2.2 Rechenregeln
437
8.2.3 Minimierung
440
8.3 Logische Grundschaltungen
443
8.3.1 Logische Pegel
443
8.3.2 Integrierte Standard-Schaltkreise
444
8.4 Ausgewählte Bausteine für Schaltnetze
455
8.4.1 Komparatoren
455
8.4.2 Multiplexer und Demultiplexer
457
8.4.3 Codeumsetzer
459
8.4.4 Addierer und Subtrahierer
461
8.5 Elementare Kippschaltungen
465
8.5.1 Begriffsbestimmung und Übersicht
465
8.5.2 Bistabile Kippschaltungen (Flipflop)
466
8.5.3 Schmitt-Trigger
473
8.5.4 Monostabile Kippschaltungen
475
8.5.5 Astabile Kippschaltungen
476
8.6 Komplexe Bausteine für digitale Systeme
478
8.6.1 Zähler
478
8.6.2 Frequenzteiler
483
8.6.3 Register
486
8.7 Halbleiterspeicher
490
8.7.1 Begriffsbestimmung und Übersicht
490
8.7.2 Schreib-Lese-Speicher (RAM)
493
8.7.3 Festwertspeicher (ROM)
499
8.7.4 Kombinierte Speicherschaltungen
505
8.8 Anwenderspezifische Schaltkreise (ASIC)
507
8.8.1 Merkmale von ASIC-Strukturen
508
8.8.2 Einfache PLD
509
8.9 Ergänzende Informationen
518
8.9.1 Code-Arten
518
8.9.2 Zahlensysteme
520
8.9.3 Schaltkreis-Listen
522
8.9.4 Hardware-Beschreibungssprachen
523
9 Stromversorgungsschaltungen
529
9.1 Grundfunktionen konventioneller Netzteile
529
9.1.1 Gleichrichtung
530
9.1.2 Glättung und Siebung
534
9.2 Spannungsstabilisierung
539
9.2.1 Begriffsbestimmung
539
9.2.2 Erzeugung von Referenzspannungen
540
9.2.3 Stetige Gleichspannungsregelung
543
9.2.4 Unstetige Regelung mit Schaltregler
546
10 Elektrische Maschinen
557
10.1 Allgemeine Vorgaben
558
10.1.1 Klassifikation
558
10.1.2 Normen
562
10.2 Gleichstrommaschinen
565
10.2.1 Aufbau und Wirkungsweise
565
10.2.2 Betriebsverhalten
569
10.2.3 Drehzahlsteuerung
572
10.3 Drehstrom-Asynchronmaschinen
577
10.3.1 Aufbau und Wirkungsweise
577
10.3.2 Betriebsverhalten
581
10.3.3 Drehzahlsteuerung
588
10.3.4 Anlauf- und Bremsverfahren
594
10.3.5 Asynchronmotoren für Wechselstrombetrieb
600
10.4 Synchronmaschinen
603
10.4.1 Aufbau und Wirkungsweise
604
10.4.2 Betriebsverhalten der Vollpolmaschine
608
10.4.3 Spezielle Bauformen und Betriebsarten
616
10.5 Kleinmaschinen
626
10.5.1 Batterieversorgte Gleichstrommaschinen
627
10.5.2 Universalmotoren
628
10.5.3 Schrittmotoren
632
10.5.4 Elektronikmotor
635
Matlab-Programme
637
Abkürzungsverzeichnis zur Elektronik
639
Formelzeichenverzeichnis
643
Literaturverzeichnis
651
Sachwortverzeichnis
661
Schaltzeichen und ihre Bedeutung
690
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