Elektrotechnik FRANZIS. Grundwissen. 5. Auflage ELEKTRONIK. Leonhard Stiny

06.03.2009 12:17 Uhr Seite 1 FRANZIS FRANZIS ELEKTRONIK Leonhard Stiny Grundwissen Elektrotechnik Dieses Buch ist für all diejenigen gedacht, ...
Author: Calvin Hauer
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06.03.2009

12:17 Uhr

Seite 1

FRANZIS

FRANZIS

ELEKTRONIK

Leonhard Stiny

Grundwissen

Elektrotechnik Dieses Buch ist für all diejenigen gedacht, die sich mit den Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik näher beschäftigen wollen oder müssen. Auszubildende elektrotechnischer Berufe, Schüler weiterführender Schulen, Berufserfahrene, die ihr Wissen auffrischen wollen, Hobbyelektroniker, aber auch Studierende der Elektrotechnik oder einer verwandten Fachrichtung finden hier alles, was sie über Theorie und Praxis der Elektrotechnik wissen sollten.

Der Autor: Leonhard Stiny machte an der Universität Erlangen seinen Abschluss als Dipl-Ing. der Elektrotechnik. Er ist in der Elektrotechnik-Entwicklung eines großen Industrieunternehmens als Abteilungsleiter tätig.

Zahlreiche Abbildungen, Beispiele und Schritt-für-Schritt-Anleitungen erleichtern die Einführung. Die theoretische Darstellung wird ergänzt durch zahlreiche Bezüge zur Praxis. Den einzelnen Abschnitten zugeordnet sind Übungsaufgaben mit ausführlichen Lösungen, die der Vertiefung des Stoffes dienen. Zusammenfassungen am Ende der Kapitel heben das Wesentliche hervor. Von den Grundlagen der Elektronik bis zur Kenntnis elektrischer Schaltungen vermittelt dieses Buch die Grundzüge des Faches und kann zugleich als zuverlässiges Nachschlagewerk verwendet werden.

Aus dem Inhalt: • • • • • • • • • • • • • •

Elektrische Größen, Schaltbilder, Quellen Wirkungsweise und Verwendungszweck von Bauelementen Gleich- und Wechselstromtechnik Einschwingvorgänge Analyse von Netzwerken Komplexe Wechselstromrechnung Fourier-Analyse, Übertragungsfunktion, Bodediagramm Filter Transformatoren, Übertrager Schwingkreise, Drehstrom Halbleiterdioden Bipolare Transistoren, Feldeffekttransistoren Digitaltechnik Operationsverstärker

FRANZIS

ELEKTRONIK

ISBN 978-3-7723-5328-4

Elektrotechnik

5328-4 U1+U4:5328-4 U1+U4

Grundwissen

Euro 29,95 [D]

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Stiny

ELEKTRONIK

Leonhard Stiny

Grundwissen

5. Auflage

Elektrotechnik • Elektrische Größen, Schaltbilder, Quellen • Wirkungsweise und Verwendungszweck von Bauelementen • Gleich- und Wechselstromtechnik • Einschwingvorgänge • Analyse von Netzwerken • Komplexe Wechselstromrechnung • Fourier-Analyse, Übertragungsfunktion, Bodediagramm • Filter • Transformatoren, Übertrager • Schwingkreise • u.v.m.

7

Inhalt 1

Elektrischer Strom ...........................................................................................................17 1.1 1.1.1 1.1.1.1 1.1.1.2 1.1.1.3 1.1.1.4 1.1.1.5 1.1.1.6 1.1.2 1.1.3 1.1.4 1.1.5 1.1.5.1 1.1.5.2 1.1.6 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 1.2.5 1.2.6 1.2.7 1.2.7.1 1.2.7.2 1.2.7.3 1.2.8

2

Der Aufbau der Materie.....................................................................................17 Stoffe ................................................................................................................17 Stoffgemische ...................................................................................................18 Reinstoffe ..........................................................................................................18 Verbindung.......................................................................................................18 Molekül.............................................................................................................18 Element ............................................................................................................18 Atom ................................................................................................................18 Zusammenfassung: Stoffe .................................................................................19 Beispiel zur Zerlegung der Materie ....................................................................19 Denkmodell für Atom und Molekül ...................................................................20 Der Atombau ....................................................................................................21 Das Bohrsche Atommodell ................................................................................21 Beispiele für Atome ...........................................................................................23 Zusammenfassung: Der Atombau .....................................................................24 Der elektrische Strom........................................................................................24 Elektrische Ladung ............................................................................................24 Elektrischer Strom .............................................................................................25 Nichtleiter, Leiter und Halbleiter........................................................................27 Widerstand und Leitfähigkeit.............................................................................27 Elektrische Spannung ........................................................................................28 Zusammenfassung: Der elektrische Strom .........................................................30 Halbleiter ..........................................................................................................30 Elektrizitätsleitung in festen Stoffen (Wiederholung)..........................................30 Elektrizitätsleitung in reinen Halbleitern (Eigenleitung) ......................................31 Elektrizitätsleitung in dotierten Halbleitern (Störstellenleitung) ..........................34 Zusammenfassung: Halbleiter ...........................................................................35

Der unverzweigte Gleichstromkreis .............................................................................37 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4

Größen im Gleichstromkreis..............................................................................37 Allgemeines zu physikalischen Größen und Einheiten........................................37 Die Größe für den elektrischen Strom ...............................................................39 Die Größe für die elektrische Spannung ............................................................40 Die Größe für den elektrischen Widerstand .......................................................41 Zusammenfassung: Größen im Gleichstromkreis ...............................................42 Das OHMsche Gesetz........................................................................................42 Aussage des Ohmschen Gesetzes ......................................................................42 Rechnen mit dem Ohmschen Gesetz ................................................................44 Grafische Darstellung des Ohmschen Gesetzes..................................................45 Zusammenfassung: Das OHMsche Gesetz.........................................................45

8

Inhalt 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.3.6 2.3.7 2.3.7.1 2.3.7.2 2.3.7.3 2.3.7.4 2.3.8 2.3.9 2.3.10 2.3.11 2.4 2.4.1 2.4.2 2.5

3

Definitionen ......................................................................................................46 Gleichstrom, Gleichspannung, Wechselstrom, Wechselspannung......................46 Verbraucher ......................................................................................................47 Reihenschaltung................................................................................................47 Parallelschaltung ...............................................................................................47 Unverzweigter und verzweigter Stromkreis .......................................................47 Schaltzeichen und Schaltbild.............................................................................48 Werte von Strömen und Spannungen in Schaltbildern ......................................50 Angabe der Spannungen unter Bezug auf Masse (als Potential).........................50 Angabe der Spannungen mit Zählpfeilen ..........................................................51 Angabe von Strömen in Schaltbildern ...............................................................52 Erzeuger- und Verbraucher- Zählpfeilsystem......................................................52 Kurzschluß ........................................................................................................53 Passive Bauelemente .........................................................................................54 Aktive Elemente ................................................................................................54 Zusammenfassung: Definitionen .......................................................................54 Arbeit und Leistung...........................................................................................55 Elektrische Arbeit...............................................................................................55 Elektrische Leistung...........................................................................................55 Wirkungsgrad ...................................................................................................57

Lineare Bauelemente im Gleichstromkreis ..................................................................59 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.3.1 3.2.3.2 3.2.3.3 3.2.4 3.2.4.1 3.2.4.2 3.2.4.3 3.2.5 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5 3.3.5.1 3.3.5.2 3.3.5.3 3.3.5.4 3.3.6 3.3.6.1

Definition des Begriffes »linear«.........................................................................59 Der ohmsche Widerstand..................................................................................60 Wirkungsweise des Widerstandes ......................................................................60 Spezifischer Widerstand ....................................................................................61 Verwendungszweck von Widerständen .............................................................65 Strombegrenzung durch einen Vorwiderstand ..................................................65 Aufteilung einer Spannung................................................................................66 Aufteilung des Stromes .....................................................................................66 Widerstand als Bauelement ...............................................................................66 Festwiderstände ................................................................................................67 Veränderbare Widerstände ................................................................................72 Spezielle Widerstände .......................................................................................74 Zusammenfassung: Der ohmsche Widerstand ...................................................75 Der Kondensator...............................................................................................75 Wirkungsweise des Kondensators ......................................................................75 Größe für die Kapazität .....................................................................................76 Plattenkondensator ...........................................................................................77 Dielektrikum .....................................................................................................79 Verwendungszweck von Kondensatoren ...........................................................82 Stützen von Spannungen ..................................................................................82 Glättung von Spannungen................................................................................84 Trennen von Gleich- und Wechselspannung .....................................................84 Entstörung mittels Kondensatoren ....................................................................85 Kondensator als Bauelement .............................................................................85 Festkondensatoren ............................................................................................85

Inhalt 3.3.6.2 3.3.7 3.3.7.1 3.3.7.2 3.3.7.3 3.3.7.4 3.3.8 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.4.4.1 3.4.4.2 3.4.4.3 3.4.4.4 3.4.4.5 3.4.4.6 3.4.4.7 3.4.5 3.4.5.1 3.4.5.2 3.4.6 3.4.6.1 3.4.6.2 3.4.7 3.4.7.1 3.4.7.2 3.4.8 3.5

4

9

Veränderbare Kondensatoren ............................................................................87 Kenngrößen von Kondensatoren.......................................................................87 Nennspannung .................................................................................................87 Kapazitätstoleranz .............................................................................................87 Kapazitätsänderung ..........................................................................................88 Ersatzschaltbild .................................................................................................88 Zusammenfassung: Der Kondensator ................................................................88 Die Spule ..........................................................................................................88 Grundlagen des Magnetismus...........................................................................88 Zusammenfassung: Grundlagen des Magnetismus............................................91 Elektromagnetismus ..........................................................................................91 Wirkungsweise der Spule ..................................................................................92 Magnetwirkung des Stromes.............................................................................92 Induktion ..........................................................................................................96 Kraft auf stromdurchflossene Leiter ...................................................................99 Selbstinduktion .................................................................................................99 Induktivität .....................................................................................................100 Induktive Kopplung ........................................................................................100 Induktiver Widerstand .....................................................................................102 Aufbau der Spule ............................................................................................102 Luftspule .........................................................................................................102 Spule mit Kern ................................................................................................103 Verwendungszweck von Spulen ......................................................................104 Verwendung von Spulen im Gleichstromkreis .................................................104 Verwendung von Spulen im Wechselstromkreis...............................................104 Spule als Bauelement ......................................................................................104 Feste Induktivität.............................................................................................104 Veränderliche Induktivität ...............................................................................105 Kenngrößen von Spulen .................................................................................105 Zusammenfassung: Die Spule .........................................................................105

Gleichspannungsquellen ..............................................................................................107 4.1 4.1.1 4.1.2 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.3 4.4 4.5 4.5.1 4.5.2 4.5.3 4.5.4

Primärelemente (galvanische Elemente, Batterien) ..........................................107 Wirkungsweise des galvanischen Elements ......................................................107 Batterien .........................................................................................................108 Sekundärelemente (Akkumulatoren) ...............................................................109 Der Bleiakkumulator........................................................................................109 Nickel-Cadmium-Akkumulatoren ....................................................................110 Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren ................................................................110 Technische Eigenschaften von Akkumulatoren ................................................110 Netzgeräte......................................................................................................111 Störungsfreie Versorgung mit Gleichspannung................................................112 Die belastete Gleichspannungsquelle ..............................................................113 Ersatzspannungsquelle ....................................................................................113 Ermittlung des Innenwiderstandes ..................................................................115 Kurzschlußstrom .............................................................................................115 Leerlauf ...........................................................................................................116

10

Inhalt 4.5.5 4.5.5.1 4.5.5.2 4.5.5.3 4.6 4.7

5

Berechnungen im unverzweigten Gleichstromkreis .................................................121 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.6.1 5.6.2 5.6.3 5.7 5.7.1 5.7.2 5.7.3 5.7.4 5.8

6

Voltmeter und Amperemeter ..........................................................................133 Erweiterung des Meßbereiches eines Voltmeters .............................................136 Indirekte Messung von Widerstand und Leistung ............................................137

Schaltvorgänge im unverzweigten Gleichstromkreis ...............................................139 7.1 7.1.1 7.1.2 7.2 7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4 7.3 7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.3.4 7.4

8

Reihen- und Parallelschaltung von Zweipolen..................................................121 Reihenschaltung von ohmschen Widerständen ...............................................122 Reihenschaltung von Kondensatoren ..............................................................126 Reihenschaltung von Spulen ...........................................................................127 Reihenschaltung von Gleichspannungsquellen ................................................128 Reihenschaltung von Widerständen, Kondensatoren und Spulen ....................128 Zusammenfassung von Bauelementen ............................................................128 Reihenschaltung von Kondensator und R oder L..............................................129 Reihenschaltung einer Spule mit R oder C .......................................................129 Reihenschaltung in der Praxis..........................................................................129 Ersatz von Bauteilen ........................................................................................129 Vorwiderstand.................................................................................................130 Spannungsabfall an Leitungen ........................................................................131 Spannungsteiler ..............................................................................................131 Zusammenfassung: Berechnungen im unverzweigten Gleichstromkreis...........131

Messung von Spannung und Strom ...........................................................................133 6.1 6.2 6.3

7

Anpassungen ..................................................................................................116 Spannungsanpassung .....................................................................................116 Stromanpassung .............................................................................................117 Leistungsanpassung ........................................................................................117 Ersatzstromquelle ............................................................................................117 Zusammenfassung: Gleichspannungsquellen ..................................................118

Schaltvorgang beim ohmschen Widerstand ....................................................139 Widerstand einschalten ...................................................................................139 Widerstand ausschalten...................................................................................139 Schaltvorgang beim Kondensator ...................................................................140 Kondensator laden (einschalten) .....................................................................140 Kondensator ausschalten.................................................................................142 Kondensator entladen .....................................................................................142 Exponentialfunktion von Spannung und Strom ...............................................143 Schaltvorgang bei der Spule............................................................................147 Spule einschalten ............................................................................................147 Spule ausschalten (mit Abschalt-Induktionsstromkreis) ....................................148 Spule ausschalten (ohne Abschalt-Induktionsstromkreis) .................................149 Zeitverlauf von Spannung und Strom..............................................................151 Zusammenfassung: Schaltvorgänge im unverzweigten Gleichstromkreis .........152

Der verzweigte Gleichstromkreis ................................................................................153 8.1 8.1.1 8.1.2

Die Kirchhoffschen Gesetze .............................................................................153 Die Knotenregel (1. Kirchhoffsches Gesetz) .....................................................153 Die Maschenregel (2. Kirchhoffsches Gesetz) ..................................................154

Inhalt 8.2 8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.2.4 8.3 8.3.1 8.3.2 8.3.3 8.3.3.1 8.4 8.5 8.6 8.7 8.7.1 8.7.2 8.7.3 8.7.4 8.8 8.9

9

11

Berechnung von Parallelschaltungen ...............................................................155 Parallelschaltung von ohmschen Widerständen ...............................................155 Parallelschaltung von Kondensatoren ..............................................................157 Parallelschaltung von Spulen...........................................................................157 Parallelschaltung von Gleichspannungsquellen................................................158 Parallelschaltung in der Praxis .........................................................................159 Ersatz von Bauteilen ........................................................................................159 Erweiterung des Meßbereiches eines Amperemeters .......................................159 Der belastete Spannungsteiler.........................................................................161 Berechnung des belasteten Spannungsteilers ..................................................161 Gemischte Schaltungen ..................................................................................163 Stern-Dreieck- und Dreieck-Stern-Umwandlung ..............................................164 Umwandlung von Quellen ..............................................................................167 Analyse von Netzwerken .................................................................................168 Die Maschenanalyse........................................................................................169 Die Knotenanalyse ..........................................................................................174 Der Überlagerungssatz ....................................................................................177 Der Satz von der Ersatzspannungsquelle .........................................................179 Vierpole ..........................................................................................................184 Zusammenfassung: Der verzweigte Gleichstromkreis ......................................185

Wechselspannung und Wechselstrom .......................................................................187 9.1 9.2 9.3 9.3.1 9.3.2 9.3.3 9.3.4 9.3.5 9.3.6 9.3.7 9.3.8 9.3.9 9.4 9.5 9.6 9.7 9.7.1 9.7.2 9.7.3 9.7.3.1 9.7.3.2 9.7.4

Grundlegende Betrachtungen .........................................................................187 Entstehung der Sinuskurve ..............................................................................190 Kennwerte von Wechselgrößen.......................................................................191 Periodendauer.................................................................................................191 Frequenz.........................................................................................................191 Kreisfrequenz ..................................................................................................192 Wellenlänge ....................................................................................................192 Amplitude.......................................................................................................193 Spitze-Spitze-Wert...........................................................................................193 Effektivwert .....................................................................................................193 (M) Gleichrichtwert ...........................................................................................196 Phase ..............................................................................................................198 Zusammenfassung: Kennwerte von Wechselgrößen........................................199 Zeigerdarstellung von Sinusgrößen .................................................................200 Zusammensetzung von Wechselspannungen ..................................................202 Oberschwingungen ........................................................................................204 (M) Fourierreihen ..............................................................................................205 (M) Beispiel zur Fourier-Analyse .........................................................................207 Bedeutung der Fourier-Analyse .......................................................................210 Störungen.......................................................................................................210 Nichtsinusförmige Vorgänge in linearen Schaltungen .....................................211 Klirrfaktor ........................................................................................................211

12 10

Inhalt Komplexe Darstellung von Sinusgrößen....................................................................213 10.1 10.1.1 10.1.2 10.1.3 10.1.4 10.1.5 10.2

11

Einfache Wechselstromkreise ......................................................................................223 11.1 11.2 11.3 11.4 11.4.1 11.4.2 11.5 11.6 11.6.1 11.6.2 11.6.3 11.6.4 11.6.5 11.6.6 11.6.7 11.6.8 11.6.9 11.6.10 11.7 11.8 11.9 11.10

12

Ohmscher Widerstand im Wechselstromkreis ..................................................223 Spule im Wechselstromkreis ............................................................................225 Kondensator im Wechselstromkreis .................................................................227 Reihenschaltung aus ohmsche m Widerstand und Spule ..................................230 Komplexe Frequenz »s« ..................................................................................230 Anwendung von s bei der RL-Reihenschaltung ................................................231 Reihenschaltung aus ohmschem Widerstand und Kondensator .......................236 RC-Reihenschaltung in der Praxis ....................................................................238 Die Übertragungsfunktion...............................................................................238 Pegel...............................................................................................................242 Bodediagramm ...............................................................................................243 Dämpfung ......................................................................................................244 Grenzfrequenz ................................................................................................244 Normierte Übertragungsfunktion ....................................................................244 Der RC-Tiefpaß ...............................................................................................245 Bodediagramme mit Mathcad ........................................................................249 Filterung eines gestörten Sinussignals..............................................................252 Der RC-Hochpaß.............................................................................................253 Reihenschaltung aus Spule, Widerstand und Kondensator...............................255 Parallelschaltung aus Widerstand und Spule ....................................................256 Parallelschaltung aus Widerstand und Kondensator.........................................257 Zusammenfassung: Einfache Wechselstromkreise ............................................258

Ersatzschaltungen für Bauelemente ...........................................................................259 12.1 12.2 12.3 12.3.1 12.3.2 12.3.3 12.3.4 12.4 12.5

13

Grundbegriffe der komplexen Rechnung ........................................................213 Rechenregeln für imaginäre Zahlen.................................................................214 Rechenregeln für komplexe Zahlen .................................................................215 Vorteil komplexer Zahlen ................................................................................217 Sinusförmige Wechselspannung in komplexer Darstellung ..............................220 Der komplexe Widerstand...............................................................................221 Zusammenfassung: Komplexe Darstellung von Sinusgrößen ...........................221

Die elektrische Leitung ....................................................................................259 Widerstand mit Eigenkapazität und Eigeninduktivität ......................................260 Verluste in Spulen ...........................................................................................261 Wicklungsverluste ...........................................................................................261 Verluste durch den Skineffekt ..........................................................................262 Hystereseverluste ............................................................................................263 Wirbelstromverluste ........................................................................................263 Verluste im Kondensator .................................................................................263 Zusammenfassung: Ersatzschaltungen für Bauelemente ..................................264

Leistung im Wechselstromkreis ...................................................................................265 13.1 13.2 13.3

Reine Wirkleistung ..........................................................................................265 Reine Blindleistung..........................................................................................266 Wirk- und Blindleistung...................................................................................267

Inhalt 13.4 13.5 13.6

14

Grundprinzip ..................................................................................................273 Transformator mit Eisenkern ...........................................................................274 Der verlustlose streufreie Transformator ..........................................................275 Transformation der Spannungen.....................................................................276 Transformation der Stromstärken ....................................................................276 Transformation des Widerstandes....................................................................277 Der verlustlose Übertrager mit Streuung .........................................................278 Der reale Transformator ..................................................................................280 Übertrager zwischen ohmschen Widerständen................................................281 Spezielle Ausführungen von Transformatoren..................................................285 Zusammenfassung: Transformatoren (Übertrager) ..........................................285

Schwingkreise ................................................................................................................287 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6 15.6.1 15.6.2 15.6.3 15.6.4 15.7 15.8 15.8.1 15.8.2 15.8.3 15.8.4 15.9 15.9.1 15.9.2 15.10

16

Scheinleistung.................................................................................................268 Blindleistungskompensation............................................................................269 Zusammenfassung: Leistung im Wechselstromkreis.........................................271

Transformatoren (Übertrager) ....................................................................................273 14.1 14.2 14.3 14.3.1 14.3.2 14.3.3 14.4 14.5 14.6 14.7 14.8

15

13

Reihenschwingkreis ohne Verluste ...................................................................287 Reihenschwingkreis mit Verlusten....................................................................289 Parallelschwingkreis ohne Verluste ..................................................................299 Parallelschwingkreis mit Verlusten ...................................................................301 Zeitverhalten elektrischer Schwingkreise .........................................................308 Grundsätzliche Kopplungsarten ......................................................................309 Galvanische Kopplung ....................................................................................309 Induktive Kopplung ........................................................................................309 Kapazitive Kopplung .......................................................................................310 Fußpunktkopplung .........................................................................................310 Bandfilter ........................................................................................................310 Kopplungsarten bei Bandfiltern .......................................................................312 Transformatorische Kopplung .........................................................................312 Induktive Kopplung mit Koppelspule ..............................................................312 Kapazitive Kopfpunktkopplung .......................................................................313 Kapazitive Fußpunktkopplung.........................................................................314 Zusammenschaltung von Schwingkreisen .......................................................314 LC-Bandpaß....................................................................................................314 LC-Bandsperre ................................................................................................315 Zusammenfassung: Schwingkreise ..................................................................316

Mehrphasensysteme .....................................................................................................317 16.1 16.1.1 16.1.2 16.2 16.2.1 16.2.2 16.2.3

Erzeugung von Drehstrom ..............................................................................317 Sternschaltung des Generators........................................................................318 Dreieckschaltung des Generators ....................................................................319 Verbraucher im Drehstromsystem ...................................................................320 Sternschaltung des Verbrauchers mit Mittelleiter.............................................320 Sternschaltung des Verbrauchers ohne Mittelleiter ..........................................321 Dreieckschaltung des Verbrauchers .................................................................324

14

Inhalt 16.3 16.4

17 18

Analyse allgemeiner Wechselstromnetze ..................................................................329 Halbleiterdioden ...........................................................................................................341 18.1 18.2 18.2.1 18.2.2 18.2.3 18.3 18.3.1 18.3.2 18.3.2.1 18.3.2.2 18.3.2.3 18.4 18.5 18.5.1 18.5.2 18.5.2.1 18.5.2.2 18.5.2.3 18.5.2.4 18.5.2.5 18.5.2.6 18.5.2.7 18.5.2.8 18.5.2.9 18.6 18.7 18.7.1 18.7.2 18.7.3 18.7.4 18.7.5 18.7.6 18.8

19

Leistung bei Drehstrom...................................................................................326 Zusammenfassung: Mehrphasensysteme ........................................................327

Der PN-Übergang ohne äußere Spannung ......................................................341 Der PN-Übergang mit äußerer Spannung .......................................................343 Äußere Spannung in Durchlaßrichtung ...........................................................343 Äußere Spannung in Sperrichtung ..................................................................344 Vollständige Kennlinie eines PN-Überganges...................................................347 Eigenschaften von Dioden...............................................................................348 Die ideale Diode .............................................................................................348 Die reale Diode ...............................................................................................348 Ersatzschaltungen der Diode ...........................................................................348 Kennwerte von Dioden ...................................................................................350 Temperaturabhängigkeit der Diodenkennlinie.................................................353 Diode und Verlustleistung ...............................................................................355 Arten von Dioden ...........................................................................................359 Universaldioden ..............................................................................................359 Spezialdioden .................................................................................................360 Schottkydiode (hot carrier-Diode) ...................................................................360 Gunndiode .....................................................................................................360 PIN-Diode .......................................................................................................360 Kapazitätsvariationsdiode ................................................................................360 Tunneldiode....................................................................................................362 Photodiode .....................................................................................................363 Lumineszenzdiode ..........................................................................................363 Z-Diode (Zener-Diode)....................................................................................364 Suppressor-Dioden..........................................................................................370 Arbeitspunkt und Widerstandsgerade..............................................................370 Anwendungen von Dioden .............................................................................376 Gleichrichtung von Wechselspannungen ........................................................376 Schutzdiode....................................................................................................379 Eingangsschutzschaltung ................................................................................380 Dioden in der Digitaltechnik ...........................................................................381 Begrenzung einer Wechselspannung...............................................................383 Stabilisierung kleiner Gleichspannungen .........................................................384 Zusammenfassung: Halbleiterdioden...............................................................385

Bipolare Transistoren ...................................................................................................387 19.1 19.2 19.3 19.4 19.5 19.6 19.7

Definition und Klassifizierung von Transistoren................................................387 Aufbau des Transistors ....................................................................................388 Richtung von Strömen und Spannungen beim Transistor................................389 Wirkungsweise ................................................................................................390 Die drei Grundschaltungen des Transistors......................................................394 Betriebsarten...................................................................................................395 Kennlinien des Transistors ...............................................................................398

Inhalt 19.7.1 19.7.2 19.7.3 19.7.4 19.8 19.9 19.10 19.11 19.11.1 19.11.1.1 19.11.1.2 19.11.1.3 19.11.1.4 19.11.1.5 19.11.2 19.11.2.1 19.11.2.2 19.11.2.3 19.11.2.4 19.11.2.5 19.11.3 19.11.3.1 19.11.3.2 19.11.3.3 19.11.3.4 19.11.3.5 19.12 19.13 19.14 19.14.1 19.14.2 19.15 19.15.1 19.15.2 19.15.3 19.15.4 19.15.5 19.15.6 19.15.7 19.16 19.16.1 19.16.2 19.16.3 19.16.4 19.16.5 19.16.5.1

15

Eingangskennlinie ...........................................................................................398 Ausgangskennlinie ..........................................................................................399 Steuerkennlinie ...............................................................................................400 Vierquadranten-Kennlinienfeld, Arbeitspunkt, Lastgerade................................403 Die Stromverstärkung a, b und g.....................................................................405 Abhängigkeiten der Stromverstärkung ............................................................406 Wahl des Arbeitspunktes .................................................................................408 Die Grundschaltungen im Detail .....................................................................411 Die Emitterschaltung.......................................................................................411 Eingangsimpedanz..........................................................................................411 Ausgangsimpedanz .........................................................................................412 Wechselspannungsverstärkung .......................................................................412 Leistungsverstärkung.......................................................................................413 Verhalten bei hohen Frequenzen.....................................................................415 Die Basisschaltung ..........................................................................................416 Eingangsimpedanz..........................................................................................416 Ausgangsimpedanz .........................................................................................416 Wechselspannungsverstärkung .......................................................................416 Leistungsverstärkung.......................................................................................417 Verhalten bei hohen Frequenzen.....................................................................417 Die Kollektorschaltung ....................................................................................417 Eingangsimpedanz..........................................................................................417 Ausgangsimpedanz .........................................................................................418 Wechselspannungsverstärkung .......................................................................419 Leistungsverstärkung.......................................................................................419 Verhalten bei hohen Frequenzen.....................................................................419 Rückkopplung.................................................................................................420 Emitterstufe mit Gegenkopplung ....................................................................425 Ersatzschaltungen des Transistors....................................................................427 Die formale Ersatzschaltung ............................................................................428 Die physikalische Ersatzschaltung ....................................................................431 Spezielle Schaltungen mit Bipolartransistoren..................................................437 Darlington-Schaltung......................................................................................437 Bootstrap-Schaltung .......................................................................................437 Kaskodeschaltung ...........................................................................................438 Konstantstromquelle .......................................................................................439 Differenzverstärker ..........................................................................................440 Selektivverstärker ............................................................................................443 Oszillatoren.....................................................................................................443 Der Transistor als Schalter ...............................................................................444 Schalttransistor im Sperrzustand .....................................................................445 Schalttransistor im Durchlaßzustand ...............................................................446 Dynamisches Schaltverhalten ..........................................................................446 Verkürzung der Schaltzeiten............................................................................447 Beispiele für die Anwendung von Schalttransistoren........................................448 Schalten einer Last ..........................................................................................448

16

Inhalt

Anhang ..................................................................................................................... 497 Sachverzeichnis....................................................................................................... 513

17

1

Elektrischer Strom

Das Wesen der Elektrizität

Der Mensch kann mit seinen Sinnesorganen Elektrizität nicht erkennen. Man fühlt zwar die durch Elektrizität erzeugte Wärme oder sieht das Licht einer Glühbirne. In der Umgangssprache heißt es: »Es fließt Strom, deshalb leuchtet (oder brennt) die Birne.« In den Leitungen zur Lampe oder in der Glühbirne selbst sieht man jedoch nichts fließen oder strömen. Wir erkennen die Elektrizität nur an den Wirkungen, die sie ausübt und die für unsere Sinnesorgane wahrnehmbar sind. Die eigentliche Ursache der Wahrnehmungen bleibt aber unseren Sinnen verschlossen. Die Elektrizitätslehre ist ein Teilgebiet der Physik. Um das Wesen der Elektrizität verstehen zu können, sind Kenntnisse über den Aufbau der uns umgebenden Stoffe (der Materie) notwendig. Materie setzt sich aus winzigen Teilchen zusammen. Diese Teilchen sind viel zu klein, um sie mit den Augen wahrzunehmen, sie sind wiederum mit den menschlichen Sinnen nicht erkennbar. Den einzigen Ausweg, die begrenzten Möglichkeiten der menschlichen Sinne zu überwinden, bietet unsere Fähigkeit, zu denken. Durch sprachliche Begriffe, die aus unserer Erfahrungswelt stammen, wie z.B. Kern, Bahn oder Hülle, schaffen Physiker Denkmodelle. Anhand dieser leicht vorstellbaren Modelle können der Aufbau und die Eigenschaften unterschiedlicher Stoffe erklärt und beschrieben werden. Als Folge davon ist dann auch beschreibbar und vorstellbar, was Elektrizität ist. Der Aufbau der Materie soll hier nur mit sehr einfachen Modellen erklärt werden. Nicht die Atomphysik steht im Vordergrund, sondern das Verstehen der Elektrizität.

1.1

Der Aufbau der Materie

1.1.1

Stoffe

Gegenstände unserer Umwelt werden nach ihrer Form und nach dem Material oder Stoff, aus dem sie bestehen, beurteilt. Stoff ist alles, was uns umgibt, einen Raum einnimmt und ein Gewicht (besser: eine Masse) hat. Auch Flüssigkeiten und Gase sind Stoffe. Die meisten Stoffe können in drei Zuständen oder Phasen (Aggregatzuständen) auftreten: fest, flüssig und gasförmig. Stoffe werden durch ihre wesentlichen Merkmale und Eigenschaften erkannt und unterschieden. Zu den charakteristischen Stoffeigenschaften gehören z.B. Zustand (fest, flüssig, gasförmig), Härte, Farbe, Glanz, Geruch, Geschmack, Kristallform, Schmelztemperatur, Siedetemperatur, Dichte, Löslichkeit in Wasser, Brennbarkeit.

18

Kapitel 1: Elektrischer Strom

1.1.1.1

Stoffgemische

Stoffe können wiederum als Stoffgemische oder Reinstoffe vorliegen. Stoffgemische sind einteilbar in uneinheitliche (heterogene) und einheitliche (homogene) Gemische. Heterogene Stoffgemische bestehen aus Teilchen mit verschiedenen Eigenschaften. Ein Beispiel hierfür ist Granit mit den Hauptbestandteilen Feldspat, Quarz und Glimmer. Diese Teilchen des Stoffgemisches kann man bereits mit dem bloßen Auge erkennen. Homogene Stoffgemische haben durch und durch die selben Eigenschaften. So sind z.B. beim Messing (aus Kupfer und Zink) oder beim Zuckerwasser die einzelnen Bestandteile nicht mehr leicht erkennbar. Stoffgemische können durch physikalische Verfahren (z.B. Filtrieren, Zentrifugieren, Destillieren) in weitere stoffliche Anteile (Komponenten) getrennt werden.

1.1.1.2

Reinstoffe

Reinstoffe können durch physikalische Operationen nicht mehr in verschiedenartige Anteile zerlegt werden. Reinstoffe sind z.B. Wasser, Schwefel, Eisen (natürlich nur, wenn sie nicht durch andere Stoffe verunreinigt sind).

1.1.1.3

Verbindung

Viele reine Stoffe lassen sich zwar nicht durch physikalische, aber durch chemische Vorgänge in weitere Stoffe trennen. Diese Reinstoffe nennt man chemische Verbindungen. So läßt sich z.B. Wasser durch Zuführung großer Hitze oder durch elektrischen Strom in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff trennen.

1.1.1.4

Molekül

Das kleinste Masseteilchen einer Verbindung mit den chemischen Eigenschaften der Verbindung heißt Molekül. Ein Molekül besteht aus mehreren (mindestens zwei), fest zusammengefügten Atomen.

1.1.1.5

Element

Reinstoffe, welche sich durch einen chemischen Vorgang nicht mehr in andere Stoffe zerlegen lassen, nennt man Grundstoffe oder Elemente.

1.1.1.6

Atom

Die kleinsten Masseteilchen eines Elements, welche auf chemischem Weg nicht weiter zerlegbar sind, nennt man Atome. Alle Atome eines Elements haben die gleichen chemischen Eigenschaften. Noch einmal allgemein:

Die uns umgebende Materie setzt sich aus Grundstoffen zusammen. Diese Grundstoffe werden chemische Elemente genannt. Viele chemische Elemente sind allgemein bekannt, wie z.B. Sauer-

1.1 Der Aufbau der Materie

19

stoff, Eisen, Wasserstoff oder Schwefel. Chemische Elemente können sich zu Verbindungen zusammenschließen, die ganz andere Eigenschaften haben als die einzelnen Elemente selbst. Wasserstoff und Sauerstoff sind Gase. Verbinden sich Wasserstoff und Sauerstoff, so entsteht Wasser, welches flüssig ist. Zerkleinert man solche zusammengesetzten Stoffe (chemische Verbindungen) durch geeignete Methoden in immer kleinere Teile, so wird beim Zerkleinern eine Grenze erreicht. Das kleinste, nicht mehr teilbare Gebilde, ohne daß die Eigenschaft der Verbindung verloren geht, nennt man Molekül. Moleküle bestehen aus Teilen von Elementen. Diese Teile der Elemente werden Atome genannt. Atome können durch keine chemischen oder normalen physikalischen Verfahren in kleinere Teile zerlegt werden. (Wir wissen allerdings, daß dies doch möglich ist: Durch den natürlichen Zerfall von Atomkernen oder die künstliche Kernspaltung entsteht radioaktive Strahlung.)

1.1.2

Zusammenfassung: Stoffe

1. Stoffgemische setzen sich aus verschiedenen Reinstoffen zusammen. 2. Verbindungen sind Reinstoffe, die durch chemische Verfahren in Elemente zersetzt werden können. 3. Ein Molekül ist das kleinste Masseteilchen einer Verbindung, das noch die chemischen Eigenschaften der Verbindung besitzt. 4. Ein Molekül ist ein fester Verbund mehrerer Atome von Elementen. 5. Elemente sind Reinstoffe, die nicht mehr in andere Stoffe zerlegbar sind. 6. Ein Atom ist das kleinste Masseteilchen eines Elements. 7. Ein Atom ist auf chemischem Weg nicht mehr weiter zerlegbar.

1.1.3

Beispiel zur Zerlegung der Materie

Folgende Arbeitsschritte sollen den Aufbau und die Zerlegung der Materie an einem Beispiel veranschaulichen. In diesem Beispiel wird aus einem heterogenen Stoffgemisch (Wasser mit Sägespänen) der Reinstoff Wasser gewonnen. Das Wasser wird weiter zerlegt in die Moleküle der Elemente Wasserstoff und Sauerstoff.

Abb. 1: Wasser mit Sägespänen wird gefiltert

20

Kapitel 1: Elektrischer Strom

Erster Schritt:

Das heterogene Stoffgemisch aus Wasser und Sägespänen wird gefiltert. Die Sägespäne bleiben im Filter zurück. Im Auffangbecher erhält man reines Wasser. Das Wasser ist ein Reinstoff, eine chemische Verbindung aus Wasserstoff und Sauerstoff.

Abb. 2: Zerlegung von reinem Wasser in die Elemente Wasserstoff und Sauerstoff Zweiter Schritt:

Das Wasser wird durch große Hitze in die Elemente Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Das Gasgemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff besteht aus zweiatomigen Wasserstoffmolekülen und 1 zweiatomigen Sauerstoffmolekülen .

1.1.4

Denkmodell für Atom und Molekül

Wie kann man sich Atome und Moleküle vorstellen? Ein Atom ist das kleinste Masseteilchen und (mit normalen Mitteln) nicht mehr in kleinere Teilchen zerlegbar. Somit kann man sich ein Atom einfach als Kügelchen vorstellen. Abb. 3: Das Atom als Kügelchen zur einfachen Vorstellung

Warum unterschiedliche Atome verschieden groß sind, wird bei der Erklärung des Atomaufbaues erläutert. Ein Molekül besteht aus mehreren Atomen. Je nach Art des Atoms (Elements) ist das Kügelchen verschieden groß.

Abb. 4: Wasserstoffatom (links, klein) und Kupferatom (rechts, 2 groß)

Ein Molekül kann man sich als Verbund mehrerer Kügelchen vorstellen.

1

2

Anmerkung: Warum die Gasmoleküle des Wasserstoffs und Sauerstoffs zweiatomig sind, soll hier nicht näher erklärt werden. Anmerkung: Die Größe der Kügelchen in Abb. 4 soll nicht maßstabsgetreu sein.

1.1 Der Aufbau der Materie

21

Abb. 5: Ein Wassermolekül

Das Wassermolekül in Abb. 5 besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Das chemische Zeichen für Wasserstoff ist »H«, für Sauerstoff »O«. Durch die Anzahl der jeweiligen Atome erklärt sich auch der allgemein bekannte Ausdruck für Wasser: H2O. Bei der Zerlegung von Wasser in Abb. 2, Seite 20, wurden Wassermoleküle in Wasserstoffatome und Sauerstoffatome zerlegt. (Genauer gesagt, in Moleküle aus zwei Wasserstoffatomen und zwei Sauerstoffatomen, da sich einzelne Wasserstoff- bzw. Sauerstoffatome aus speziellen Gründen sofort wieder zu einem zweiatomigen Molekül verbinden.)

Abb. 6: Vorgang bei der Zerlegung von Wasser

1.1.5

Der Atombau

Bisher wurde der Aufbau der Materie bis zu den kleinsten Teilchen, den Atomen, erläutert. Woraus bestehen aber Atome? Durch die Erforschung der Radioaktivität und die Entdeckung der Elementarteilchen wurde bekannt, daß auch Atome aus mehreren Teilen aufgebaut sind. Sämtliche Atome setzen sich aus folgenden Bausteinen zusammen: 1. Protonen 2. Neutronen 3. Elektronen.

1.1.5.1

Das Bohrsche Atommodell 3

4

Ein gut vorstellbares Atommodell wurde durch RUTHERFORD und BOHR erdacht. Es ist dem Sonnensystem mit den Planeten ähnlich, welche die Sonne umkreisen. Im Sonnensystem werden die Planeten durch die Massenanziehung auf ihren Bahnen gehalten (Gravitationsgesetz), welche

3 4

Ernest RUTHERFORD (1871 - 1937), englischer Physiker Niels BOHR (1885 - 1962), dänischer Physiker

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