WWU - Institut fьr Technik und ihre Didaktik - Hein

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Einführung in die Elektronik/Elektrotechnik

• Einführung und allgemeine Grundlage
• Elektronik
• 2.1 Elektronische Bauelemente
• 2.2 Wichtige Baugruppen der Elektronik
• 2.3 Schaltungsentwicklung
• 2.4 Übungen zur Elektronik
• 3. Elektrotechnik
• 3.1 Wechselstromlehre
• 3.2 Elektrische Maschinen
• 3.3 Beleuchtungstechnik
• 3.4 Energieversorgungssystem
• 3.5 Übungen zur Elektrotechnik

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1. Einführung in die allgemeinen Grundlagen der
Elektronik und Elektrotechnik
Die Beschreibung der elektrischen und
magnetischen Erscheinungen stellt unsere
Phantasie vor eine weit größere Aufgabe als die
Mechanik. Die Bewegungen der Körper sind
sichtbar, die Wirkungen der Kräfte können wir
spüren. Dagegen wirkt die Elektrizität und der
Magnetismus im allgemeinen nicht unmittelbar auf
unsere Sinnesorgane. Wir gewinnen zwar mit der
Elektrizität ein tiefes Erlebnis, wenn wir mit
unseren Fingern die Drahtenden des elektrischen
Netzes berühren, aber das ist eine nicht sehr
zweckmäßige Art des Studiums der elektrischen
Stromkreise.
Historisches
Das Wort Elektrizität hat der Hofarzt der
englischen Königin Elisabeth, der im Jahre 1540
geborene Gilbert, eingeführt. Nach ihm hielt man
noch etwa 300 Jahre lang die Elektrizität für
eine Flüssigkeit, die man durch Reiben aus
Körpern herauspressen konnte.
Die Anwendung der Elektrizität ist weitaus älter.
Die am Ufer des Tigris erfolgten Ausgrabungen
haben ungefähr 3000 Jahre alte Tongefäße zu Tage
gebracht, in denen sich geätzte Kupferzylinder
und Eisenplättchen befanden. Die Spuren deuten
darauf hin, daß die Ätzung durch Essig oder
Zitronensäure verursacht worden ist. Den Boden
der Gefäße bedeckte eine dünne Schicht Bitumen,
das bekanntlich ein guter Isolator ist. Man
vermutet, daß in solchen Gefäßen auch hauchdünn
vergoldete Schmuckstücke galvanisiert wurden.
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Das 19. Jahrhundert brachte einen rapiden
Fortschritt in der Elektrizitätslehre. Faraday
war der erste, der statt von einem Fluidum von
einem elektrischen und magnetischen Feld sprach.
1831 entdeckte Faraday die elektromagnetische
Induktion.
1820 entdeckte Oerstedt die Wechselwirkung
zwischen elektrischen und magnetischen
Erscheinungen.
1827 gab Ampere das Buch Über die Theorie der
elektromagnetischen Erscheinungen heraus und es
erschien Ohms Buch von den galvanischen Strömen,
in dem er als Erster die Ausdrücke Stromstärke
und Widerstand verwendete. Den elektrischen Strom
vergleicht er mit der Strömung des Wassers, die
Spannung mit der Wasserniveaudifferenz
(Höhenunterschied).
Nach diesem theoretischen Vorlauf war der Weg für
die technische Nutzung der Elektrizität frei.
Doch den einzelnen elektrotechnischen Erfindungen
wenden wir uns dann zu, wenn die Systeme im
weiteren Verlauf behandelt werden.
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Aus der Sicht der Allgemeinen Technologie sind
elektronische und elektrotechnische Geräte,
Maschinen und Anlagen Systeme zur Veränderung von
Signal- und Energieflüssen. Dabei sind folgende
Varianten möglich
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Die Systeme der Elektronik und Elektrotechnik
verändern also Signal- und Energieflüsse. Die
Antriebsgröße für die Strömung der Elektroenergie
die elektrische Spannung U und die Strömungsgröße
die elektrische Stromstärke I.   Die
Elementargröße elektrischer Vorgänge ist die
elektrische Elementarladung e. Sie kann positiv
oder negativ sein. Ihr Betrag ist   e
1.60219 ? 10-19 C   C Einheit der Ladung
Coulomb Elektrische Vorgänge sind auf nichts
anderes als die gerichtete Bewegung von
Elementarladungen zurückzuführen. Als geeignete
Modellvorstellung kann man sich hierzu
Elektronen- oder Ionenströmungen denken. Hat
ein Körper Elementarladungen e aufgenommen, dann
bezeichnet man diesen Zustand als seine
elektrische Ladung Q.
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Elektrische Spannung
Werden Ladungsträger durch Verrichtung von Arbeit
Wzu verschoben, so baut sich ein elektrisches
Feld auf. Das äußere Merkmal ist dabei die
Entstehung einer elektrischen Spannung U oder
einer sogenannten Spannungsquelle.

• Elektrische Spannung kann man z.B.
• durch Reiben eines Plaststabes an einem Wolltuch,
  
• durch elektromagnetische Induktion,
• durch die Kombination von Stoffen mit speziellen
  chemischen Eigenschaften oder
• durch den lichtelektrischen Effekt
• nachvollziehen

Die Einheit der elektrischen Spannung ist das
Volt (V).
Umgerechnete Einheiten sind 106 ?V 103 mV 1
V 10-3 kV  
Aber Spannungsabfall entsteht, wenn ein Strom
durch einen Widerstand fließt.
Merke Spannung und Spannungsabfall haben
dasselbe Symbol, die selbe Einheit und werden mit
denselben Messgeräten gemessen!
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Begriffe und Denken S p a n n u n g S p a n n
u n g s a b f a l l 
Spannung liegt an Spannung fällt ab
Spannung wird erzeugt durch Spannungsabfall wird
erzeugt durch
Induktion Elektrochemie Optoelektrik Thermoelektri
k
Strom durch einen Widerstand
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Elektrischer Strom
Elektrische Felder sind in der Lage
Ladungsträgerströmungen auszulösen. Deren Größe
bezeichnet man als elektrische Stromstärke I.

• Elektrische Ströme sind immer dann möglich, wenn
  frei bewegliche Ladungsträger existieren, also in
• Metallen oder
• Flüssigkeiten oder
• Gasen oder im
• Vakuum.

Die Einheit der elektrischen Stromstärke ist das
Ampere (A).
Umgerechnete Einheiten sind 106 ?A 103 mA 1
A 10-3 kA
Merke Während das Vorhandensein einer
elektrischen Spannung immer ein elektrisches Feld
voraussetzt, ist jeder elektrische Strom von
einem Magnetfeld begleitet.
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Elektrischer Widerstand
Ein elektrischer Strom setzt nicht nur eine
Spannung voraus, sondern auch einen elektrischen
Stromkreis. Ein solcher Stromkreis besteht aus
elektrisch leitfähigem Material, das dem Strom
einen Widerstand entgegensetzt. Die Spannung und
die Stromstärke verhalten sich an elektrischen
Widerständen proportional zueinander. Diesen
Zusammenhang hat Ohm entdeckt. Deshalb nennt man
ihn Ohmsches Gesetz.
Dabei ist der Widerstand R der Proportionalitätsfa
ktor und das Gesetz lautet in der üblichen
Schreibweise
U ? I
Die Einheit des Widerstands ist das Ohm (?).
Umgerechnete Einheiten des Widerstands sind 103
m? 1? 10-3k ? 10-6M ?
Wie aus der Beziehung hervorgeht, ist der
Widerstand als elektrische Größe zu deuten, denn
immer, wenn bei einer Spannung oder einem
Spannungsabfall ein Strom fließt, ist auch ein
Widerstand vorhanden. Andererseits ist der
Widerstand auch eine Werkstoffeigenschaft, die
sich z.B. in deren Einteilung in Nichtleiter
(Isolator), Halbleiter und Leiter ausdrückt.
Diese Werkstoffeigenschaft wird als spezifischer
elektrischer Widerstand ? (Rho) oder umgekehrt
auch als elektrische Leitfähigkeit ? (Sigma)
bezeichnet.
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Elektrischer Stromkreis
Werden Spannungsquelle und Widerstand miteinander
verbunden, entsteht ein elektrischer Stromkreis,
der von einem Strom mit der Stromstärke I
durchströmt wird.
Die Spannung Uo setzt als energetische
Antriebsgröße einen Strom I (Strömungsgröße) in
Bewegung.
I strömt durch alle Teile eines Stromkreises und
erzeugt an allen Widerständen R Spannungsabfälle
UR. Wirkungsschema Uo I UR
Merke Physikalische und technische Stromrichtung
sind entgegengesetzt Obwohl sich die
Ladungsträger, in diesem Fall Elektronen vom
Minuspol (Ladungsträgerüberschuss) zum Pluspol
(Ladungsträgermangel) bewegen, wurde als
technische Stromrichtung die Bewegung von Plus
nach Minus festgelegt. Diese Festlegung muss man
bei der Erklärung elektrischer Zusammenhänge
konsequent befolgen. Im anderen Fall sind
Verwirrungen unvermeidbar!
W Wird ein Widerstand von einem Strom
durchflossen, so fällt über dem Widerstand ein
Spannungsabfall ab.
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Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen
I3 I2
I3 I2I1
Warum ist die Spannung bei Parallelschaltung an
allen Widerständen gleich?
Warum ist die Stromstärke bei Reihen-schaltung in
jedem Punkt gleich?
Sie sind direkt miteinander verbunden! Der
Leitungswiderstand wird vernachlässigt.
Für die elektrische Ladung gilt der
Erhaltungssatz!
Bei Parallelschaltung addieren sich die Leitwerte
G.
Bei Reihenschaltung verhalten sich die
Widerstände wie die Spannungsabfälle.
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Elektrische Leistung und Arbeit
Stromdurchflossene Widerstände erwärmen sich. Das
bedeutet nichts anderes, als dass Arbeit
(Stromarbeit) verrichtet wird. Das Produkt aus
Spannungsabfall über dem Widerstand und
Stromstärke durch den Widerstand ist die Leistung
P des Widerstands.
Die Einheit der Leistung ist das Watt (W)
Die elektrische Arbeit W ist das Maß für die bei
der Durchströmung entstandene Wärmemenge. Sie
entspricht der Leistung, die über eine bestimmte
Zeit erbracht wird.
Die Einheit der elektrischen Arbeit ist die
Wattsekunde (Ws) und gleichwertig mit dem Joule
(J) und dem Nm.
Mit Spannung, Stromstärke, Widerstand, Leistung
und Arbeit sind die wesentlichen Parameter des
elektrischen Systems bestimmt.
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Zeitliches Verhalten von Spannung und
Stromstärke Je nach Erzeugungsart können
Spannungen und Ströme ihre Beträge und ihre
Richtung ändern oder nicht. Grundsätzlich werden
Gleich- und Wechselspannung bzw. Gleich- und
Wechselstrom unterschieden. Diese Größen werden
über der Zeit dargestellt. Die folgenden
Diagramme zeigen Beispiele für das zeitliche
Verhalten von Strömen und Spannungen.
Gleichspannungen
U
U1Gleichspannung mit konstantem Betrag
u2 veränderliche Gleichspannung
u3 Gleichspannungsimpuls
Konstante elektrische Größen werden mit
Großbuchstaben bezeichnet (U, I, P). Sind die
Größen zeitlich veränderlich und nicht
periodisch, verwendet man Kleinbuchstaben (u, i,
p)
t
Wechselspannungen
U
U1 periodische Wechselspannung
t
Bei Wechselgrößen ändern sich periodisch oder
nicht periodisch die Richtung der Spannung und
damit die Richtung des Stromes.
-U
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Die periodische Richtungsänderung der
energetischen Größen ist eine wichtige technische
Eigenschaft elektrischer Strömungen. Bezieht man
die Anzahl der Richtungsänderungen auf die Zeit,
so erhält man einen weiteren wichtigen Parameter,
die Frequenz f.
Die Einheit der Frequenz ist das Hertz (Hz), T
ist die Dauer einer Schwingung und wird
Periodendauer genannt.
Umgerechneter Einheiten 1 Hz 10-3 kHz 10-6
MHz
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Prüfen und Messen elektrischer Größen
Das Prüfen und Messen erfolgt zur
Informationsgewinnung über den Betriebszustand,
das Verhalten oder die Einsatzbereitschaft
elektrotechnischer und elektronischer Systeme.
Ebenso dient es der Qualitätskontrolle,
Fehlersuche und experimentellen Bestimmung von
Parametern.
Prüfen Vergleichen eines vorhandenen Ist-
Zustands mit einem festgelegten Soll- oder
Bezugszustand um feststellen, ob diese
Vergleichszustände im Rahmen einer vorgegebenen
Toleranz übereinstimmen. Prüfergebnisse sind
daher grundsätzlich Ja - Nein -
Entscheidungen. Messen Vergleichen einer
Messgröße X mit ihrer Einheit E, um
festzustellen, wie oft E in X einhalten
ist. Messen bedeutet also, in der Gleichung X x
? E die Zahl x (Maßzahl) zu bestimmen.
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Messen der Stromstärke
Um einen Strom zu messen, muß der Stromkreis
grundsätzlich aufgetrennt werden! (Die
Stromstärke wird in einem Punkt gemessen)
Ein Stromstärkemesser ist ein Gerät und besitzt
deshalb auch Widerstandseigenschaften. Bei der
Messung wird der Stromkreis gestört, weil sich
durch das Einfügen des Messgerätes der
Gesamtwiderstand erhöht. Dadurch wird das
Messergebnis verfälscht. Über dem Strommesser
selbst fällt, weil er einen Widerstand besitzt,
eine Spannung ab.
Der innere Widerstand Rm eines Strommessgeräts
soll möglichst klein sein der Idealfall wäre mit
Rm 0 erreicht! Solche Messgeräte gibt es
nicht. Bei vielen Anwendungen kann man aber den
Innenwiderstand eines Stromstärkemessgerätes
vernachlässigen.
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Messung der Spannung und des Spannungsabfalls
Bei einer Spannungsmessung muss der Stromkreis
nicht geöffnet werden!
Vielmehr wird der Spannungsmesser so geschaltet,
dass die Spannung der Spannungsquelle oder der
Spannungsabfall über dem Widerstand gemessen
wird.
Auch Spannungsmesser stören den Stromkreis. Wie
aus dem Bild zu erkennen ist, fließt nicht nur
ein Strom durch den Widerstand, sondern auch
durch den Spannungsmesser.
Der innere Widerstand Rm eines Spannungsmessers
soll möglichst hoch sein der Idealfall wäre mit
Rm ? erreicht.
Zur Messung von Stromstärke und Spannung werden
häufig sogenannte elektronische
Vielfachmessgeräte oder Multimeter verwendet.
Diese sind so ausgelegt, dass die durch ihre
Eigenschaften bedingten Messfehler sehr klein
sind und überwiegend vernachlässigt werden
können. Darüber hinaus bieten sie fast immer die
Möglichkeit der Widerstandsmessung.
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Spannungsquelle und Innenwiderstand
Spannungsquellen Batterien und
Akkumulatoren Generatoren und
Transformatoren Solarzellen Mikrofone u.a.
Gemeinsame Eigenschaft Erzeugen elektrische
Spannung und bei Belastung, d.h., wenn sie einen
Strom liefern sinkt ihre Spannung ab und die
Stromstärke ist endlich.
Ursache Spannungsquellen besitzen einen
Innenwidersatnd Ri.
Ersatzschaltbild
U0 Leerlaufspannung Ri Innenwiderstand der
Spannungsquelle URi Spannungsabfall über dem
Innenwiderstand Ra Arbeitswiderstand I
Stromstärke URa Spannungsabfall über dem
Arbeitswiderstand
Ri
Ra
Aus dem Ersatzschaltbild kann man ablesen
Wenn die Spannungsquelle belastet wird, dann
steigt der Spannungsabfall über dem
Innenwiderstand, die Klemmenspannung URa sinkt im
selben Maß.
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Für eine ideale Spannungsquelle gilt Ri 0.
Folge Eine von der Belastung unabhängige
konstante Ausgangsspannung. Das ist technisch in
Grenzen möglich. Hierbei ändert sich der
Innenwiderstand Ri in Abhängigkeit von der
Belastung.
Jede Spannungsquelle ist, wenn sie belastet wird,
auch gleichzeitig eine Stromquelle. Im
Kurzschlußfall wird der Strom nur durch den
Innenwiderstand begrenzt.
Für diesen Fall gilt
Das bedeutet, daß an den Klemmen der
Spannungsquelle keine Spannung messbar ist. Diese
sind ja auch kurz geschlossen, dh. Ra 0.
Merke Ist der Innenwiderstand Ri der
Spannungsquelle gegenüber dem Arbeitswiderstand
Ra klein, dann betrachtet man die Energiequelle
als Spannungsquelle. Ist der Innenwiderstand
Ri der Spannungsquelle gegenüber dem
Arbeitswiderstand Ra groß, dann betrachtet man
die Energiequelle als Stromquelle.
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• Aufgaben 1 3 zur Elektronik
• 1. Welchen inneren Widerstand hat eine Batterie,
  deren Leerlaufspannung 4,5 V beträgt und aus der
  über einen Widerstand von 12 ? ein Strom von 350
  mA entnommen wird? (Ri 0,857?)
• Eine LED soll mit einer Spannung von U 6V
  betrieben werden. Das ist nicht möglich, weil die
  Flussspannung der LED mit UF 2 V nicht
  überschritten werden darf. Ihre Stromstärke
  beträgt 15 mA. Mit einem Vorwiderstand wäre das
  Problem zu lösen. Wie groß muss sein
  Widerstandswert sein und für welche
  Verlustleistung muss er ausgelegt sein? (RV
  266,66? P 60 mW)
• 3. Eine frische Batterie (Leerlaufspannung 4,5
  V) liefert bei Kurzschluss einen Strom von 5 A.
  Wie groß ist der innere Widerstand? Welchen Wert
  hat der innere Widerstand, wenn die Batterie
  verbraucht ist, weil nur noch ein
  Kurzschlussstrom von 20 mA fließt? (R1 0,9? R2
  225 ?)