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WWU - Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein

Elektronik/Elektrotechnik - 1. Einführung und allgemeine Grundlagen 1

Einführung in die Elektronik/Elektrotechnik

1. Einführung und allgemeine Grundlage

2. 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



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.

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.

Historisches



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.

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).



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:

E: nicht elektrischer Energiefluss Eel: elektrischer Energiefluss Q: Verlustwärme

Eel E

Q

EelE

Q

EelEel

Q

Sel S

E

Q

Sel Sel

E

Q

E

SelS

Q

S: nicht elektrisches Signal Sel:elektrisches Signal

Q: Verlustwärme

E: Antriebsenergie



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.



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.

Q

WU zu

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. IRU

Merke: Spannung und Spannungsabfall haben dasselbe Symbol, die selbe Einheit und werden mit denselben Messgeräten gemessen!

Elektrische Spannung



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

Q

WU IRU

_

sFW

Q_ +F

s

Spannung liegt an Spannung fällt ab

Spannung wird erzeugt durch: Spannungsabfall wird erzeugt durch:

Induktion

Elektrochemie

Optoelektrik

Thermoelektrik

Strom durch einen Widerstand

R

IUR+

_



Elektrischer Strom

Elektrische Felder sind in der Lage Ladungsträgerströmungen auszulösen. Deren Größe bezeichnet man als elektrische Stromstärke I.

Die Einheit der elektrischen Stromstärke ist das Ampere (A).

dt

dQI

Elektrische Ströme sind immer dann möglich, wenn frei bewegliche Ladungsträger existieren, also in

• Metallen oder

• Flüssigkeiten oder

Gasen oder im

Vakuum.

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.



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“.

U I

Dabei ist der Widerstand R der Proportionalitätsfaktor und das Gesetz lautet in der üblichen Schreibweise:

I

UR

Die Einheit des Widerstands ist das Ohm (). 11

1][

A

VR

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.



Elektrischer Stromkreis

Werden Spannungsquelle und Widerstand miteinander verbunden, entsteht ein elektrischer Stromkreis, der von einem Strom mit der Stromstärke I durchströmt wird.

UO UR

I

+

-

Die Spannung Uo setzt als energetische Antriebsgröße einen Strom I (Strömungsgröße) in Bewegung.

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!

I strömt durch alle Teile eines Stromkreises und erzeugt an allen Widerständen R Spannungsabfälle UR.

Wirkungsschema: Uo I UR

W: Wird ein Widerstand von einem Strom durchflossen, so fällt über dem Widerstand ein Spannungsabfall ab.

R

UI



UgesUges UR3

UR1UR2

UR1UR2UR3

R3 R2 R1

R3 R2 R1

IgesI3+ I2

321 IIII ges

321 RRRges UUUU

321 RRRRges

321 RIRIRIU ges

321 RRRges UUUU

321 R

U

R

U

R

UI gesgesgesges

321 IIII ges

GR

1

321 GGGGges

321

1111

RRRRges

I3+ I2+I1

Bei Reihenschaltung verhalten sich die Widerstände wie die Spannungsabfälle.

Warum ist die Stromstärke bei Reihen-schaltung in jedem Punkt gleich?Für die elektrische Ladung gilt der Erhaltungssatz!

Warum ist die Spannung bei Parallelschaltung an allen Widerständen gleich?

Sie sind direkt miteinander verbunden! Der Leitungswiderstand wird vernachlässigt.

Iges

I1

Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen

I3I2

Bei Parallelschaltung addieren sich die Leitwerte G.



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.

IUP WAVP 111][

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.

tIUtPW WssAVW 1111][

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.

U

I R

Wärme Q Verlustleistung



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

t

U1:Gleichspannung mit konstantem Betrag

u2 : veränderliche Gleichspannung

u3: Gleichspannungsimpuls

Wechselspannungen

t

+U

U1 periodische Wechselspannung

Konstante elektrische Größen werden mit Großbuchstaben bezeichnet (U, I, P).

Sind die Größen zeitlich veränderlich und nicht periodisch, verwendet man Kleinbuchstaben (u, i, p)

Bei Wechselgrößen ändern sich periodisch oder nicht periodisch die Richtung der Spannung und damit die Richtung des Stromes.

-U



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

t

+U

-U T

Tf

1 Hzs

sf 1

1][ 1



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 Vergleichszu stände 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.



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.

UO UR

I

+

-

A

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.



Messung der Spannung und des Spannungsabfalls

Bei einer Spannungsmessung muss der Stromkreis nicht geöffnet werden!

I

UO

+

-

A

V

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.



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

RiRaURa

URi

IU0 : LeerlaufspannungRi : Innenwiderstand der SpannungsquelleURi: Spannungsabfall über dem InnenwiderstandRa : ArbeitswiderstandI : StromstärkeURa: Spannungsabfall über dem Arbeitswiderstand

RiIUUUU RiRA 00Aus dem Ersatzschaltbild kann man ablesen:

Wenn die Spannungsquelle belastet wird, dann steigt der Spannungsabfall über dem Innenwiderstand, die Klemmenspannung URa sinkt im selben Maß.



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:Ri

UIK

0U0

RiURi IK

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.



Aufgaben 1 – 3 zur Elektronik1. 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)2. 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 )

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