Elektronik Grundwissen - Europa-Lehrmittel · Vorwort 3 Vorwort zur 15. Auflage Das Fachbuch...

EUROPA-FACHBUCHREIHE

für elektrotechnische

und elektronische Berufe

Elektronik GrundwissenBerufliche Grundbildung für Elektroberufe

15. neu bearbeitete und erweiterte Auflage

Bearbeitet von Lehrern und Ingenieuren an beruflichen Schulen

und in Betrieben (siehe Rückseite)

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Die Autoren und der Verlag Europa-Lehrmittel Sommer 2010

VERLAG EUROPA-LEHRMITTEL · Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG

Düsselberger Straße 23 · 42781 Haan-Gruiten

Europa-Nr.: 31789

31789 S.001-102_Elektronik_Grundl. ab S.1 12.08.10 12:14 Seite 1

Autoren:

Günther Buchholz Dipl.-Ing. (FH), Oberstudienrat Stuttgart

Elmar Dehler Studienrat Ulm

Bernhard Grimm Oberstudienrat Leonberg, Sindelfingen

Gregor Häberle Dr.-Ing., Abteilungsleiter Tettnang

Werner Philipp Dipl.-Ing. (FH), Oberstudienrat Heilbronn

Bernd Schiemann Dipl.-Ing. Stuttgart

Bildbearbeitung:

Zeichenbüro des Verlags Europa-Lehrmittel GmbH & Co. KG, Ostfildern

Lektorat:

Studiendirektor Dipl.-Ing. Bernd Schiemann, Stuttgart

15. Auflage 2010Druck 5 4 3 2 1Alle Drucke derselben Auflage sind parallel einsetzbar, da sie bis auf die Behebung von Druckfehlern untereinanderunverändert sind.

Das vorliegende Buch wurde auf der Grundlage der aktuellen amtlichen Rechtschreibregeln erstellt.

ISBN 978-3-8085-3206-5

Diesem Buch wurden die neuesten Ausgaben der DIN-Blätter und der VDE-Bestimmungen zugrunde gelegt. Verbind-lich sind jedoch nur die DIN-Blätter und VDE-Bestimmungen selbst.Die DIN-Blätter können von der Beuth-Verlag GmbH, Burggrafenstraße 4–7, 10787 Berlin 30, und Kamekestraße 2–8,50672 Köln, bezogen werden.

Alle Rechte vorbehalten. Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der gesetzlich geregelten Fälle muss vom Verlag schriftlich genehmigt werden.

Umschlaggestaltung, Idee: Bernd Schiemann, Umsetzung Atelier PmbH, Beat Hodel, 35088 Battenbergunter Verwendung eines Fotos der Monacor International GmbH & Co KG in Bremen.

© 2010 by Verlag Europa-Lehrmittel, Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG, 42781 Haan-Gruitenhttp://www.europa-lehrmittel.de

Satz: Meis satz&more, 59469 EnseDruck: Media-Print Informationstechnologie, 33100 Paderborn


Vorwort 3

Vorwort zur 15. Auflage

Das Fachbuch „Grundwissen Elektronik“ ist in der 15. Auflage an die technische Entwicklung angepasstworden.

Der Wandel im Ausbildungs- und Lehrbereich hin zu mehr Schülerselbstständigkeit im Bearbeiten vonProjekten lässt sich nur durch fundiertes Grundlagenwissen im Elektronikbereich umsetzen.

Das Buch ist fachsystematisch aufgebaut und erleichtert das Nachschlagen, Wiederholen und Vertiefen.Es enthält Erklärungen und Darstellungen der Formeln und Gesetze der elektronischen Grundlagen unddas Basiswissen zur Elektronik. Die übersichtliche Darstellung in Text- und Bildspalte wurde beibehalten.

Praxisnaher Bezug und Beispiele erleichtern die Anwendung und den Transfer des Gelernten. Mit zahlrei-chen Beispielen dient es als Mittler zwischen Theorie und Praxis.

Der Umgang mit PC-gestützter Software für weite Bereiche der Elektronik sowie der Simulation elektroni-scher Schaltungen setzt die Kenntnis des entsprechenden Begriffsystems voraus. Ohne Kenntnis der ent-sprechenden Fachbegriffe bleibt auch die Suche im Internet erfolglos. Deshalb wurden auch die Seitenmit englischen Fachbegriffen beibehalten und aktualisiert. Berücksichtigt wurden auch geänderte Vor-schriften und Normen.

Das Buch eignet sich bestens für die Berufsausbildung zum Industrieelektriker, Fachrichtung Geräte- undSysteme.

Darüber hinaus vermittelt es das elektronische Rüstzeug für die ersten zwei Jahre in den Ausbildungsbe-rufen Elektroniker für Geräte- und Systemtechnik, Elektroniker für Automatisierungstechnik, System-

elektroniker und Mechatroniker.

Umschüler finden hier ergänzende Erklärungen zu den Merkmalen aller gängigen Bauelemente und eineEinführung in die Denkweise moderner Elektronik.

Darüber hinaus ist es durch seine Praxisnähe auch gut für die Fachschulen für Technik, z. B. für Mecha-tronik und Elektrotechnik sowie Elektrotechnische und IT-Berufskollegs und Berufliche Gymnasien geeig-net.

Sommer 2010 Die Verfasser

Grundlagen

Anwendung der Grundlagen

Grundlagen der Digitaltechnik

Einführung in die Computertechnik

Fertigungstechnik

Kundenorientierung

Betriebswirtschaft und Geschäftsprozesse

1 Basics electronics

Rectifiers, Amplifiers

Digital circuitry

Computer basics

Automatisierungstechnik Control Engineering

2345678

LernfelderLF 1 LF 2 LF 3 LF 4

Kapitel Elektronik – Grundwissen


Formelzeichen dieses Buches . . . . . . . . . . . . . 7Indizes und Zeichen für Formelzeichendieses Buches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1 Grundlagen

1.1 Physikalische Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.1.1 Kraftfelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.1.2 Masse und Kraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.1.3 Basisgrößen und abgeleitete Größen . . . . . . 101.1.4 Kraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.1.5 Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.1.6 Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.2 Elektrotechnische Grundgrößen . . . . . . . . . . 131.2.1 Ladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.2.2 Spannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.2.3 Elektrischer Strom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.2.4 Elektrischer Widerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.2.5 Ohmsches Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.2.6 Widerstand und Temperatur . . . . . . . . . . . . . .171.2.7 Stromdichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.2.8 Bauformen der Widerstände . . . . . . . . . . . . . 181.2.8.1 Festwiderstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.2.8.2 Veränderbare Widerstände . . . . . . . . . . . . . . 201.2.8.3 Heißleiterwiderstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.2.8.4 Kaltleiterwiderstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211.2.8.5 Spannungsabhängige Widerstände . . . . . . . 221.3 Grundschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231.3.1 Bezugspfeile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231.3.2 Reihenschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241.3.3 Parallelschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.3.4 Gemischte Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 271.3.4.1 Spannungsteiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281.3.4.2 Widerstandsbestimmung durch Strom-

und Spannungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . 29

1.3.E Basics electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

1.3.E1 Electricity and electric charge . . . . . . . . . . . . 301.3.E2 Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301.3.E3 Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301.3.E4 Ohm’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311.3.E5 Simple circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311.3.E6 Resistance and conductivity . . . . . . . . . . . . . 321.3.E7 Resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321.4 Gefahren des elektrischen Stromes

und Überstrom-Schutzeinrichtungen . . . . . 331.4.1 Gefahren des elektrischen Stromes . . . . . . . 331.4.2 Überstrom-Schutzeinrichtungen . . . . . . . . . . 341.5 Leistung, Arbeit, Wärme . . . . . . . . . . . . . . . . 361.5.1 Elektrische Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361.5.2 Elektrische Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381.5.3 Mechanische Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391.5.4 Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391.5.5 Temperatur und Wärme . . . . . . . . . . . . . . . . . 411.5.6 Wärmeübertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421.5.7 Leistungshyperbel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431.6 Spannungserzeuger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441.6.1 Arten der Spannungserzeugung . . . . . . . . . . 441.6.2 Belasteter Spannungserzeuger . . . . . . . . . . . 451.6.3 Anpassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461.6.4 Schaltungen von Spannungserzeugern . . . . 471.6.5 Ersatzspannungsquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . 481.7 Wechselspannung und Wechselstrom . . . . . 49

1.7.E Dangers from electric current . . . . . . . . . . . . 55

1.7.E1 Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551.7.E2 Circuit breakers and RCDs . . . . . . . . . . . . . . . 551.8 Spannung und elektrisches Feld . . . . . . . . . . 56

1.8.1 Elektrisches Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571.8.2 Kondensator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 581.8.3 Schaltungen von Kondensatoren . . . . . . . . . 611.8.4 Kondensator im Gleichstromkreis . . . . . . . . 621.8.5 Bauformen der Kondensatoren . . . . . . . . . . . 63

1.8.E Capacitance and capacitors . . . . . . . . . . . . . . 67

1.8.E1 Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 671.8.E2 Types of capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 671.8.E3 Properties and characteristic values

of capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

1.9 Strom und Magnetfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . 681.9.1 Magnetisches Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 681.9.1.1 Pole des Magneten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 681.9.1.2 Weißsche Bezirke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 681.9.1.3 Arten magnetischer Stoffe . . . . . . . . . . . . . . . 691.9.1.4 Magnetostriktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 691.9.1.5 Magnetische Feldlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . 701.9.1.6 Anwendung der Dauermagnete . . . . . . . . . . 701.9.1.7 Magnetfeld um den Strom . . . . . . . . . . . . . . . 711.9.1.8 Magnetfeld einer vom Strom

durchflossenen Spule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 721.9.1.9 Magnetische Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 731.9.1.10 Eisen im Magnetfeld einer Spule . . . . . . . . . 751.9.2 Elektromagnetische Baugruppen . . . . . . . . . 771.9.2.1 Elektromagnete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 771.9.2.2 Relais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 771.9.2.3 Schütz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

1.9.E1 Electricity and magnetism . . . . . . . . . . . . . . . 79

1.9.E1.1 Magnetic fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 791.9.E1.2 Electricity makes magnetism . . . . . . . . . . . . . 791.9.E1.3 Electromagnetic induction . . . . . . . . . . . . . . . 791.9.E1.4 Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

1.9.3 Strom im Magnetfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 801.9.4 Induktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 831.9.5 Spule im Gleichstromkreis . . . . . . . . . . . . . . . 881.9.6 Bauformen der Spulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

1.9.E2 Technical uses of magnetism . . . . . . . . . . . . 91

1.9.E2.1 Contactors and relays . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

1.10 Strom in Festkörpern . . . . . . . . . . . . . . . . . . 921.10.1 Bändermodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 921.10.2 Strom in Metallen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 921.10.3 Strom in Halbleitern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 921.10.3.1 Bändermodell und Kristallaufbau . . . . . . . . 921.10.3.2 Eigenleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 931.10.3.3 Störstellenleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 931.10.4 Eigenschaften von Halbleiterbau-

elementen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 941.10.4.1 Sperrschicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 941.10.4.2 Sperrschichtkapazität . . . . . . . . . . . . . . . . . . 951.10.4.3 Rückwärtsrichtung und Vorwärtsrichtung 951.10.4.4 Elektrischer Durchbruch . . . . . . . . . . . . . . . . 971.10.5 Halbleiterdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 971.10.5.1 Bauformen und Kennzeichnung . . . . . . . . . . 971.10.5.2 Fotodioden, Fotowiderstände und

Fotoelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 991.10.5.3 Lumineszenzdioden und Optokoppler . . . . . 1011.10.5.4 Arbeitspunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1031.10.5.5 Z-Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1051.10.5.6 Kapazitätsdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1061.10.5.7 PIN-Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1061.10.5.8 Schottkydioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1071.10.5.9 Halbleiterlaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

4 Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis


1.10.E Semiconductor diodes . . . . . . . . . . . . . . . . 109

1.10.E1 Rectifier diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1091.10.E2 Zener diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1091.10.E3 Variable-Capacitance diode . . . . . . . . . . . . . 1101.10.E4 Schottky diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1101.11 Schaltungstechnik und Funktionsanalyse 1111.11.1 Schaltungsunterlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . 1111.11.2 Schaltungen mit Installationsschaltern . . . 1121.11.3 Schaltfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1121.11.4 Schützschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1141.11.5 Schaltungen mit Zeitschaltern . . . . . . . . . . 1161.12 Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1171.12.1 Atommodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1171.12.2 Periodensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1181.12.3 Chemische Bindungen . . . . . . . . . . . . . . . . 1181.12.4 Säuren, Basen und Salze . . . . . . . . . . . . . . . 1201.12.5 Normung von Eisenmetallen . . . . . . . . . . . 1201.12.6 Elektrochemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1211.12.6.1 Stromleitung in Flüssigkeiten . . . . . . . . . . . 1211.12.6.2 Elektrolytische Elemente . . . . . . . . . . . . . . . 1211.12.7 Korrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1241.12.8 Leiterwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1251.12.9 Leitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1251.12.9.1 Leitungen der Energietechnik . . . . . . . . . . . 1251.12.9.2 Leitungen der Informationstechnik . . . . . . 127

1.12.E Transmission media in computernetworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

1.12.E1 Coaxial cables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1281.12.E2 Twisted-pair cables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1281.12.E3 Fiber-optic cables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

2 Anwendungen der Grundlagen

2.1 Blindwiderstände an Wechselspannung . . . 1292.1.1 Wechselstromwiderstand des

Kondensators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1292.1.2 Wechselstromwiderstand der Spule . . . . . . 1302.1.3 Schaltungen von nicht gekoppelten Spulen 1312.2 RC-Schaltungen und RL-Schaltungen . . . . 1322.2.1 Reihenschaltung aus Wirkwiderstand

und Blindwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1322.2.2 Parallelschaltung aus Wirkwiderstand

und Blindwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1332.2.3 Verluste im Kondensator . . . . . . . . . . . . . . . 1352.2.4 Verluste in der Spule . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1362.2.5 Impulsverformung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1372.2.6 RC-Siebschaltungen und RL-Sieb-

schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1392.3 Schwingkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1432.3.1 Schwingung und Resonanz . . . . . . . . . . . . . 1432.3.2 Reihenschwingkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1442.3.3 Parallelschwingkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1452.3.4 Resonanzfrequenz (Eigenfrequenz) . . . . . . 1462.3.5 Bandbreite und Güte . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1472.3.6 Mechanische Bandfilter . . . . . . . . . . . . . . . . 148

2.3.E Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

2.4 Leistungen bei Wechselstrom . . . . . . . . . . . 1502.4.1 Wirkleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1502.4.2 Blindleistung, Scheinleistung . . . . . . . . . . . 1502.4.3 Leistungsdreiecke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1512.4.4 Leistungsfaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1522.4.5 Dreiphasenwechselspannung, Drehstrom 1532.4.5.1 Entstehung des Drehstromes . . . . . . . . . . . 1532.4.5.2 Sternschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1542.4.5.3 Dreieckschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1552.4.6 Kompensation von Blindwiderständen . . . 1562.5 Transformatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

2.5.1 Wirkungsweise und Begriffe . . . . . . . . . . . . 1572.5.2 Aufbau der Transformatoren . . . . . . . . . . . . 1572.5.3 Idealer Transformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1582.5.4 Realer Transformator im Leerlauf . . . . . . . . 1602.5.5 Realer Transformator unter Last . . . . . . . . . 1612.5.6 Besondere Transformatorarten . . . . . . . . . . 162

2.5.E Three-phase system and transformers . . . . 163

2.5.E1 Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1632.5.E2 Star connection and delta connection . . . . .1632.5.E3 Transformers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1632.6 Mehrschicht-Halbleiterbauelemente . . . . . 1642.6.1 Bipolare Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1642.6.2 Unipolare Transistoren (FET) . . . . . . . . . . . . 1702.6.3 Thyristoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1752.6.4 Integrierte Schaltungen (IC) . . . . . . . . . . . . .178

2.6.E Bipolar transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

2.7 Optoelektronische Wandler . . . . . . . . . . . . . 1812.7.1 Elektronenröhren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1812.7.2 Bildschirme (Displays) . . . . . . . . . . . . . . . . . 1842.8 Stromversorgung elektronischer

Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1872.8.1 Netzanschlussgerät . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1872.8.2 Gleichrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1872.8.3 Gleichrichterschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . 1882.8.4 Gleichrichter mit einstellbarer Spannung . . 1912.8.5 Glättung der gleichgerichteten Spannung . . 1922.8.6 Stabilisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1942.8.6.1 Arten der Stabilisierung . . . . . . . . . . . . . . . . 1942.8.6.2 Spannungsstabilisierung . . . . . . . . . . . . . . . 1942.8.6.3 Stromstabilisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1962.8.6.4 Stabilisierung mit IC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1972.8.6.5 Schaltnetzteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1972.8.6.6 SSV-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

2.8.E Rectifier circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

2.8.E1 Half-wave rectifier circuit E1 . . . . . . . . . . . . 2002.8.E2 Full-wave rectifier circuit B2 . . . . . . . . . . . . 200

2.9 Verstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2012.9.1 Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2012.9.2 Verstärker mit bipolaren Transistoren . . . . 2052.9.2.1 Verstärkergrundschaltungen . . . . . . . . . . . . 2052.9.2.2 Arbeitspunkt bei Transistoren . . . . . . . . . . . 2062.9.2.3 Emitterschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2072.9.2.4 Kopplung mehrstufiger Verstärker . . . . . . . 2092.9.2.5 Gegenkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2102.9.2.6 Gegentaktschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 2112.9.3 Verstärker mit Feldeffekttransistoren . . . . . 2122.9.4 Operationsverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2152.9.4.1 Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2152.9.4.2 Schaltungsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2162.9.4.3 Betriebsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2162.9.4.4 Grundschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218

2.9.E Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222

2.9.E1 Transistors as amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . 2222.9.E2 Direct voltage amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . 222

2.10 Generatoren und Kippschaltungen . . . . . . 2232.10.1 Sinusgeneratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2232.10.2 Elektronische Schalter . . . . . . . . . . . . . . . . . 2252.10.3 Astabile Kippschaltung (Rechteck-

generator) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2262.10.4 Sägezahngenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2272.10.5 Bistabile Kippschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . 2272.10.6 Monostabile Kippschaltung . . . . . . . . . . . . . 2272.10.7 Schwellwertschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228

2.11 Messgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

Inhaltsverzeichnis 5


6 Inhaltsverzeichnis

2.11.1 Zeigermesswerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2292.11.2 Digitalmultimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2312.11.3 Oszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2322.11.3.1 Analog-Oszilloskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2322.11.3.2 Digitales Speicheroszilloskop DSO . . . . . . . 2362.11.4 PC-Messtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238

2.11.E Measuring equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . 240

2.11.E1 Multimeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2402.11.E2 Oscilloscopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2402.12 Schutzmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2412.12.1 Sicherheitsbestimmungen . . . . . . . . . . . . . . 2412.12.2 Schutzarten elektrischer Betriebsmittel . . . 2432.12.3 Systemunabhängige Schutzmaßnahmen . . . 2432.12.4 Systemabhängige Schutzmaßnahmen . . . . 2452.12.5 Prüfung der Schutzmaßnahmen . . . . . . . . . 2482.12.6 Unfallverhütung und Brandbekämpfung . . 2482.12.7 Weitere Qualitätskennzeichnungen . . . . . . . 249

2.12.E Protective measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250

2.12.E1 Important terms and definitions . . . . . . . . . 2502.12.E2 Protective measures against excessive

contact voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250

3 Grundlagen der Digitaltechnik3.1 Einführung in die Digitaltechnik . . . . . . . . . 2513.1.1 Dualcode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2513.1.2 Grundlagen der Schaltalgebra . . . . . . . . . . . 2523.1.3 Grundschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2553.1.4 Binäre Elemente mit besonderen

Ausgängen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2613.1.5 Digitale Schaltkreisfamilien . . . . . . . . . . . . . 2623.2 Binäre Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2643.2.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2643.2.2 Realisierung eines Binärspeichers . . . . . . . 2643.2.3 Asynchrone Flipflops . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2663.2.4 Synchrone Flipflops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267

3.2.E Digital technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269

3.2.E1 Fundamentals of digital technology . . . . . . 2693.2.E2 Basic logic functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269

4 Einführung in die Computertechnik4.1 Aufbau und Arbeitsweise eines PC-

Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2704.2 Externe Speicher (Massenspeicher) . . . . . . 2734.3 Weitere Peripheriegeräte . . . . . . . . . . . . . . . 2744.4 Betriebssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2754.4.1 Betriebssystemarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2754.4.2 Installation des Betriebssystems . . . . . . . . . 2754.4.3 Bedienung von Windows-Komponenten . . 2764.4.4 Dateiverwaltung (Windows-Explorer) . . . . . 2784.5 Datenschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2794.6 Datensicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2804.7 Office-Paket . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2814.7.1 Bestandteile eines Office-Paketes . . . . . . . . 2814.7.2 Textverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2824.7.3 Tabellenkalkulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2834.8 Präsentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2844.8.1 Präsentation erstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2844.8.2 Präsentationstechniken . . . . . . . . . . . . . . . . .2854.9 Pflichtenheft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .286

4.9.E Computer basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287

4.9.E1 Data processing with a PC . . . . . . . . . . . . . . 2874.9.E2 Basic parts of PC system . . . . . . . . . . . . . . . 2874.10 Programmieren in Visual Basic . . . . . . . . . . 2884.10.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2884.10.2 Projekte, Formen, Module . . . . . . . . . . . . . . 2884.10.3 Strukturierte Anweisungen . . . . . . . . . . . . . 2884.10.4 Textfenster, Check-Kästchen, Buttons . . . . . 289

5 Automatisierungstechnik5.1 SPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2945.1.1 Funktionseinheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2955.1.2 Sensorik und Aktorik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2965.1.3 Programmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2975.1.4 Sicherheitsaspekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2995.1.5 Programm-Entwurfsverfahren . . . . . . . . . . . 3005.2 Regeln mit dem PC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3035.2.1 Der Regelkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3035.2.2 Der PC im Regelkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3045.2.3 Regeln mit unstetigen Reglern . . . . . . . . . . 305

5.E Control engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3065.E1 Open-loop control system . . . . . . . . . . . . . . 3065.E2 Closed-loop control system . . . . . . . . . . . . . 306

6 Fertigungsverfahren6.1 Hauptgruppen der Fertigung . . . . . . . . . . . . 3076.2 Urformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3076.3 Umformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3096.4 Trennen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3106.5 Fügen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3126.6 Beschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3156.7 Veränderung der Stoffeigenschaften . . . . . 3156.8 Lote und Flussmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317

7 Kundenauftrag7.1 Phasen des Kundenauftrags . . . . . . . . . . . . 3187.2 Umgang mit Kunden . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3207.3 Kundenservice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3227.4 Kundenbindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3237.5 Kundenzufriedenheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3237.6 Beschwerdemanagement (Reklamationen) . 324

8 Betriebswirtschaft und Geschäfts-prozesse

8.1 Der Betrieb und sein Umfeld . . . . . . . . . . . . 3268.1.1 Betrieb und Unternehmen . . . . . . . . . . . . . . 3268.1.2 Marktwirtschaft und Staat . . . . . . . . . . . . . . 3278.1.3 Interessenvertretungen . . . . . . . . . . . . . . . . 3278.2 Geschäftsprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3278.2.1 Wertschöpfungsprozesse . . . . . . . . . . . . . . . 3278.2.2 Ablauf von Geschäftsprozessen . . . . . . . . . 3288.2.3 Geschäftsprozesse und betriebliche

Organisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3298.2.4 Informationsbeschaffung . . . . . . . . . . . . . . . 3308.3 Verkaufsprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3318.3.1 Verkaufskalkulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3318.3.2 Erstellung eines Angebotes . . . . . . . . . . . . . 3318.3.3 Verträge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3318.3.3.1 Kaufvertrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3328.3.3.2 Servicevertrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3328.3.3.3 Leasingvertrag und Mietvertrag . . . . . . . . . 3328.3.3.4 Allgemeine Geschäftsbedingungen (AGB) 3328.3.4 Rechnungsstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3338.4 Beschaffungsprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . 3338.4.1 Bestellmengenplanung . . . . . . . . . . . . . . . . 3338.4.2 Anfrage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3338.4.3 Bestellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3348.4.4 Überwachung des Beschaffungsprozesses . . 3348.4.5 Produkthaftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3348.4.6 Technische Dokumentation . . . . . . . . . . . . . 335

9 Anhang

Fachwortliste Englisch – Deutsch . . . . . . . . 336Verzeichnis der Firmen und Dienststellen . . 338Sachwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339

Vordere Innenumschlagseite: Wichtige NormenHintere Innenumschlagseite: Wichtige VDE-Vorschriften


a 1. Winkel(alpha) 2. Temperaturkoeffizent

b 1. Winkel(beta) 2. Kurzschluss-Strom-

verstärkungsfaktor

g 1. Winkel(gamma) 2. Leitfähigkeit

d Verlustwinkel

(delta)

e0 Elektrische Feldkonstante

e Permittivität(epsilon)

n Wirkungsgrad(eta)

h Temperatur in °C(theta)

l 1. Wellenlänge(lambda) 2. Leistungsfaktor

m Permeabilität(müh)

m0 Magnetische Feldkonstante

r 1. spez. Widerstand(rho) 2. Dichte

s 1. Streufaktor(sigma) 2. Rauschabstand

t 1. Zeitkonstante(tau) 2. Impulsdauer

3. Pausendauer

j Winkel, insbesondere(phi) Phasenverschiebungs-

winkel

w 1. Winkelgeschwindigkeit(omega) 2. Kreisfrequenz

Formelzeichen dieses Buches 7

Formelzeichen dieses Buches

Formel-zeichen

a 1. Beschleunigung2. Dämpfungsmaß

b 1. Ladungsträger- beweglichkeit

2. Bandbreite

c 1. spez. Wärmekapazität2. elektrochemisches

Äquivalent3. Ausbreitungsgeschwindig-

keit von elektromagneti-schen Wellen

d 1. Durchmesser2. Abstand3. Verlustfaktor4. Differenztonfaktor

e Elementarladung

f 1. Frequenz2. Umdrehungsfrequenz

g 1. Fallbeschleunigung, Orts-faktor

2. Tastgrad3. Übertragungsmaß

h Höhe

i zeitabhängige Stromstärke

k 1. Klirrfaktor2. Verkürzungsfaktor3. Konstante

Œ 1. Länge, 2. Abstand

m 1. Masse2. Modulationsgrad3. Modulationsindex4. Strangzahl5. Zahl der Stufen

n 1. Drehzahl,Umdrehungsfrequenz

2. ganze Zahl 1, 2, 3 ...3. Brechzahl

p 1. Polpaarzahl, 2. Druck

q Querstromverhältnis

r 1. Radius2. differenzieller Widerstand

s 1. Strecke, Dicke2. Siebfaktor3. bezogener Schlupf4. Korrektur

t Zeit

u zeitabhängige Spannung

ü 1. Übersetzungsverhältnis2. Übersteuerungsfaktor

v 1. Geschwindigkeit2. Verstärkungsmaß

w 1. Energiedichte2. Welligkeitsfaktor

z Ganze Zahl,z. B. Lagenzahl, Leiterzahl

Bedeutung Bedeutung BedeutungFormel-zeichen

Formel-zeichen

Griechische Kleinbuchstaben

Spezielle Formelzeichen werden gebildet, indem man an die Formelzeichen-Buchstaben einen Index oder mehrere Indizes anhängtoder sonstige Zeichen dazusetzt.

Kleinbuchstaben

A 1. Fläche, Querschnitt2. Ablenkkoeffizient

B 1. Magnetische Flussdichte2. Blindleitwert3. Gleichstromverhältnis

C 1. Kapazität2. Wärmekapazität3. Taktanzahl

D 1. Elektrische Flussdichte2. Dämpfungsfaktor3. Dynamikbereich

E 1. Elektrische Feldstärke2. Beleuchtungsstärke

F 1. Kraft, 2. Rauschfaktor,3. Faktor

G Leitwert, Wirkleitwert

H Magnetische Feldstärke

I Stromstärke

J 1. Stromdichte2. Trägheitsmoment

K 1. Konstante2. Kopplungsfaktor

L 1. Induktivität2. Pegel

M 1. Kraftmoment2. Gleichwert

N 1. Zahl, z. B. Windungszahl2. Nachrichtenmenge

P Leistung, Wirkleistung

Q 1. Ladung2. Wärme3. Blindleistung4. Gütefaktor, Güte

R Widerstand,Wirkwiderstand

S 1. Scheinleistung2. Steilheit3. Schlupf (absolut)4. Übertragungsgröße,

Übertragungskoeffizient5. Schlankheitsgrad6. Signal

T 1. Periodendauer2. Übertragungsfaktor3. Temperatur in K

U Spannung

V 1. Volumen2. Verstärkungsfaktor3. Verlustleistung

W 1. Arbeit, 2. Energie

X Blindwiderstand

Y Scheinleitwert

Z 1. Impedanz, Scheinwiderstand

2. Wellenwiderstand3. Schwingungswiderstand

Griechische Großbuchstaben

D Differenz, Änderung(Delta) z. B. Df Bandbreite

Q Durchflutung(Theta)

G 1. Magnetischer Fluss(Phi) 2. Lichtstrom

U Elektrischer Fluss(Psi)

Großbuchstaben


Indizes und Zeichen für Formelzeichen dieses Buches

Die Indizes können kombiniert werden, z. B. bei UCE für Kollektor-Emitterspannung. Indizes, die aus mehreren Buchstaben bestehen,können bis auf den Anfangsbuchstaben gekürzt werden, wenn keine Missverständnisse zu befürchten sind. Zur Kennzeichnung vonWerkstoffen können die Symbole für das Material verwendet werden, z. B. PvCu oder VCu für Kupferverlustleistung.

8 Indizes und Zeichen für Formelzeichen dieses Buches

Index,Zeichen

0 1. Leerlauf2. im Vakuum3. Bezugsgröße

1 1. Eingang2. Reihenfolge

2 1. Ausgang2. Reihenfolge

3, 4, ... Reihenfolge

Scheitelwert, Höchstwert

Tiefstwert, Kleinstwert

1. Spitze-Talwert2. Schwingungsbreite

‘, z. B. u’ 1. besonderer Hinweis2. Ableitung

™ in Dreieckschaltung

Bedeutung Bedeutung BedeutungIndex Index

Griechische Kleinbuchstaben

Ziffern, Zeichen

Großbuchstaben

a 1. Abschalten2. Ausgang3. Abfall4. Anker

ab abgegeben

auf aufgenommen

b 1. Betrieb2. Blindgröße

c 1. Grenz- (von cut off)2. Form (von crest)

d 1. Gleichstrom betreffend2. Dauer-3. Dämpfung

e 1. Eingang2. Emitterschaltung

eff Effektivwert

f Frequenz

g Grenzwert

ges Gesamt-

h hoch, oben

i 1. innen2. induziert3. Strom-4. Signal-5. idell,6. Ist-7. Impuls

j Sperrschicht(von junction)

k 1. Kurzschluss-2. Klirr-3. kinetisch

m 1. magnetisch2. Mittelwert3. Messwerk4. moduliert

max maximal, höchstens

min minimal, mindestens

Kleinbuchstaben

A 1. Strommesser2. Antenne3. Anker-4. Abstimm-5. Anode6. Anzug, Anlauf7. Anlagenerdung8. Körpererdung

B 1. Basis2. Betriebserdung (Netz)3. Bau-4. Blau

C 1. Kollektor2. kapazitiv3. Takt

D Drain

E 1. Emitter2. Entladen3. Erde

F 1. Vorwärts- (forward)2. Fläche3. Fehler-

G 1. Gate2. Gewicht3. Glättung4. Grün

H 1. Hysterese2. Hall-

K 1. Katode2. Kopplung (Gegen-)3. Kühlkörper4. Kippen5. Kanal, Strecke

L 1. höchstzulässig (Limit)2. induktiv3. Last4. links5. Laden6. Berührungs-7. Lorentz-

Ltg Leitung

M Mitkopplung

N 1. Nenn-2. Nutz-

Q Quer-

R 1. Rückwärts- (reward)2. Rauschen3. rechts4. Regel-5. Rot

S 1. Source2. Schleifen-3. Sattel-

T 1. Transformator-2. Träger-

U 1. Umgebung2. Farbdifferenz

V 1. Spannungsmesser2. Verstärkungs-3. Farbdifferenz

W Wellen-

X am X-Eingang

Y 1. am Y-Eingang2. in Sternschaltung3. Luminanz-

Z 1. Zener-2. Zeile

a in Richtung vom(alpha) Winkel a

s Streu-(sigma)

j Phasenverschiebung(phi)

Griechische Großbuchstaben

D eine Differenz betreffend(Delta)

n Bemessungs-(Nenn-)

o Oszillator-

p 1. parallel,2. Pause,3. Puls, 4. potenziell,5. Brumm, 6. Druck7. Foto (Photo)

r 1. in Reihe2. relativ, bezogen3. Anstiegs-4. Rausch-5. Resonanz-

s 1. Sieb-2. Signal, 3. Serie4. Störstrahlung5. in Wegrichtung6. Stoß-7. Lautstärke8. Soll

sat Sättigung

sch Schritt

t tief, unten

th thermisch, Wärme-

tot total, gesamt

u Spannungs-

v 1. Vor-2. Verlust3. visuell, Licht-

w 1. Wirk-, wirksam2. Führungsgröße

x 1. unbekannte Größe2. in x-Richtung

y 1. Stellgröße2. in y-Richtung

z Zwischen-

zu zugeführt

:, z. B. u:;;, z. B. u

;

:;, z. B. u:;


1 Grundlagen

1.1 Physikalische GrößenZur Beschreibung der elektrotechnischen Vor-gänge sind physikalische Begriffe unentbehrlich.

1.1.1 Kraftfelder

Auf einen Körper kann durch unmittelbare Berüh -rung eine Wirkung ausgeübt werden, z. B. eineKraft. Die Wirkung kann aber oft auch aus derFerne erfolgen, z. B. durch die Anziehungskraft derErde auf einen Satelliten (Bild 1). Ohne diese An-ziehungskraft würde der Satellit mit gleichbleiben-der Geschwindigkeit in den Weltraum fliegen.

Körper üben aufeinander eine Anziehungskraftaus, die auch aus der Ferne wirkt. Diese Anzie-hungskraft ist um so größer, je größer die Massender Körper sind und je kleiner ihr Abstand vonei - nander ist. Bei kleinen Massen ist diese Anzie-hungskraft sehr klein, bei großen Massen, z. B.Himmels körpern, aber recht groß.

Tritt eine Wirkung aus der Ferne ein, so sagt man,dass ein Feld zwischen der Ursache der Wirkungund dem Körper ist. Ist mit der Wirkung eine Kraftverbunden, so spricht man von einem Kraftfeld.

1.1.2 Masse und Kraft 9

Jeder Raum kann von Feldern erfüllt sein.

Bekannt ist das Schwerefeld der Erde. Es bewirkt,dass es sehr schwierig ist, die Erde und ihre Umge-bung zu verlassen.

In der Nähe von elektrischen Leitungen tritt einelektrisches Feld auf (Abschnitt 1.8). In der Nähevon Magneten ist ein magnetisches Feld wirksam(Abschnitt 1.9). Sich rasch ändernde elektrischebzw. magnetische Felder sind immer miteinanderverknüpft. Man nennt sie deshalb elektromagneti-sche Felder. Beim Hörfunk- und FernsehsatellitenBild 1 sind gleichzeitig mehrere elektromagneti-sche Felder wirksam. Die verschiedenen Antennenempfangen diese Felder oder strahlen sie ab. DieFlächen mit Solarzellen (von lat. sol = Sonne) neh-men die elektromagnetischen Felder der Licht-strahlung auf und versorgen den Satelliten mitelektrischem Strom. Außerdem ist natürlich dasSchwerefeld der Erde wirksam.

1.1.2 Masse und Kraft

Die Angabe der Masse eines Körpers gibt Auskunftdarüber, ob es leicht oder schwer ist, die Bewe-

Bild 1: Hörfunk- und Fernsehsatellitim Schwerefeld der Erde

Á 25 N

2,5 kg

Bild 2: Kraftmessung

gung des Körpers zu ändern. Die Masse ist unab -hängig von Ort und Umgebung. Die Einheit derMasse ist das Kilogramm. Ihre Messung erfolgt aufeiner Balkenwaage durch Vergleich mit geeichtenMassen.

Die Masse ist an jedem Punkt der Erde undaußerhalb der Erde gleich groß.

Infolge des Schwerefeldes der Erde wirkt auf jedeMasse auf der Erde oder nahe der Erde eine Kraft.Diese Gewichtskraft kann mit einem Kraftmessergemessen werden. Beim Kraftmesser tritt unterder Wirkung der Kraft eine Verformung ein, derenGröße ein Maß für die Kraft ist (Bild 2). Die Einheitder Kraft ist das Newton1 mit dem Einheitenzei-chen N.

1 Newton (sprich Njutn), engl. Physiker, 1643 bis 1727


Formel-zeichen

FG Gewichtskraftg Umrechnungskoeffizient (Fallbeschleuni-

gung)An der Erdoberfläche ist g = 9,81 N/kg fi10 N/kg.

m Massev Geschwindigkeits zurückgelegte Strecket Zeit für das Zurücklegen der Strecke

1.1.3 Basisgrößen, Einheiten und

abgeleitete Einheiten

Physikalische Größen sind messbare Eigenschaf-ten von Körpern, physikalischen Zuständen oderphysikalischen Vorgängen, z. B. Masse, Länge,Zeit, Kraft, Geschwindigkeit, Stromstärke, Span-nung oder Widerstand. Jeder spezielle Wert einerGröße kann durch das Produkt von Zahlenwertund Einheit angegeben werden, z. B. zu 10 kg. Derspezielle Wert einer Größe wird Größenwert undin der Messtechnik Messwert genannt.

Formelzeichen verwendet man zur Abkürzung vonGrößen, insbesondere bei Berechnungen. Manverwendet als Formelzeichen Buchstaben des la-teinischen oder des griechischen Alphabets. For-melzeichen werden in diesem Buch kursiv (schräg)gedruckt.

Physikalische Größen, aus denen man die anderenGrößen ableiten kann, nennt man Basisgrößen(Tabelle 1).

Vektoren nennt man Größen, zu denen eine Rich-tung und ein Betrag gehört, z. B. ist die Kraft einVektor.

Formeln sind kurzgefasste Anweisungen, wie einGrößenwert zu berechnen ist. Wegen ihres Gleich -heitszeichens spricht man auch von Größenglei -chungen. Mithilfe der Berechnungsformel kannman meist auch die Einheit des berechneten Er -geb nisses erhalten.

10 1.1.3 Basisgrößen, Einheiten und abgeleitete Einheiten

v = stFG = g · m

Beispiel:

Für eine gleichbleibende Geschwindigkeit gilt die For-mel v = s/t. Wie groß ist die Geschwindigkeit einesAutos, das in 10 s eine Strecke von 180 m zurücklegt?

Lösung:

v = s/t = 180 m/10 s = 18 m/s = 18 · 3,6 km = 64,8 km

h h

Einheiten

Die meisten physikalischen Größen haben Einhei-ten. Die Einheit ist oft aus einem Fremdwort ent -standen, z. B. Meter vom griechischen Wort fürMessen. Oft sind aber Einheiten auch zu Ehren vonWissenschaftlern benannt, z. B. das Ampere1. Ein -heiten der Basisgrößen sind die Basiseinheiten(Tabelle 1). Einheitenzeichen sind die Abkürzungenfür die Einheiten. Einheitenzeichen werden im Ge-gensatz zu den Formelzeichen senkrecht gedruckt.

1 Ampère, franz. Physiker, 1775 bis 1836

Abgeleitete Einheiten sind aus Basiseinheiten zu -sammengesetzt oder auch aus anderen, abgeleite -ten Einheiten. Oft haben derartige abgeleitete Ein -heiten einen besonderen Einheitennamen (Tabelle

2). Auch die besonderen Einheitennamen habengenormte Einheitenzeichen. Einheitennamen erin-nern an Wissenschaftler und ermöglichen einekurze Schreibweise der Größe.

Es ist zulässig, die besonderen Einheitennamen alsEinheiten zu bezeichnen. Einheiten mit besonde-rem Einheitennamen sind z. B. die in der Elektro -technik häufigen Volt (V), Ohm (O), Watt (W), Farad(F) und Henry (H).

Die abgeleitete Einheit einer Größe erhält man,wenn man in die Berechnungsformel dieser Größedie Einheiten entsprechend einsetzt. Dafür gibt eseine besondere Schreibweise.

Tabelle 2: Abgeleitete Einheiten (Beispiele)

Einheit und Einheiten-zeichen der Basisgröße

Amperesekunde A · sJe Sekunde 1/sMeterquadrat m · m

CHzm2

Einheiten-zeichen

besondererEinheiten-

name

CoulombHertz

–

Tabelle 1: Basisgrößen

LängeMasseZeitStromstärkeTemperaturLichtstärke

Einheiten-zeichenEinheitGröße

ŒmtITIV

MeterKilogrammSekundeAmpereKelvinCandela

mkgsAKcd

Ein Körper mit der Masse 1 kg wiegt auf derErde etwa 10 N.


a BeschleunigungDv Geschwindigkeitsänderung

(D griech. Buchstabe Delta)Dt ZeitabschnittF Kraftm MasseW ArbeitFs Kraft in Wegrichtungs Wegj Winkel zwischen F und Fs

1.1.5 Arbeit 11

Tabelle: Vorsätze zu den Einheiten, Vorsatzzeichen, Bedeutung

Atto

a10–18

Femto

f10–15

Piko

p10–12

Nano

n10–9

Mikro

m10–6

Milli

m10–3

Zenti

c10–2

Dezi

d10–1

Kilo

k103

Mega

M106

Giga

G109

Tera

T1012

Peta

P1015

Beispiel:

Die Geschwindigkeit berechnet man aus der Strecke sund der Zeit t mit der Formel v = s/t. Zu berechnen ist[v] (sprich: Einheit von v).

Lösung:

v = s/tπ (sprich: daraus folgt) [v] = [s] / [t ] = m/s

Vorsätze geben bei sehr kleinen oder sehr großenZahlenwerten die Zehnerpotenz an, mit welcherder Zahlenwert einer Größe malzunehmen ist(Tabelle).

1.1.4 Kraft

Ein beweglicher Körper kann durch eine Kraft be-schleunigt werden, also seine Geschwindigkeit än-dern. Als Beschleunigung bezeichnet man denQuotienten aus Geschwindigkeitsänderung durchZeitabschnitt, in dem diese Änderung erfolgt.

Je größer bei einer Masse die Beschleunigung ist,desto größer ist die auf die Masse wirkende Kraft.Man bezeichnet diesen Zusammenhang als Grund -gesetz der Mechanik.

Darstellung von Kräften. Die Kraft ist ein Vektor,der durch die Pfeilstrecke F (sprich: Vektor F) dar -gestellt wird (Bild 1). Die Länge der Pfeilstreckegibt F = F (sprich: Betrag des Vektors F) an, diePfeilrichtung die Wirkungsrichtung. Bei der Addi-tion hängt man die Kraftvektoren unter Berücksich-tigung ihrer Richtung aneinander (siehe Mathema-tik für Elektroniker).

1.1.5 Arbeit

Eine Arbeit wird aufgewendet, wenn infolge einerKraft ein Wegstück zurückgelegt wird, z. B. von ei-nem Hubstapler gegen die Gewichtskraft der Last.Der Größenwert der mechanischen Arbeit ist also

Die Zehnerpotenzen der Zahlenwerte vonGrößen schreibt man als Vorsatzzeichen derEinheitenzeichen.

¯

¯

das Produkt aus Kraft und Weg. Die Einheit derArbeit ist das Newtonmeter (Nm) mit dem beson-deren Einheitennamen Joule1 (J). Liegen Kraft undWeg nicht auf derselben Geraden, so wird zur Be-rechnung der Arbeit nur die Teilkraft in Wegrich-tung berücksichtigt (Bild 1).1 Joule (sprich: Dschul), engl. Physiker, 1818 bis 1889

Wegƒ

F

•

FR und FG; FR =-F

F Zugkraft

Fs Kraft in Weg- richtungFG Gewichtskraft

Fr resultierender Kraftvektor aus

FR ReibkraftFG

Fs

FR

Fr

Bild 1: Kräfte bei einem Schlepplift

F = m · a

W = F · s · cos jW = Fs · s

a = –––

¯ ¯

[W] = N · m = Nm = J

DvDt

[a] = (m/s) / s = m/s2 [F] = kg · m/s2 = N


Wp potenzielle EnergieFG GewichtskraftDh Höhendifferenzg Schwerebeschleunigung (g fi 10 N/kg)

12 1.1.6 Energie

1.1.6 Energie

Die Fähigkeit zum Verrichten einer Arbeit nenntman Arbeitsvermögen oder Energie. Die Energiehat dasselbe Formelzeichen und dieselbe Einheitwie die Arbeit. Arbeit und Energie stellen also die -selbe physikalische Größe dar. Jedoch drückt derBegriff Arbeit den Vorgang aus, der Begriff Energiedagegen den Zustand eines Körpers oder einesSystems aus mehreren Körpern. Meist ändert sichdie Energie durch Arbeitsaufwand (Bild 1). Diebeim Heben einer Last aufgewendete Arbeit stecktnach dem Heben in der Last. Diese Arbeit kannwieder freigesetzt werden, wenn die Last gesenktwird, z. B. bei einem Baukran.

Energie ist Arbeitsvermögen. Arbeit bewirktE nergieänderung.

Energie lässt sich nicht erzeugen, sondern nurumwandeln.

Außer der mechanischen Energie gibt es weitereEnergiearten. In brennbaren Stoffen ist chemischeEnergie gespeichert. Diese lässt sich durch Ver -bren nung in Wärmeenergie umwandeln. Die inAtomkernen gespeicherte Energie nennt manKern energie oder auch Atomenergie. Die von derSonne als Wärmestrahlung oder als Lichtstrahlungausgesandte Energie nennt man Sonnenenergie.

Potenzielle Energie (von lat. potentia = Vermögen,Macht) oder Energie der Lage (Bild 1) ist die in ei-nem System gespeicherte Energie, z. B. in einerMasse, die sich im Schwerefeld der Erde befindet.Potenzielle Energie bedeutet hier das in Lage 1 ge -speicherte Arbeitsvermögen gegenüber einer Lage0 (Bezugslage). Für die Größe der potenziellenE nergie ist also vor allem die Bezugslage (Aus -gangs lage) maßgebend.

Die potenzielle Energie gegenüber der Bezugslageist so groß wie die erforderliche Arbeit zur Bewe -gung der Masse aus der Bezugslage in die neueLage.

Potenzielle Energie kann auch anders gespeichertwerden, z. B. in einer gespannten Feder.

Kinetische Energie ist in einer bewegten Massegespeichert. Die kinetische Energie ist unabhän-gig von einer Bezugslage. Sie hängt nur von derMas se und von deren Geschwindigkeit ab.

Wenn einem Körper oder einem System keine Ar-beit zugeführt wird, so kann die kinetische Energiedes Körpers oder des Systems höchstens so großwerden wie seine potenzielle Energie ist, z. B.beim Fall aus einer bestimmten Höhe.

Beispiel:

In einem Stausee befinden sich 1 Million m3 Wasser(Dichte 1 Mg/m3) 600 m über dem Turbinenhaus. Wieviel potenzielle Energie ist gegenüber der Lage desTurbinenhauses vorhanden?

Lösung:Wp = m · g · Dh fi 106 m3 · 1 Mg/m3 · 10 N/kg · 600 mWp = 109 · 10 · 600 Nm = 6 · 1012 Nm = 6 TJ

Wiederholung und Vertiefung

1. Nennen Sie drei Kraftfelder.

2. Geben Sie die Einheit der Kraft an.

3. Erklären Sie den Begriff Vektor.

4. Worin liegt der Unterschied zwischen Arbeit

und Energie?

5. Wie heißen die beiden Arten der mechanischen

Energie?

FG

Lage 0

Lage 1verrichtet Arbeit

PotenzielleEnergie Wp

Wp = FG • #h

FG

FG

#h

Bild 1: Änderung der Energie durch Arbeit

Wk = 1 · m · v 2Wp = m · g · Dh

Wp = FG · Dh

[Wk] = Nm = J[Wp] = Nm = J

Wk kinetische Energiem Massev Geschwindigkeit

2


Q Ladung; J Stromstärke; t Zeit

1.2.2 Spannung 13

1.2 Elektrotechnische Grundgrößen

1.2.1 Ladung

Jeder Körper ist im normalen Zustand elektrischneutral. Durch Reiben des Körpers kann dieser Zu -stand geändert werden.

Stäbe aus Isolierstoffen, wie z. B. Hartgummi,Acrylglas, Polystyrol, die man mit einem Wolltuchreibt, üben aufeinander Abstoßungskräfte (Bild 1)

oder Anziehungskräfte (Bild 2) aus. Dafür sindebenfalls die elektrischen Ladungen verantwortlich.

Gleichartige Ladungen stoßen sich ab, un -gleich artige Ladungen ziehen sich an.

Spannung entsteht durch Trennung von Ladun-gen.

Die Ladung des Acrylglasstabes bezeichnet manals positive Ladung (Plusladung), die Ladung desPolystyrolstabes oder des Hartgummistabes alsnegative Ladung (Minusladung). Ladungen übenKräfte aufeinander aus. Der Ladungszustand istaus dem Aufbau der Stoffe erklärbar.

Enthält der Kern eines Atoms so viele Protonen,wie Elektronen um den Kern kreisen, so ist dasAtom elektrisch neutral (Bild 3). Nach außen trittkeine elektrische Ladung in Erscheinung. Kreisendagegen um den Atomkern mehr oder wenigerElektronen als Protonen im Kern vorhanden sind,so ist das Atom im ersten Fall negativ, im zweitenFall positiv geladen. Man nennt es Ion (griech. ion= wandernd).

Die elektrische Ladung ist von der Stromstärke undvon der Zeit abhängig. Sie hat die Einheit Ampere -sekunde (As) mit dem besonderen Einheitenna-men Coulomb1 (C).

Jedes Elektron ist negativ geladen, jedes Proton istpositiv geladen. Beide tragen die kleinste Ladung,die sogenannte Elementarladung. Die Elementar -ladung eines Elektrons beträgt –0,1602 aC, die Ele-mentarladung eines Protons beträgt +0,1602 aC.

1.2.2 Spannung

Zwischen verschiedenartigen Ladungen wirkt eineAnziehungskraft (Bild 4). Werden verschiedenar-tige Ladungen voneinander entfernt, so muss ge-gen die Anziehungskraft eine Arbeit verrichtet wer -den. Diese Arbeit ist nun als Energie in den Ladun-gen gespeichert. Dadurch besteht zwischen denLadungen eine Spannung.

–

Polystyrolstab

Polystyrolstab–Abstoßung

+–

+–

Bild 1: Abstoßung gleichartiger Ladungen

Polystyrolstab

Acrylglasstab

+

–Anziehung

–+

Bild 2: Anziehung ungleichartiger Ladungen

a) Atommodell b) vereinfachte Darstellung

Kern Kern

ElektronElektron

Bild 3: Aufbau eines Wasserstoffatoms

+–

+–

+–

Spannung nullSpannung niedrig Spannung hoch

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

Bild 4: Spannung durch Ladungstrennung

Die Ladungstrennung ist nicht ohne Arbeitsauf-wand möglich. Je höher die erzeugte Spannung ist(Bild 4), desto größer ist das Bestreben der Ladun-gen sich auszugleichen. Elektrische Spannung istalso auch das Ausgleichsbestreben von Ladungen.Die elektrische Spannung (Formelzeichen U) misstman mit dem Spannungsmesser (Bild 1, folgende

Seite).

1 Coulomb, französischer Physiker, 1736 bis 1806

Q = I · t[Q] = As = C


U Spannung; W Arbeit; Q Ladung

U = W[U] = Nm = J = VAs C

14 1.2.3 Elektrischer Strom

Zur Messung der Spannung wird der Span-nungsmesser an die Anschlüsse des Erzeugersoder Verbrauchers geschaltet.

Die gerichtete Bewegung von Elektronen nenntman elektrischen Strom.

Die Einheit der elektrischen Spannung ist das Volt1

mit dem Einheitenzeichen V, [U] = V (sprich: Einheitvon U).

Die elektrische Spannung ist die zur Ladungs-trennung aufgewendete Arbeit je Ladung.

Die Ladungstrennung und damit die Spannungser-zeugung können auf verschiedene Arten gesche-hen (Abschnitt 1.6).

Bei einem Spannungserzeuger liegt die Spannungan den zwei Anschlüssen. Man nennt derartigeEinrichtungen mit zwei Anschlüssen einen Zwei-pol.

Die Pole eines Spannungserzeugers sind der Plus-pol (+) und der Minuspol (–). Der Pluspol ist ge-kennzeichnet durch Elektronenmangel, der Minus-pol durch Elektronenüberschuss. Man unterschei-det Gleichspannung, Wechselspannung undMisch spannung.

Potenzial nennt man eine auf einen Bezugspunktbezogene Spannung, z. B. die Spannung gegenErde. Spannung kann als Differenz zweier Poten-ziale aufgefasst werden.

1.2.3 Elektrischer Strom

Die Spannung ist die Ursache für den elektrischenStrom. Elektrischer Strom fließt nur im geschlos-senen Stromkreis. Ein Stromkreis besteht aus demErzeuger, dem Verbraucher und der Leitung zwi-schen Erzeuger und Verbraucher (Bild 2). Mit demSchalter kann man den Stromkreis öffnen undschließen.

Metalle haben Elektronen, die im Inneren des Me-talls frei beweglich sind. Man bezeichnet diese alsfreie Elektronen. Sie bewegen sich von der Stellemit Elektronenüberschuss zur Stelle mit Elektro-nenmangel.

Gute Leiter, wie z. B. Kupfer oder Silber, habenetwa gleich viel freie Elektronen wie Atome.

Der Spannungserzeuger übt eine Kraft auf diefreien Elektronen aus, die sich nach dem Schließeneines Stromkreises fast mit Lichtgeschwindigkeitausbreitet. Die Elektronen im Leiter bewegen sichdagegen mit sehr geringer Geschwindigkeit (nurwenige mm/s). Der Grund dafür sind die als Hin-dernis wirkenden Atomrümpfe des Leiters. Bei derFestlegung der technischen Stromrichtung (Bild 3)

ging man von der Bewegungsrichtung positiver Io-nen in Flüssigkeiten aus.1 Volta, italienischer Physiker, 1745 bis 1827

GU U2

V VV

U1

Verbraucher

Spannungs-messer

Bild 1: Spannungsmessung

G Spannungs-erzeuger

+

-

Strom

+

-Glühlampe

Schalter

Zeichen für"betätigt"

Strom

VerbraucherSpannungs-erzeuger

Schalter

Bild 2: Elektrischer Stromkreis

ErzeugerElektronenstrom

Glühlampe

technische Stromrichtung

+

-

G

Bild 3: Stromrichtung

Q


Strom-stärke i

Zeit tt

i

Fläche:Q = i · t

Bild 2: Stromarten

Strom-stärke i

Zeit t

Strom-stärke i

Zeit t

Wechsel-anteil

Gleich-anteil

Str

om

1.2.3 Elektrischer Strom 15

Zur Messung der Stromstärke wird der Strom-messer in den Stromkreis geschaltet.

Mischstrom enthält einen Gleichstromanteilund einen Wechselstromanteil.

Tabelle: Stromwirkungen

Wärmewirkung Magnetwirkung Lichtwirkung Chemische Wirkung Wirkungin Gasen, auf Lebewesen

immer immer in manchen in leitenden bei MenschenHalbleitern Flüssigkeiten und Tieren

Der elektrische Strom hat verschiedene Wirkungen(Tabelle). Die Wärmewirkung und die Magnetwir-kung treten bei elektrischem Strom immer auf.Lichtwirkung, chemische Wirkung und Wirkungauf Lebewesen treten nur in bestimmten Fällenauf.

Den elektrischen Strom (Formelzeichen I) misstman mit dem Strommesser (Bild 1). Die Einheit derelektrischen Stromstärke ist das Ampere (A).

Im Schaltzeichen des Strommessers steht A oder I.

Bei Gleichstrom bleibt der Strom bei gleicherSpannung konstant (Bild 2). Die Elektronen fließenim Verbraucher vom Minuspol zum Pluspol. DasKurzzeichen für Gleichstrom ist DC (von Direct Cur-rent = gerichteter Strom, Gleichstrom).

Bei Wechselstrom ändern die Elektronen ständigihre Richtung. Das Kurzzeichen für Wechselstromist AC (von Alternating Current = abwechselnderStrom).

Mischstrom entsteht durch die Addition (Überlage-rung) von Gleichstrom und Wechselstrom. Wird inBild 1 der Gleichstrom zu dem Wechselstrom ad-diert, so erhält man den Stromverlauf (Bild 2).

Das Kurzzeichen für Mischstrom ist UC (von Uni-versal Current = allgemeiner Strom). Ein gleichge-richteter Wechselstrom enthält Gleichstrom undWechselstrom (siehe Abschnitt 2.8).

Bild 1: Strommessung

Strom-messer

+

-

¡

+

-

A

A

Erzeuger VerbraucherG

Heizung Relaisspule, Glimmlampe, LED, Ladevorgang bei Unfälle,Lötkolben, Türöffner Leuchtstofflampe Akkumulatoren, HerzschrittmacherSchmelzsicherung belastete Elemente

Gleichstrom,DC

Zeichenoder

Wechselstrom,AC

Zeichen ,

Mischstrom,UC

Zeichen ,


R Widerstand (Resistanz)G Leitwertg Leitfähigkeit

(g griech. Kleinbuchstabe Gamma)

gAL = 35,38 O · mm2

; gCu = 56 O · mm2

r spezifischer Widerstand(r griech. Kleinbuchstabe Rho)

Œ Länge des LeitersA Querschnitt des Leiters

16 1.2.5 Ohmsches Gesetz

Der spezifische Widerstand r gibt den Wider-stand eines Leiters von 1 m Länge und 1 mm2

Querschnitt bei 20 °C an.

Das Ohm’sche Gesetz drückt den Zusammen-hang von Stromstärke, Spannung und Wider-stand aus.

Beispiel 2:

Ein Aluminiumdraht hat die Länge Œ = 2,778 m und ei-nen Querschnitt von 0,00785 mm2. Berechnen Sie denWiderstand.

Lösung:

R =g · A

= 35,38 m/(O · mm2) · 0,00785 mm2

= 10 O

1.2.4 Elektrischer Widerstand

Der Widerstand, auch Resistanz genannt (Formel-zeichen R), hat die Einheit Ohm1 (O). [R] = O. DenKehrwert des Widerstandes nennt man Leitwert.Der Leitwert (Formelzeichen G) hat die Einheit Sie-mens2 (S).

I 2,778 m

Beispiel 1:

Ein Widerstandswert beträgt 200 O. Wie groß ist derLeitwert?

Lösung:

R = Gπ G =

R=

200 O= 5 mS

1 1 1

Leiterwiderstand

Der Widerstand eines Leiters hängt von der Länge,vom Querschnitt und vom Leiterwerkstoff ab. Derspezifische (= arteigene) Widerstand r gibt den Wi-derstand eines Leiters von 1 m Länge und 1 mm2

Querschnitt bei 20 °C an.

Der spezifische Widerstand r von Drähten hat dieEinheit O · mm2/m. Bei Isolierstoffen und Halblei-terwerkstoffen wird die Einheit O · cm2/cm = O · cmverwendet. Dies entspricht dem Widerstand einesWürfels mit der Kantenlänge 1 cm.

Der spezifische Widerstand r wird meist für 20 °Cangegeben. Die Leitfähigkeit g ist der Kehrwert desspezifischen Widerstandes r. Oft wird mit der Leit-fähigkeit g statt mit dem spezifischen Widerstandgerechnet.

1 Georg Simon Ohm, deutscher Physiker, 1789 bis 18542 Werner von Siemens, deutscher Erfinder, 1816 bis 1892

für R1 = 100 Ω

10 20

für R2 = 200 Ω

mA

VU

100

Û

50

0

Bild 1: I als Funktion von U bei konstantem Widerstand

[R] =[G]

= S

= O1 1R =

G1

g = r1 R =

A

r · ŒR =g · AŒ

m m

1.2.5 Ohm’sches Gesetz

Bei konstantem Widerstand nimmt die Strom-stärke linear mit der Spannung zu. Zeichnet man Iin Abhängigkeit von U auf, so erhält man eine Ge-rade (Bild 1). Wenn I , U (sprich: I ist proportionalU) ist, so spricht man von einem linearen Wider-stand. Die Gerade verläuft um so steiler, je kleinerder Widerstand ist. Mit zunehmendem Widerstandnimmt also die Stromstärke bei gleicher Spannungab.

Bei konstanter Spannung nimmt die Stromstärkeim umgekehrten Verhältnis zum Widerstand ab.Zeichnet man I in Abhängigkeit von R auf (Bild 1,

folgende Seite), so erhält man eine Hyperbel.I , 1/R (sprich: I ist umgekehrt proportional zu R).


Tabelle: Temperaturkoeffizient a in 1/K

Stoff a in 1/K Stoff a in 1/K

Kupfer 3,9 · 10–3 Nickelin 0,15 · 10–3

Aluminium 3,8 · 10–3 Manganin 0,02 · 10–3

Die Werte gelten für 20 °C.

I Stromstärke,U SpannungR WiderstandDh Temperaturunterschied in K

(D griech. Großbuchstabe Delta, Zeichen für Differenz,h griech. Kleinbuchstabe Theta)

h1 Anfangstemperaturh2 EndtemperaturDR Widerstandsänderunga Temperaturkoeffizent

(a griech. Kleinbuchstabe Alpha)R1 Widerstand bei Temperatur h1

R2 Widerstand bei Temperatur h2

1.2.6. Widerstand und Temperatur 17

Beispiel 1:

Wie groß ist die Stromstärke in einer Glühlampe, diean 4,5 V angeschlossen ist und im Betrieb einen Wi-derstand von 1,5 O hat?

Lösung:

I = R

= 1,5 O

= 3 A

Der Temperaturkoeffizient gibt an, um wie vielOhm der Widerstand 1 O bei 1 K Temperaturer-höhung größer oder kleiner wird.

[I] = [R]

= O

= A[U] V

Beispiel 2:

Welche Widerstandsänderung erfährt ein Kupferdrahtmit R1 = 100 O, wenn die Temperatur sich um Dh =100 K ändert?

Lösung:

DR = a · R1 · Dh = 3,9 · 10–3 1/K · 100 O · 100 K = 39 O

U 4,5 V

1.2.6 Widerstand und Temperatur

Der Widerstand der Leiterwerkstoffe ist von derTemperatur abhängig. Kohle sowie die meistenHalbleiter leiten in heißem Zustand besser als inkaltem Zustand. Diese Stoffe nennt man deshalbauch Heißleiter. Wenige Halbleiterstoffe, z. B. Bari-umtitanat, leiten dagegen in kaltem Zustand bes-ser. Man nennt sie Kaltleiter. Ihr Widerstand nimmtbei Temperaturerhöhung zu. Auch der Widerstandvon Metallen nimmt mit Temperaturerhöhung zu.Der Widerstand von Heißleitern, z. B. Kohle, nimmtbei Temperaturerhöhung ab. Der Temperatur -koeffi zient a gibt die Größe der Widerstandsände-rung an (Tabelle). Man nennt ihn auch Temperatur-beiwert.

Kelvin1 (K) ist die Einheit des Temperaturunter-schieds, gemessen in der Celsiusskala oder in derKelvinskala. Der Temperaturkoeffizient von Heiß -leitern ist negativ, da ihr Widerstand mit zuneh-mender Temperatur abnimmt. Der Temperaturko-effizient von Kaltleitern ist positiv, da ihr Wider-stand mit zunehmender Temperatur zunimmt.

Die Widerstandsänderung bei Erwärmung ist vomKaltwiderstand, dem Temperaturkoeffizient undder Übertemperatur abhängig.

1 Kelvin, engl. Physiker Thompson, wurde zu Lord Kelvin geadelt.

R

Ü

für U1 = 6 V

U1 < U2

00

0,5

1,5

2,5

3,5

1

2

3

4

3 6 9 12 15 18 21 24

für U2 = 12 V

Bild 1: I als Funktion von R beim linearen Widerstand

I = RU

Dh = h2 – h1

R2 = R1 + DR

DR = a · R1 · Dh

R2 = R1 (1 + a · Dh)

Bei Abkühlung von Leitern nimmt ihr Widerstandab. In der Nähe des absoluten Nullpunktes (–273 °C)haben einige Stoffe keinen Widerstand mehr. Siesind supraleitend geworden.


J StromdichteI StromstärkeA Leiterquerschnitt

18 1.2.8.1 Festwiderstände

Beispiel:

Durch die Glühlampe Bild 1 fließt eine Stromstärkevon 0,2 A. Wie groß ist die Stromdichte a) in der Zu-leitung mit 0,2 mm2 Querschnitt, b) im Glühfaden mit0,0004 mm2 Querschnitt?

Lösung:

a) J = A1

= 0,2 mm2 = 1 A /mm2

b) J = A2

= 0,0004 mm2 = 500 A /mm2

Kohleschichtwiderstände haben als Wider-standswerkstoff eine dünne Kohleschicht.

J = A

[J] = mm2

0,2 A

0,2 AI

I

Der dünne Leiter mit der größeren Stromdichte er-wärmt sich stärker als der dickere Leiter mit derkleineren Stromdichte. Die Erwärmung nimmtnoch mehr zu, wenn durch die Art des Werkstoffesder Elektronenstrom beim Durchgang stärker ge-hindert wird.

Wiederholung und Vertiefung

1. Wie verhalten sich gleichartige und wie ver-

schiedenartige Ladungen?

2. Wie ist die Spannung festgelegt?

3. Woraus besteht der elektrische Strom?

4. Wie ist der spezifische Widerstand festgelegt?

5. Welchen Zusammenhang drückt das ohmsche

Gesetz aus?

6. Was gibt der Temperaturkoeffizient an?

1.2.8 Bauformen der Widerstände

1.2.8.1 Festwiderstände

Kohleschichtwiderstände

Ein zylindrischer, keramischer Körper, z. B. aus Por-zellan, dient als Träger der Widerstandsschicht auskristalliner Kohle. Die Kohleschicht wird durch Auf-dampfen unter Vakuum oder Tauchen aufgebracht.Der Abgleich des Widerstands erfolgt durch Ein-schleifen einer Wendel in die Kohleschicht. An denEnden der Schicht sind Anschlüsse aus verzinntemKupferdraht, Metallkappen oder verzinnte Schellen.

A2 = 0,0004mm2

A1 = 0,2mm2

Bild 1: Glühlampe

A I

1.2.7 Stromdichte

In einem Stromkreis fließt die gleiche Stromstärkedurch jeden Leiterquerschnitt und also auch diegleiche Zahl von Elektronen in der Sekunde. Beiverschieden großen Querschnitten, z. B. in der Lei-tung zu einer Glühlampe und im dünnen Glühfa-den in der Glühlampe, bewegen sich die Elektro-nen im kleinen Querschnitt schneller als im großenQuerschnitt. Deshalb ist auch die Erwärmung imkleinen Querschnitt größer.

Keine

Silber

Gold

Schwarz

Braun

Rot

Orange

Gelb

Grün

Blau

Violett

Grau

Weiß

–

–

–

–

1

2

3

4

5

6

7

8

9

–

–

–

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

–

10 –2

10 –1

10 0

10 1

10 2

10 3

10 4

10 5

10 6

10 7

10 8

10 9

± 20 %

± 10 %

± 5 %

–

± 1 %

± 2 %

–

–

± 0,5 %

–

–

–

–

1. Ziffer 2. Ziffer Multi-plikator

Toleranzdes

Wider-stands-wertes

Widerstand in OKennfarbe

Tabelle: Farbschlüssel für Widerstände


1.2.8.1 Festwiderstände 19

Widerstand und Toleranz können durch Zahlenoder durch eine Farbkennzeichnung in Form vonRingen, Strichen oder Punkten angegeben sein(Tabelle, vorhergehende Seite). Die Farbkennzeich-nung ist so angebracht, dass der erste Ring näherbei dem einen Ende des Schichtwiderstandes liegtals der letzte Ring bei dem anderen Ende.

Es bedeuten:

1. Ring: 1. Ziffer des Widerstandswertes

2. Ring: 2. Ziffer des Widerstandswertes

3. Ring: Multiplikator, mit dem die Zahl aus Ziffer 1und Ziffer 2 multipliziert wird

4. Ring: Widerstandstoleranz in Prozent

Sofern Widerstände mit 5 Farbringen gekennzeich-net werden, bilden die ersten 3 Ringe die Zifferndes Widerstandswertes, der 4. Ring gibt den Multi-plikator und der 5. Ring die Widerstandstoleranzan.

Beispiel:

Ein Kohleschichtwiderstand hat, von links nach rechtsbetrachtet, die Farbringe Rot-Violett-Braun-Gold. Wiegroß sind Widerstand und Toleranz?

Lösung:

Rot Violett Braun Gold2 7 101 ± 5 %

π 27 · 101 O ± 5 % = 270 O ( 5 %

Manche Metallschichtwiderstände, und zwar Präzi-sions-Metallfilmwiderstände, haben 6 Farbringe.Der 6. Ring gibt den Temperaturkoeffizienten a an.Den Zahlenwert von a erhält man, wenn man diedem Farbring entsprechende Ziffer von Tabelle mit10 –6 multipliziert.

Für übliche Widerstände gelten die IEC-Reihen (IECvon International Electrotechnical Commission =Internationale Elektrotechnische Kommission) E6,E12 und E24 (Tabellenbuch Informationstechnik).Für spezielle Anwendungen mit feinerer Untertei-lung gelten die Reihen E48, E96 und E192.

Die IEC-Reihen gelten auch für die Nennwerte an-derer Bauelemente, z. B. von Kondensatoren undZ-Dioden.

Die Widerstandsreihen geben die zu bevorzu-genden Widerstandswerte an.

Metalloxid-Schichtwiderstände

Die Widerstandsschicht besteht aus einem Metall -oxid, welches auf einen keramischen Träger aufge-dampft wird. Anschließend überzieht man denWiderstand mit Silikonzement. Dadurch wird dieSchicht sehr hart und mechanisch fast unzerstör-bar. Metalloxid-Schichtwiderstände sind indukti-onsarm und haben eine wesentlich größere Belast-barkeit als Kohleschichtwiderstände gleicher Ab-messungen.

Metallschichtwiderstände

Metallschichtwiderstände haben eine Edelmetall-schicht als Widerstandswerkstoff. Die Schicht wirdentweder als Paste auf einen Keramikträger aufge-tragen (Dickschichttechnik) und eingebrannt oderdurch eine Maske aufgedampft (Dünnschichttech-nik).

SMD-Metallschichtwiderstände

SMD-Metallschichtwiderstände (SMD von SurfaceMounted Device = auf der Oberfläche befestigtesBauelement) sind besonders zur Oberflächenbe-stückung von gedruckten Schaltungen geeignet.Als Bauformen werden die zylindrische Form alsMELF-Widerstand (MELF von Metal ELectrode Fa-ced bonding = Metallschichtoberflächenkontakt)und die rechteckige Form als Chip-Widerstand(Bild 1) verwendet. Ihre Abmessungen sind so,dass sie zum Rastermaß der gedruckten Schaltun-gen passen.

Drahtwiderstände

Drahtwiderstände haben bei gleicher Belastbarkeitkleinere Abmessungen als Schichtwiderstände.Ein Nachteil ist die Frequenzabhängigkeit des Wi-derstandes wegen der Induktivität. Durch beson-dere Wicklungsausführung kann die Induktivitätherabgesetzt werden.

0,6

1,6

KeramikSchutzüberzug

(Glasur)AbgleichschlitzWiderstandsschicht

3,2

Bild 1: SMD-Widerstand als Chipwiderstand


20 1.2.8.3 Heißleiterwiderstände

1.2.8.2 Veränderbare Widerstände

Als einstellbare Widerstände werden hauptsäch-lich Drehwiderstände (Potenziometer, Trimmer)verwendet.

Cermet-Trimmpotenziometer

Durch kreisförmige oder lineare Bewegung einesMehrfingerschleifers auf einer Cermet-Wider-standsschicht (Cermet, von ceramic metal = Kera-mik-Metall) ist eine stetige Änderung des Wider-standes möglich (Bild 1). Cermet ist eine auf einemKeramikträger eingebrannte metallhaltige Dick-schichtpaste. Cermet-Trimmer besitzen einengroßen Widerstandsbereich, kleine Baugrößenund eine sehr genaue Einstellbarkeit (+ 0,01 %).

Schicht-Drehwiderstände

Schicht-Drehwiderstände besitzen als Wider-standswerkstoff eine leitende Kohleschicht, die aufeinen Träger aus Schichtpressstoff oder Keramikaufgebracht ist. Der Anschluss erfolgt über Lötfah-nen oder Stifte. Von der Bedienungsseite aus gese-hen liegt die Endlötfahne links, die Schleiferlöt-fahne rechts. Zusätzlich kann neben der Endlöt-fahne noch eine Masselötfahne vorhanden sein.Der Schleifer besteht aus einer Feder mit Kohle-kontakt.

Draht-Drehwiderstände

Die Draht-Drehwiderstände mit geradliniger oderkreisförmiger Schleiferbahn bestehen aus einemzylindrischen Isolierstoffring, z. B. aus Keramik, derdie Widerstandswicklung trägt. Bei hochbelastba-ren Ausführungen ist die Wicklung mit Ausnahmeder Abgreiffläche allseitig mit einer Glasur odermit Zement überzogen. Das ergibt eine gute Wär-meabgabe und eine hohe Überlastbarkeit.

Wendelpotenziometer haben als Wickelkörpereine flexiblen Rundstab, der nach dem Aufwickelndes Widerstandsdrahtes zu einer schraubenförmi-gen Wendel geformt wird. Der Schleifer benötigtmehrere Umdrehungen, bis die gesamte Längedes Wickels überstrichen ist. Wendelpotenziome-ter werden für 2 bis 40 Schleiferumdrehungen her-gestellt. Sie haben kleine Toleranzen, geringe Ab-weichungen von der Linearität, hohes Auflösungs-vermögen und hohe Nennlast.

1.2.8.3 Heißleiterwiderstände

Heißleiterwiderstände haben einen großen negati-ven Temperaturkoeffizienten (TK). Ihr Widerstand

nimmt mit zunehmender Temperatur stark ab(Bild 2). Man nennt Heißleiterwiderstände auchNTC-Widerstände (NTC von Negative TemperatureCoefficient).

Heißleiterwiderstände bestehen aus Mischungenvon Metalloxiden und oxidierten Mischkristallen,die mit einem Zusatz von Bindemitteln gesintertwerden. Je nach Anwendungszweck verwendetman verschiedene Bauformen (Bild 1, folgende

Seite).

Der Temperaturkoeffizient ist temperaturabhängig.Als Kaltwiderstand gibt man meist den Widerstand20 °C an. Ist die Erwärmung des Heiß leiters durchden Strom gering, so bleibt der Widerstand vomStrom unabhängig und die Spannung nimmt ger-adlinig mit der Stromstärke zu. Eine Widerstands -änderung kann dann nur durch eine fremde Wär-mequelle erfolgen.

Heißleiter, die von kleinen Strömen durchflos-sen werden, arbeiten als fremderwärmteHeißleiter.

Schleifer

Cermet-schicht

Bild 1: Cermet-Trimmer

106

105

104

103

102

-40 0 40 80 120 160 200

100 kØ

47 kØ

10 kØ

4,7 kØRØ

ª/}C

ªN

RN

Bild 2: Kennlinien von Heißleiterwiderständen (NTC)


Elektronik Grundwissen - Europa-Lehrmittel · Vorwort 3 Vorwort zur 15. Auflage Das Fachbuch...

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