Lehrgang Elektrotechnik und Elektronik: Theoretische Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik mit ihren Anwendungen zur Analyse elektrotechnischer Prozesse: Mit Übungsaufgaben und Lösungen

Im Lehrbuch werden die theoretischen Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik mit ihren Anwendungen zur Analyse elektrotechnischer Geräte, Einrichtungen und Anlagen dargestellt. Die theoretischen Grundlagen sind ein anerkanntes "Werkzeug" zur Bewältigung praktischer Aufgaben. Ziel ist eine Anleitung zur selbstständigen Erarbeitung von Inhalten sowie deren Einordnung in den Gesamtzusammenhang. Im Vordergrund stehen deshalb das Kennen, Einordnen und Verstehen des Zusammenwirkens der theoretischen Begriffe, das Bewerten von Inhalten der Fachliteratur sowie neuer Entwicklungsrichtungen und insbesondere das Analysieren und Aufklären der Funktionsweise von Anwendungen. Vorwort Inhaltsverzeichnis 1 Einführung zu den theoretischen Grundlagen 2 Einleitung zur Elektrotechnik 2.1 Die Ladung 2.2 Die Ladung als Ausgangspunkt 3 Erster Exkurs Mathematik 3.1 Vektorrechnung 3.2 Ableitung und Integration nach Weg, Fläche und Volumen 3.3 Partielle Ableitungen* 4 Vorgänge in elektrischen Leitern 4.1 Grundbegriffe im Leiter – Strom, Spannung 4.1.1 Darstellung der Grundgrößen aus physikalischen Überlegungen 4.1.2 Messung der Größen in Leitern – Ladung, Strom, Spannung 4.1.3 Übungsaufgaben zur Verdeutlichung praktischer Größenordnungen 4.1.4 Wichtige Formen und Kenngrößen 4.1.5 Messung und Darstellung von Feldern in leitenden Medien – Feldlinien 4.2 Strom-Spannungs-Beziehung am Widerstand 4.2.1 Driftbewegung und Ohm’sches Gesetz 4.2.2 Bauformen und Kenngrößen 4.2.3 Messung von Widerständen 4.2.4 Nichtlineare Widerstände 4.2.5 Übungsaufgaben zum Widerstand 4.3 Kirchhoff’sche Sätze sowie Reihen- und Parallelschaltung 4.3.1 Knotenpunkt und Maschensatz 4.3.2 Parallel- und Reihenschaltung, Strom- und Spannungsteilung 4.3.3 Übungsaufgaben zu einigen praktischen Anwendungen 4.4 Energieumwandlung und Leistung 4.4.1 Energie, Leistung und Wirkungsgrad 4.4.2 Messung von Energie und Leistung 4.4.3 Übungsaufgaben zur Leistung 4.4.4 Anwendung in der Elektrochemie (Batterien, Akkus, Elektrolyse)* 4.4.5 Anwendung in der Wärmelehre* 4.4.6 Anwendung in der Lichttechnik* 4.4.7 Übungsaufgaben zu Chemie, Wärme, Licht * 5 Vorgänge in elektrischen Nichtleitern 5.1 Grundbegriffe im Nichtleiter – Verschiebungsfluss 5.1.1 Darstellung der Grundgrößen aus physikalischen Überlegungen 5.1.2 Messung und Darstellung von elektrostatischen Feldern 5.2 Ladung, Strom und Spannung am Kondensator 5.2.1 Zusammenhang von Ladung und Spannung sowie Strom und Spannung 5.2.2 Zeitverhalten von I und U an der Kapazität 5.2.3 Bauformen und Kenngrößen 5.2.4 Messung der Kapazität 5.2.5 Übungsaufgaben zur Kapazität 5.2.6 Messung des Zeitverlaufes mit einem Messoszilloskop 5.2.7 Anmerkungen zu Dielektrika* 5.3 Energie und Kräfte im elektrischen Feld des Nichtleiters 5.3.1 Beschreibung von Energie und Kräften 5.3.2 Anwendungsbeispiel zu Energie und Kräften 5.3.3 Übungsaufgabe zu Energie und Kräften 6 Vorgänge im Magnetfeld 6.1 Grundbegriffe: magnetische Urspannung, Fluss, Widerstand 6.1.1 Darstellung der Grundgrößen aus physikalischen Überlegungen 6.1.2 Der magnetische Kreis 6.1.3 Übungsaufgaben zum magnetischen Kreis 6.1.4 Das Durchflutungsgesetz 6.1.5 Messung und Darstellung von magnetischen Feldern – Feldlinien 6.1.6 Lorentzkraft 6.1.7 Das Induktionsgesetz 6.1.8 Übungsaufgaben zur Durchflutung und Induktion 6.2 Koppelfluss, Strom und Spannung an der Induktivität (Spule) 6.2.1 Zusammenhang zwischen Koppelfluss, Spannung und Strom 6.2.2 Anmerkungen zu magnetischen Materialien* 6.2.3 Bauformen und Kenngrößen 6.2.4 Messung der Induktivität 6.2.5 Übungsaufgaben zur Induktivität 6.2.6 Messung von Zeitverläufen an der Induktivität 6.3 Energie und Kräfte im magnetischen Feld 6.3.1 Beschreibung von Energie und Kräften 6.3.2 Anwendungen zu Kräften im Magnetfeld 6.3.3 Übungsaufgaben zu Kräften im Magnetfeld 7 Zusammenfassung und Gegenüberstellung 7.1 Gegenüberstellung der Grundgrößen 7.2 Erweiterungen zu den theoretischen Grundlagen 7.2.1 Beispiele verkoppelter Felder (Skineffekt, Wellenleitung)* 7.2.2 Zusammenfassende Aspekte der Messtechnik 7.2.3 Messoszilloskop 8 Zweiter Exkurs Mathematik 8.1 Lösung linearer Gleichungssysteme 8.2 Lösung linearer Differentialgleichungen* 9 Analyse elektrischer Stromkreise und Netzwerke 9.1 Grundstromkreis 9.1.1 Analyse eines Grundstromkreises 9.1.2 Interpretation der Kenngrößen für verschiedene Anwendungen 9.1.3 Messungen am Grundstromkreis 9.1.4 Übungsaufgaben zu Anwendungen des Grundstromkreises 9.2 Netzwerke – verzweigte und vermaschte Schaltungen 9.2.1 Analyse verzweigter und vermaschter Schaltungen 9.2.2 Übungsaufgaben mit Beispielen zur Schaltungsberechnung 9.3 Überlagerungsprinzip 9.3.1 Schaltungsanalyse mit Hilfe des Überlagerungssatzes 9.3.2 Übungsaufgaben zu Anwendungen des Überlagerungssatzes 9.4 Ersatzzweipole (Ersatzschaltungen) 9.4.1 Schaltungsanalyse mit Hilfe von Ersatzzweipolen 9.4.2 Übungsaufgaben zur Anwendung von Ersatzzweipolen 9.5 Modellierung und Simulation 9.5.1 Grundlagen der Modellierung für Simulationsprogramme 9.5.2 Beispielaufgabe für eine Rechnersimulation 9.6 Ausblick auf weitere Analysemethoden 10 Dritter Exkurs Mathematik 10.1 Komplexe Zahlen 10.2 Rechnen mit komplexen Zahlen 10.3 Grafische Darstellung komplexer Zahlen 10.4 Fourierreihe 10.5 Unstetige Zeitfunktionen (Distributionen)* 10.6 Fouriertransformation* 10.7 Diskrete Signale und diskrete Fouriertransformation* 10.8 Laplacetransformation* 10.9 Rechnen mit logarithmischen Pegeln 11 Analyse bei zeitveränderlichen Signalen 11.1 Schaltungen und Geräte mit sinusförmigen Signalen 11.1.1 Behandlung mit Hilfe der komplexen Rechnung 11.1.2 Behandlung mit grafischen Methoden 11.1.3 Analyse des Frequenzverhaltens wichtiger Schaltungen 11.1.4 Parameter für elektrische Stromkreise 11.1.5 Kennwerte und Übungsaufgaben 11.1.6 Messung des Frequenzgangs eines Schwingkreises 11.2 Nichtsinusförmige periodische Signale 11.2.1 Mehrere sinusförmige Quellen 11.2.2 Behandlung mit Hilfe der Fourierreihe 11.2.3 Wichtige Testsignale zur Analyse von Schaltungen 11.2.4 Kennwerte und Übungsaufgaben 11.3 Nichtperiodische Signale 11.3.1 Behandlung mit der Fouriertransformation 11.3.2 Diskrete Signale und diskrete Fouriertransformation 11.4 Schalt- und Übergangsvorgänge 11.4.1 Behandlung mit Hilfe der Laplacetransformation 11.4.2 Beispiel: Analyse des Ein- und Ausschaltens eines Schwingkreises 11.4.3 Übertragungsfunktionen von Systemen 11.4.4 Kennwerte und Aufgaben 11.4.5 Messung des Ein- und Ausschaltens eines Schwingkreises 12 Halbleiterbauelemente 12.1 Physikalische Grundlagen für Festkörper 12.1.1 Leitungsmechanismus in Festkörpern 12.1.2 Dotierung von Halbleitermaterial 12.1.3 Kennwerte von Halbleitermaterialien und Übungsaufgaben 12.2 PN-Übergang 12.2.1 Gleichgewicht von Diffusion und Feld 12.2.2 Einfluss einer äußeren Spannung 12.2.3 Kennlinie eines PN-Übergangs 12.2.4 Metall-Halbleiter-Übergang 12.2.5 Ersatzschaltungen für eine Halbleiterdiode 12.2.6 Kennwerte und Übungsaufgaben zu Halbleiterdioden 12.2.7 Messung und Auswertung der Kennlinie von Dioden 12.3 Bipolartransistor 12.3.1 Steuerung durch Trägerinjektion 12.3.2 Kennlinie des Bipolartransistors 12.3.3 Grundschaltungen, Vierpoldarstellung und Kleinsignalverhalten 12.3.4 Kennwerte und Übungsaufgaben zum Transistor 12.3.5 Messungen am Transistorverstärker 12.4 Feldeffekttransistor 12.4.1 Trägeranreicherung und -verarmung im Kanal 12.4.2 Kennlinien, Ersatz- und Grundschaltungen des FET 12.4.3 Kennwerte und Beispiele zum Feldeffekttransistor 12.5 Weitere wichtige Halbleiterbauelemente 13 Analoge Schaltungstechnik 13.1 Einteilung von Verstärkerschaltungen 13.1.1 Arbeitspunkt, Eigenschaften und Betriebsverhalten 13.1.2 Anforderungen der Anwendung 13.2 Operationsverstärkertechnik 13.2.1 Differenzverstärker, Operationsverstärker und seine Parameter 13.2.2 Prinzip der Gegenkopplung 13.2.3 Dimensionierung von Operationsverstärkerschaltungen 13.2.4 Messen von Parametern bei Operationsverstärkern 13.2.5 Schaltungsbeispiele mit Operationsverstärkern 13.3 Übungsaufgaben zum Operationsverstärker 14 Vierter Exkurs Mathematik 14.1 Mathematische Grundlagen – Zahlensysteme 14.2 Rechnen mit verschiedenen Zahlensystemen 15 Digitale Schaltungstechnik 15.1 Grundlagen digitaler Signale 15.1.1 Informationstechnische Grundlagen digitaler Signale 15.1.2 Quantisierung von Signalen und Codierung 15.1.3 Grundlagen digitaler Signalverarbeitung – Schaltalgebra 15.1.4 Übungsaufgaben zu Zahlen, Codierung und Schaltalgebra 15.2 Kombinatorische Schaltungen (Schaltnetze) 15.2.1 Entwurf kombinatorischer Schaltungen 15.2.2 Wichtige Beispiele zu Schaltnetzen 15.2.3 Übungsaufgaben und Versuch zu Schaltnetzen 15.3 Sequentielle Schaltungen (Schaltwerke) 15.3.1 Wichtige Speicheranordnungen 15.3.2 Beispiel für den Entwurf einer Ablaufsteuerung 15.3.3 Versuch zur Schrittkette * 15.4 Richtungen der weiteren Entwicklung 16 Analyse von Signalen und Systemen 16.1 Wichtige Signale und Systeme in der Elektronik 16.1.1 Kennwerte für Audiosignale und -geräte 16.1.2 Messungen an einem analogen Mischpult 16.1.3 Kennwerte und Beispiele für Videosignale und -geräte 16.1.4 Messung der Eigenschaften an RGB-Signalen 16.2 Analyse analog modulierter Signale 16.2.1 Amplitudenmodulation 16.2.2 Frequenzumsetzung mit dem Überlagerungsverfahren 16.2.3 Frequenzmodulation 16.2.4 Phasenmodulation 16.2.5 Stereo- und Videosignalmodulation 16.2.6 Kennwerte, Übungsaufgaben und Simulation modulierter Signale 16.3 Diskrete Signale 16.3.1 Diskrete Signale und diskrete Fouriertransformation 16.3.2 Digitale Modulationsverfahren 16.3.3 Codierung, Kompression und Fehlerkorrektur digitaler Signale 16.3.4 Kennwerte und Übungsaufgaben für diskrete (digitale) Signale 17 Zusammenfassung zur Regelungstechnik 17.1 Wichtige Regelkreisglieder und -strategien 17.1.1 Regelstrecken 17.1.2 Regeleinrichtungen 17.1.3 Reglerstrukturen 17.2 Regelungstechnische Analyse, Entwurf und Implementierung 17.3 Übungsaufgaben zur Steuerung und Regelung 18 Fünfter Exkurs Mathematik* 18.1 Raumzeigertransformation* 18.2 Drehstrom und -felder in der Raumzeigerdarstellung* 19 Energiewandlung und Antriebe 19.1 Maschinen bei Gleichstrom 19.1.1 Aufbau und Funktion der Gleichstrommaschine 19.1.2 Schaltungen und Betrieb der Gleichstrommaschine 19.1.3 Kennwerte und Übungsaufgaben 19.1.4 Messen der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie 19.2 Maschinen für Wechselstrom 19.2.1 Transformator als ruhende Maschine 19.2.2 Universalmotor 19.2.3 Kennwerte und Übungsaufgaben 19.2.4 Messen der Kennwerte eines Transformators 19.3 Drehfeldmaschinen 19.3.1 Dreiphasensysteme für Strom und Spannung 19.3.2 Das Drehfeld 19.3.3 Asynchronmaschine 19.3.4 Synchronmaschine 19.3.5 Parallelbetrieb eines Synchrongenerators zum Netz 19.3.6 Inselbetrieb und Betriebsverhalten der Synchronmaschine 19.3.7 Kennwerte Übungs- und Messaufgaben 19.4 Auswahl eines Motors für eine Antriebsaufgabe 19.5 Ausblick, weitere elektrische Maschinen 20 Leistungselektronische Energiewandler 20.1 Arbeitsweise von Stromrichtern 20.1.1 Grundprinzip und Eigenschaften 20.1.2 Steueralgorithmen für selbstgesteuerte Stromrichter 20.1.3 Steueralgorithmen für fremdgesteuerte Stromrichter 20.1.4 Kennwerte und Übungsaufgaben 20.2 Beispiele für Stromrichter 20.2.1 Phasenanschnittsteuerung für Wechselstromsteller 20.2.2 Messungen an einem Dimmer mit Phasenanschnitt 20.2.3 Mit Frequenzumrichter gesteuerter Asynchronmotor 20.2.4 Netzgelöschter Wechselrichter 20.2.5 Messen an einem netzgelöschten Wechselrichter 20.3 Entwicklungstrends 21 Kurzes Fazit zur Arbeit im Beruf 22 Lösungen der Übungsaufgaben 22.1 Lösungen zu Abschnitt 4 22.2 Lösungen zu Abschnitt 5 22.3 Lösungen zu Abschnitt 6 22.4 Lösungen zu Abschnitt 9 22.5 Lösungen zu Abschnitt 11 22.6 Lösungen zu Abschnitt 12 22.7 Lösungen zu Abschnitt 13 22.8 Lösungen zu Abschnitt 15 22.9 Lösungen zu Abschnitt 16 22.10 Lösungen zu Abschnitt 17 22.11 Lösungen zu Abschnitt 19 22.12 Lösungen zu Abschnitt 20 Literaturverzeichnis Sachverzeichnis