Fachkunde Elektrotechnik [27 ed.] 3808531886, 9783808531884

Table of contents :
• Allgemeines Kapitelnummer
, __ C-, und Symbole
Vorwort ........... ... ..... ..... ... . ........... 4
Inhaltsverzeichnis (ausführlich) .. . .... ............. 5-10
Lernfeldhinweise und Projektbearbeitung ........ .. 11-14
Sachwortverzeichnis Deutsch - Englisch ab Seite 624
I• Elektrotechnik --" ~ 2 (Av9 Inhaltsverzeichnis (Kurzform)
1 Arbeitssicherheit und Gesundheitsschutz . ........ 15
2 Grundbegriffe der Elektrotechnik ..... .. ......... 21
3 Grundschaltungen der Elektrotechnik ........... . 49
4 Elektrisches Feld ................. .. ........... 69
5 Magnetisches Feld ...... ..... ................. 80
6 Schaltungstechnik ....... . .................... 99
7 Wechsel- und Drehstromtechnik . ...... . ........ 120
8 Messtechnik ...................... . . ......... 160
9 Elektronik .... . ............ . ......... . ....... . 185
10 Elektrische Anlagen ........................... 267
11 Schutzmaßnahmen ........................... 320
12 Gebäudetechnische Anlagen .............. . ... . 350
13 Elektrische Maschinen ........... . .... . ...... . . 421
14 Informationstechnik ..... . .. . ... .. .. .. ......... 488
15 Automatisierungstechnik . .................. . .. 511
16 Werkstoffe, Fertigung, Umwelt, Energieeinsparung 557
I• Beruf und Betrieb 578

• Infoseiten l
• Schaltzeichen ......... . .. ... .. . ................. . 603
• Elektrotechnische u. allg. Symbole, Prüfzeichen ....... 608
• Widerstände und Kondensatoren (Kennzeichnung) .... 610
• Überstrom-Schutzeinrichtungen (Auslösekennlinien) ..
611
• Leitungen u. Kabel (Verlegearten, Strombelastbarkeit) .
612 • Leitungen, Umrechnungsfaktoren, Mindestquerschnitte 613
12 (Q) • Drehstrommotoren (Betriebsdaten) .... . . . . . .. ... ...
614
• Dioden, Transistoren, Thyristor, Triac (Kennlinien) .. 615
• Wichtige Abkürzungen .......... . ..... .. .. . .... 618
• Fachbegriffe Englisch- Deutsch .... . .. . ........ . 620
• Praxistipps (Auswahl)
• Messen mit dem Oszilloskop ........... . .... . ... ... 175
• Effektivwertmessung nichtsinusförmiger Größen ..... 183
• Installation, Inbetriebnahme eines Frequenzumrichters 265
• Farbkennzeichnung von Leitern . . .. ......... ..... ... 293
• Verlegen von Leitungen . . . .......... . ............. 296
• Beispiel einer Leitungsberechnung . . . . .............. 308
• Anschluss von Halogen-Beleuchtungsanlagen ..... . . . 364
• Multimediaverkabelung im Wohnbereich . . .. .. . ... .. 393
~ • Auswahl eines Elektromotors ........ . ............. . 484
I • Verbinden von zwei PCs über ein Netzwerk . .......... 507
• Herstellen einer WLAN-Verbindung .. ........ . ... . .. 508

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EUROPA-FACHBUCHREIHE für elektrotechnische Berufe

Fachkunde Elektrotechnik 27. überarbeitete und erweiterte Auflage

Bearbeitet von Lehrern an beruflichen Schulen und von Ingenieuren (siehe Rückseite) Lektorat: Klaus Tkotz, Kronach

VERLAG EUROPA-LEHRMITTEL · Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG Düsselberger Straße 23 · 42781 Haan-Gruiten Europa-Nr.: 30138

Autoren der Fachkunde Elektrotechnik:

Bastian, Peter Bumiller, Horst Burgmaier, Monika Eichler, Wa lter Käppel, Thomas Klee, Werner Kober, Karsten M anderla, Jürgen Schwarz, Jürgen Spielvogel, Otto Tkotz, Klaus Winter, Ulrich Ziegler, Klaus

Kirchheim-Teck Freudenstadt Stuttgart Kaiserslautern M ünchberg Mehlingen Kaiserslautern Berlin Tettnang Ohmden Kronach Kaiserslautern Nordhausen

Lektorat und Leitung des Arbeitskreises:

KlausTkotz Bildentwürfe: Die Autoren Fotos: Autoren und Firmen (Firmenverzeichnis Seite 623)

• • • • •

Windows ist ein eingetragenes Warenzeichen der Microsoft Corpo ration INTEL ist ein eingetragenes Wa renzeichen der INTEL Corporatio n Linux ist ein eingetragenes Warenzeichen von Linus Torvalds Nachdruck der Box Shots von Microsoft-Produkten mit freundlicher Erlaubnis der Microsoft Corporation Alle anderen Produkte, Wa renzeichen, Schriftarten, Firmennamen und Logos sind Eigentum oder eingetragene Wa renzeichen ihrer jeweiligen Eigentümer

Bildbearbeitung:

Zeichenbüro des Verlages Europa-Lehrmittel GmbH & Co., Ostfildern Das vorliegende Buch wurde auf der Grundlage der neuen amtlichen Rechtschreibregeln erstellt.

27. Auflage 2009 Druck 5 4 3 2 1 Alle Drucke derselben Auflage sind parallel einsetzbar, da bis auf die Behebung von Druckfehlern untereinander unverändert.

ISBN 978-3-8085-3 188-4

Titelmotiv: Idee: Klaus Tkotz, Ausführung: braunwerbeagentur, 42477 Radevormwald unter Verwendung von 2 Fotos der Bilddatenbank www.fotolia.de (Steckdose: © emmi-Fotolia.com; weltkugel: © erdquadrat-Fotolia.com) Alle Rechte vorbehalten. Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der gesetzlich geregelten Fälle muss vom Verlag schriftlich genehmigt werden. © 2009 by Verlag Europa-Lehrmittel, Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG, 42781 Haan-Gruiten http://www.europa-lehrmittel.de Satz: Satz+Layout Werkstatt Kluth GmbH, 50374 Erftstadt Druck: Media-Print lnformationstechnologie, 33100 Paderborn

I•

4 Vorwort ........... ... ..... ..... ... . ........... Inhaltsverzeichnis (ausführlich) .. . .... ............. 5-10 Lernfeldhinweise und Projektbearbeitung ........ .. 11-14 ab Seite 624 Sachwortverzeichnis Deutsch - Englisch

Elektrotechnik 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10 11 12 13 14 15 16

Arbeitssicherheit und Gesundheitsschutz . ........ Grundbegriffe der Elektrotechn ik ..... .. ......... Grundschaltungen der Elektrotechnik ........... . Elektrisches Feld ................. .. ........... Magnetisches Feld ...... ..... ................. Schaltungstechnik ....... . .................... Wechsel- und Drehstromtechn ik . ...... . ........ M esstechnik ...................... . . ......... Elektronik .... . ............ . ......... . ....... . Elektrische Anlagen ........................... Schutzmaßnahmen ........................... Gebäudetechnische An lagen .............. . ... . Elektrische Masch inen ........... . .... . ...... . . Informationstechnik ..... . .. . ... .. .. .. ......... Automatisierungstechnik . .................. . .. Werkstoffe, Fertigung, Umwelt, Energieeinsparung

I• =l• Infoseiten

Beruf und Betrieb

1

15 21 49 69 80 99 120 160 185 267 320 350 421 488 511 557 578

Praxistipps (Auswahl) ,

• Messen mit dem Oszilloskop ........... . .... . ... ... • Effektivwertmessung nichtsinusförmiger Größen ..... • Installation, Inbetriebnahme eines Frequenzumrichters • Farbkennzeichnung von Leitern . . .. ......... ..... ... • Verlegen von Leitungen . . . .......... . ............. • Beispiel einer Leitungsberech nung . . . . .............. • Anschluss von Halogen-Beleuchtungsanlagen ..... . . . • Multimediaverkabelung im Wohnbereich . . .. .. . ... .. • Auswahl eines Elektromotors ........ . ............. . • Verbinden von zwei PCs über ein Netzwerk . .......... • Herstellen einer WLAN-Verbindung .. ........ . ... . ..

2

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175 183 265 293 296 308 364 393 484 507 508

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• Schaltzeichen ......... . .. ... .. . ................. . • Elektrotechnische u. allg. Symbole, Prüfzeichen ....... • Widerstände und Kondensatoren (Kennzeichnung) .... • Überstrom-Schutzeinrichtungen (Auslösekennlinien) .. • Leitungen u. Kabel (Verlegearten, Strombelastbarkeit) . • Leitungen, Umrechnungsfaktoren, Mindestquerschnitte • Drehstrommotoren (Betriebsdaten) .... . . . . . .. ... ... • Dioden, Transistoren, Thyristor, Triac (Kennlinien) .. • Wichtige Abkürzungen .......... . ..... .. .. . .... • Fachbegriffe Englisch- Deutsch .... . .. . ........ .

~I

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Inhaltsverzeichnis (Kurzform)

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Kapitelnummer und Symbole

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Allgemeines

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Liebe Leserin, lieber Leser,

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die Fachkunde Elektrotechnik dient der Aus- und Weiterbildung im Berufsfeld Elektrotechnik. Sie wendet sich an alle, die in diesem Berufsfeld tätig sind.

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Aufbau des Buches

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Alle Normen nach neuestem Stand, z. 8 . Schutzmaßnahmen nach DIN VDE 0100, Teil410 (Stand: 10/2007)

Auf einen Blick Das folgende Mind-Map-Bild zeigt wichtige Informationen im Überblick. Informationstechnik Beleuchtungstechnik Blitzschul1 Empfangstechnik Schaltungstechnik Schutzmaßnahmen Gebäudesy stemtechnik

Frequenzumrichter

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Beispiele für neueund überarbeitete Buchinhalte

Energie- und Gebäudetechnik für: (Handwerk)

Gebäude· und

Gefahrenmeldeanlagen

Servomotoren Bibliotheksbausteine Visualisierung Daten von Drehstro mmotoren

SPS

Infoteil

Ihre Meinung zu diesem Buch ist uns wichtig. Deshalb möchten wir Ihre Kritik, Ihre Ratschläge, aber auch Ihr Lob erfahren . Schreiben Sie uns unter: info @europa-lehrmittel.de Die Autoren und der Verlag Europa-Lehrmittel wünschen Ihnen viel Erfolg

Sommer 2009

Inhaltsverzeichnis ~ ~~~~----------------------------..a Arbeitssicherheit und Gesundheitsschutz . 15 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

Sicherheit und Gesundheitsschutz am Arbeitsplatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geräte- und Produktsicherheitsgesetz. . . . . . . . Gefahrstoffverordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheitszeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erste Hilfe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Praxistipp: Gefährdungsbeurteilung .......... Wiederholungsseite zu Kapitel1 . . . . . . . . . . . . .

Grundbegriffe der Elektrotechnik . . . . . . 2.1

2.2

2.3 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.5 2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.5.4 2.5.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.11.1 2.11.2 2.12 2.13 2.14

Umgang mit physikalischen Größen . . . . . . . . . Masse und Kraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . . Mechanische Arbeit . . . . . . . . . . • . . . . . . . . . . . . . Energie ..................... • ............. M echanische Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arten von Stromkreisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrischer Gleichstromkreis . . . . . . . . . . . . . . . Schaltzeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische Ladung (Eiektrizitätsmenge) . . . . . . Aufbau der Atom e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische Spannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spannungsquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . . Potenzial und Spannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arten der Spannungserzeugung . . . . . . . . . . . . . Messen elektrischer Spannung . . . . . . . . . . . . . . Elektrischer Strom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrischer Strom in M etallen . . . . . . . . . . . . . . . Messen elektrischer Stro m stärke. . . . . . . . . . . . . Wirkungen des elektrischen Strom es . . . . . . . . . Stromarten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stromdichte.............................. . Elektrischer Widerstand und Leitwert . . . . . . . . Ohmsches Gesetz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leiterwiderstand .. . . .. .. .. .. .. .. .. . . . . .. .. Temperaturabhängigkeit des Widerstandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauarten von Widerständen. . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische Energie und Arbeit. . . . . . . . . . . . . . . Gewinnung elektrischer Energie . . . . . . . . . . . . . Elektrische A rbeit . . . . . .. . . . . .. . . . . . . . . . . . .. Elektrische Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Wirkungsgrad • . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrowärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wiederholungsseite zu Kapitel 2 . . . . . . . . . . . . .

15 15 16 17 18 19 20

21 21 21 22 22 22 23 24 25 26 27 28 28 28 29 30 31 32 32 33 34 35 36 37 38 39 40 42 42

43 44 46 47 48

Grundschaltungen der Elektrotechnik . . . 49 3.1 3.1 .1 3.1.2 3.1.3 3.2 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.5 3.5.1 3.5.2

Reihenschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gesetze der Reihenschaltung . . . . . . . . . . . . . . . Vorwiderstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spannungsfall an Leitungen . . . . . . . . . . . . . . . . Parallelschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gemischte Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spannungsteiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Brückenschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Widerstandsbestimmung durch Stromund Spannungsm essung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Innenwiderst and von Spannungsquellen . . . . . Betriebsfälle einer Spannungsquelle . . . . . . . . . Ersatzspannungsquelle und Ersatzstromquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anpassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schaltungen von Spannungsquellen . . . . . . . . . Galvanische Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Primärelem ente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

49 49 51 52 53 55 55 57

58 59 59 60 61 62

63 63 64

3.5.3

Sekundärelemente (Akkumulatoren). . . . . . . . . . 66 Wiederholungsseite zu Kap1tel 3 . . . . . 68

-~ 4.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.4 4.4.1 4.4.2 4.5 4.5.1 4.5.2

Elektrisches Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

Eigenschaften des elektrischen Feldes . . . . . . . . Grundbegriffe . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . .. .. . . . . . Elektrische Feldstärke . . . . .. . . . . . . .. .. . .. . . . Elektrische Influenz und Polarisation .......... Elektrische Felder in der Praxis . . . . . . . . . . . . . . Kondensator im Gleichstromkreis . . . . . . . . . . . Verhalten eines Kondensators . . . . . . . . . . . . . . . Kapazität eines Kondensators . . . . . . . . . . . . . . . Berechnung der Kapazität von Kondensatoren Laden und Entladen eines Kondensators . . . . . Energie des geladenen Kondensators. . . . . . . . . Schaltungen von Kondensatoren . . . . . . . . . . . . Parallelschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reihenschaltung.. . . . . . . . . . . . . . .. . .. .. . . . . . Kenngrößen und Bauarten von Kondensatoren Kenngrößen. . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. .. .. .. . . . . Bauarten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . W1ederholungsse1te zu Kap1tel 4 . . . . . . . . . .

69 70 70 70 71

72 72 72 73 74 75 76 76 76 77

77 77 79

Magnetisches Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 5.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.4 5.5 5.5.1 5.5.2 5.5.3 5.6 5.6.1 5.6.2 5.6.3 5.6.4 5.6.5

Eigenschaften der Magnete und Darstellungshilfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 Elektromagnetismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Stromdurchflossener Leiter und Magnetfeld . . 82 Stromdurchflossene Spule und Magnetfeld . . . 83 Magnetische Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Magnetischer Fluss (/J. . . • . . . . . . • . • • • . • . . . . . . 84 Elektrische Durchflutung 84 Magnetische Feldstärke H ................. . . 85 Magnetische Flussdichte 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Eisen im Magnetfeld einer Spule ............. 86 Strom und Magnetfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld . . . 89 Stromdurchflossene Spule im Magnetfeld . . . . 91 Stromdurchflossene parallele Leiter. . . . . . . . . . 91 Spannungserzeugung durch Induktion . . . . . . . 92 Generatorprinzip (Induktion durch Bewegung) 92 Lenzsehe Regel. ............................ 93 Transformatorprinzip (Induktion der Ruhe) ..... 94 Selbstinduktion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Wirbelströme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Wiederholungsseite zu Kapitel 5 .............. 98

e. . . . . . . . . . . . . . . . . .

-··~ 6.1 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 6.2.5 6.2.6 6.3 6.3.1 6.3.2

Schaltungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

Schaltungsunterlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Installationsschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Lampenschaltungen ........... ........... 101 Stromstoßschaltung ..... . ................ 103 lnfrarot-Bewegungsmelder . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Treppenhaus-Zeitschaltung ................ 104 Hausrufanlagen ... ............ ........... 104 Haussprechanlagen ............... .... .... 105 Elektromagnetische Schalter . . . . . . . . . . . . . . . 107 Relais ........................ ........... 108 Schütze . . ...... . ......... ..... ........... 110 Grundschaltungen mit Schützen . . . . . • . . . . . . 11 1 Tippbetrieb . . . . . .. . . . . . . . .. . . . .. .. .. . . . . . 111 Selbsthalteschaltung . . . . . . .. . . . . . .. .. . .. . . 111 Verriegelungsschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2 Wendeschützschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 Folgeschaltung ............ .... ........... 113 Stern-Dreieck-Schützschaltung ............. 113 Automatische Stern-Dreieck-Schützschaltung 11 5

~ Inhaltsverzeich nis ~---------------------------------=~~~~ 6.4 6.5

Dahlanderschaltung ...................... Klemmenplan ........................•... Elektrische Ausrüstung von Maschinen . . . . . Wiederholungsseite zu Kapitel 6 . . . . . . . . . . . .

115 116 117 119

7.9.3 7 .9.4

Wechsel- und Drehstromtechnik . . . . . . 120 7.1 7.1 .1 7.1.2 7.1.3 7.1.4 7.1.5 7.2 7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4 7.2.5 7.2.6 7.2.7 7.2.8 7.3 7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.3.4 7.3.5 7.3.6 7.4 7.4.1 7.4.2 7.4.3 7.4.4 7.4.5 7.4.6 7.5 7.5. 1 7.5.2

7.5.3 7.5.4 7.6 7.6.1 7.6.2 7.7 7.7.1 7.7.2 7.7.3 7.8 7.8.1 7.8.2 7.8.3 7.8.4 7.8.5 7.8.6 7.8.7 7.9 7.9.1 7.9.2

Kenngrößen der Wechselstromtechnik . . . . . . Periode und Scheitelwert .................. Frequenz und Periodendauer . . . . . . . . . . . . . . Frequenz und Wellenlänge ........ .... .... Frequenz und Polpaarzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . Zeitlicher Verlauf von Wechselgrößen . . . . . . . Sinusförmige Wechselgrößen . . . . . . . . . . . . . . Zeigerdarstellung von Sinusgrößen ......... Kreisfrequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erzeuguro:;; von Sinusspannungen . . . . . . . . . . Sche~telwert und Effektivwert bei sinusförmigen Wechselgrößen ............. Nichtsinusförmige Spannungen und Ströme Phasenverschiebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirkwiderstand ................... ..... .. Scheinwiderstand ................... . .... Spule im Wechselstromkrei s . . . . . . . . . . . . . . . Induktiver Blindwiderstand ................ Reihenschaltung aus Wirkwiderstand und induktivem Blindwiderstand ................ Spannungsdreieck ........................ Widerstandsdreieck ....................... Parallelschaltung aus W irkwiderstand und induktivem Blindwiderstand ................ Stromdreieck und Leitwertdreieck . . . . . . . . . . Lei stungen im Wechselstromkreis . . . . . . . . . . Wirkleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . . . Scheinleistung .... .... ................... Blindleistung ............................. Leistungsdreieck bei induktiver Last . . . . . . . . . Leistungsfaktor, Wirkfaktor und Blindfaktor .. Verlustleistung bei realen Spulen .. .. ....... Kondensator im Wechselstromkreis . . . . . . . . Kapazitiver Blindwiderstand .. ...... .... . .. Reihenschaltung aus Wirkwiderstand und kapazitivem Blindwiderstand ............... RC-Hochpass ..... .................. ..... RC-Tiefpass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Parallelschaltung aus Wirkwiderstand und kapazitivem Blindwiderstand ............... Verlustleistung bei realen Kondensatoren ... . Schaltung aus Spule, Kondensator und Wirkwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reihenschaltung aus Wirkwiderstand, induktivem und kapazitivem Blindwiderstand Parallelschaltung aus Wirkwiderstand, induktivem und kapazitivem Blindwiderstand Schwingkreise ........................... Resonanz . . . . . . . . . . . . . . . • . . . . . . . . . . . . . . . . Reihenschwingkreis ...................... Parallelschwingkreis ...................... Dreiphasenwechselstrom (Drehstrom ) . . . . . . Entstehung der Dreiphasenwechselspannung ............................... Verkettung .........•........ •..... ...... Sternschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dreieckschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sternschaltung und Dreieckschaltung bei Drehstrommotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leistung bei Dreiphasenwechselstrom ...... Leistungsmessung bei Dreiphasenwechselstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kompensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kompensationsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bemessung von Kompensationskondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

120 120 120 121 122 123 124 124 125 125 126 127 128 128 128 129 129 130 131 132 133 133 134 134 134 135 135 136 136 137 137 138 139 139

Kompensation bei elektronischen Stromrichterschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 Tonfrequenzsperrkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 Wiederholungsseite zu Kapitel 7 . . . . . . . • . . . . 159

Messtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 8.1 8.1.1 8.1.2 8.1.3 8.1.3.1 8.1.3.2 8.1.4 8.1.5 8.1.5.1 8.1.5.2 8.2 8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.2.4 8.2.5 8.3 8.3.1 8.3.1.1 8.3.1.2 8.3.1.3 8.3.2 8.4 8.4.1 8.4.2 8.4.2.1 8.4.2.2 8.4.2.3 8.4.3 8.4.3.1 8.4.3.2 8.4.3.3 8.4.3.4 8.4.4

140 141

Elektrische Messgeräte ................... . Grundbegriffe der Messtechnik .... . ....... . Anzeigearten von Messgeräten ............ . Analoge Messgeräte ..................... . Messfehler von Zeigermessgeräten ........ . Elektrische Messwerke ................... . Digitale Messgeräte .............. . ....... . Elektrizitätszähler ........................ . Wirkverbrauchszähler .................... . Elektronische Elektrizitätszähler ... .. ....... . Praktisches M essen .............. . ....... . Messen von Leistungen .................. . Messen von Widerständen ............... . Messen mit Strommesszangen ............ . Messkategorien ......................... . Durchführung einer praktischen Messung .. . Oszilloskop ................... ......... . . Analoges Oszilloskop ..................... . Aufbau eines Analog-Oszilloskops ......... . Zweikanal-Oszilloskop .................... . Messen mit dem Oszilloskop .............. . Digitalspeicher-Oszilloskop ........... . .... . Praxistipp: Messen mit dem Oszilloskop .... . M essen nichtelektrischer Größen mit Sensoren Aktive und passive Sensoren .... ..... ..... . Analoge Sensoren .................... .. . . Sensoren zur Weg- und Winkelmessung .... . Sensoren zur Messung von Dehnung, Kraft, Druck und Drehmoment ........ ... ....... . Sensoren zur Messung von Temperaturen .. . Binäre Sensoren ...................... . .. . Optische Näherungsschalter............... . Induktive Näherungsschalter .............. . Kapazitive Näherungsschalter .. .. ......... . A usgangsfunktion und Ausführung von Näherungsschaltern ........ ...... . .... ... . Digitale Sensoren ........................ . Praxistipp: Effektivwertmessung nichtsinusförmiger Großen .............. . Wiederholungsseite zu Kapitel 8 ..........•.

160 160 161 161 162 163

164 166 166 167 168 168 168 169 169 170 171

171 171 173 173 174 175 176

176 177 177 178 179 180 180 180 181 181 182 183

184

142 Elektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 142 143 144 145 145 146 148 148 148 150 152 153 154 155 156 157 158

9.1 9.2 9.2.1 9.2.2 9.2.3 9.2.4 9.3 9.4 9.4.1 9.4.2 9.4.3 9.4.4 9.4.5 9.5 9.5.1 9.5.1.1 9.5.1.2 9.5.1.3 9.5.1.4 9.5.1.5

Halbleiterwerkstoffe ..................... . Halbleiterwiderst ände .................... . Spannungsabhängige Widerstände (Varistoren) Heißleiter (NTC-Widerstände) ............. . Kaltleiter (PTC-Widerstände) ........ ....... . Feldplatten .............................. . Hallgeneratoren .. . ...................... . Halbleiterdioden ........................ . Wirkungsweise .......................... . Leistungsdioden ............... ..... .•... Z-Dioden (Begrenzerdioden).. ... . . .. ...... . Halbleiterkennzeichnung .................. . Kühlung von Halbleiterbauelementen ...... . Transistoren ............... . ............ . Bipolare Transistoren . . . .. ............... . Transistoren in der Praxis ................. . Einstellung des Arbeitspunktes ............ . Stabilisierung des Arbeitspunktes ......... . Transistor als Schalter .................... . Kippschaltungen ................. . ....... . Bislabile Kippschaltung .................. .

185 187 187

188 189 191 191 192 192 192 193

194 195 196

196 198 199 200 201 203 203

Inhaltsverzeichnis ~ ~~~~--------------------------------~~

9.5. 1.6

9.5.2

9.6 9.6.1

9.6.2

9.6.3 9.6.4 9.7 9.7.1 9.7.2 9.7.3 9.8 9.8.1 9.8.2 9.8.2.1 9.8.2.2 9.8.2.3 9.8.3 9.8.3.1 9.8.3.2 9.8.3.3 9.8.3.4 9.8.4 9.8.4.1 9.8.4.2 9.8.5 9.8.6 9.8.7 9.8.7.1 9.8.7.2 9.8.7.3

9.8.8 9.8.8.1 9.8.8.2 9.9 9.9.1 9.9.1.1 9.9.1.2 9.9.1.3 9.9.1 .4 9.9.1.5 9.9.2 9.9.3 9.9.3.1

Monostabile Kippschaltung . . . . . . . . . • . . . . . . Astabile Kippschaltung .... .. ....... .. ...... Schwellwertschalter (Schmitt-Trigger) .. ...... Verstärkerschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundbegriffe der Verstärkertechnik . . . . . . . . Grundschaltungen des bipolaren Transistors Einstufiger bipolarer Transistorverstärker in Emitterschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Feldeffekttransistoren (FET) . . . . . . . . . . . . . . . . Verstärkergrundschaltungen mit Feldeffekttransistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Optoelektronik .... .... . .... .............. Optoelektronische Sender (Aktoren) ... ... .. Leuchtdioden ................. . . .. ....... Laserdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Optoelektronische Empfänger (Detektoren) ... Fotodioden .............................. Fotowiderstände ................. . .. • . ... Fotoelemente ... . . .. • . ........ ....... .... Solarzellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fototransistoren .......... . . .............. Schaltungsbeispiele optoelektronischer Empfänger .............. .. . . ............ Flüssigkristallanzeigen .. . . .. ........... .. . Optokoppler . . . . . . . . . . . . . • . . . . . . . . . . . . . . . Operationsverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Analoge Schaltungen mit Operationsverstärkern Digitale Schaltungen mit Operationsverstärkern Digitaltechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Signalarten der Digital- und Steuerungstechnik Grundverknüpfungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . UND-Verknüpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ODER-Verknüpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . NICHT-Verknüpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundverknüpfungen mit Ausgangs- oder Eingangsnegation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verknüpfungen mit Ausgangsnegation . . . . . . Verknüpfungen m it Eingangsnegation . . . . . . Eingangsbeschaltung log. Verknüpfungen . . . Anwendung der Grundverknüpfungen . . . . . . Schaltkreisfamilien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . TIL-Schaltkreisfamilie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CMOS-Schaltkreisfamilie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schaltalgebra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Antivalenz- und Äquivalenz-Verknüpfung . . . . Kippglieder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zustandsgesteuerte und taktgesteuerte Kippglieder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zweiflankengesteuertes JK-Kippglied . . . . . . . Schaltungen m it Kippgliedern . . . . . . . . . . . . . . Duales Zahlensystem ............. .• .... ... Zählerschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schieberegister. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Analog-Digital- und Digitai-Analog-Umsetzer. . . . . . . . . . . • . . . . . . . Analog-Digitai-Umsetzer . . . . . . . . . . • . . . . . . . Digitai-Analog-Umsetzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leistungsel ektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauelemente der Leistungselektronik . . . . . . . . Thy ristor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . . . . . . GTO-Thyristor . ............... . .......... Triac . . ..... . .................... . ....... Diac .................. . ..........•.... . .. IGBT ................................... . Begriffe der Leistungselektronik.. . .. •.... ... Gleichrichterschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ungesteuerte Gleichrichterschaltungen . . . . . Ungesteuerte Gleichrichterschaltungen für Wechselstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einpul s-Einwegschaltung E1U .............. Zweipuls-Brückenschaltung B2U . . . . . . . . . . . . Ungesteuerte Gleichrichterschaltungen für Drehstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

204 204 204 205 205 205 9.9.3.2 206 207 209 210 210 210 211 212 212 212 212 212 213 213 214 214 215 215 217 219

221 221 221 221 222 222 223 223 223 224 224 225 225 225 226 227 228

9.9.4 9.9.5 9.9.5. 1

9.9.5.2 9.9.6 9.9.6.1 9.9.6.2 9.9.7 9.9.8 9.9.8.1 9.9.8.2 9.9.8.3 9.9.9 9.9.10 9.9.10.1 9.9.10.2 9.9.10.3 9.9.10.4 9.9.1 1 9.9.11.1 9.9.11 .2

228 229 230 230 230 232

242 242 243 244

244 244 245 245 246 247 247 247 247

248 248 248 249 250 251 251 251 251 252 252 253

254 254 255 256 256 257 257 258 259 259 260

260 261 262

263 264 265 266

Elektrische Anlagentechnik . .......... 267

10.1 233 233 234 235 235 235 238 238 239 240 241 242 242

Dreipuls-Mittelpunktschaltung M3U ....... . . Sechspuls-Brückenschaltung B6U .... ..... . Welligkeil bei Gleichrichterschaltungen ..... . Transformatorbauleistung bei Gleichrichterschaltungen ....... ... .. .. ... . Glätten pulsierender Gleichspannungen .. . . . Gesteuerte Gleichrichterschaltung ......... . Phasenanschnittsteuerung ................ . Gesteuerte Einpuls-Einwegschaltung E1C ... . Einfluss verschi edener Lastarten auf gesteuerte Gleichrichter . ................. . Steuerkennlinie .... . . ... ........ ... ..... . Ansteuerung von Ventilen (Thyristoren)..... . Gesteuerte ZweipulsBrückenschaltung B2C ............ ... . ... . Gesteuerte Drehstromgleichrichter ........ . Wechselrichterbetrieb von netzgeführten Stromrichtern .... .... ...... . Wechselstrom-Umrichter ..... ...... ...... . Wechselwegschaltung W1C (Dimmer) . .... . . Phasenanschnittsteuerung .... .... ........ . Phasenabschnittsteuerung ........... .. ... . Nachteile der Phasenanschnittsteuerung . . . . Vielperiodensteuerung ................... . Gleichstrom-Umrichter .... . . .. .. ...... ... . Durchfluss- und Sperrwandler ............ . Ansteuerungsarten für Gleichstromsteller .. . Wechselrichter . . .................... .... . Netzgeräte .............. . ..... .... ...... . Geregelte Netzgeräte ...... . ... . ......... . Spannungsregler ........................ . Schaltnetzgeräte ............. ....... .... . Betriebsarten elektrischer Antriebe ........ . . Gleichstromantriebe ..................... . Gleichstrommotor am ThyristorStromrichter ............................ . Gleichstrommotor an SechspulsBrückenschaltung B6C . ................ . . . Gleichstrommotor im Vierquadranten-Betrieb (4-0-Betrieb) .................. . ... . ... .. . Drehzahlsteuerung mit TransistorGleichstromsteller ........... ...... •...... Frequenzumrichter . . ... ........... • ...... Drehstrom-Asynchronmotor am Frequenzumrichter ...................... . Auswahl eines Drehstromantriebes mit Frequenzumrichter ........... . .......... . Praxistipp: Installation und Inbetriebnahme eines Frequenzumrichters ................ . Wiederholungsseite zu Kapitel 9 ........... .

10.1.1 10.1.1.1 10.1.1.2 10.1 .1.3 10.1.1.4 10.1.2 10.1.2.1 10.1.2.2 10.1.2.3 10.1.3 10.1.3.1 10.1.3.2 10.1.3.3 10.1.4 10.1.4.1 10.1.4.2 10.1.4.3 10.1.4.4

Energieerzeugung und Energieübertragung .. Kraftwerke .................... . . . ....... . Wärmekraftwerke ............... . ........ . Umweltschutz in Wärmekraftwerken ... ... . . Wasserkraftwerke ................... . . . . . Erneuerbare Energien ... . ... .... ..... .... . Umspannwerke ......... . ............... . Spannungsebenen ...................... . Umspannanlagen ................•. . ..... Hochspannungsschalter ................. . . Übertragungsnetze .... ........ ... ....... . Höchst-, Hoch- und Mittelspannungsnetze ... . Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung .. . Netzformen ....... . .... . ................ . Niederspannungsanlagen ........... . .... . Netzaufbau .... . ..................... ... . Hausanschluss ........................ . . . Erdungsanlagen . ...... ............. . .... . Schutzpotenzialausgleich über die Haupterdungsschiene ... .... ....... ... ......... .

267 267

268 269 .270 271 274 274 274 275 277 277 277 278 279 279 281 282 283

1311111----------------------------------------------------------~l~n~h~a~lt~s~v e~r~z~e~ic~h~n~is 10.1.4.5

10.1.5 10.2 10.2.1 10.2.2 10.2.3 10.2.4 10.3 10.4 10.4.1 10.4.2 10.4.3 10.4.4 10.4.5 10.4.6 10.5 10.5.1 10.5.2 10.6 10.6.1 10.6.2 10.6.3 10.6.4 10.6.5 10.6.6 10.6.7 10.6.8 10.7 10.7.1 10.7.2

11 11.1 11.1.1 11.1.2 11.1.3 11.2 11.3. 11.3.1 11.3.2 11.3.3 11.3.4 11 .3.5 11.4 11.5 11 .6 11 .6.1 11 .6.2 11.6.3 11.6.4 11.6.5 11.7 11.8

Hauptstromversorgungssysteme . . . . . . . . . . . Praxistipp: Ausstattung elektrischer Anlagen in Wohngebäuden . . . . . . . . . . . . . . . . Elektro-Magnetische Verträglichkeit und TN-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Isolierte Leitungen, Kabel und Freileitungen . . Isolierte Leitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Praxistipp: Farbkennzeichnung von Leitern . . Kabel für Mittelspannungs- und Niederspannungsanlagen ..........•...... Freileitungen für Hoch· und Mittelspannungsanlagen ... ............... . Datenleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Praxistipp: Verlegen von Leitungen . . . . . . . . . Schutz elektrischer Leitungen und Verbraucher Schutzschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermischer Auslöser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektromagnetischer Auslöser . . . . . . . . . . . . . . Leitungsschutzschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Selektiver Hauptleitungsschutzschalter . . . . . . Leistungsschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Motorschutzeinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . Bemessung von fest verlegten Leitungen und Kabeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spannungsfall an Leitungen ... . ............ Anordnung von Überstrom-Schutzeinrichtungen Praxistipp: Beispiel einer Leitungsbt.orechnung Räume und Anlagen besonderer Art. . . . . . . . . Elektroinstallation in Räume mit Badewanne oder Dusche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sauna-Anlagen ..... ... . ................. Baustellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . . Landwirtschaftliche u. gartenbauliche Betriebsstätten .. .. . . . . . . .. . . . . .. .. . . . . . .. Feuergefährdete Betriebsstätten ............ Explosionsgefährdete Bereiche . . . . . . . . . . . . . Medizinisch genutzte Räume ............... Übersicht der Raumarten und Betriebsstätten Brandbekämpfung in elektrischen Anlagen ... Verhalten bei Brand in elektrischen Anlagen . . Löschmittel .............................. Wiederholungsseite zu Kapite1 10 ...........

284

11.9

286

11.10

287 290 290 293

11.11 11.12

294 294 295 296 297 300 300 300 301 301 302 302

11.13.2 11.13.3 11.13.4 11 .13.5

11 .13.5.1 11 .13.5.2

305 306 307 308 309 309 311 31 1 312 313 315 316 317 318 318 318 319

Schutzmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . 320 Gefahren im Umgang mit dem elektrischen Strom ..................... ... Wirkungen des elektrischen Stromes im menschlichen Körper . .. . . . . . . . . .. . . . . .. .. . Direktes und indirektes Berühren. . . . . . . . . . . . Fachbegriffe Schutzmaßnahmen ..... ... .... Sicherheitsbestimmungen für Niederspannungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . Begriffe und Kenngrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schutzklassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IP-Schutzarten (nach DIN VDE 0470) . . . . . . . . Maßnahmen bei Arbeiten an elektrischen Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fehlerarten in elektrischen Anlagen . . . . . . . . . Spannungen im Fehlerfall . . . . . . . . . . . . . . . . . Drehstromsysteme .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. . Schutz gegen elektrischen Schlag . . . . . . . . . . Automatische Abschaltung der Stromversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anforderungen an den Basisschutz (Schutz gegen direktes Berühren) ........ . .. Anforderungen an den Fehlerschutz (Schutz bei indirektem Berühren) . . . . . . . . . . . Schutz im TN-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schutz im TI-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schutz im IT-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Doppelte oder v erstärkte Isolierung . . . . . . . . . Schutztrennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11.13 11 .13.1

11.13.5.3 11 .13.5.4 11 .13.5.5 11 .13.6 11 .13.7 11.14

IEIIIIO Gebäudetechnische Anlagen . . . . . . . . . 12.1 12.1.1 12.1.2 12.1.3

12.1.4 12.1.5 12.1.6 12.1.6.1 12.1.6.2

320 320 322 322 323 323 323 324

12.1 .7 12. 1.8

12.2 12.2. 1 12.2.2 12.2.3 12.2.4

325 326 326 327 328

12.2.5

329

12.3 12.3.1 12.3.2 12.3.3 12.3.4 12.3.5 12.3.6 12.3.7 12.3.8 12.3.9

329 330 331 332 333 334 334

Schutz durch Kleinspannung mittels SELV und PELV ...... ... ... ....... Zusätzlicher Schutz: Fehlerstro mSchutzeinrichtungen (RCDs) ............... Differenzstrom-Überwachungsgerät . . . . . . . . Schutzvorkehrungen für Anlagen, die nur durch Elektrofachkräfte betrieben und überwacht w erden .. . . .. .. .. .. .. .. . . . . . . . Prüfen der Schutzmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . Prüfen der Schutzleiter und Schutzpotenzialausgleichsleiter . . . . . . . . . . . . M essen der Isolationswiderstände in elektrischen Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prüfen der Schutzmaßnahmen SELV, PELV und Schutztrennung . .... ............ Messen des Isolationswiderstandes von Fußböden und Wänden . . . . . . . . . . . . . . . Prüfen der Schutzmaßnahme: Automatische Abschaltung der Stromversorgung im TN·, TI- und IT-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prüfen im TN-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messen der Schleifenimpedanz . . . . . . . . . . . . Prüfen im TI-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messen des Erdungswiderstandes . . . . . . . . . . Prüfen im IT-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prüfen der Fehlerstrom-Schutzeinrichtung (RCD) . .. . . . . .. . . . .. . . . . .. . . . . Prüfen der Drehfeldrichtung . . . . . . . . . . . . . . . Wiederholungsprü fungen nach BGV A3 . . . . . E-Check als Gütesiegel für die Elektroanlage . Schutz gegen elektrostatische Aufladung . . . . Wiederholungsseite zu Kapitel1 1 . . . . . . . . . . .

12.2.6 12.2.7

335 336 338 339 340 342 342 343 343 344 344 344 345 345 346 346 346 347 347 348 349

350

Ucht - und Beleuchtungstechnik . . . . . . . . . . . . 350 Licht ........ .. .............. .... ........ 351 Größen der Lichttechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352 Anforderungen an eine gute Beleuchtung . . . . 354 Praxistipp: Beispiel zur Ermittlung einer Lampenzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355 Lichtberechnungssoftware . . . . . . . . . . . . . . . . . 356 Glühlampen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . . . • . . . 356 Entladungslampen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . . 358 Leuchtstofflampen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • • . . . 359 Quecksilberdampf-und Natriumdampflampen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361 Eigenschaften einer guten Beleuchtung . . . . . 362 Leuchtröhrenanlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363 Praxistipp: Anschluss von Halogen· Beleuchtungsanlagen . . . . . . . . . .. .. . .. . .. . . 364 Elektrogeräte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 A llgem eines über Elektrogeräte . . . . . . . . . . . . 365 Elektrische Warmwasserbereiter . . . . . . . . . . . 366 Elektrische Raumheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368 Elektrische Geräte zur Nahrungsvorratshaltung und -Zubereitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372 Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) elektrischer Geräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376 Prüfen von Elektrogeräten nach Instandsetzung und Änderung .............. 378 Wiederholungsprüfungen an elektrischen Geräten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380 Antennen- und Verteilanlagen . . . . . . . . • . . . . . 381 Wirkungsweise der Ant ennen . . . . . . . . . . . . . . 381 Empfangsantennen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382 Verstärkungsmaß, Dämpfungsmaß und Pegel 384 Aufbau von Antennenanlagen . . . . . . . . . . . . . . 385 Satelliten-Fernsehempfangsanlagen . . . . . . . . 386 Digitale Fernsehempfangsanlagen . . . . . . . . . . 389 Breitband-Kommunikationsanlagen . . . . . . . . . 389 Berechnung einer Empfangsantennenanlage 390 Errichten von Empfangsantennenanlagen . . . 391

Inhaltsverzeichnis

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~~~~~~~---------------------------------------------------

12.4 12.4. 1 12.4.2 12.4.3 12.5 12.5.1 12.5.2 12.5.3 12.5.4 12.6 12.6.1 12.6.2 12.7 12.7.1 12.7.2 12.7.3 12.7.3. 1 12.7.3.2 12.7.3.3

Praxistipp: Multimediaverkabelung im Wohnbereich ...... • •..... .. .......... Telekommunikation .......... . ........... . Datenübertragung . .. ............. ...... . . Analoges Telekommuni kationssystem .. .. .. . Digitales Telekommunikationssystem .... .. . Gebäudeautomation ...... .... ........... . Gebäudeleittechnik....................... . Gebäudesystemtechnik .. ..... ............ . KNXIEIB-Projekt ....... ...... ..... ... .... . Gebäudeautomation durch Visualisierung .. . Gefahrenmeldeanlagen .. ... .............. . Einbruchmeldeanlagen .. ................ . . Brandmeldeanlagen ... ........ ..... • .. .... Praxistipp: Beispiel einer Einbruchmeldeanlage Blitzschutz ......... ......... ........ .... . Entstehung der Gewitterzelle .............. . Wirkungen des Blitzstromes ............. . . Blitzschutzsysteme ....................... . Äußerer Blitzschutz......... .. .• ... •....... Innerer Blitzschutz..... ... . . ......... .. ... . Trennungsabstand . . .................... . Wiederholungsseite zu Kapitel12 ...... . ... .

393 394 394 394 395 399 399 400 403 405

406 406 410 411 412 412 412 413 414 417 418 420

Elektrische Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . 421 Transformatoren .. ............ ... ....... . Einphasentransformatoren ....... . ... .... . Leerlaufspannung .. .. .. .... ............. . Übersetzungen .......................... . Leerlauf und Belastung .... ............... . Kurzschlussspannung ................ . ... . Kurzschlussstrom und Einschaltstrom . ..... . Wirkungsgrad von Transformato ren .. ..... . Kleintransformatoren . .. ................. . Aufbau ......... ........ ................ . Arten von Kleintransformatoren ..... . .... . . Prüfspannungen bei Kleintransformatoren .. . Sondertransformatoren . ................. . Spartransformatoren . .. ........•....•.... Streufeldtransformatoren ...... . ...... •.... Messwandler .... . ......... ......... • . . .. Spannungswandler ......... .. .......... . . Stromwandler ....... ... ... . .......... .. . Drehstromtransformatoren .... .. ....... .. . Aufbau und Prinzip .. ............... ... .. . Schaltu ngen ........ ... ................. . Unsymmetrische Belastung ... .......... .. . Gebräuchliche Schaltgruppen ... .. ..... .. . . Parallelschalten von Transformatoren ...•. .. M otoren und Generatoren ....... ... ...... . Grundlagen ............ .. ............... . Entstehung des Drehfeldes . .............. . Leistung und Drehmoment ............... . Aufbau umlaufender Maschinen .......... . Leistungsschild ... ........... .. ........ . . Drehsinn .......... ........ ........ ..... . Drehstrommotoren ohne Stromwender .... . Drehstromasynchronmotoren ........ . .... . Motoren mit Kurzschlussläufer ......... .. . . Anlassen v on Kurzschlussläufermotoren (Ständeranlassverfahren} .......... ....... . 13.2.2.4 Schleifringläufermotoren .... ............. . 13.2.2.5 Anlassen von Schleifringläufermotoren (Läuferanlassverfahren} .................. . 13.2.2.6 Drehzahl steuerung, untersynchrone Stromrichterkaskade ... .... ....... . ...... . 13.2.2.7 Polumschaltbare Motoren .. .............. . 13.2.2.8 Bremsbetrieb von Drehstromasynchronmotoren . . . ......... .. ................. . 13.2.2.9 Drehstromlinearmotoren ... .... . ....... .. . 13.2.2.10 Synchronmotor ............. .. • . ...•..... 13.2.3 Sonstige Drehfeldmotoren .... ... .. ..•.....

13.1 13.1 .1 13.1.1.1 13.1.1.2 13.1.1.3 13.1.1.4 13.1.1.5 13.1.1.6 13.1.2 13.1.2.1 13.1.2.2 13.1.2.3 13.1.3 13.1.3.1 13.1.3.2 13.1.4 13.1.4.1 13.1.4.2 13.1.5 13.1.5.1 13.1.5.2 13.1.5.3 13.1.5.4 13.1.6 13.2 13.2.1 13.2.1 .1 13.2.1.2 13.2.1.3 13.2.1.4 13.2.1.5 13.2.2 13.2.2.1 13.2.2.2 13.2.2.3

422 422 422 423 424 426 427 428 429 429 430 431 432 432 433 433 433 434 435 435 436 438 439 440 441 441 441 442

443 443 443

444 444 444 448 450

451

13.2.3.1 13.2.3.2 13.2.3.3

13.2.3.4 13.2.3.5 13.2.4 13.2.5 13.2.5.1 13.2.5.2 13.2.5.3 13.2.5.4 13.2.5.5 13.2.5.6 13.2.5.7 13.2.5.8 13.2.6 13.2.6.1 13.2.6.2 13.2.7 13.2.8 13.2.9 13.2.10 13.2.11

14.1 14.2 14.2.1 14.2.2 14.2.3 14.3 14.4 14.4.1 14.4.2 14.4.3 14.4.4 14.4.5 14.5 14.5.1 14.5.2 14.5.2.1 14.5.2.2 14.5.3 14.6 14.6.1 14.6.2 14.6.3 14.7 14.7.1 14.7.2 14.7.3 14.7.4 14.7.5

14.8

454 455 456

456 457 458 458 459 460 461 463 465 465 466 467 469 471 472 475 477 478 478 479 481 482 482 483 484 486 487

Informationstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . 488

451 452 453

Anwurfmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Drehstrommotor an Wechselspannung (Steinmetzschaltung} . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einphasen-Induktionsmotoren . . . . . . . . . . . . . Einphasenmotor m it W iderstandshilfsstrang Kondensatormotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spaltpolmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schrittmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Synchrongenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stromwendermaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau von Gleichstrommaschinen . . . . . . . . . Wirkungsweise von Gleichstromgeneratoren Arten von Gleichstromgeneratoren . . . . . . . . . Ankerquerfeld . . .. .. .. . . . . . . . .. .. .. . . .. . . . Anschlussbezeichnung von Stromwendermaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirkungsweise von Gleichstrommotoren . . . . Arten von Gleichstrommotoren . . . . . . . . . . . . Universalmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Servomotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gleichstromservomotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . Drehstromservomotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betriebsarten elektrischer Maschinen . . . . . . . Bauformen von drehenden elektrischen Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische Isolierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kühlung elektrischer Maschinen ............ Praxistipp: Auswahl eines El ektromotors . . . . Wartung und Prüfung el ektrischer Maschinen Wiederholungsseite zu Kapitel13 .. . . ... . ...

14.9

Bereiche der Informationstechnik . . . . . . . . . . Computer, Programme und Peripherie . . . . . . Bestandteile und Funktionsweise eines Computers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hardware, Software und Firmware . . . . . . . . . Computersystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . . Mikrocomputer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Personal Computer (PC} . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Komponenten eines PC . . . . . . . . . . . . . . . • . . . Mikroprozessor (CPU) . . . . . . . . . • . . . . . . . . . . . Halbleiterspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Buskommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ein- und Ausgabe-Einheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gerät e f ür Eingabe, Ausgabe und Speicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geräte zur Eingabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geräte zur Ausgabe . . ... . ..... • ........... Drucker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Farbmonitore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Periphere Geräte zur Datenspeicherung . . . . . Praxi stipp: Servicearbeiten am PC . . . . . . . . . . Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Systemprogramme . . . . . . . . . . . . . . . • . . . • . . . Anwendungsprogramme . . . . . . . . . . . . . . • . . . Softwareentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vernetzung von Computern . . . . . . . . . . . . . . . Dienste in Computernetzwerken . . . . . . . . . . . . Netzwerktapologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bestandteile eines lokalen Netzwerkes (LAN} in Sterntopologi e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Netzwerkprotokoll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Globales Netzwerk Internet . . . . . . . . . . . . . . . . Praxistipp: Verbinden von zwei PCs über ein Netzwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Praxistipp: Herstellen einer WLAN-Verbindung zu einem Netzwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . . . Dat ensicherheit, Dat enschutz und Urheberrechte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schädliche Programme (Malware} . . . . . . . . . . Wiederholungsseite zu Kapitel14 . . .........

488

489 489 490 490 491 492 492 493 494 495 495 496 496 496 496 497 498 499 500 500 501 502 503 503 503 504 505 506 507 508 509 509 510

...

laDIIIIL-----------------------------------------------------------~In~h~a~lt~s~v~e~rz~e~ic~h~n~i~s !'''I Automatisierungstechnik ............ 511

15.1 15.1.1 15.1.1.1 15.1 .1.2 15.2 15.3 15.3.1 15.3.2 15.3.3 15.3.4 15.3.5 15.3.5.1 15.3.5.2 15.3.5.3 15.3.5.4 15.3.5.5 15.3.5.6 15.3.6 15.3.7 15.3.7.1 15.3.7.2 15.3.7.3 15.3.7.4 15.3.7.5 15.3.8 15.3.8.1 15.3.8.2 15.3.8.3 15.3.9 15.4

15.5 15.5.1 15.5.2 15.5.2.1 15.5.2.2 15.5.3 15.5.3.1 15.5.3.2 15.5.4 15.5.4.1 15.5.4.2 15.5.4.3 15.5.5

Steuerungstechnik . . . . . . . . . • . . . . . . . . . . . . . Steuern .. ... .. . ............... .. . .. .... . . Fachbegriffe der Steuerungstechnik . . . . . . . . . Steuerungsarten ..... ... ......... . ........ Kleinsteuergeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Speicherprogrammierbare Steuerung (SPSI . . Aufbau .... . ...... .. . .. ............... .. . Programmiersprachen ....... ...... ...... . Arbeitsweise einer SPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bausteinstruktur in STEP 7 . .. . .•.. . ... ..... Programmierung . . . . . . . . . . . . . • . . . . . . . . . . . Grundverknüpfungen . . . . . • . . . . . . . . • . . . . . . Öffner und Schließer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Speicherfunktionen . . . . . . . • . . . . . . . . . . . . . . . Zeitfunktionen . . . . . . . . . . . • . . . . . . . . . . . . . . . Zähler ... ........ ...... ............ . .. .. . Vergleicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bibliotheksfähige Bausteine . . . . . . . . . . . . . . . . Ablaufsteuerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arten von Ablaufsteuerungen . . . . . . . . . . . . . . Betriebsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ablaufkette (Struktur). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verzweigte Ablaufketten (Ablaufauswahll . . . . Programmierung einer Ablaufkette mit SPS . . Maschinensicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheitskategorien (Performance Level) . . . Sicherheitsbezogene Teile . . . . . . . . . . . . . . . . . Handlungen im Notfall (NOT-HALT, NOT-AUS) . ............ . ...... Feldbusse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prozessvisualisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Praxistipp: Anforderungen an Steuerstromkreise . . . . . . . . . • . . . . • . . . • . . . . . Regelungstechnik ............. . ......... .. Aufgaben und Begriffe... ............. .... . Regelstrecken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Statisches Verhalten von Regelstrecken . . . . . . Dynamisches Verhalten von Regelstrecken. . . Regler . .... . . . . ........... . ... .. . ... ... .. Unstetige Regler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stetige Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . . . . . . . Regelkreis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schwingungsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reg lerauswahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reglereinstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Universalregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Praxistipp: Entwurf ei ner Regelung . . . . . • . . . . Wiederholungsseite zu Kapite115 . . . . . . . . . . .

511 511 511 512 514 516 516 517 517 519 520 520 521 523 525 526 528 529 530 530 530 531 532 533 534 534 534 535 536 538 540 541 541 542 542 543 546 546 548 552 552 552 553 554 555 556

Werkstoffe, Fertigungsverfahren, Umweltschutz, Energieeinsparung . . . . 557 16.1 16.1 .1 16.1 .1.1 16.1.1.2 16.1.2 16.1.2.1 16.1.2.2 16.1.2.3 16.2 16.2.1 16.2.1 .1 16.2.1.2 16.2.2 16.2.3 16.3 16.3.1

Werkstoffe der Elektrotechnik . . . . . . . . . . . . . . Leiter- und Kontaktwerkstoffe. . . . . . . . • . . . . . . Leiterwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . . . . . Kontaktwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Isolierstaffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektrische Eigenschaften von Isolierstoffen . . A norganische und organische Isolierstaffe . . . Flüssige und gasförmige Isolierstaffe . . . . . . . . Fertigungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verbindungen (Fügen). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lösbare Verbindungen in der Elektrotechnik. . Unlösbare Verbindungen in der El ektrotechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gedruckte Schaltungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . SMD-Technik ....... .... .............. ... . Umweltschutz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umweltschutzverordnungen im Bereich der Elektrotechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

557 558 558 559 560 560 561 562 563 563 563 563 566 568 569 569

16.3.2 16.3.3 16.4 16.4.1 16.4.2 16.4.3

Umweltschutz im Betrieb ........ .. ....... . Wiederverwertung und Entsorgung von Abfallstoffen. . .. ..... ...... .. . ....... . Energieeinsparung ...... ...... ....• ...... Rationeller Umgang mit Energie ..... ...... . Stand-by-Betrieb ... .... . ... . .. .... .. . .. . . Tipps zum Energiesparen . . .............. . . Wiederholungsseite zu Kapitel16 .......•.

570 571 573 573 575 576

577

Beruf und Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 578 17.1 17.1 .1 17.1.2 17.1.3 17.1.4 17.1.5 17.2 17.2.1

Berufliche Handlungskompetenz ...... . .. . . Teamarbeit . .. .. .. ............ .. .... . ... . Arbeitsmethoden und Zeitplanung .. . ...... . Kommunikation .................... . • .... Kreativitätstechniken ... . ...... ..... ..... . . Informationsbeschaffung .. .... .... ..... . . . Präsentation ....... .. ......... . ... . .. ... . Aufgaben einer Präsentation und Vorbereitung ... . ....... . ... . ........ . 17.2.2 Vi sualisierung . . . . ....... . .... ... . . . .. ... . 17.2.3 Vortragen einer Präsentation . . ... . •........ Projektmanagement .. . . ....... . .•........ 17.3 Aufgaben von Projekten ......... . ........ . 17.3.1 Projektphasen .. . ... ........ .. .. . . . ...... . 17.3.2 Kundenauftrag und Kundenservice . . ...... . 17.4 17.4.1 Kundenerwartungen und Umgang mit dem Kunden .. ...... .. ........... . .. . Phasen eines Kundenauftrags ....... • ...... 17.4.2 Kundenservice ................ . ......... . 17.4.3 Kalkulation und Angebot . .... . ... .. ...... . 17.5 Kalkulation im Industriebetrieb . . .... . .... . . 17.5.1 Kalkulation von Dienstleistungen .. .. .. . ... . 17.5.2 17.5.3 Kalkulation im Handwerksbetrieb ... . .... .. . Rechnungsstellung .............. . ....... . 17.5.4 Qualitätsmanagement .. . .... . ........... . 17.6 Ziele des Qualitätsmanagements .......... . 17.6.1 DIN EN ISO 9000:2000-Normreihe .... .. ... . 17.6.2 TOM - Methode .... . .... ..... . .. . ...... . . 17.6.3 Qualitätswerkzeuge ... ... ... ... ... . . . .... . 17.6.4 Wiederholungsseite zu Kapitel17 .......... . Rechenergebnisse der Wiederholungsseiten ... ..• .. ...

578 579

580 581 582 583

584 584 585

586 587 587

588 589 589 590 592 593 594 595 596 597 598 598 598 599 600 601 602

Infoteil Schaltzeichen . ... .... ... . .. ... . . . ... ...... . .. . . ... . Wichtige elektrotechnische Symbole ............ . .... . Wichtige Prüfzeichen und Symbole .. . ...... ... ...... . Kennzeichnung von Widerständen und Kondensatoren . Auslösekennlinien von ÜberstromSchutzeinrichtungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verlegearten und Strombelastbarkeit von Kabeln und isolierten Leitungen .... . .. . . . ........ .. .... .... Umrechnungsfaktoren, Strombelastbarkeit, Mindestquerschnitte elektrischer Leiter . ...... ........ Betriebsdaten von Drehstrom-Käfigläufermotoren ..... Kennlinien von Dioden . . ................... .. ...... Kennlinie eines NPN-Transistors ..................... Kennlinie Thyristor, Triac ............. • . .. ..... ... .. Wichtige Abkürzungen . .... .... ....... . . .. •.... • . .. Fachbegriffe Engli sch - Deutsch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Firmenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sachwortverzeichnis Deutsch - Englisch . . . . . . . . . . . . . . Vordere lnnenumschlagseite: Wichtige Formelzeichen, Größen und Einheiten Hintere lnnenumschlagseite: Arbeitssicherheit und Unfallverhütung

603 608 609 610 611 612 613 614 61 5 616 617 618 620 623 624

111111

Lernfelder

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Vorbemerkungen zu den Lernfeldern Das duale System unterscheidet die Lernorte Betrieb und Berufsschule. Die Ausbildung im Betrieb wird durch die Ausbildungsordnung des Bundes geregelt. Für die Berufsschulen gelten die Lehrpläne des jeweiligen Bundeslandes. Diese Lehrpläne bauen auf dem Rahmenlehrplan1 des Bundes auf. Rahmenlehrpläne für den berufsbezogenen Unterricht werden fü r die gesamte Ausbildungszeit erstellt. Sie geben eine inhaltliche und zeitliche Struktur vor, machen jedoch kei ne Angaben zu möglichen Unterrichtsfächern, Unterrichtsformen und Stundentafeln. Diese organisatorischen Maßnahmen werden durch das jeweilige Bundesland getroffen. Der technische, arbeitsorganisatorische und soziale Wandel stellt neue Anforderungen an Schule und Ausbildung. Deshalb wurden Lernfelder geschaffen.

Rahmenlehrpläne beinhalten:

• Vorbemerkungen, • Bildungsauftrag der Berufsschule, • didaktische Grundsätze, • berufsbezogene Anmerkungen und • Lernfeldinhalte. Lernfelder beinhalten:

• Zielformulierung, • Lerninhalte und • Zeitrichtwerte. Lernfelder erfordern:

• Projektarbeit (Seite 13) und • selbstgesteuertes Lernen.

Lernfelder für das erste Ausbildungsjahr im Berufsfeld Elektrotechnik Die folgende Seitenauswahl zu den Lernfeldern aus dem Rahmenlehrplan dient als Anregung. Lernfelder können eventuell je nach Bundesland variieren. Lernfeld 1: Elektrotechnische Systeme analysieren und Funktionen prüfen • • • • • • • •

Seite

Betriebliche Strukturen, Arbeitsorganisation, Teamarbeit. ............................................................................ 578, 580, 579 Informationsbeschaffung ................................................................................................................................................... 583 Schaltpläne, Schaltzeichen ............................................................................................................................ 25, 99, 100,603 Elektrotechnische Grundgrößen ...................................................................................................................... 21, 28, 31,42 Gefahren des elektrischen Stromes .................................................................................................................................. 320 Arbeitsschutz, Unfallschutz, Sicherheitsregeln ........................................................................................................ 15, 325 Messverfahren, Oszilloskop .............................................................................................................................. 160, 168, 171 Elektronische Bauelemente ............................................................................................................... 185,610,615,616,617

Lernfeld 2: Elektrische Installationen planen und ausführen • • • • • • • •

Auftragsplanung .................................................................................................................................................................. 590 Installationsschaltungen ................................................................................................................................................... 101 Hausrufanlagen, Haussprechanlagen ...................................................................................................................... 104, 105 Auswahl von Kabeln, Leitungen und Überstrom-Schutzeinrichtungen .............................................. 290, 295, 307, 611 Leitungsdimensionierung .......................................................................................................................................... 308, 612 Sicherheitsbestimmungen und -regel n, Sicherheitszeichen ......................................... 15, hintere Innenumschlagseite Umweltschutz, Energieeinsparung ........................................................................................................................... 569, 573 Angebotserstellung, Kostenberechnung, Rechnungserstellung .......................................................................... 593, 597

Lernfeld 3: Steuerungen analysieren und anpassen • • • • • •

Fachbegriffe, EVA-Prinzip, Steuerungsarten ............................................................................................................ 511,51 4 Sensoren ............................................................................................................................................................................. 176 Digitaltechnik, logische Grundverknüpfungen ................................................................................................................ 221 Speicherfunktion, Kippschaltungen ................................................................................................................................. 228 Relais und Schütze...................................................................................................................................................... 108, 110 Englische Fachbegriffe ................................................................................................................. 620, Sachwertverzeichnis

Lernfeld 4: Informationstechnische Systeme bereitstellen • • • •

Pflichtenheft, Lastenheft .................................................................................................................................................... 587 Hardware .............................................................................................................................................................................. 490 Betriebssysteme....... ........................................................................................................................................................... 500 Softwarekomponenten, Anwendungen, Internet ................................................................................................... 500, 506 Netzwerke .............. ....... .... ............... ............................................... ........... ....... ........... ......................... ...... ........... ........... ... 503 • Präsentationstechniken ..................................................................................................................................................... 584 • Datensicheru ng, Datenschutz............................................................................................................................................ 509

1

Rahmenlehrpläne können über die Hornepage www.kmk.org der Kultusministerkonferenz eingesehen werden.

~~---------------------------------------------------------=L=e~rn~f~e~ld~e~r~F~a~c~h~s~t=uf~e LernBerufe* feld GS MA GI BT EG AT 5

X

X

X

• Elektroenergieversorgung und Sicherheit von Betriebsmiueln gewährleisten • Elektroenergieversorgung für Geräte und Systeme realisieren und deren Sicherheit gewährleisten

X

X

• Anlagen analysieren und deren Sicherheit prüfen • Geräte und Baugruppen in Anlagen analysieren und prüfen • Gebäudetechnische Anlagen inspizieren und prüfen • Elektrische Maschinen herstellen und prüfen • Elektronische Baugruppen von Geräten konzipieren, herstellen und prüfen

X

X

X

• Steuerungen für Anlagen programmieren und realisieren • Gebäudetechnische Anlagen kundengerecht realisieren • Betriebsverhalten elektrischer Maschinen analysieren • Baugruppen hard- und softwaremäßig konfigurieren

• Sensoren, Aktaren .•...•... .• .. ... .... •. • Steuerungstechnik .•...•...•...•......•. • Kleinsteuerungen ... . .... . . •. . .... . ...• . • Speicherprogrammierbare Steuerungen .. • Gebäudeautomation .•..............•.... • KNX/EIB-Projekt ....•..............•.... • Betriebsarten elektrischer Maschinen ...•

X

X

X

• Antriebssysteme auswählen und integrieren • Gebäudetechnische Systeme nach betriebswirtschaftliehen Aspekten erweitern • Elektrische Maschinen und mechanische Komponenten integrieren • Geräte herstellen und prüfen

• Auswahl eines Elektromotors. •. . . .. .•...• 484 • Anlassverfahren elektrischer Maschinen. • 448 • Aufbau elektrischer Maschinen .... . .... • 443 • Elektrische Maschinen ..• . ..•......... .. 421 • Prüfen von Geräten ... ... ... ...... ....... 378 • Wiederholungsprüfungen ..... . ..... 347, 380

X

• Steuerungs- und Kommunikationssysteme integrieren • Kommunikationssysteme in Wohn· und Zweckbauten planen und realisieren • Gebäudetechnische Anlagen ausführen und in Betrieb nehmen • Systeme integrieren und Fremdleistungen vergeben • Elektrische Maschinen in Stand setten • Geräte und Systeme warten, inspizieren und in Stand halten

• Leitungen und Kabel. . •. ... . . .. ..... . •... 290 • Leitungsbemessung . . •. . . •.... . . . .. 305, 308 • Gebäudetechnik ... .. ...... ............. 350 • Telekommunikationsanlagen ....... . ..... 394 • Hausruf-Anlagen ... . .•..............•..• 104 • Gebäudeleiuechnik...•.. ... . . . . . ...... .. 399 • Antennenanlagen ..... . ....... ...... .... 381 • Gefahrenmeldeanlagen .......• .... . ... .. 406 • Wartung und Prüfung elektr. Maschinen .. 486

X

• Automatisierungssysteme in Betrieb nehmen und übergeben • Elektrische Anlagen der Haustechnik in Betrieb nehmen und in Stand halten • Energietechnische Anlagen errichten und in Stand hahen • Gebäude- und Infrastruktursysteme nach Kundenwunsch betreiben • Steuerungen und Regelungen für elektrische Maschinen auswählen und anpassen • Fertigungsanlagen einrichten

• Elektrische Anlagentechnik ...•...... . •.. • Nettsysteme ....................... . .... • Leistungselektronik.. . .... . . . . .. . .. . . .• .. • Transformatoren ............... ... ... ... • Automatisierungstechnik ................ • Elektrogeräte ........................... • licht- und Beleuchtungstechnik .. . ....... • Fotovoltaikanlagen ....... . •. ........ .. . . • Regelungstechnik .... .•.. . ... . •..... . ... • Biitzschutz...... ... .....................

267 327 235 422 511 365 350 271 541 412

X

• Automatisierungssysteme in Stand halten und optimieren • Energietechnische Anlagen errichten, in Betrieb nehmen und in Stand setzen • Automatisierte Anlagen in Betrieb nehmen und in Stand halten • Gebäude- und Infrastruktursysteme in Stand halten und Reparaturaufträge vergeben • Elektrische Maschinen in technische Systeme integrieren • Prüfsysteme einrichten und anwenden

• Elektrische Anlagentechnik .. .......... . . • Netzsysteme .. .. ............... .. ....... • Netzformen ....... . ..................... • Transformatoren ........ ........ . ... ... . • Automatisierungstechnik ....... , ......•. • Kundenauftrag .............. . ... .. .. . .. . • Gebäudetechnik ................ ....... . • Elektrische Maschinen .•. . . . . . . •. . ......

267 327 278 422 511 589 350 421

X

• Automatisierungssysteme planen • Energie- und gebäudetechnische Anlagen planen und realisieren • Elektrotechnische Anlagen planen und realisieren • Nutzungsänderungen an Gebäude- und Infrastruktursystemen planen • Antriebssysteme in Stand hahen • Geräte und Systeme planen und realisieren

• Elektrische Anlagentechnik .•.. .. .. . . . . . . • leitungsberechnung.................. .. . • KNX/EIB . . . •..•...... ... .......• , .... .. . • Energieeinsparung ....... . ...... .. ...... • Automatisierungstechnik ............ .. .. • Feldbusse ........................... .. . • Maschinensicherheit ....•...•..........• • Wartung und Prüfung elektr. Maschinen .•

267 308 400 573 511 536 534 486

X

• Automatisierungssysteme realisieren • Energie· und gebäudetechnische Anlagen in Stand halten und ändern • Elektrotechnische Anlagen in Stand halten und ändern • Gebäude- und Infrastruktursysteme optimieren • Antriebssysteme anpassen und optimieren • Fertigungs- und Prüfsysteme in Stand halten

• Schutzmaßnahmen....... . ......•.. .... • • Prüfen der Schutzmaßnahmen ..........• • Auswahl eines Elektromotors ....... . ..... • Automatisierungstechnik ................ • Ablaufsteuerungen .... .... . . ........... . • Fertigungsverfahren .... . . .. . ... ........ . • Räume und Anlagen besonderer Art ... .. .

320 340 484 511 530 563 309

6 X X X

X

X X X

8 X

X X

9 X

X X X X

10 X X

X X X

11 X

X X X X

12 X X X

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13 X X X X X

Buchseiten (Beispiele)

X

X

X

7

Lernfeldinhalt

• Sicherheit am Arbeitsplatz •...•...•..... 15 • Gefahren des elektrischen Stromes ....... 320 • Schuttmaßnahmen•..... . ....... .•.... . . 320 • Netzsysteme......•..............•...• . . 327 • Gebäudetechnik ..•...• . .........•...... 350 • Prüfen der Schuttmaßnahmen ........... 340 • Wiederholungsprüfung, E·Check . ... 347, 380 • Elektrische Maschinen ............•...•. 421 • Messtechnik.•..... •... . ... . ... .. .• 160, 183 • Elektronik. .. .......•... . ....... . ......•. 185 • Gedruckte Schaltungen .•...•.. .. . .. ...•. 566 176 511 514 516 399 403 481

• Elektroniker für AT: Automatisierungstechnik, EG: Energie· und Gebäudetechnik, BT: Betriebstechnik, GI: Gebäude· und lnfrastruktursysteme, MA: Maschinen· und Antriebstechnik, GS: Geräte und Systeme sowie Systemelektroniker (Handwerk)

--------------------------------------~~~~~ Ein neues Pro·ekt entsteht! Um Projekte oder Aufträge professionell durchzuführen, z. 8. Erstellen einer Installationsschaltung (nächste Seite), ist ein systematisches Vorgehen notwendig. Die Schritte zur Bearbeitung eines Projektes bzw. eines Auftrages zeigt die Übersicht. Sie können auf beliebige Anwendungsfälle übertragen werden. Je nach Auftrag sind nicht alle Projektschritte notwendig.

Arbeitsauftrag

Baupläne, Schaltpläne

Räumlichkeiten

Teambildung durch Projektleiter

Informationsbeschaffung

Kommunikationsregeln Fachbuch, Kataloge, Firmen unterlagen, PC-Programme, Mitarbeiter, Internet

Vorschriften, Verordnungen, Gesetze Planung, Dimensionierung

Angebots- und Kostenrechnungen

Zeitlicher Rahmen

Materialdisposition

Wirtschaftlichkeit

Ausführen der Projektplanung

Dokumentation

Sichtprüfung

Prüfen der Schutzmaßnahmen

Rechnungserstellung

Nachkalkulation

Dokumentation

Präsentation, Übergabe

Dokumentation, Ausführungen, Lösungswege

Eigenbewertung

-~-----------------Kundendatei ergänzen

1

Eventuell Nachkalkulation Rechnung erstellen Arbeitszeiten ermitteln Fahrzeiten, Fahrtkosten ermitteln

Kundenwünsche Technische Möglichkeiten

Aufmaß erstellen Wartungsarbeiten klären Bedienungsvorschritten übergeben

4

Kundeneinweisung

\

Funktion erklären

Kundengespräch zur Planung

Auftragsanalyse

f Vorschriften Raumbeleuchtung ,\ Energieeinsparung \ Auftragsablauf

Ausschaltung Dokumentation

Funktion i.O.

lnbetrieb-"""' nahme

Auftragsauswertung

Serienschaltung

Rechtsdrehfeld

i\.

Auslösezeit Fl Schutzschal ter

Stromstoßschaltung

~Treppenhaus-

Zeitschalt ung

Erdungswiderstand Schleifen- ""impedanz Isolationswiderstand

Wechselschaltung

Schal tungsart

Prüfen du rch M essen und Erproben

Phasen eines Kundenauftrages: Erstellen einer Elektroinstallationsschaltung

~

Schutzleiterwiderstand Farbkennzeichnungen

~ 1:1

1:1

Baustelle reonogen

Insta llationsplanung

"\. Entsorgung

Leuchtstofflampeq zum Sondermüll

l

Unfallverhutungs vorschritten Arbeitssocherheit lnstallatron ausfuhren Baustellen besprechung

Vorschroften) beachten

1

l

Material, Werkzeug bereit stel len

Stegleitung A I . der eotung

r

Leitungsschutzschalter Auf Putz

\\Verlegearten

Auftragsplanung

Auftragsdurchführung

DIN·VDE Vorsehrorten Sicherheitsregeln

3

M antelleitung

SchmelzSicherung Absicherung

Leitungsauswahl Zuordnung von Schutzeinrichtungen

j

Kunststoffkabel

"""""

Prüfen Abdeckungen durc h Schutzleiter- "( Besichtigen verbindungen /

Leitungs-, Kabel rcste entsorgen

Leitungsart \

2

Unter Putz Im Putz Im Rohr

~

DIN-VDE-Vorschriften Angebotserstel lung Schaltzeichen

""'""""''

Installations~ schallplan Stromlaufplan Stücklisten Zeitliche Festlegung Werkzeug, Materia l

lnstnllatoon

Organisation

Verteilungsnetzbetreiber

1 1.1

Arbeitssicherheit und Gesundheitsschutz Sicherheit und Gesundheitsschutz am Arbeitsplatz

Elektrounfälle lassen sich meist auftechnische Mängel, z. B. fehlende Schutzabdeckungen oder fe hlerhafte Isolation, zu rückführe n. Auch or ganisatorische Mängel, z. B. feh lende oder ungenügende Arbeitsanweisungen, und persönliche Fehler, z. B. Fehl handlungen, führen zu Unfällen. Die persönliche Schutzausrüstung am Arbeitsp latz ist von großer Bedeutung als Schutz vor Verletzu ng und Erkrankung. Persönliche Schutzausrüstung ist alles, was den Körper gegen schädigende Einflüsse schützt, z. B. Schutzkleidu ng oder Schutzhelm. Schutzvorrichtungen und erklärende Hinweisschilder, z. B. das Hinweisschild zur Sicherheit am Arbeitsplatz (Bild), darf man nicht entfernen. Die Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) (Übersicht ) beinhaltet Vorschriften für die Bereitstellung und die Benutzung von Arbeitsmitteln. Arbeitsschutzgesetz (ArbSchG). Dieses Gesetz dient dazu, Sicherheit und Gesundheitsschutz der Beschäftigten bei der Arbeit d urch Maßnahmen des Arbeitsschutzes zu sichern und zu verbessern.

Übersicht: Gesetze und Vorschriften (Beispiele) • • • • •

DIN-VDE-Vorschriften Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) Arbeitsschutzgesetz (ArbSchG) Unfallverhütungsvorschriften (UW) Berufsgenossenschaftliche Vorschriften (BGV) z. B. - BGV A 1 Grundsätze der Prävention - BGV A2 Betriebsärzte und Fachkräfte für Arbeitssicherheit - BGV A3 Elektrische Anlagen und Betriebsmittel - BGV A4 Arbeitsmedizinische Vorsorge - BGV A8 Sicherheits- und Gesundheitsschutzkennzeichnung • Geräte- und Produktsicherheitsgesetz (GPSG) • Gefahrstoffverordnung (GefStoffV)

Sicherheit am Arbeitsplatz • • •

Achten Sie auf: Warnzeichen Gebotszeichen Verbotszeichen

&

Der Arbeitgeber ist verantwor tlich für Sicherheit und Gesu ndheitsschutz im Betrieb. Mit der Durchführung einer gesetzlich vorgeschriebenen Gef ährdungsbeurteilung (Seit e 19) muss er die konkreten Gefährdu ngen der Arbeitsmittel und Anlagen sowie der Arbeitsbedingungen für die Beschäftigten und die Umwelt erfassen und beurtei len. Gefährdungen müssen durch geeignete Maßnahm en m inimiert oder beseitigt werden. Unfallverhütungsvo rschriften (UV V) verpflichten die Arbeitgeber, Maßnahmen zur Verhütung von Arbeitsunfällen, Berufskrankheiten und arbeitsbedingten Gesundheitsgefahren sowie für eine wirksame erste Hilfe zu treffe n. Die Berufsgenossenschaften bezeichnen die von ihnen erlassenen UVV als Berufsgenossenschaftliche Vorschriften für Sicherheit und Gesundheit b ei der Arbeit (BGV).

1.2

Geräte- und Produktsicherheitsgesetz

Das Geräte- und Produkt sicherheitsgesetz (GPSG) giltfür das lnverkehrbringen und Ausstellen von Pro~ukten. Als lnverkehrbringen versteht man jedes Uberlassen eines Produktes, gleich, ob neu, ge~raucht, wiederaufgearbeitet oder wesentlich verandert, an andere. Ausstellen meint hier das Aufstellen oder Vorführen von Produkten zur Werbung.

A rbeiten Sie sicher und umsichtig. Nutzen Sie die passive Sicherheit. Tragen Sie persönliche Schutzausrüstu ng.

Rettungszeichen

@) Brandschutzzeichen

[]13 • • • •

Beachten Sie Verbote, z.B. Alkoholverbot, Rauchverbot, Zutrittsverbot Melden bzw. beseitigen Sie Sicherheitsmängel oder Gefahrenzustände sofort. Benutzen Sie nicht ohne Befugnis Betriebseinrichtungen, Arbeitsgeräte oder Arbeitsmittel. Halten Sie Ordnung am Arbeitsplatz.

Durch aktive M itarbeit bewahren Sie sich und Ihre Kollegen vor Unfällen und gesundheitlichen Schäden.

Bild: Hinweisschild zur Sicherheit am Arbeitsplatz

A U

Technische Arbeitsmittel und Verbrau cherprodukte

• Technische Arbeitsmittel, z.B. Werkzeuge, sind verwendungsfertige Arbeitseinrichtungen, die bestimmungsgemäß ausschließlich bei der Arbeit verwendet werden, deren Zubehörteile sowie Schutzausrüstungen. • Verbraucherprodukte, z. B. Elektrohausgeräte, sind Gebrauchsgegenstände und sonstige Produkte, die entweder für Verbraucher bestimmt sind oder unter vernünftigerweise vorhersehbaren Bedingungen von Verbrauchern benutzt werden.

~------------------------~G~e~r~ät~e~·~u~n~d~P~ro~d~u~k~t~s~ic~h~e~r~h~e~it~sg~e~s~e~t=z,~G~e~fa~h~r~s~to~ffv ~e~r~o~r~d~n=u~n~g Produkte, die innerhalb der europäischen Union auf den M arkt gela ngen, müssen den Sicherheitsanforderungen der EG-Richtlinien genügen. Als Zeichen der Übereinstimmung tragen diese Produkte das CE 1-Zeichen (Bild 1a). Der Hersteller erklärt damit die Übereinstimmu ng (Konfo rmität ) des Produkt es mit den g ru ndlegenden Anforderu ngen und bringt selbst die CE-Kennzeichnu ng am Prod ukt an. Bild 1: CE- und GS-Zeichen

Mit dem Anbri ngen der CE-Kennzeichnung bestätigt der Hersteller, dass das Produkt den geltenden eu ropäischen Richtlinien entspricht.

www.bmas.de

Neben dem CE-Zeichen können technische Arbeitsm ittel und Gebrauchsgegenstände das GS-Zeichen (Bild 1b) für geprüfte Sicherheit erhalten. Das GS-Zeichen beruht auf dem Geräte- und Produktsicherheit sgeset z. Hersteller können ihre Erzeug nisse freiwillig bei Prüfstellen, die vom Bundesministerium für Arbeit und Sozialordnu ng (BMAS) benannt sind, z. B. TÜV2 und VDE3, prüfen lassen.

1.3 Gefahrstoffverordnung Die Gefahrstoffverordnung (GefStoffV) giltfür das lnverkehrbringen von Stoffen, Zubereitungen und Erzeugnissen. Weiterhin zum Schut z der Beschäftigten und anderer Personen vor Gefährdungen ihrer Gesundheit und Sicherheit durch Gefahrstoffe und zum Schutz der Umweltvor stoffbedingten Schädigungen. Insbesondere sind gefährliche Stoffe und Zubereitungen ordnungsgemäß zu verpacken und zu kennzeichnen. Auf der Verpackung gefährlicher Stoffe und Zubereitungen müssen die in Bild 2 gelb unterlegten Angaben vorhanden sein. Der Anwender kann daraus Hinweise auf Gefahren und für den sicheren Umgang entnehmen. Gefahrensymbol e (Tabelle)

I

~

T + sehr giftig

-

I~ C Ätzend

I Gefahrenbezeichnung

R 26/27/28

R35 S7/9

s 37/39

~ ~

E

Explosionsgefährlich

0

Brandfördernd

F

Leicht entzündlich

F+

Hoch entzündlich

N

Umweltgefährlich

T T+

Giftig Sehrgiftig

~

c

Ätzend

~

Xi

Reizend

Xn

Gesundheitsschädlich

~

Chemische Bezeichnung des Stoffes oder die Bezeichnung der Zubereitung

I Flusssäure 40 o/o

•

Kenn ·

Symbol buchslabe Gefahrenbezeichnug

[!] [I]

Geräte mit dem GS-Zeichen garantieren die sicherheitsgerechte Ausführu ng des Gerätes. Die Anbringung dieses Zeichens ist nur nach einer Prüfung du rch d ie Prüfsteilen erlaubt.

-

Tabelle: Gefahrensymbole

I

Sehr giftig beim Einatmen, Verschlucken und bei Berührung mit der Haut. Verursacht schwere Verätzungen. Behälter dicht geschlossen an einem gut belüfteten Ort aufbewahren. Bei der Arbeit geeignete Schutzhandschuhe und Schutzbrille/Gesichtsschutz tragen. Achtung! Nach geringfügiger Hautbenetzung sofort Arzt aufsuchen!

Gef ahrenhinweise (R-Sät ze)

Sicherheitsrat schläge (S-Sätzel

Eventuell zusätzliche Hinwei se

Max Maler KG, Schellingerstr. 20 München, Tel. I

I

Vollständig e Anschrift des Herstellers, Vertreibers oder Einführers

Bild 2: Beispiel fü r die Kennzeichnung eines gefährlichen Stoffes 1

3

CE, Abk. für: Communaute Europeenne (franz.) = Europäische Gemeinschaft VOE, Abk. für Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V.

' TÜV, Abk. für Technischer Überwachungsverein

=S~ic~h~e~r~h=e~it~sz=e~i~c~he~n~--------------------------------------------------------~llllill Grundlage für die Tätigkeit mit Gefahrstoffen im Unte rnehmen ist die Gefährdungsbeurteilung. Bei der Gefährdungsbeurteilung sind Gef ährdungen du rch physikalisch-chemische Ei genschaften, insbesondere Brand- und Explosionsgefahren, toxische Eigenschaften sowie sonstige Gefährdungen zu unt erscheiden und zu beurteilen. Aufgrund der Gefährdungsbeurteil ung werden Tätigkeiten mit Gefahrstoffen einer der vier Schutzstufen (Bild 2) zugeordnet.

Tabelle: Sicherheitszeichen Form und Farbe

Materiod und Ein ·

ric:htungen

Ver bot

zur Brand ·

bek ämp·

1.4

fung

Sicherheitszeichen

Das Vorschriftenwerk der Berufsgenossenschaften (BGV A8) enthält die Unfallverhütungsvorschrift (UVV) "Sicherheits- und Gesundheitsschutzkennzeichnung am Arbeitsplatz". ln der UVV werden die Unternehmen verpflichtet, an allen Arbeitsplätzen durch Sicherheitszeichen (Hintere Umschlaginnenseite) auf Gefahren und aufvorhandene Sicherheitseinrichtungen hinzuweisen. Dazu gehört ebenso das Aufzeigen von Verboten. Jede Sicherheit skennzeichnung soll schnell und unmissverständlich die Aufmerksamkeit auf Gegenstände und Sachverhalte lenken, die Gefahren verursache n können. Sicherheitszeichen ermöglichen allein du rch die Kom bination von Form und Sicherheitsfarbe eine Aussage darüber, ob es sich dabei um Ve rbots-, Gebots-, Warn-, Rettungs- oder Brandschutzzeichen handelt (Tabelle). Zusätzlich haben Sicherheitszeichen noch ein entsprechendes Bildsymbol. • Verbotszeichen untersagen ein Verhalten, durch das eine Gefahr entstehen kann, z. B. nicht schalten (Bild 1). • Gebotszeichen schreiben ein bestimmtes Verha lten vor, z. B. Schutzhelm benutzen. • Warnzeichen warnen vor Risiken oder Gef ahren, z. B. Warnung vor Laserstrahl. • Rettungszeichen kennzeich nen Rettungswege oder Not ausgänge oder den Weg zu einer Erste-Hilfe-Einrichtung. • Brandschutzzeichen kennzeichnen die Standorte von Feuermeldeoder Feuerlöscheinrichtungen. Zum eindeutigen Verst ändnis von Sicherheitszeichen werden oft Zusatzzeichen und Hinweiszeichen benötigt. • Zusatzzeichen (Bild 1) dürfen nur in Verbindung m iteinem Sicherheitszeichen verwendet werden. Sie erläutern das Sicherheitszeichen durch Worte oder Texte, die bei Bedarf mehrsprachig auszuführen sind. • Hinweiszeichen finden dann Verwendung, wenn sich der Sachverhalt nicht durch ein Sicherheit szeiche n ausdrücken lässt, z. B. die Darstellung der fünf Sicherheitsregeln (Seite 325). Die Schutzstufen bauen aufeinander auf, d.h. sind z.B. Tät igkeiten der Schutzstufe 2 zuzuordnen, so s ind neben Maß nahmen der Schutzstufe 2 zusätzlich die Maßnahmen der Stufe 1 erforderlich.

Rettung Erste

Hilfe

Hinweis

Gebot

~:i~~~t~-'® ;

Zusatzeichen

rr,==Ni=ch=t=s=ch=a=lte=n==il~~ es wird gearbeitet!

Jl

Bild 1: Verbotszeichen mit Zusatzzeichen

{ ) KMRF-Stoffe K: krebserzeugend M : mutagen (erbgu tverändernd} RF: reproduktionstox isch (fruchtbarkeitsgefährdend)

+ ~KMRF ---

Verwendung Krebs erzeugender (K), Erbgut verändernder (M l oder fruchtbarkeitsgefährdender (RF) Stoffe Schutzstufe 4

+ ~ ~ ---

Verwendu ng giftiger oder sehr g iftiger Stoffe?

+ ~ 00

~~~]

Schutzstufe 3

Verwendung ätzender, rei zender, gesundheitsschädlicher oder sensibilisierender Stoffe? Schutzstufe 2

---

Verwendung keiner gekennzeichneten Stoffe oder nur kurzfristig geringe Mengen an toxischen oder entzündlichen Gefahrstoffen, so dass nur eine geringe Gefährdung entsteht? Schutzstufe 1

Bald 2: Zuordnung zu den Schutzst ufen

---

IEJIIIL-------------------------------------------------------------~E~rs~t~e_H_i __ lfe

1.5 Erste Hilfe Unter Erster Hilfe versteht man Hilfeleistungen vor Ort, bevor der Verletzte oder Kranke ärztlich versorgt wird. Häufig hängt das Leben eines Verletzten davon ab, dass möglichst rasch und noch am Unfa llort Erste Hilfe (Bild 2) geleistet wi rd. Dies gilt besonders für Unfälle durch den elektrischen Strom . Jede Elektrof achkraft muss daher die w ichtigsten Regeln für Erst e Hilfe ke nnen und anw enden können. ln Betrieben ausgehängte Hinweistaf eln inf ormieren u.a. über Maßnahmen zu r Ersten Hilfe.

( ) Notruf 112 • • • • •

Wo geschah der Unfall? Was geschah? Wie viele Verletzte? Welche Verletzungen? Warten auf Rückfragen der Rettungsleitstelle! Niemals das Gespräch selbst beenden.

Bei Unfällen durch elektrischen Strom ist auf Selbst schutz zu achten und d er über den Menschen fließen de Strom muss unterb rochen werden. ln Niederspannungsanlagen (übliche Spannu ng im Haushalt und Gewerbe 230/400 V bis m aximal1000 V) erf olgt eine Unte rbrechung des Strom kreises z. B. durch Ausschalten, Ziehen des Steckers od er Herau snehmen der Sicherung. Kann der Stro m kreis nicht unt erbrochen werden, so ist der Verunglückt e durch einen nichtleitenden Gegenst and, z. B. eine lsolierstange, von den unter Spannung st ehenden Bild 1: Warnung vor gefährlicher Teilen zu trennen. elektrischer Spannung ln Hochspannungsanlagen (über 1000 V, durch Warnschild mit Blitzpfeil gekennzeichnet e Anlagen, Bild 1) ist sofort der Notruf zu veranlassen und Fachpersonal zu verständigen. Die Rettung aus Hochspannungsanlagen erfolgt nur durch Fachpersona I. Der Stromkreis darf nur von einer Elektrofachkraft mit Schaltberechtigung abgeschaltet w erden. Bei unbekannter Spannung ist ebenso wie bei Hochspannung ein Sicherheitsabstand von mindestens 5 m zu halten. Es sind die gleichen M aßnahmen zu ergreifen w ie bei Hochspannung. Bevor weitere Maßnahmen zu r Erst en Hilfe (Bild 2) eingeleitet werd en, ist eventuell durch Notruf ärzt liche Hilfe herbeizurufen. Der Verl etzte sollte aber möglichst nicht allein gelassen werd en.

Bild 2: Maßnahmen zur Ersten Hilfe

~G~e~fa~·h~r~d~u~n~g~s~b~e~u~rt~e~i~lu~n~g~-----------------------------------------------------IIIIIEJ Handlungsanleitung zur Durchführung einer Gefährdungsbeurteilung Jede Tätigkeit ist mit Unfall- und Gesundheitsrisiken verbunden. Damit die Risiken möglichst gering gehalten werden, muss nach dem Arbeitsschutzgesetz (ArbSchG) in Betrieben eine Gefährdungsbeurteilung durchgeführt werden. Erfassen der Betriebsorganisation

Erfassen der Sicherheitsorganisation des Betriebs

Strukturierung des Betriebs in zu erfassende Arbeitsbereiche, z. B. Verwaltung, Werkstatt, Lager und Tätigkeiten

Z. B. Organisation der Ersten Hilfe, Umgang mit Gefahrstoffen, Sicherheitsbeauftragte ...

Welche Tätigkeiten werden ausgeführt?

Erfassen und Ermitteln möglicher Gefährdungen und Belastungen Gefährdungen bzw. Belastungen können z. B. unterteilt werden in • Mechanische Gefährdungen, z. B. Stolpern, Rutschen, Stürzen ... • Elektrische Gefährdungen, z. B. elektrische Körperdurchströmung infolge defekter Geräte • Gefährdung durch Gefahrstoffe, z. B. Einatmen oder Versch lucken g iftiger Stoffe • Biologische Gefährdung, z. B. Infektionsgefahr durch Mikroorganismen • Physikalische Gefährdungen, z. B. Einwirkungen von Lärm, Vibrationen, Strahlu ng • Gefährdungen durch physische Belastung, z. B. schwere kö rperliche Arbeit • Gefährdungen durch Mängel der Sicherheitsorganisation, z. B. m angelnde Regelung zur Ersten Hilfe, Kennzeichnung von Fluchtwegen, persönliche Schutzausrüstung, Unterweisungen, Betriebsanweisungen. Was kann zu einer Gefährdung führen?

Beurteilung der Gefährdungen Beu rteilung darüber, wie sich d ie ermittelten Gefährdungen auf die Gesundheit der Arbeitnehmer auswirken können. Sind Sicherheit und Gesundheit der Arbeitnehmer gefährdet?

Festlegen und Durchführen von Maßnahmen M aßnahmen sind nach den allgemeinen Grundsätzen des A rbSchG festzulegen. Daraus ergibt sich die Rangfolge technisch, o rganisatorisch und persönlich (TOP) der festzulegenden Schutzmaß nahmen. • Technische Schutzmaßnahmen, z. B. Absauganlagen, Positionsschalter. • Organisatorische Schutzmaßnahmen, z. B. Organisation der Ersten Hilfe, Unterweisung, Arbeitsmedizin, Hygiene. • Persönliche Schutzm aßnahmen, z. B. persönliche Schutzausrüstung (Schutzbrille, Handschuhe), kommen erst zum Einsatz, wenn technische M aßnahm en die Beschäftigten nicht schützen können. Wer macht Was bis Wann?

Maßnahmen nicht wirksam Maßnahmen wirksam Do kumentation Die Dokumentation umfasst nach § 6 des ArbSchG: • Das Ergebnis der Gefährdungsbeurteilung. • Die f estgelegten Maßnahm en des A rbeitsschutzes. • Das Ergebnis ihrer Überprüfun g. • Unfälle im Bet rieb, bei denen ein Beschäfti gter getötet oder so verletzt wird, dass er stirbt oder für mehr als drei Tage völlig oder teilweise arbeits- oder dienstunfähig wird.

1. a) Auf welche Mängel bzw. Fehler lassen sich Elektrounfälle meist zurückführen? Nennen Sie Beispiele. b) Welche Forderungen lassen sich daraus für technische Anlagen ableiten?

2. a) Was versteht man unter persönlicher Schutzausrüstung? b) Welche Aufgabe erfüllt die persönliche Schutzausrüstung? c) Geben Sie Beispiele für die persönliche Schutzausrüstung an. 3 . a) Zu welchem Zweckwird eine Gefährdungsbeurteilung durchgeführt? b) Nennen Sie die Schritte zur praktischen Durchführung einer Gefährdungsbeurteilung. 4 . Welche Pflichten ergeben sich aus den Unfallverhütungsvorschriften für die Arbeitgeber? 5 . Welche Gesetze bzw. Verordnungen werden durch die folgenden Abkürzungen beschrieben: a) BGV, b) GefStoffV, c) GPSG und d) UVV?

6. Welche Bedeutung hat auf Produkten das a) CEZeichen und b) GS-Zeichen? 7 . Welche Verordnung dient dem Schutz von Beschäftigten vor einer Gefährdung ihrer Gesundheit durch Gefahrstoffe? 8 . Geben Sie die Kennbuchstaben und die Gefahrenbezeichnungen für die in Bild 1 dargestellten Gefahrensymbole von a) bis g) an.

al

b)

c)

d)

el

f)

g)

Bild 1: Gefahrensymbole

9 . a) Welche Angaben müssen auf der Verpackung von gefährlichen Stoffen vorhanden sein? b) Was kann der Anwenderaus diesen Angaben entnehmen? 10. a) Durch welche Beurteilung erfolgt die Zuordnung von Tätigkeiten mit Gefahrstoffen zu den einzelnen Schutzstufen? b) Welche Tätigkeiten fallen unter die Schutzstufe 4 der Gefahrstoffverordnung? 11 . Welche Pflichten ergeben sich u. a. für die Unternehmen aus der Unfallverhütungsvorschrift " Sicherheits- und Gesundheitsschutzkennzeichnung am Arbeitsplatz"?

12. a) Was versteht man nach dem GPSG unter Produkten? b) Unter welchen Voraussetzungen dürfen Produkte auf den Markt gebracht werden, und durch welches Zeichen wird dies angegeben?

13. Durch welche zwei Merkmale lassen sich Sicherheitszeichen unterscheiden? 14. Nennen Sie die Sicherheitsfarben a) bis d) für die in der Tabelle angegebenen Sicherheitszeichen.

0

Verb ot

Geb ot

ß

Warnung Vorsicht

D D

Mtltoriat und Einrichtungen

zur Brandbo·

kämpfung

Rettu ng Erste Hilfe

Hinweis

15. a) Welche Sicherheitszeichen können unt erschieden und b) welche Aussagen können durch die jeweiligen Zeichen gemacht werden? 16. Benennen Sie die im Bild 2 dargestellten Sicherheitszeichen und geben Sie ihre Bedeutung an.

al

b)

cl

d)

Bild 2: Sicherheitszeichen

17. Warum werden häufig bei Sicherheitszeichen a) Zusatzzeichen und b) Hinweiszeichen verwendet? 18. Welche Angaben müssen bei einem Notruf unbedingt gemacht werden? 19. Was versteht man unter Erster Hilfe?

20. Welche Sofortmaßnahmen sind bei Unfällen durch den elektrischen Strom zu treffen?

21 . Wie kann man einem durch elektrischen Strom Verunglückten helfen, wenn der Stromkreis nicht unterbrochen werden kann?

22. Beschreiben Sie die Maßnahmen der Ersten Hilfe, wenn Sie einen Verletzten auffinden, der a) ansprechbar ist oder b) nicht ansprechbar ist.

-=n

Masse, Strom

--~~-----------------------------------~

Grundbegriffe der Elektrotechnik

.______ 2.1

================:::::

Umgang mit physikalischen Größen

Gesetze und Normen Das Gesetz über Einheiten im Messwesen schreibt Einheiten und Einheitenzeichen vor. Wichtige Normen sind in der Übersicht genannt. Gleichungen und Formeln Man unterscheidet • Zahlenwertg leichungen, z. 8 . 3x= 8 + x • Größengleichungen (Formeln), z. 8. FG = m · g

Übersicht Normen über Größen und Einheiten, Formelzeichen und Gleichungen • • • • •

DIN 1301 Einheiten DIN 1302 Mathematische Zeichen und Begriffe DIN 1304 Formelzeichen DIN 1313 Physikalische Größen und Gleichungen DIN 1338 Formelschreibweise

Zahlenwertgleichungen setzen zwei Terme z. 8. (3x und 8 + x) mit Zahle n und Variablen (x) g leich. Die Zahl für die Variable (x). die beide Terme gleichwertig macht (x= 4), ist die Lösu ng der Gleichung. Größengleichungen (Formeln) bestehen meist aus Variablen. Sie erfassen den mathematischen Zusammenhang zwischen physikalische n Größen. Einheitenvorsätze Sehr große oder sehr kleine Größenwerte drückt man mit einem Einheitenvorsatz aus (Tabelle 1). Man schreibt z. 8 . 5432 km statt 5 432 000 m . Physikalische Größen M essbare Eigenschaften von Körpern od er physikalischen Zuständen nennt man physikalische Größen, z. 8. Länge, Temperatur, Spannung. Sie bestehen aus einem Zahlenwert und der Maßeinheit, z. 8 . 3.4 m , 36 oder 230 V. Physikalische Größen werden mit Formelzeichen ab gekürzt, z. 8./ für Länge, T für Temperatur, V fü r elektrische Spannung.

Ge wichtsk raft

[F)

=kg · m /s 2 =N

Gewichtskraft eines Körpers (Gewicht) Masse Erdbeschleunigung (9,81 m/s2)

Formelzeichen

Einheitenzeichen, Maßeinheit physikalische Größen

Beispiel: Eine Kiste mit Werkzeugen hat die Masse m = 15 kg. Berechnen Sie die Gewichtskraft FG. Lösun~ :

FG= m · g = 15 kg · 9,81 ~ = 147 N

oc

ln der Technik w erd en nur S I- Einheiten o der davon abgeleitete Ei nheiten benutzt (Tabelle 2).

Kursiv schreibt man nach DIN 1313 und DIN 1338 • Formelzeichen z. 8. F (Kraft), • Variablen, z. 8 . x, y.

Masse und Kraft Den Materiegehalt einer Stoffmenge z. 8 . von ei- Bild: Kraft auf eine last am Kran nem Liter Wasser nennt man Masse. Die Masse hat das Formelzeichen munddie Maßeinheit kg. Die Masse ist ortsunabhängig. Auf der Erde wirkt auf jede Masse eine Anziehung. Diese Eigenschaft nennt man Gewichtskraft FG (Bild). Tabelle 1: Vorsätze für Vielfache und Teile der Einheiten Vorsatz Giga Mega Kilo Dezi Zenti Milli Zeichen G M k d c m 10-1 10-2 Faktor 10-3 106 109 103 1 000 000 000 1 000 000 1 000 0,1 0,01 0,001 Tabelle 2: SI-Basisgrößen und SI-Basiseinheiten Basisgröße Zeit Masse Länge Formelzeichen ~ I t m Basiseinheit Sekunde Kilogramm Meter Einheitenzeichen m kg s

Mikro IJ

11J6 0,000 001

Nano n 10-9 0,000 000 001

Stromstärke Temperatur I T Ampere Kelvin K A

Piko p 10-12 0,000 000 000 001

Stoffmenge

Lichtstä rke

n

lv

Mol mol

Candela cd

~L----------------------------------------------------~A~r~b~e~it~·~E~n~e~r~g~ie~·~L~e~is~t~u~n~g Arbeit und Energie

Mechanische Arbeit Eine Arbeit w i rd immer dann verrichtet, wenn ei n Körper durch Einw irku ng einer Kraft F entlang eines Weges s bewegt wird, z. B. wen n der Kran in Bild, Seite 21 die Last gegen die Gewichtskraft FGhochhebt. Dabei müssen die Richtung der Kraft F und die Bewegungsrichtung des Körpers gleich sein. Die Arbeit W 1 wird in der Maßeinheit Newtonmeter (Einheitenzeichen Nm) oder mit dem besonderen Einheitennamen Joule2 (Einheitenzeichen J) gemessen.

Energie

W= F · s

w Wpo, F

s m

g h

Die angehobene Last hat sich äußerlich nicht geändert. Sie hat jedoch beim Anheben Energie gespeichert. Beim Absenken der Last ist sie in der Lage, Arbeit zu verrichten, z. B. einen Generator anzutreiben. Energie ist das Vermögen, Arbeit zu leisten. Die Last am Kran kann beim Absenken genauso viel Arbeit verrichten, w ie zuvor Arbeit aufgewendet w urde, um die Last anzuheben. Diesen Zusammenhang nennt man Energieerhaltungssatz. Energie kann nicht erzeugt oder verbraucht werden. Energie kann man nur umwandeln. Di e Maßeinheit der Energie ist Newtonmeter (Nm) oder Joule (J), genau wie bei der Arbeit. Die Energie, die in der angehobenen Last gespeichert ist, heißt potenzielle Energie W pot (Lageenergie). Beim Absenken wird sie in Bewegungsenergie (kinetische Energie W kin l , beim Bremsen meist in Wärme umgewandelt. Man unterscheidet außer der mechanischen Energie noch andere Energiearten (Übersicht).

[W] = Nm

w pot=m ·g· h Arbeit, Energie potenzielle Energie Kraft Weg Masse Erdbeschleunigung (9,81 m/s2 ) Höhe

Übersicht: Energiearten • Mechanische Energie • Kernenergie • Wärme • Elektrische Energie • Lichtenergie • Chemische Energie

16

1 Nm = 1 J = 1 Ws

F Kraft zum Anheben der Last

FGGewtchtskr aft des Motors

Beispiel: Ein Gabelstapler hebt einen Elektromotor mit der Masse m = 75 kg den Weg s = 1,2 m hoch (Bild). Berechnen Sie a) die Gewichtskraft des Elektromotors, b) die Arbeit, die zum Anheben nötig ist. Bild: Verrichten einer Arbeit durch einen Gabelstapler

Lösung: a) FG= m · g = 75 kg · 9,81

blJ

.!!} = 736 N; s

b) W = F · s = 736 N · 1,2 m = 883 Nm

Elektrische Energie, Seite 42

Mechanische Leistung Die Leistung des Gabelstaplers ist umso größer, je schwerer die Last ist, die er anhebt, und je kürzer die Zeit ist, die er dafür benötigt. Allgemein gilt: Je größer eine Arbeit ist und je schneller sie verrichtet wird, desto mehr Leistung P 3 muss dazu aufgebracht werden. Die Maßeinheit für die Leistung ist Watt4 (W).

Leistung

P=W=F ·s= F ·v t t [P) = Nm= Ws =W

s

s

P Leistung W Arbeit t Zeit v Geschwindigkeit

F Kraft

s Weg

Leistung ist verrichtete Arbeit geteilt durch die benötigte Zeit. { ) Leistung

Beispiel: Der Gabelstapler aus obigem Beispiel benötigt zum Anheben der Last 3 s. Berechnen Sie die erforderliche Leistung.

P • Formelzeichen: • Einheitenname: Watt • Einheitenzeichen: W

Lösung:

• Einheitenvorsätze {Beispiele):

P= W = 8833 Nm = 294 Nm = 294 W s = 294 W t s s s 1

W von work (engI.) = Arbeit, 2 nach Joule (sprich dschul), engI. Physiker, > Pvon power (engl.) = Leistung ' nach James W att, eng I. Physiker, 1736 bis 1819

1 mW=0,001W=1 · 1CJ3 W 1 kW = 1000W = 1 · 103 W 1 MW = 1 000 000 W = 1 · 106 W

-=n

Stromkreise

~~~----------------------------------~

2.2 Arten von Strom kreisen

Elektrischer Gleichstromkreis (Seite 24) Schalt plan

ln der Elektrotechnik muss die elektrische Energie sicher und wirtschaftlich bis zum Verbraucher geliefert werden. Dazu benötigt man verschiedene Stromkreise. Man unterscheidet in der Praxis: • Gleichstromkreise, • Einphasen-Wechselstromkreise (vereinfacht Wechselstromkreise genannt), • Dreiphasen-Wechselstromkreise (auch Drehstromkreise genannt).

Überstrom-Schutzeinrichtungen (Sicherungen)

liJ

Leiterbenennung

Gleich richtung, Seite 242

Schaltplan

W • lnstallationsschaltungen, Seite 101 • Farbkennzeichnung von Leit ern, Seite 293 • Leitu ngsverlegung, Seite 296 Die Zehl nach . L·, z.B. L1, L2, L3, wird nur in Stromkreisen mit mehr als einem Außenleiter angegeben.

Ausschalter

~~--------------------------------------------------~S~tr~o~m~kr~e~is~,~L~e~it~e~r~,~N~ic~h~t~le~i~te~r Elektrischer Gleichstromkreis Versuch 1: Verbinden Sie durch zwei Kupferdrähte eine Glühlampe für 1,2 V/0,22 A mit den Anschlüssen einer 1,5-V-Batterie, z. B. einer Mignon-AABatterie (Bild 1). Die Lampe leuchtet nur, wenn sie mit den Drähten verbunden ist und diese mit den Polen der Batterie Kontakt haben.

Die Batterie liefert die elektrische Energie, welche die Lampe zum Leuchten bringt. Die Batterie ist im Versuch der Erzeuger (nach DIN VDE 0100, Teil200 auc h Stromquelle genannt). Die Glühlampe ist das elektrische Ve rbrauchsmittel oder kurz der Verbrauche r. (Für die Begriffe Erzeuger u nd Verbra uche r siehe auch Seite 42.) Die Lampe leuchtet, wenn sie vom elektrischen Strom durchflossen wird. Dieser Strom fließt vom Pluspol der Batterie durch den oberen Draht zum Fußkontakt der Lampe, durch den Glühfaden hindurch zum Lampengewinde und durch den unteren Draht zur Batterie zurück (Bild 1). ln der Praxis wird diese Schaltung z. B. in einer Taschenlampe verwendet (Bild 2).

Bild 1: Einfacher Stromkreis

- - - Strom Bild 2: Taschenlampe

Der elektrische Strom fließt vo m Erzeuger zum Verbraucher und wied er zurück zum Erzeuger. Diesen geschlossenen Weg nennt man elektrischen Stromkreis. Ändert der Strom seine Richtung im Stromkreis nicht, so spricht m an vo n einem Glei chstrom . • Elektrischer Strom fließt nur im geschlossenen Stromkreis. • Ein Stromkreis besteht mindestens aus Erzeuger, Verbraucher und aus dem Hin- und Rückleiter. • Im elektrischen Gleichstromkreis hat der Strom immer die g leiche Richtung. Die Höhe (Amplitude) des Stromes kann sich verändern.

Bild 3: Leiter und Isolierstaffe im Stromkreis

Versuch 2: Fügen Sie in den Stromkreis des letzten Versuchs nacheinander Stäbe aus Kupfer, Aluminium, Stahl, Kohle, Glas, Porzellan und Kunststoff ein (Bild 3). Nur bei den Metallstäben und beim Kohlestab leuchtet die Lampe (allerdings mit unterschiedlicher Helligkeit).

Metalle leiten den elektrischen Strom gut, Koh le weniger; Gl as, Po rzellan und Kunststoffe leite n gar nicht. Versuch 3: Füllen Sie einen Becher aus Glas mit destilliertem Wasser' und stecken Sie zwei blanke Kupferdrähte hinein. Verbinden Sie die Drähte mit der 1,5-V-Batterie und der Lampe. Schließen Sie den Stromkreis mit einem dritten Kupferdraht von der Lampe zur Batterie (Bild 4). Geben Sie dann etwas Kochsalz in das Wasser und lösen Sie es durch Umrühren mit einem Glasstab.

B~a:t~te:ri~e======dJ Bild 4: Salzlösung als Leiter

Bei destilliertem Wasser bleibt die Lampe dunkel. Nach Auflösen des Salzes leuchtet sie.

Reines Wasser leitet den elektrischen Strom fast nicht. Die Lösung eines Salzes oder einer Säure ist ebenso wie eine Salzschmelze stromleitend. Die ei nzelnen Stoffe leiten also den elektrischen Strom mehr oder wenige r gut. Metalle, z. B. Kupfer o der Aluminium, besitzen eine gute Leitfähigkeit. M an verwendet sie als Leiter. Stoffe, die den elektrischen Strom nicht leiten, wie Luft, Gummi, Glas, Porzellan oder Kunststoffe, werden als Isolierstaffe benutzt; sie bezeic hnet man auch als Nichtleiter.

Bild 5: Unterbrechen des Stromkreises

Stoffe, deren elektrische Leitfähigkeitzwischen dervon Leitern und von Nichtleitern (lsolierstoffen) liegt, nennt man Halbleiter (Seite 185). Sie werden für Bauelemente der Elektronik verwendet. Leiter sind alle Metalle, Kohle, feuchte Erde und manche Flüssigkeiten. Nichtleiter (lsolierstoffe) sind z. B. Luft, Gummi, Glas oder Kunststoffe. Halbleiter sind z. B. Silicium und Germanium. 1

Destilliertes Wasser ist Wasser ohne die im normalen Leitungswasser vorkommenden Ionen, Spurenelemente und Verunreinigungen.

~S~c~h a~l~t~p l~a~n~,~ Sch~a~l~tz~e~ic~h~e~n~------------------------------------------------~~ Versuch 4: Bauen Sie einen Stromkreis nach Bild 5, Seite 24, auf. Drücken Sie die losen Enden der Drähte zusamm en und öffnen Sie danach diesen improvisierten Schalter wieder.

Die Lampe leuchtet nur, wenn der Schalter geschlossen ist, wenn also die Drähte Kontakt miteinander haben.

Ein Schalter besteht aus einem beweglichen Metallstück (Schaltstück), das mit festen Leit erwerkstoffen ve rbunden werden kann. Ein lsolierstoff, meist Luft, trennt in geöffnetem Zu st and die Leiterwerkstoffe voneinander. Den Schalter baut man so in die Hin- oder in die Rückleitung ein, dass er sich leicht bedienen lässt. Durch Schließen bzw . Öffnen des Schalter s kann m an den Verbrauche r ein- bzw . wieder ausschalten.

Tabelle: Schaltzeichen Schaltzeichen

Bild

Benennung Leiter Leiterkreuzung (nichtleitend) Leiterverzweigung, einfach

Form 1 Form2

TT

Leiterverzweigung, doppelt

)) )

Batterie (Erzeuger) Glühlampe

Schaltzeichen Schaltzeichen verwendet man zu r Darstellung von Betriebsmitteln in Schaltplänen (Seite 99), hauptsächlich für Stromlaufpläne (Seite 100). Schaltzeichen (Tabelle) sind genormte Sinnbilder elektrischer Betriebsmittel w ie Erzeuger, Verbraucher, Schalter, Widerst ände oder Leiter. Schaltzeichen sollen die elektrischen Eigenschaften der Betriebsmittel zum Ausdruck bringen, über den konstruktiven Aufbau geben sie keine Auskunft. Glühlampen haben z. B. immer das gleiche Schaltzeichen, unabhängig von ihrer Größe, ihrer Leistung oder ihrer Ausführungsform. Die Schaltzeichen können in beliebiger Lage dargestellt werden, m an bevorzugt jedoch die w aagerecht e oder senkrechte Lage. Mit den Schaltzeichen lassen sich Stromkreise einfach und übersichtlich zeichnen. ln einem Schaltplan werden die Schaltzeichen so zusamm engestellt, w ie die Teile der Stromkreise miteinanderverbunden sind (Bild). Bei einer Verzweigung der Leiter kann die Verbindung der Leit er durch einen Punkt gekennzeichnet sein. Dieser Punkt darf auch wegge lassen werden, wenn dadurch keine Verwechslung möglich ist (Tabelle), z. B. bei einer Leiterverzweigung. Ob die einzelnen Schaltzeichen groß oder kl ein gezeichnet werden, hängt von der optischen Gesamtwirku ng des Schaltbildes ab. Die Funktion d er Schaltung muss auf alle Fälle gut erkennbar sein.

Widerstand

Schalter

{ ) Schaltzeichen (Seite 603) sind nach DIN EN 60617 genormt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird bei Leitungsverzweigungen im Buch die Form 2 verwendet. al Praktische Darstellung

Verbraucher, z. B. Glühlampe b) Zeichnerische Darst ellung

Erzeuger, z.B. Batterie

~ chalter >...L.

Leiter

Verbraucher, z.B. Glühlampe

Bild: Schaltplan eines Stro mkreises

Wiederholungsfragen 1 Aus welchen Teilen besteht ein elektrischer Stromkreis? 2 Unter welcher Bedingung fließt in einem Stromkreis ein elektrischer Strom? 3 ln welche Gruppen kann man alle Stoffe nach ihrer elektrischen Leitfähigkeit einteilen? 4 Wodurch unterscheiden sich elektrische Leit er von den Isolierstoffen?

5 6 7 8

Nennen Sie einige elektrische Leiter. Zählen Sie gebräuchliche Isolierstaffe auf. Was versteht man unter Schaltzeichen? Worauf ist bei der Darstellung der Betriebsmittel eines Schaltplanes zu achten? 9 W as versteht man unter der Form 1 und Form 2 bei Schaltzeichen?

~

2.3

Elektrische Ladung

Elektrische Ladung (Eiektrizitätsmenge)

Versuch 1: Reiben Sie einen Stab aus Kunststoff, z. B. aus Polystyrol, mit einem trockenen Wolltuch und halten Sie ih n über Papierschnitzel, die auf einen Tisch gestreut sind (Bild 1).

Der Kunststoffstab zieht die Papierschnitzel an.

Entd eckt wurden diese Kräfte durch den Menschen beim Umgang mit Bernstein. Da Bernstein im Griechischen rthk:Ktpov (sprich elektron) heißt, nannte man diesen besonderen Zustand: elektrisch. Als Ursache für die Kräfte, die z. B. beim Reiben von Bernstein oder Kunststoff entstehen, hat man die physikalische Größe als elektrische Ladung Qfestgelegt. Versuch 2: Reiben Sie einen Polystyrolstab mit dem Wolltuch und hängen Sie ihn an einem dünnen Faden auf (Bild 2). Bringen Sie einen zweiten mit dem Tuch geriebenen Polystyrolstab in seine Nähe.

Bild 1: Anziehung durch Reibung

{ ) Elektrische Ladung Elektrische Ladung nennt man d ie Eigenschaft von Stoffen, die besondere Kräfte (Anziehung oder Abstoßung) hervorrufen können. Die elektrische Ladung ist die Ursache fü r alle elektrischen Vorgänge.

Der drehbar aufgehängte Stab w ird abgestoßen. Versuch 3: Wiederholen Sie Versuch 2 mit Acrylglasstäben, die ebenfalls mit dem Wolltuch gerieben werden.

Geriebene Acrylglasstäbe stoßen sich ebenfalls ab. Versuch 4: Reiben sie mit dem Wolltuch einen Polystyrolstab und danach einen Acrylglasstab. Hängen Sie einen der Stäbe drehbar auf und nähern Sie den anderen Stab (Bild3).

Polystyrolstab und Acrylglasstab ziehen sich an.

Da es abstoßende Kräfte und anziehende Kräfte gibt, musste man auch zwei verschiedene Ladungsarten festlegen. Die eine Ladungsart tritt am geriebenen Polystyrolstab auf und die andere Ladungsart am geriebenen Acrylglasstab. Die beiden entgegengesetzten Ladungen hat man positive Ladung +0 und negative Ladung - Q genannt. Zwischen elektrischen Ladungen wirke n Kräfte (Bild 4). • Gleichartige elektrische Ladungen stoßen sich ab. • Ungleichartige elektrische Ladungen ziehen sich an. • Die elektrische Ladung hat das Formelzeichen Q. Um das Wesen der elektrischen Erscheinungen genauer erklären zu können, hat man den Stoffaufbau untersucht. Alle Stoffe sind aus Atomen 1 aufgebaut. Die Atome sind so klein (Durchmesser etwa 1 / 10000 iJm), dass m an sie auch unter dem besten Mikroskop nicht sehen kann. Deshalb verwendet man z. B. das bohrsche2 Atommodell, mit dem man das Verhalten der Atome beschreiben kann. ' atomos (griech.) =unteilbar > Niels H. 0 . Bohr, dän. Physiker, 1885 bis 1962

~

~ Bild 2: Abstoßung zwischen geriebenen Polystyrolstäben

Bild 3: Anziehung von geriebenem Polystyrol- und Acrylglasstab

Abstoßung zwischen gleichartigen Ladungen

Anziehung zwischen ungleichartigen Ladungen

F

m

>

N

~

1 ::r: AUS Masse

Beispiel: Berechnen Sie die Spannung zwischen A nschluss 5 und Anschluss 2 des Netzgerätes (Bild 2).

Bild 2: Potenziale

Lösung: ' nach Volta, ital. Physiker, 1745 bis 1827;

2 '{>

griech. Kleinbuchstabe phi.

u

Potenzial

nu ngse~eugung ~ §..:pan ~~~~~----------------------------~~

2.4.3

Arten der Spannungserzeugung

Induktion 1 in einer Spule

Tabelle: Arten der Spannungserzeugung

Versuch 1: Schließen Sie einen Spannungsmesser mit Millivolt-Messbereich (Nu llpunkt in Skalenmittel an eine Spule mit 600 Windungen an . Führen Sie einen Dauermagneten in die Spu le ein und ziehen Sie ihn wieder aus der Spule heraus (Tabelle).

Erzeugen der Spannung durch Induktion Spule

!·~

Bewegt sich der Dauermagnet in der Spule, schlägt der Zeiger des Spannungsmessers aus, beim Herausziehen umgekehrt wie beim Hineinschieben.

Bei der Induktion (Seite 92) werden durch magnetische Energie elektrische Ladungen getrennt.

Fahrraddynamos, Kfz-Lichtmaschinen, Kraftwerksgeneratoren, dynamische Mikrofone

Elektrochemische Spannungserzeuger:

chemische Wirkung

Chemische Reaktion im galvanischen Element2

Verwendung Generatoren:

Versuch 2: Schließen Sie einen Spannungsmesser (Messbereich 3 Vl an zwei Kupferplatten in einem Becher mit Kochsalzlösung an. Ersetzen Sie dann eine der Platten durch eine Zinkplatte und messen Sie wieder die Spannung an den Platten (Tabelle).

Batterien, Monozellen (galvanische Elemente), Akkumulatoren

Der Spannungsmesser zeigt eine Spannung an, wenn sich zwei verschiedene Platten in der Salzlösung befinden.

Zwei unterschiedliche Metalle in einer leitenden Flüssigkeit (Elektrolyt) bilden ein galvanisches Element.

Wärme

),: 0

Im galvanischen Element (Seite 63) trennt eine chemische Reaktion elektrische Ladungen. Wärme im Thermoelement3

~llsfantan

Versuch 3: Schließen Sie einen Spannungsmesser mit Millivolt-Messbereich an einen Kupfer- und einen Konstantandraht an und verdrillen Sie die freien Drahtenden. Erwärmen Sie die Verbindungsstelle mit einer Gasflamme.

Licht Fotoelement

Im Thermoelementtrenntdie Wärme elektrische Ladungen. licht im Fotoelement5 Versuch 4: Schließen Sie einen Spannungsmesser mit Millivolt-Messbereich an ein Fotoelement an (Tabelle). Beleuchten Sie das Fotoelement mit einer Glühlampe.

Kontaktring

Bei Beleuchtung zeigt der Spannungsmesser eine Spannung an.

Kristallverformung

Im Fotoelement trennt die Strahlungsenergie des Lichtes elektrische Ladungen. Druck auf Piezokristalle6 Versuch 5: Sch ließen Sie einen elektronischen Spannungsmesser an einen Piezokristall an (Tabelle). Drücken Sie auf den Kristal l.

Bei manchen Kristallen,z. B. Quarz, werden durch Druck elektrische Ladungen getrennt.

-

Thermoelement

Beim Erwärmen der Verbindungsstelle zeigt der Spannungsmesser eine Gleichspannung an (etwa 40 JJV je K 4 }.

Solange der Druck auf den Kristall zu- oder abnimmt, schlägt der Zeiger des Spannungsmessers nach rechts oder nach links aus (piezoelektrischer Effekt).

Thermoelemente: Verwendung zur Temperaturmessung und TemperaturFern-Messung, z.B. an schwer zugänglichen Stellen

1

Fotoelem ente: Verwendung als Stromquellen, z. B. für Satelliten, Taschenrechner, Uhren

metaUosche Grundplatte

Piezokristalle: Verwendung in Kristall-Tonabnehmern, z. B. Kristallmikrofonen, Drucksensoren, Gaszündern

von inducere (lat.) =einführen 2 nach Luigi Galvani. italienischer Arzt, 1737 bis 1798 • von th ermos (griech.) =warm ' Temperaturunte rschiede werden statt in Grad Celsius in Kelvin (K) angegeben ' von phos (griech.) = Licht ' von piezein (griech.) =drücken

~~----------------------------------------~S~p~a_n~n~u~n~g~s~m_e~s~s~u_n~g~·~S~p~a~n_n~u_n~g~s~r_ic~h_t~u_n~g 2.4.4 Messen elektrischer Spannung

Schaltzeichen des Spannungsmessers

Elektrische Spannung w ird mit dem Spannungsmesser (Bild 1) gemessen. Spannung besteht zwischen zwei Punkten mit unterschiedlichem Potenzial (Seite 28). An diese Punkte wi rd der Spannungsmesser angeschlossen (Bild 2).

----{01---Schaltzeichen mit Darstellung der Innenschaltung

Vorgehensweise bei der Spannungsmessung • Spannung abschalten. • Überprüfen, ob der Messbareich des Spannungsmessers für die Messung ausreicht. • Bei unbekannten Spannungen den höchsten Messbareich einstellen. • Bei Gleichspannung das höhere {positivere) Potenzial am Anschluss+ anschließen. • Nach der Messung den höchsten Spannungsmessbareich einstellen.

Bild 1: Vielfachmessinstrument, als Spannungsmesser geschaltet

0

Spannungsmessung an einer Spannungsquelle Versuch 1: Messen Sie mit einem Spannungsmesser die Spannung an einer Batterie {Bild 2). Achten Sie darauf, dass der Messbareich des Spannungsmessers für die Messaufgabe groß genug eingestellt ist. Die Batterie liefert Gleichspannung. Deshalb muss der Spannungsmesser auf Gleichspannung {DC) eingestellt sein. Verbinden Sie den Spannungsmesser mit der Batterie so, dass der Minusanschluss der Spannungsquelle mit dem Minuspol des Spannungsmessers und der Pluspol der Spannungsquelle mit dem Plusanschluss des Spannungsmessers verbunden ist. Der Spannungsmesser wird auf den Messbareich 10 V eingestellt und zeigt U =9 V an.

Bild 2: Spannungsmessung an einer Batterie

Verbraucher

Spannungsmessung am Verbraucher Spannung kann man nicht nur an Spannungsquel len, sondern auch an stromdurchflossenen Verbrauchern m essen (Bild 3). Dazu wird der Plusanschluss des Spannungsmessers an den Anschluss des Verbrauchers gelegt, der das höhere Potenzial hat (näher am Pluspol der Spannu ngsquelle ist). Der Minusanschluss des Spannungsmessers wird an den Anschluss des Verbrauchers mit dem niedrig eren Potenzial (näher am Minuspol der Spannungsquelle) angeschlossen. Spannungsrichtung Versuch 2: Schalten Sie zwei gleiche Lampen, z. B. 6 V/5 W, an ein Netzgerät {Bild 4). Schließen Sie einen Spannungsmesser an das Netzgerät und erhöhen Sie die Spannung des Netzgerätes auf U = 12 V. Messen Sie mit einem Digitalmessgerät die Spannung an den Lampen. Am Digitalmessgerät wird die Spannung U = + 6 V angezeigt.

+

Bild 3: Spannungsmessung an einem Verbraucher

A U

•

Der Spannungsmesser wird parallel zum Erzeugeroder Verbraucher angeschlossen.

• Die Richtung der Spannung wird durch einen Be· zugspfeil dargestellt. Sie ist vom höheren zum niederen Potenzial gerichtet (Bild 4).

Versuch 3: Vertauschen Sie den Plus- und Minusanschluss am Digitalmessgerät Am Digitalmessgerät wird die Spannung U =- 6 V angezeigt.

Die Spannung hat eine Richt ung (Bild 4).

Bild 4: Spannungsmessung im Stromkreis

=E~Ie~k~tr~is~c~h~e~r~S~t~ro~m~--------------------------------------------------------IIIIEIJ

2.5

Elektrischer Strom

Spannungsquelle Elektronenmangel

Versuch 1: Schließen Sie eine 12-V-Giühlampe an den Pluspol und Minuspol einer Gleichspannungsquelle, z.B. an ein Netzgerät mit U = 12 V, an (Bild 1).

eleklrtsche f Spannung enl- 1 steht durch 1 Ladungstren- I nung \

Die 12-V-G/üh/ampe leuchtet.

Die von der Spannungsquelle getrennten Ladungen gleichen sich aus. Dabei müssen Elektronen vom Minuspol (Eiektronenüberschuss) über die Glühwendel der Lampe zum Pluspol (Elektronenmangel) fließen. ln der Glühlampe tritt dabei eine Lichtwirkung auf. Diese Bewegung derelektrischen Ladungsträger nennt man elektrischen Strom .

Elektronenüberschuss

Bild 1: Elektronenbewegung im Stromkreis

Der elektrische Strom in einem metallischen Leiter ist die gerichtete Bewegung von freien Elektronen. Das Ausgleichsbestreben der Ladungsträger vom Minus- zum Pluspol ist Ursache für den Stromfluss. Je höher die Spannung der Spannungsquelle, desto stärker ist das Ausgleichsbestreben der Ladungen. Es werden mehr Elektronen durch den Leiter transportiert. Die Anzahl der fließenden freien Elektronen pro Sekunde durch den Leiterquerschnitt ist ein Maß für die elektrische Stromstärke (Bild 2). Die elektrische Stromstärke I ist die durch einen Leiterquerschnitt bewegte Ladung Q pro Zeit t. Die Stromstärke wird in der Einheit Ampere' (Einheitenzeichen A) angegeben. Die bew egte Ladung Q im Leiter ist ein Vielfaches der Elementarladung e = 1,602 · 10- 19 C. Somit besteht die elektrische Ladung Q = 1 C aus der Anzahl n= 6,242 · 1018 Elementarladungen. Die Stromstärke 1 A kann folglich auch über Ladung und Zeit erklärt werden. Die Stromstärke in einem Leiter beträgt 1 A, wenn sich pro Sekunde eine elektrische Ladung von 1 C durch den Leiterquerschnitt bewegt. Meist w ird zur Festlegung der elektrischen Stromstärke I = 1 A jedoch die magnetische Wirkung herangezogen.

Bild 2: Elektronenbewegung im Leiter Elektrische Stromst ärke Q

I=T C As [IJ =s = 5 = A; 1 c = 1 As

0 • • • •

--

Stromstärke

Formelzeichen: Ampere Einheitenname: Einheitenzeichen: A Einheitenvorsätze (Beispiele): 20 IJA = 0,000 020 A = 20 · 1Q-6 A 55 mA = 0,055 A = 55 · 10-3 A 0,5 kA = 500 A = 0,5 · 103 A

Tabelle: Beispiele elektrischer Stromstärken BetriebsmittelfAnlage Stromstärke Taschenrechner 100 IJA 60-W-Giühlampe (230 V) 260mA 4,35A Bügeleisen 300A Straßenbahnmotor Elektroschmelzofen 100 kA

Festlegung der Stromstärke. Zwei vom Strom durchflossene Leiter üben eine magnetische Kraftwirkung aufeinander aus. Fließt durch zwei parallele Leiter, die einen Abstand von 1 m haben, eine Stromstärke von I= 1 A, so tritt zwischen ihnen je Meter Leitungslänge eine Kraft von F= 2 · 10-7 N (Newton) auf.

Beispiel: Bei der Entladung eines Elektronenblitzes fließt während der Zeit t = 2 ms die Ladung Q = 0,24 As. Berechnen Sie a) die Stromstärke I bei der Entladung und b) die Anzahl n der Elementarladungen in 2 ms.

Einheitenvorsätze. Für sehr große oder kleine Stromstärken kann man w ie bei allen physika lischen Größen Einheitenvorsätze verwenden. Damit lassen sich Stromstärken übersichtlicher angeben, z. B. 1 mA = 1 Milliampere = 1 · 10-3 A = 0,001 A. ln elektrischen Betriebsmitteln bzw. Anlagen treten unterschiedlich hohe Stromstärken auf (Tabelle).

Stromstärke Ladung Zeit

I Q

Lösung: ) I = Q = 0,24 As = 0,24 As = 120 A a t 2 ms 0,002s a 0,24As , 1 '5. 10 8 bl n =e= 1.602 · 1o-1$c = 1

Andre Marie Ampere, französischer Physiker, 1ns bis 1836

n ... Elektrischer Strom ~~-------------------------------=~~~~ Stromrichtung. Bevor man etwas von der Elektronenbewegung w usste, w urde die Richtung des elektrischen Stromes außerhalb des Erzeugers vom Pluspol (+) zum Minuspol (-)festgelegt (Bild 1). Technische Stromrichtung: Außerhalb des Erzeugers f ließt der Strom vom Pluspol (+) zum Minuspol (- ). Elektronenbewegungsrichtung: Außerha lb des Erzeugers bewegen sich die freien Elekt ronen v om Minuspol (Eiektronenüberschuss) zum Pluspol (Eiektronenmangel).

Spannungsbezugspfeil

:)u 1 - - - -:o.----1

Bild 1: Technische Stromrichtung und Elektronenbewegungsrichtung

Den Richtungssinn von Strömen und Spannungen gibt man grundsätzlich in der technischen Stromr ichtung vom höheren zum niederen Potenzial durch Bezugspfeile an. ln dieser Richtung werden Strom und Spannung als positiv bezeichn et (Bild 1).

2.5.1

Elektrischer Strom in Metallen

ln Metallen sind die Atome dicht aneinander ged rängt. Ein Elektron auf der Außenschale eines Atoms kann dabei so nahe an ein benachbartes Atom gelangen, dass es vo n dessen Atomkern ebenso weit entfernt ist wie vom eigenen. Die Anziehungskräfte der Kerne auf dieses Elektron heben sich in diesem Falle auf, und es kann zum freien Elektron werden . Sobald im Metall ein Elektron frei wird, hinterlässt es einen positiv geladenen Atomrumpf, den man auch positives Ion nennt (Bild 2). Verbindet man eine Glühlampe mit einer Spannungsquelle, so setzen sich die freien Elektronen im Glühfaden der Lampe fast gleichzeitig zum Pluspol in Bewegung. Die freien Elektronen kommen aber nur mit einer geringen Geschwindigkeit von ca. 0,1 bis 10 mm/s vorwärts, da sie sich im Atomverband nicht ungehindert bewegen können. Diese Elektronen- bzw. Driftgeschwindigkeit der Elektronen hängt von ihrer Beweglichkeit, von der Stromstärke, vom Leiterwerkstoft vom Leiterquerschnitt und von der Temperatur ab. Im Versuch 1, Seite 31, leuchtet die Glühlampe sofort. Diefreien Elektronen im Leiter stoßen sich w ie bei einer Kettenreaktion fast gleichzeitig an. Dies geschieht in ganz kurzer Zeit mit einer Geschwindigkeit, die w esentlich höher ist als die Elektronengeschwindigkeit. Sie erfolgt annähernd mit Lichtgeschwindigkeit c ., 300 000 km/s.

Bild 2: Freie Elektronen und positive Atomrümpfe eines Leiters

Schaltzeichen des Strommessers

----10}---Schaltzeichen mit Darstellung der Innenschaltung

Bild 3: Vielfachinstrument, als Strommesser geschaltet

A

U

Zum Messen des elektrischen Stromes w ird d ie Leitung aufgetrennt und der Strommesser in d ie Trennsteile geschaltet.

Leitung für Str ommesser auftrennen

2.5.2 Messen elektrischer Stromstärke Zum Messen derelektrischen Stromstärke verwendet man Strommesser (Bild 3). Der Gesamtstrom muss durch das Messinstrument fließen (Bild 4a). Die Leitung kann man an beliebiger Stelle trennen, weil die Stromstärke im unverzweigten Stromkreis überall gleich groß ist. Bei Gleichstrom ist auf die Polarität der A nschlü sse zu achten (Bild 4b).

a)

---I

b)

I

Bild 4: Messen des Stromes

W irku ngen des elektrischen Stromes

2.5.3 Wirkungen des elektrischen Stromes Im V ersuch 1, Seite31 w u rde durch eine Glühlampe nachgewiesen, dass ein elektrischer Strom fl ießt. Den Strom selbst kann man nicht sehen. Der elektrische Strom lässt sich nur an seinen Wirkungen erkennen.

Tabelle: Stromwirkungen Wärmewirkung Tritt immer auf dunner Draht

Versuch 1: Spannen Sie zwischen zwei Standklemmen ei nen Stah ldraht von etwa 0,3 mm Durchmesser (Tabelle) und schließen Sie die Drahtenden an einen Stelltransformator an. Steigern Sie allmählich die Stromstärke. Der Draht erwärmt sich, glüht und schmilzt durch. Der elektrische Strom erwärmt jeden Leiter1 (Wärmewirkung).

Anwendungen Elektromagnete Elektromotoren Schütze, Relais Messinstrumente Klingeln Telefonhö rer Lautsprecher Tü röffner

Versuch 2: Schließen Sie eine Spule mit 600 Windungen an die Klemmen eines Akkumulators (6 V oder 12 V) an. Halten Sie die Spule über kleine Eisenteile, z. B. über Nägel oder Büroklammern. Die Eisenteile werden angezogen, sobald Strom durch die Spule fließt. Der elektrische Strom verursacht immer in seiner Umgebung eine magnetische Wirkung. Versuch 3: Schließen Sie eine Glimmlampe an eine 230-V-Steckdose an. Die Glimmlampe leuchtet. Die Lichtwirkung trit t nur in der Umgebung der Wendeln auf. Die gewendelten Drähte selbst leuchten nicht. Beim Leuchten erwärmt sich die Glimmlampe kaum.

Anwendungen Elektroherde Bügeleisen Tauchsieder Warmwasserbereiter Lötkolben Schmelzsicherungen

Lichtwirkung Auftreten: in Gasen, in Halbleitern

Anwendungen Leuchtstofflampen Leuchtröhren Glimmlampen Leuchtdioden Glühlampen

Chemische Wirkung Auftreten: in leiten$len Flüssigkeiten

Anwendungen Elektrolyse Galvanisieren Akkumulatoren

Der elektrische Strom bringt Gas zum Leuchten, erwärmt es aber nur wenig (Lichtwirkung). Die Glimmlampe enthält Gas mit gerin gem Druck. ln einer Glühlampe erhit zt dagegen der elektrische Strom einen dünnen Dra ht aus Wolfram so stark, dass er hellweiß glüht und dadurch Licht abstrah lt. Versuch 4: Schließen Sie zwei Kupferdrähte z. B. an einen Akkumulator von 12 V an. Tauchen Sie die Drahtenden in einen Becher mit Natriumsulfat-Lösung oder verdünnter Schwefelsäure, ohne dass sich die Drähte berühren. An den Drahtstücken, die in die Flüssigkeit eintauchen, bilden sich Gasblasen. Das Wasser im Gefäß wird in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Der elektrische Strom zerlegt leitende Flüssigkeiten (chemische Wirkung). Der elektrische Strom hat auf Lebewesen eine physiologische2 Wirkung. Die positive W irkung des elektrischen Stromes nut zt man in der Elektromedizin. • Beim Berühren blanker elektrischer Leitu ngen kann durch den menschlichen Körper ein lebensgefährlicher Strom fließen. • Gefahren im Umgang mit dem elektrischen Strom, Seite 320. ; Eine ~usnahme bilden die Supraleiter. Physiologie= Lehre von den Vorgängen im Körper von Lebewesen.

Wirkung auf Lebewesen (physiologische Wirkung) Auftreten: bei Menschen, Tieren Leitung unter Spannung

Anwendungen Elektroweidezäune Viehbetäubung Elektromedizinische Geräte

~L----------------------------------------------------------------~S~t~ro~m~a~rt~e~n 2.5.4 Stromarten Gleichstrom (DC\ Zeichen: - oder = ) Versuch 1: Schließen Sie eine Glühlampe, z.B. 6 V/0,1 A, über einen Strommesser {Drehspulmessgerät) an eine Batterie an. Der Strommesser zeigt über längere Zeit einen gleichbleibenden Strom an.

Im Stromkreis fließt ein Gleichstrom, wenn sich in einer bestimmten Zeit, z. B. 1 s, gleich viele freie Elektronen in gleicher Richtung bewegen. Zeichnet man die Stromstärke abhängig von der Zeit in einem Schaubild auf, erg ibt sich eine Parallele zu r Zeitachse (Tabelle, oben).

Batterie, Akkumulator, Stromversorgung elektrischer und

Elektrischer Strom, der nur in gleicher Richtung und mit gleicher Stä rke fließt.

Wechselstrom {AC)

Gleichstrom fließt nur in einer Richtung mit gleichbleibender Stromstärke.

Wechselstrom (AC2, Zeichen: -) Versuch 2: Schließen Sie eine Glühlampe über einen Strommesser {Drehspulmessgerät mit Zeiger in der Skalenmitte) an einen Funktionsgenerator {Wechselstrom, 1 Hz) an. Der Zeiger des Strommessers schlägt abwechselnd nach links und nach rechts aus.

Im Stromkreis fließt ein Wechselstrom, wen n sich die freien Elektronen im Leiter hin und her bewegen, und zwar in beiden Richtungen gleich weit. Im Stromstärke-Zeit-Schaubild erhält man z. B. eine Sinuslinie (Tabelle, Mitte).

Wechselstrom fließt mit ständig wechselnder Richtung und Stärke.

Mischstrom

(UC3,

Zeichen: rv)

Elektrischer Strom, der ständig seine Richtung und seine Stromstärke ändert.

Elektronenbewegung vorwärts

Mischstrom {UC)

setzt sich zusammen: Zeitt -

• aus einem Wechselstromanteil

t~

.....

i~

Zeitt-

Energienetz, Fahrraddynamo, Wechselstromgeneratoren und -motoren, dynamische Mikrofone

gleichgerichteter Wechselstrom, Strom in Netzteilen nach Glättungskondensator, Steuerstrom von Transistoren, in Wechselstromverstärkern, .,pulsierender" Gleichstrom

und • aus einem Gleichstromanteil

Versuch 3: Wiederholen Sie Versuch 2, schalten Sie aber zum Funktionsgenerator eine Batterie in Reihe. Der Zeiger des Strommessers schlägt in einer Richtung aus und pendelt um den eingestellten Gleichstromanteil hin und her.

Im Stromkreis f ließt ein Mischstrom, wenn sich in ihm gleichzeitig ein Gleich- und ein Wechselstromerzeuger auswirkt. Der Mischstrom entsteht durch die Zusammensetzung eines Gleichstromes mit einem Wechselstrom. Ein periodischer Mischstrom ist streng genommen keine eigenständige Stro mart, wei l er sich auf einen Gleichstrom zurückführen lässt, dem ein Wechselstrom überlagert ist (Tabelle, unten). Ein Mischstrom setzt sich aus einem Gleichstrom- und einem Wechselstromanteil zusammen. 1

2

3

DC von Direct Current Ieng I.) = Gleichstrom AC von Alternating Current lengl.) = W echselstrom UC von Universal Current lengl.) = allgemeiner Strom

IIIIEGJ

~S~tr~o~m~d~i~ch~t~e___________________________________________________________

2.5.5 Stromdichte Der elektrische Strom, der durch eine Glühlampe fließt, erhitzt die dünne Drahtwendel der Lampe bis zur Weißglut, erwärmt jedoch die Zuleitungen kaum. Bei gleicher Stromstärke bewegen sich durch einen großen und durch einen kleinen Leiterquerschnitt gleich viele Elektronen je Sekunde. Im Leiter mit dem kleineren Querschnitt fließen folglich die Elektronen mit höherer Geschwindigkeit und erwärmen ihn durch Reibung stärker (Bi ld 1).

Stromdichte J 1 =3A/mml Stromstarke• I =12 A -

~~~~~~~~~~

StrömungsIinien der Elektronen

Bild 1: Elektronenbewegung in verschiedenen Leiterquerschnitten Stromdichte [J)

I

Durch eine Glühlampe fließt ein Strom I = 0,2 A. Wie groß ist die Stromdichte J a) in der Zuleitung mit 1,5 mm2 Leiterquerschnitt und b) im Glühdraht mit 0,03 mm Durchmesser?

A

Tabelle: Strombelastbarkeit fest v erlegter, PVC-isolierter Kupferleitungen bei 30 oc Umgebungst emperatur nach DIN VDE 0298, Teil4 Zulässige Stromstärke in A LeiterVerlegeart 82 Verlegeart C querschnitt Zahl der belasteten Adern inmm 2 3 2 2 3

Lösun : a) J= _I_= 0,2 A = 0,13 A/mm2 A 1,5 mm2

cf2 = 7t • 0,032 mm2 = 0,000 7 mm2 4 4

7t .

A

~A 0,0007 mm2

1,5 2,5 4 6 10 16 25

= 2~ A/m~

Ein Leiter erwärmt sich umso mehr, je größer die Stromdichte in ihm ist. ln Leitungen, in Wicklungen von Spulen, Transformatoren oder Motoren darf die St rom dichte auf Dauer nicht zu groß werden, damit die Isolation der Drähte nicht zu heiß wird und keine Brandgefahr auftritt. Für die Leiterquerschnitte sind deshalb höchstzulässige Stromstärken festgelegt (Tabelle).

fi)

16,5 23 30 38 52 69 90

15 20 27 34 46 62 80

17,5 24 32 41 57 76 96

19,5 27 36 46 63 85 112

Bemessen von Leitungen, Seite 305 14

Bei der Verlegung in Installationsrohren oder-kanälen aufWänden, Decken oder Fußböden (Verlegeart 82, Seite 305 und 612) sind geringere Stromdichten zugelassen als bei isolierten Leitungen oder Kabeln, die direkt auf oder in der Wand, im oder unter Putz, verlegt sind (Verlegeart C, Tabelle).

A mm2 10

t8

.....

Die zulässige Stromdichte ist bei kleineren Leiterquerschnitten höher als bei großen (Bild 2). Bei doppeltem Durchmesser und gleicher Leiterlänge ist die Leiteroberfläche zwar doppelt so groß, das Leitervolumen beträgt jedoch das Vierfache. Deshalb können dünne Leiter besser abkühlen als dicke. Leiter von Freileitungen werden durch die Umgebu ng besser abgekühlt als Drähte in Wicklungen. Die zulässige Stromdichte richtet sich nach dem Leiterquerschnitt, dem Werkstoff und nach der Abkühlungsm öglichkeit (Übersicht, Seite 305).

A

= mm 2

Stromdichte Stromstärke Leiterquerschnitt 1

J

Beispiel:

J='=

IStromstarke =12 A

Querschnitt A2 =1,5mml

Die Stromstärke je mm 2 Querschnitt nennt man Stromdichte J (Einheit A /mm2).

b) A =

Stromdichte h =8A/mm2

!!

"5 6 'Ci E ~

Vi 4

Beispiel: Verlegeart 82, Querschnitt A = 10 mm2 = Stromdichte J = 5,2 AI mm2

I\

'

1\ 1\

"'"""

1'\.

...........

r---....

/

--

r--

Verlegeart B2

Verlegeart (

--

~

2 0 0

-

12 10 4 8 2 6 1,5 2,5 Leiterquerschnitt A

mm 2

16

Bild 2: Zulässige Stromdicht en isolierter Kupferleitungen (DIN VDE 0298, Teil 4) bei 2 belasteten Adern 1

Stan A für die Leiterquerschninsfläche auch S (OIN 1304)

~L------------------------------------------=E~Ie~k~tr~is~c~h~e~r~VV ~id~e~r~st~a~n~d~u~n~d~Le~i~tw ~e~rt

2.6

Elektrischer Widerstand und Leitwert

'O D\0 ':· 0 (0 (0

·~ großer VViderstand Das VVort VViderstand w ird in zweifachem Sinne verwendet: Es bezeichnet einmal das Bauelement VViderstand (Seite 40) und zum anderen die Eigenschaft, dem Strom einen VViderstand entgegenzusetzen. Falls ein Irrtum entstehen kan n, nennt man die in Ohm gemessene Eigenschaft VViderstandswert.

t 0.1 l::l

.....

0,5

'iii -'

0,3 0,2

\

\ \

\ ......

-r-

!"-....

4

5

6

1--.

7

8

9 10

Q

Wtderstand R -

' nach Georg Simon Ohm, deutscher Phy siker, 1789 bis 1854 0 g riech. Großbuchsta be Om ega nach Werner von Siemens, deutscher Ingenieur, 1816 bis 1892

2

0,6

00 4 0,25

3

= 0,001 0 = 1 000 0 = 1 000 000 0

\

0,1

G = ..!. = - 1- = 1 5 R 10

s

s 0,8

~ 0,4

Lösun :

G Siemens

1,1

~

Berechnen Sie di e zu den Widerstandswerten R = 1 0, 2 0 , 4 0 , 6 0 , 8 0 , 10 0 die zugehörigen Leitwerte G.

Leitwert

1,0

~

Beispiel:

Widerstand R Ohm 0

• Formelzeichen: • Einheitenname: • Einheitenzeichen:

Ablesebeispiele: Aus der Kennlinie abgelesen : R = 50 => G =0,2 S; R = 20 => G = 0,5S; R = 1 0 => G=1 S Bild 2: Zusam menhang zwischen Leitwert und Widerstand

12

Ohmsches Gesetz ~ ~~~~--------------------------------~~

2. 7

Ohmsches Gesetz

$ ~2 Ju 0

Versuch 1: Schließen Sie über einen Strommesser einen Widerstand R= 4 0 an ein Netzgerät an, dessen Spannung zwischen 0 V und 10 V eingestellt werden kann. Legen Sie parallel zum Widerstand einen Spannungsmesser(Bild 1). Messen Sie die Stromstärken bei verschiedenen Spannungen. Bei gleich bleibendem Widerstand wächst die Stromstärke mit der Spannung. Die Stromstärke ist bei gleichem Widerstand proportional (verhältnisgleich) der Spannung, sie verg rößert sich also im gleichen Verhältnis w ie die Spa nnung anwächst: I- U (Versuch 1, Bild 1). Trägt man die im Versuch gemessenen Werte des Stromes abhängig von derzugehörigen Spannung in ein Schau bild ein, so erhält man durch Verbinden der M esspunkte eine Gerade (Bild 2). Der W iderstand ist linea r. Ein größerer Widerstand, z.B. R 10 0, h at ei ne Kennlinie mit geringerer Steigung.

Versuch 1: Widerstand konstant R = 4 0 Spannung in V 2 4 6 8 10

t

Versuch 2: Spannung konstant U= 10 V Widersta nd in n 2 4 6 8 10

Strom inA 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

Strom inA 5,0 2,5 1,67 1,25 1,0

Bild 1: Messen von Strom und Spannung

=

3

t .....

Die Stromstärke I ist proportional der Spannung U.

0,5A

2

I

="'TA= 4 Q ./

"' 1,5 t: ~ E ~

Versuch 2: Messen Sie nun bei gleich bleibender Spannung U= 10 V die Stromstärken bei den Widerstandswerten 2 n. 4 n. 6 n, 8 n und 10 n. Bei unveränderter Spannung wird die Stromstärke um so kleiner, je größer der Widerstand ist.

"'

./

1

/

V

R~~

./

Vi 0,5

o .&::.-::::... -~ 0

Bei g leic h bleibender Spannung verhält sich die Stromstärke umgekehrt w ie der Widerstand. Die Stro mstärke ist also dem Widerstand umgekehrt proportional : I- 1/R (Versuch 2, Bi ld 1). Das Schaubild (Bild 3) zeigt die Abhängigkeit des Stromes vom Widerstand. Bei kleinerer Spannung,

LI 4~

Ar- -

2

1

/

~"~

-

~

1

3 4 5 6 Spannung u-

/

V

8

10

Je höher die Spannung ist, desto größer ist die Stromstä rke: 1- U Spannun!i! =Widerstand= konstant Stromstärke Bild 2: Stromstärke als Funktion der Spannung

z. B. U= 5 V, fließ en kleinere Ström e. Die Stromstärke I ist umgekehrt proportiona l dem Widerstand R.

A

4

Den Zusammenhang zwischen Stromstärke, Spannung und W iderstand beschreibt das ohmsehe Gesetz1 .

"' t:

3

"'0

2

~ E

\

\

1- : -

\

1\

I~-

\

Beispiele:

;>--

Q

Bild 3: Stromstärke als Funktion des Widerstandes Ohmsches Gesetz

I =~~

=!:!_ =4,5 V =3 A

I

R 1,5 n b) U = R·1=5000·0,2A= 100V c) R =!:!, = 230 V = 1045 fi I 0,22 A

r-......

4 6 Widerstand R -

Lösun : a) 1

......,

I'- U: s ~ ~

....

Vi

a) Welche Stromstärke fließt durch eine Glühlampe für 4,5 V, die im Betrieb einen Widerstand von 1,5 0 hat? b) Welche Spa nnung liegt an einem Widerstand von 500 0, durch den 0,2 A fließen? c) Ein Lötkolben nimmt an 230 V den Strom 0,22 A auf. Welchen Widerstand hat die Heizwicklung?

R_ ' - -

u R 1

Stromstärke Spannung Widerstand

R = .!1..._ ~ I [I)=

0V

U = R ·I V

v

=A

A.

nach Georg Sirnon Ohm, deutscher Physiker, 1789 bis 1854

10

S..__________________ --'S'-'p"-e""'z:.if;_-'-i.s:. .c""'h-'-e""'r_W'-'-'-id"'"e.:..rc..:s"'t"a'"n-'-d~u-'-n-'d.;....::.Le.:..i.te:. :. .r_;_;_iw "d''-'e_rs.:.t."'a__n_c_d 2.8

I

Leiterwiderstand

j

=- 0 U j 2V

$

Versuch 1: Sch ließen Sie a) einen Kupferd raht und b) einen Konstantandrahtvon je 0,1 mm Durchmesser und 1 m Länge an ein Netzteil an. Ermitteln Sie mithi lfe des ohmschen Gesetzes die Widerstände (Bild).

G

a) Kupferdraht Konstantandraht

b)

=.-. . . _ __ _ _ _ _ _ _ _ .

Rcu = 2,3 Q und R Konst. = 62,4 Q, d. h., der Widerstand des Ko nstantandrahts ist etwa 27-mal so groß wie der des Kupferdrahtes.

Bild: Ermitteln des Widerstands von Drähten Spezifischer Widerstand

Der Widerstand eines Leiters hängt v om W erkst off ab. Der Widerstand eines Leiter s vo n 1 m Länge und 1 mm 2 Que rschnitt b ei 20 °C h eißt spezifischer Widerstand (l 1. De n Kehrwert d es spezifischen Wid e rstands nennt :..an Leitfähigkeit y 2•

I

Leitfähigkeit

1

e=v

y=l e

lel= O· mm2

- = 0. mm 1 2 1y l= -0. -m mm 2

m

m

Gute Leiter, z. B. Kupfer, enthalten viele f reie Elektronen und besitzen ei nen geringen spezifischen W iderstand sowie e ine hohe Leitfä higkeit (Tabelle 1).

e

y Leitfäh igkeit

spezifischer Widerstand

Tabelle 1: Spezifischer Widerstand und Leitfä higkeit (Beispiele bei 20 °C)

Versuch 2: Wiederholen Sie Versuch 1 mit d em Konstantandraht, verdoppeln und verdreifachen Sie die Drahtlänge. Nehmen Sie dann w ieder die einfache Länge, verdoppeln Sie jedoch den Qu erschnitt (2 Drähte parallel schalten) und verdreifachen Sie ihn schließlich (3 Drähte para llel scha lten). Ermitteln Sie den Widerstand (Bild).

Material

Der Leiterwiderstand ist bei doppelter Länge doppelt so groß, dreifache Länge gibtden dreifachen W;derstand. Bei doppeltem Querschnitt ist der Leiterwiderstand nur halb so groß, dreifacher Querschnitt ergibt nur ein Drittel des Widerstands.

Spezifischer Widerstand e 0· m m 2 in m

Leitfähigkeit y in

m O·mm 2

Aluminium (Al)

0,0278

36,0

Kupfer (Cu)

0,0178

56,0

Si lber (Ag)

0,01 67

60,0

Gold (Au)

0,022

45,7

Der Leiterwiderstand R ist dem spezifischen Widerstande und der Leiterlänge I proportional, jedoch umgekehrt proportional dem Leiterquerschnitt A (Tabelle 2). Tabelle 2: Leiterwiderstand Material

Leiterlänge

. . ..

Konstantan

;;t! .

... .wenig

e

freie Elektronen

dopp•l" Leoterlange

freie Elektronen

=>

Leiterquerschnitt

~ ... · ·

. : :.

..

'\."\

Leiterwiderstand 0· mm2

[R] =

---

---·m m =0 m m2

=>

·~:~oner ~-r~ner ~~ .. ::

=>

Ouerschmtt

• e

·I

R=A

Widerstand

Der Leiterwiderstand ist umso größer, je kleiner der Leiterquerschnitt A ist. 1

R -1

~

klemer Woderstand

: .· ·.": ·:

doppelter Widerstand

Der Leiterwiderstand ist umso größer, Der Leiterwiderstand ist umso größer, je größer der spezifische Widerstand a ist. je länger die Leiterlänge I ist.

R- e

groner Ouerschmtt

~

----R

(!

I

A

R-A

Leiterwiderstand spezifischer Widerstand Leiterlänge Leiterquerschnitt

Beispiel: Berechnen Sie den Widersta nd eines Kupferleiters mit I= 50 m Länge und einem Querschnitt von A =1,5 mm2 .

Lösun : 0· mm 2 Aus Tabelle 1: a =0,0178--m-1

e griech. Kleinbuchstabe rho;

2 y griech.

Kl einbuchstabegamma

0 · mmz. 50 m e · I 0,0178 m R =- = = 0,59 0. A 1,5 mm 2

I

~T~e~m~p~e~r~a~tu~r~a~b~h~ä~n~g~ig~k~e~i~t~d~e~s~W~id~e~r~st~a~n~d~s~--------------------------------------~~

2.9

Temperaturabhängigkeit des Widerstandes

Versuch: Schließen Sie a) eine Metallfadenlampe (230 V/ 60 W) und b) eine Kohlefadenlampe (230 V/60 W) zuerst an eine Spannung von 10 V und dann an 230 V an. Ermitteln Sie jeweils den Widersta nd durch St rom- und Spannungsmessung (Bild). Die Lampen bleiben bei 10 V dunkel, die Temperatur des Glühdrahts ist gering . Beim Anschluss an 230 V leuchten beide Lampen hell, die Temperatur des Glühdrahts ist dabei hoch. Der Widerstand des kalten Metalldrahts ist niedrig, der des heißen ist groß. Der Widerstand des ka lten Koh lefadens ist dagegen groß, der des heißen klein.

Der Wid erstan d von M eta llen nimmt b ei Temperaturerh ö hung zu. Der Widerstand von Kohle nimmt bei Temp eraturerhö hung ab. Stoffe, die in kaltem Zustand besser leiten, nennt man Kaltleiter. Stoffe, die in heißem Zustand besser leiten, nennt man Heißleiter. Bei Erwärm ung schw in gen di e Ato m e stä rker um ihren Plat z i m Kristallgitter (Tabelle 1). Si nd die At ome b zw. d ie Ato mrümpfe w ie in den Meta llen dich t beieinander, wird d ie Fort bewegu ng der f reien Elektro nen d urch d ie Wä rmebewegung der Ato m e stärke r be hi ndert. Der Wid erstand d ieser St offe nimmt m it d er Temperat ur zu (Kaltleiter). Durch die st ärkeren At o m schwingungen lösen sich bei Kohle und Hal bl eitern Elekt ron en v on ihrem Gitterplat z un d werden zu f reien Ladu ngsträg ern und erhöhen so mit d ie Leitfähigkeit (Tabelle 1). Die Größe der W ider stan dsän derung gibt man durch den Temperaturbeiwert a an, der au ch Temperaturkoeffizient gen annt w ird .

Bild: Widerstandsermittlung bei Glühlampen Tabelle 1: Temp eraturabhängigkeit des Widerstan ds niedrige Temperatur

hohe Temperatu r

geringer Atomabstand ~

~o.~:r;;;l

"'

Q)

~iQ"OiQ

~

'Cl(~·~·~ o' I ~

' Q)"" .Q'f "' :-

'~ -,, •

•

geringe starke Behinderung der freien Elektronen großer Atomabsta nd

O~: 'Ö

2i

g

·'(I a:r:o

'äi

,-,

:0 (ij

I

~.,-Q ~. ?·~'-·-'~-·. . ,A-'' C) },~

GJ

wenig viele freie Ladungsträger entstehen { ) Temperaturdifferenzen werden in K (Kelvin) angegeben. Widerstandswert bei Temperaturänderung

Der Tem peraturbeiwert a gibt an, um wie viel Ohm derWiderstand von 1 0 bei einer Temperaturänderung von 1 K (Kelvin) größer oder kleiner wird. Kaltleit er haben ein en positiven, Heiß leit er ein en negativen Temperaturbeiwert (Tabelle 2). Beispiel:

ö. R R20

Wie groß ist der Drahtwiderstand einer Kupferw icklung (Tabelle 2) bei 1) 2 =80 •c, wenn bei einer Temperatu r von lt1 = 20 •c ein Widerstand von R20 = 30 0 gemessen w ird?

a

tJ.IJ = 1J2-1J1

[tJ.iJ] = K; [iJ] = oc

tJ.R = R20 · a · tliJ

[tJ.Rl = n 'K. K = n

Ra= R20 + tl R Rv = R20 (1 + a · tJ.iJ )

[a ]

R0 ö.ß

1

1

=K

Widerstandsänderung Widerstand bei 20 •c Widersta nd bei der Temperatur ß Temperaturbeiwert Temperaturänderung Anfangstem peratur Endtemperatur

Lösun : ö.it =it2-1t1 = so ·c- 2o •c = 60 K

ß1 it2

ö.R = R2o · a · M = 30 0 · 0,0039

Tabelle 2: Temperaturbeiwerte vo n Werksto ffen bei 20

K·60 K = 7,02 0

Ro= R2o + ö.R= 30 0 + 7,02 0 = 37,02 n

Wiederhol ungsfragen 1 Warum brennen Glühlampen meist b eim Einschalten durch? 2 Wie verändert Sieh der Widerstand bei Temperaturerhöhung von einem Widerst andsw erkstoff mit negativem Temperaturbeiwert?

' I

oc

Werkstoff

a in 1/K

Werkstoff

a in 1/K

Eisen Zin n Blei Zink Gold Silber

0,00657 0,0046 0,0042 0,0042 0,00398 0,0041

Kupfer Aluminium Messing Manganin Konstantan Kohle

0,0039 0,004 0,0015 0,00001 0,00004 -0,00045

IJDIIIIL___________________________________________________________VV ~i~d~e~rs~t~a~n~d~s~b~a~u~a~rt~e~n~ 2.10 Bauarten von Widerständen VViderstände teilt man nach der Bauart (Bild) ein. VVeiterhin unterscheidet man linea re VViderstände, z. B. Festwiderstände, und nichtlin ea re VViderstände, z. B. NTC-VViderstände.

I Widantinda

I

Festwiderstände

---c=::J-

J

H Drahtwiderstände I

I

_

c-

Metallschichtwiderstände

--7-

Die Schaltzeichen der Widerstände sind nach DIN EN 606 17 genormt.

Chipwiderstände

-j Massewiderstände

H

temperaturabhängige Widerstände -

Potenziometer~

Metallglasurwiderstände

-

Durch physikalische Größen veränderliche Widerstände

veränderbarer ~ Widerstand

'- einstellbarer Widerstand

Metalloxidwiderstände

I

Mechanisch veränder-1 bare Widerstände

HSchichtwiderstände I Kohleschichtwiderstände

~

I

-

-1.

I

I

NTC-Widerstände (Heißleiter) (Seite 39, 188) PTC-Widerstände (Kaltleiter) (Seite 39, 189)

magnetfeldabhängige 1 Widerstände (Seite 191)1

-P-

~ . spannungsabhängige 1 Widerstände (Seite 187)1

-sP-

-1· -1·

lichtabhängige 1 Widerstände (Seite 212)1 dehnungsabhängige 1 Widerstände (Seite 178)1

I

~ ~ ~

---c=::J-

-w-

Bild : Einteilu ng technischer Widerstände

Festwiderstände haben genormte Bemessungswerte (Nennwerte) mit einer zulässigen Toleranz, die in Prozent vom Bemessungswert angegeben wird. Die Normreihen dieser Nennwiderstände sind so aufgebaut, dass sie jeden Zwischenwert abdecken können. Die Bezeichnung der Norm reihe, z. B. E12, bedeutet, dass 12 VViderstandswerte von 1,0 bis 8,2 (Tabelle) innerhalb einer Dekade1 vorhanden si nd.

Tabelle: DIN-IEC-Reihen E6, E12 und E24

Die nach DIN IEC2 festgelegten E-Reihen und deren Taleranzen sind: E6 (± 20%), E12 (± 10%), E24 (± 5%), E48 (± 2%), E96 (± 1%) und E192 (± 0,5%). VViderstandswert und Fertigungstoleranz we rden durch Zah len oder Farbringe auf dem VViderstand gekennzeichnet. VViderstände bis einschließlich der Reihe E 48 haben 4 Farbringe (Tabelle, Seite 41). Sind VViderstände mit 5 Farbringen versehen, z. B. ab der Reihe E96, geben die ersten drei Ringe die drei Ziffern des VViderstandswertes, der vierte Ring gibt den Multiplikator an und der fünfte die Toleranz (siehe Tabellenbuch Elektrotechnik). Belastbarkeit von Widerständen. Sie hängt davon ab, wie gut die Stromwä rme an die Umgebung abgegeben werden kann. Hohe Belastbarkeit bedingt deshalb auch große Abmessungen. Man gibt die Bemessungsleistung von VViderständen in VVatt bei einer bestimmten Temperatur an, z. B. 1 VV bei 70 °C. 1

Dekade, von dekas (griech.): zehn ' DIN, Abk. für: Deutsches Institut für Normung; IEC, Abk. für: International Electrotechnical Commission

Beispiel: Welche Widerstandswerte entsprechen der Reihe E12?

Lösung: 0,1 0; 0,12 0; 0,15 0 ... 0,82 0 oder 1,0 0; 1,2 0; 1,5 0 ... 8,2 0 oder 10 0; 12 0; 15 0 ... 82 0 oder 100 0; 120 0; 150 0 ... 820 0 oder 1 kO; 1,2 kO; 1,5 kO ... 8,2 kO usw.

~W~i~d~e~rs~t=a~n~d~s~b~a~u~a~rt=e~n~------------------------------------------------------~1111[11 Die Belastbarkeit aller Widerstände hängt von der Baugröße und der Umgebungstemperatur ab. Drahtwiderstände bestehen aus einem Keramikkörper, auf den ein W iderstandsdraht, z. B. aus Konstanta n, gewickelt ist. Ansch lussfahnen, -schellen oder -kappen sorgen für die Stromzuführung. Zum Schutz vor Umwelteinflüssen werden Drahtwiderstände m it Lack, Zement oder Glas überzogen. Draht wide rstände werden etwa von 0,3 0 bis 500 kO m it Bemessungsleistungen bis 300 W geferti gt. Schichtwiderstände haben als Widerstandswerkstoffeine dünne Schichtaus kristalliner Kohle, einem Edelmet all oder einem Metalloxid z. B. auf einem Keramikkörper. Bei Metallschichtwiderständen trägt man eine Paste aus Met allen, Metallverbindungen und Glaspulver auf und brennt sie anschließend ein (Dickschichttechnik). Sollen sehr dünne Schicht en auf dem Keram ikkörper entstehen, dampft man die Metalle im Vakuum durch eine Maske auf (Dünnschichttechnik). Zum Schutz gegen Feuchtigkeit, hohe Umgebungst emperatur und m echanische Beschädigung erhalten Schichtwiderstände einen Überzug aus Lack, Kunstharz oder Silikonzement. Edelmetallschichtw iderstände sind bei gleichen Abmessungen höher belast bar als Kohleschichtwiderstände. Kohleschichtwiderstände sind unem pfi ndlich gegen kurzzeitige Überlastung (lmpulsüberlastung). Metallschichtwiderst ände sind temperaturstabil und haben besonders kleine Widerstandstoleranzen (bis zu± 0,005%). Ihr Wertebereich kann zwischen 0,1 mO bis 100 MO betragen. Chip-Widerstände werden für die Oberflächenmontage (SMD-Technik, Seite 568) mit einer Belastung bis 2 W hergestellt (Bild 2). Ihre Abmessungen passen zum Rast ermaß gedruckt er Schaltungen, z. B. zum 2,54-mm-Raster. Veränderbare Widerst ände werden als Stellw iderstände und als Drehwiderst ände (Bild 3) hergestellt. Die drei Anschlüsse bezeichnet man mit E (Eingang), S (Schleifkontakt) und A (Ausgang). Je nach Einstellung des Schleifkontaktes ändert sich der abgegriffene Widerst andswert zwischen S und A bzw. S undE. Auswahl von Widerständen. Je nach Anwendu ng werden Widerstände ausgewählt nach: • • • • •

Widerstandswert (Bemessungswert), Toleranz, Bemessungsleistung P (Bild 1), Widerstandsverhalten bei Temperaturänderu ng, Bauform (Bild 1).

4

7 X 10

± 5 %=:> 470Q±5 %

Chip· widerstände

#. .;·.:·-:· ~#. ••• • ~,

'§ ....;_~ Metallschichtw iderstände

Bild 1: Bauformen und Baugrößen vo n W iderständen

Lot••- ~ schlusse~· ' ~ ·6'

"'"' ' ~ 2:: ""'"'

\o/ider-

standssch1cht

Deck-

Bild 2: Aufbau eines Chip-Widerst andes

14

Schleifring

Schleifer

A

Bild 3: Drehwiderstand (Potenziom et er)

~

Elektrische Energie und Arbeit

2.11 Elektrische Energie und Arbeit 2.11 .1 Gewinnung elektrischer Energie Elektrische Energie lässt sich z. B. aus mechanischer Energie gewinnen. Im Wasse r eines hochgelegenen Stausees steckt potenzielle Energie. Strömt das Wasser in das tiefe rgelegene Kraftwerk, wird die potenzielle Energie zur Bewegungsenergie. Das Wasser verrichtet in der Turbine Arbeit (Bild 1). Die Turbine t reibt einen Generator an, der die mechanische Energie der Turbine in elektrische Energie umwandelt. Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Elektrische Energie kann aus erneuerbaren Energien, fossilen1 Energien oder aus der Kernenergie gewonnen werden (Bild 2).

Bild 1: W asserkraftwerk

Beispiel Wärmekraftwerk: Aufgabe eines WärmeW Kraftwerke, Seite 267 kraftwerks ist die Energieumwandlung mithilfe von Wärmeenergie. Die Wärmeenergie w ird z. B. aus der chem ischen Energie du rch Verbrennung von Kohle, Gas, Heizöl oder aus der Kernenergie durch Kernspaltung gewonnen. Im Dampferzeugerwird durch die Wärmeenergie aus WasserWasserdampf erzeugt. Der Wasserdampf treibt die Schaufelräder der Turbine an. Die Turbine ist mit dem Generator gekoppelt und wandelt die mechanische Energie (Bewegungsenergie) der Turbine in elektrische Energie um. Energie lässt sich nicht erzeugen, sondern nur umwandeln. Trotzdem nennt man Einricht ungen, die eine Energieform in elektrische Energie umwandeln, Erzeuger. Erzeuger sind z. B. Generatoren, Solarzellen oder Akkumu latoren (beim Entladen). Geräte, die elektrische Energie in andere Energiearten umformen, bezeichnet man als Verbraucher. Verbraucher sind z. B. Glühlam pen, Elektromotoren, Akkumulatoren (beim Laden) oder Lautsprecher. Die Umwandlung von elektrischer Energie in eine andere Energieform wird als elektrische Arbeit bezeichnet. Elektrische Energie ist eine hochwertige Energieform, weil sie sich o hne große Ve rluste in andere Energiearten überführen lässt, z.B. in mechanische Energie oder Wärmeenergie. 1

fossil (lat.) = ausgegraben, aus früher erdgeschichtlicher Zeit stammend

Elektrischer Energie Bild 2: Beispiele für die Gewinnung elektrischer Energie

~E~Ie~~~r~is~c~h~e~A~r~b~e~it~--------------------------------------------------------IIIIIEI 2.11 .2 Elektrische Arbeit kWh

Elektrische Spannung entsteht durch Ladungstrennung unter Arbeitsaufwand. Stellt man die Formel zur Berechnung der Spannung U = W/0 nach W um, so erhält man W= U· 0. Ersetzt man die Ladung Odurch 0 =I· t, so ergibt sich für die elektrische Arbeit

W = U · I ·t Die elektrische Arbeit Wist das Produkt aus der Spannung U, der Stromstär ke I und der Zeit t. Strompfad Spannungspfad

Die elektrische Arbeit ist dabei umso größer, • je größer die Spannung U, • je höher die Stromstä rke I u nd • je länger die Zeit t ist, in der ein Gerät elektrische Energie aus dem Netz entnimmt.

Bild: Elektrizitätszähler

ln der Praxis ist für die elektrische A rbeit die Einheit Kilowattstunde (kWh) gebräuchlich.

IO

1 kWh = 1000Wh =3 600000Ws=3 600000J

I

M essen der elektrischen Arbeit Indirekte Messung. Die elektrische Arbeit kann indirekt du rch Messen von Spannu ng U, Stromstärke I und der Zeit t mit anschließender Berechnung über die For mel W = U · I· t bestimmt werden. Direkte M essung. Elektrizitätszähler, oft nur als Zähler bezeichnet, messen die elektrische Arbeit direkt. Im Zähler (Bild) befinden sich eine Spannungsspule und zwei in Reihe geschaltete Stromspulen. Die Spannungsspule wird wie ein Spannungsmesser (Spannungspfad), die Stromspulen werden w ie ein Strommesser (Strompfad) geschaltet. Die magnetischen Wirkungen der Spulen versetzen die Zählerscheibe in Drehung. Ein Zählwerk zäh lt die Umdrehungen und zeigt die elektrische Arbeit direkt in kWh an.

liJ

u

W= W U

Elektrische Arbeit [W]=Ws; .I. t 1 Ws= 1 VAs =1 J

elektrische Arbeit Spannung

I

Stromstärke Zeit

Beispiel1 : Berechnen Sie die elektrische Arbeit, wenn eine Glühlampe an ei ner Spannung von U= 230 V angeschlossen ist und während einer Zeit von t = 4 h ein Strom I= 0,44 A fließt.

Lösung: W = U · I· t = 230 V · 0,44 A · 4 h = 404,8 Wh 0,405 kWh

=

( ) Elektrische Arbeit • • • •

Ele~rizitätszäh ler, Seite 166

Formelzeichen: W Einheitenname: Wattseku nde Einheitenzeichen: Ws Einheitenvorsätze (Beispiele): 1 mWs =0,001 Ws= 1 · 1Q-3 Ws 1 kWs = 1000 Ws = 1 · 10 3 Ws 1 MWs =1 000 000 Ws =1 · 106 Ws Kosten der elekt rischen Arbeit

Kosten der elektrischen Arbeit Der Abnehmer elektrischer Energie muss die verbrauchte elektrische Arbeit dem Verteilungsnetzbetreiber (VNB) bezahlen. Die Kosten der elektrischen Arbeit (Verbrauchsentgelt) ergeben sich aus der vom Zähler angezeigten verbrauchten elektrischen Arbeit und dem A rbeitspreis für eine kWh. Der Arbeitspreis ist je nach A rt des Verbrauchers, z. B. Industrie, Landwirtschaft, Haushalt, gestaffelt und richtetsich außerdem nach demjeweiligen VNB. Zur Berechnung der Gesamtkosten (Stromentgelt) müssen zum Verbra uchsentgelt noch der Leistungspreis (Bereitstellungspreis) und der Verrechn ungspreis (Zählermiete) hinzugerechnet werden.

VE=W · VP

(VE] = €

VE Verbrauchsentgelt

W

elektrische Arbeit in kWh

VP Arbeitspreis in €/kWh

Beispiel2: Ein Fernsehgerät nimmt an einer Spannung von 230 V einen Strom von 0,87 A auf. Berechnen Sie das Verbrauchsentgelt, wenn das Fernsehgerät 6 Stunden in Betrieb ist und der Arbeitspreis 0,20 €/kWh beträgt.

Lösung: W =U · I· t =230 V · 0,87 A · 6 h =1,20 kWh VE =W · VP =1,20 kWh · 0,20 €/kWh =0,24 €

~----------------------------------------------------------~E~Ie~k~t~ri~s~c_h~e~L~e_is~t~u_n~g Elektrische Leistung

2.12 Elektrische Leistung Wird eine bestimmte Arbeit W in einer gewissen Zeit t verrichtet. so spricht man von Leistung P. Diese Definition gilt für die m echanische Le istung und ebenso für die elektrische Lei stung. Die Einheit der Leistung ist Watt (W). Elektrische Leistung ist elektrische Arbeit pro Zeit. Setzt man für die elektrische Arbeit die Formel W= U · I · t ein, so ergibt sich für die Leistung:

P= W = U · I · t = U · I

t

t

Die elektrische Leistung ka nn man auch mit dem Widersta ndswert und der Spannung bzw. der Stromstärke berechnen. Über das ohmsehe Gesetz lässt sich ein Zusammenhang zwischen Leistu ng und Wid erstand herst ellen.

::)

1W P W U

Elektrische Leistung El ektrische Arbeit Spannung

= 1VAs = 1 VA s Stromstä rke Zeit

Beispiel 1: Ein Heizgerät für 230 V nimmt im Betrieb 8,65 A auf. Wie groß ist die aufgenommene elektrische Leistung?

Lösung: P = U · I= 230 V · 8,65 A = 1989,5 W

Die elektrische Leistung errechnet man aus Spannung mal St romstärke.

~ mit U = l · R

[P)= W

=2 kW

{ ) Elektrische Leistung • • • •

Formelzeichen: P Einheitenname: Watt Einheitenzeichen: W Einheitenvorsätze {Beispiele): 1 mW=0,001 W= 1 · 10-3W 1 kW = 1000 W = 1 . 103W 1 MW = 1 000 000 W = 1 · 106 W

P = U ·l

~ u mit I= -

100 90

R

P=l· R · l

::)

I l R I V:

mA

1-

P=U ·

u

R

-

----c:::::J- -

80 10

u

60 ::)

U2

P= l 2. R

::)

P=

R

50 40

ln einem Verbraucher mit konstantem Widerstand nimmt die elektrische Leistung mit dem Quadrat des Stromes zu, ebenso mit dem Quadrat der Spannung. Wird z. B. an einem konstanten Widerstand R= 100 0 die Spannung vo n U1 2 V auf U2 4 V verdop pelt, so steigt die Leistung von P, = 40 mW um das Vierfache auf P2 = 160 mW. ln einem Strom-Spannungs-Schaubild (Bild) ist die Ku rve für eine bestimmte Leistung, z. B. für P= 2 W, eine Hyperbel (Leistungshyperbel). An jedem Punkt der Hyperbel ist P= U · I = 2 W.

=

60 70 80 V 90

=

Eine Widerstandsgerade sch neidet diese Hy perbel im Punkt der höchstzu lässigen Spannung Umax und der höchstzulässigen Stromstärke 1max. Bei Gleichstrom darf man die Leistung immer mit P= U · I berechnen, bei Wechselstrom nur bei Wärmegeräten (ohmsche Widerstände).

W

1.,,. 30

Wechselstromleistung, Seite 134

u ___!!....

Bild: Leistungshyperbel für 2-W-Widerstände

Beispiel2: a) Ermitteln Sie aus dem Bild die Werte U max und Imax für einen Widersta nd von 2,2 kO, 2 W. b) Überprüfen Sie die Werte rechnerisch.

Lösung: a) aus Schaubild (Bild): Umax 66 V und I max 30 mA

=

=

b) u ma.= FR = J 2W · 2200n = 66,3V I mox

= ~ = ~ 2 ~;[6n = 0.03A

=E~Ie~k~t~ri~sc~h~e~L~e~is~t~u~n~g----------------------------------------------------------~ Messung der elektrischen Leistung Indirekte Messung. Die elektrische Leistung ka nn man indirekt aus den Messwerten einer Stromund Spannungsmessung (Bild 1a) mit der Formel P= U · I berechnen. Die Leistungsbestimmung mithilfe eines Elektrizitätszählers ist eine weitere Methode der indirekten Leistungsbestimmung . Auf dem Leistungsschild des Zä hlers (Bild 2) ist die Zählerkonstante C, angegeben. Sie gibt an, wie oft sich die Zählscheibe drehen muss, bis 1 kWh verbra ucht ist. Eine Farbmarkierung am Umfang der Zä hlerscheibe ermöglicht das Zäh len der Umdrehungen.

1=1.75A

P=21W

L•

12V

V

21 W

u=

u=

12V

12V

L-

La) indirekt

b) direkt

Bild 1: Indirekte und direkte Leistungsmessung

Arbeitsschritte bei der indirekten Leistungsmessung mithilfe eines Zählers: • Einschalten des Ve rbrauchers, dessen Leistung ermittelt werden so ll (alle anderen Verbraucher müssen ausgeschaltet sein). • Zählen der Umdrehungen der Zählerscheibe, die der zu messende Verbraucher, z. B. in einer Minute, verursacht. • Umrechnen der Umdrehungen der Zählerscheibe auf eine Stunde. • Berechnen der elektrischen Leistung in kWh mit der Formel P= n!C,. Direkte Messung. Die elekt rische Leistu ng ka nn mit einem Leistu ngsmesser direkt bestimmt werden (Bild 1 b). Ein Leistungsmesser besitzt v ier Anschlüsse, zwei für die Spannungs- und zwei für die Strommessung. Am Spannungspfad liegt die zu messende Spannu ng, und durch den Strompfad fließt der zu messende Strom. Die Anzeige entspricht dem Produkt aus anliegender Spannung U und f ließendem Strom I und damit der Leistung P. Bei der Einstellung des Spannungs- und Strommessbareichs ist darauf zu achten, dass weder der Strompf ad noch der Spannungspfad überlastet w erde n. Beim Leistungsmesser schließt man den Span nungspfad wie einen Spannungsmesser und den Strompfad wie einen Strommesser an.

-

(JJ

Leistungsmesser, Seite 168

Leistungsangaben. Bei elektrischen Betriebsmitteln ist auf dem Leistungsschild die Bemessungsleistung angegeben. Die Bemessungsleistung gibt die Leistung unter den angegebenen Betriebsbedingungen (z. B. Bemessungsspannung, Bemessungsstrom) an.

Form 0

Schltg. Bild 2: Leistungsschild eines Elektrizitätszählers Elektrische Leistung

n

[PI

P=c

=____!{b_ = kW 1/kWh

'

P n C1

Leistung Umdrehungen der Zählerscheibe je Stunde Zählerkonstante, Umdrehungen der Zählerscheibe je kWh

Beispiel: Nach einem Zähler mit der Zählerkonstanten C, = 150 1/kWh (Bild 2) ist nur noch ein Heizgerät eingeschaltet. Die Zählerscheibe dreht sich 5-mal in der Minute. Welche elektrische Leistung nimmt das Gerät auf?

Lösung: 5 · 60 · min/h n 1 min

n

300 1/h

=300 1/h; P= C, = 150 1/kWh =2 kW

{ ) Die angegebene Bemessungsleistung ist: • bei Elektrogeräten, z. B. einem Haartrockner oder Lötkolben (Tabelle), die aufgenommene Leistung, • bei Elektromotoren die abgegebene Leistung.

Tabelle: Leistungen von (Beispiele) Verbraucher Leistung Haartrockner 2000W Fernsehgerät 150W 8000 kW !CE-Antrieb

Verbrauchern Verbraucher Glühlampe Lötkolben Quarz-Uhr

Leistung 100W 60W 901JW

IIJIIIL-----------------------------------------------------------W ~i~rk~u~n~g~s~g~ra~d

2.13 Wirkungsgrad Versuch: Schließen Sie einen Transformator über einen Leistungsmesser an AC 50 V an (Bild 1). Belasten Sie den Transformator mit einem Stellwiderstand, z.B. 50 0, und messen Sie die Leistungsaufnahme und die Leistungsabgabe. Die Leistungsabgabe ist kleiner als die Leistungsaufnahme.

ln allen Energiewand lern, z. B. in Motoren, entstehen unerwünschte Nebenw irkungen. So erwärmt der elektrische Strom die Drähte der Motorwicklung. Auch das Eisenblech von Läufer und Ständer eines Motors wird erwärmt. Außerdem setzen sich Lage r- und Luftreibung ebenfalls in Wärme um. De n Tei l der aufgenommenen (aufgewendeten) Leistung, der in unerw ünschte Nebenwirkungen umgesetzt wird, nennt man Verlustleistung. Das Leistungsschaubild eines Motors (Bild 2) zeigt den Zusammenhang zwischen der aufgenommenen Leistung, der abgegebenen (ge nutzten) Leistung und den im Motor auftretenden Verlustleistungen. Der Wirkungsgrad 7J1 ist das Verhältnis von abgegebener Leistung zur aufgenommenen Leistung.

Bild 1: Bestimmen des Wirkungsgrades an einem Transformator Verlustleistun

und Wirkungs rad

Pv = P,u - Pab TJ = Pab;

TJ = T/1 • T/2

P,u

'1

[TJ] = 1

Wirkungsgrad (Leistungsverhältnis) Gesamtwirkungsgrad Einzelwirkungsgrade abgegebene Leistung aufgenommene Leistung Verlustleistung

Leistungsaufnahme

P,u= 1000W

Der Wirkungsgrad kann als Dezimalzahl (Tabelle) oder in Prozent angegeben werden. Er ist immer kleiner als 1 bzw. 100%, weil die Leistungsaufnahme immer größer ist als die Leistungsabgabe. Beispiel1 :

Verluste LUftung

Ein Motor nimmt 4,65 kW elektrische Leistung auf und gibt an der Motorwelle 4,0 kW mechanische Leistung ab. Berechnen Sie a) die Verlustleistung P. und b) den Wirkungsg rad '1 des Motors.

60

w

Reibung 50

w

Wicklungs- Eisenerwarmung erwarmung

100

w

40

w

Gesamte Verlustleistung P. =250 W

Bild 2: Leistungsschaubild eines Motors

Lösun : a) Pv= P,"- Pab= 4,65 kW - 4 kW= 0,65 kW 4 kW Pab b) 11 = p = 4 65 kW zu '

0,86 ~ 86%

Wande lt man in ei ner Anlage die Energieform mehrmals um, z. B. von elektrischer Energie in mechanische Energie und dann wiede r in elektrische Energie mit anderer Frequenz und/oder Spannung (Bild 3), erhält man den Gesamtwirkungsgrad TJ durc h Multiplikatio n der Einzelwirkungsgrade.

Tabelle: Wirkungsgrade (Beispiele) Verbraucher Wirkungsgrad '1 1 kW 0,75 Drehstrommotor Transformator 1 kVA 0,90 1 kW 0,95 Tauchsieder 0,15 Glühlampe 40W

Beispiel2: Berechnen Sie für den Frequenzumformer (Bild 3) a) den Wirkungsgrad 'IM des Motors, des Generators 1/G und b) den Gesamtwirkungsgrad 'I·

Lösun : ) _ Pab M _ 3,2 kW _ O 1IG = P3 bG _ 2,4 kW _ O75 a 11M- P,uM- 4kW - ' 8 P,uG- 3,2kW- ' b)

PabG 2,4kW 06 11 = P,u M = 4 kW = '

0

d

er

11 = '11 • '12 = 1/M · 'IG = 0,8 · 0,75 = 0,6

Bild 3: Frequenzumformer ' 'I griech. Kleinbuchstabeeta

~

Elektrowärme

~~~-----------------------------------~

2.14 Elektrowärme

Tabelle 1: Elektrowärme (Beispiele) Nutzwärme Verlustwärme Raumheizung Glühlampe Kochplatten Motor Lötkolben Transformator Tauchsieder Leitung

Wärme ist eine Energieform, die durch die Energie der ungeordneten Bewegung von Atomen oder Molekülen entsteht. Meistwird elektrische Energie unmittelbar in Wärme umgewandelt. Diese Wärme kann erw ünscht (Nutzwärme) oder nicht erwünscht (Verlustwärme) sein (Tabelle 1). Wärme hat die gleichen Einheiten wie Energie, z. B. Joule1 (J). Tem peratur. Den Wärmezustand eines Körpers kennzeichnet seine Temperatur. Zur Messung benützt man Thermometer. Als Einheit der Tem peratur ist das Grad Celsius 2 (°C) üblich. ln der Physik und Elektrotechnik wird meist bei Temperaturen mit der Einheit Kelvin 3 (K) gerechnet (0 K =-273,15 °C). Temperaturdifferenzen werden immer in Kelvin angegeben, z. B.ß = 1)2 - 1}1 =55 oc -20 oc = 35 K. Wärmekapazität. Einem Körper muss man Wärme zuführen, um seine Temperatur zu erhöhen. Ein Rückgang der Temperatur bedeutet dagegen Abgabe von Wärme. Aufgenommene bzw. abgegebene Wärme wird häufig auch als Wärmemenge bezeichnet. Die Wärmemenge, die zur Temperaturerhöhung eines Stoffes, z. B. Wasser, von 1 kg um 1 K notwendig ist, nennt man spezifische Wärmekapazität c (Tabelle 2). Je größer die spezifische Wärmekapazität ist, um so mehr Wärme kann ein Körper speichern.

I{)

Tabelle 2: Spezifische Wärmekapazität c Spezifische Wärmekapazität Stoff c in kJ/(kg · K) Aluminium 0,92 Kupfer 0,39 Stahl 0,46 Polyvinylchlorid 0,88 Wasser 4,19 Wärme, Wärmemenge

Die spezifische Wärmekapazität cgibt die Wärmemenge Q an, die eine Masse m =1 kg des Stoffes um 1 K erwärmt. Die zur Erwärmung erforderliche oder bei Abkühlung eines Körpers f rei werdende Wärme hängt von der Temperaturdifferenz 1}, der spezifischen Wärmekapazität c des Stoffes und der Masse m ab. Wärmeübertragung. Wärme wird immer von Stellen höherer Temperatur zu Stellen niedriger Temperatur übertragen. Dabei unterscheidet man Wärmeübertragung durch Wärmeleitung, z. B. in Metallen (Bild), durch Konvektion (Wärmeströmung), z. B. bei Gasen und Flüssig keite n, und durch Wärmestrahlung, z. B. bei Heizstrahlern . Der Wä rmeübertragung wird ein bestimmter Widerstand entgegengesetzt, den man thermischen Widerstand R1h nennt.

Ql

1 Ws= 1 J = 1 Nm

.

Q t,1} Q

m c tJ.D D,

iJ 2

= m · c · t.ß

=1)2 -

Wärmenut zungsgrad

m · c · t.ß p .t m · c · t-1}

p.t ~

QN Q5

tJ.iJ

c m P

Wärmenutzungsgrad Nutzwärme Stromwärme Temperaturdifferenz spezifische Wärmekapazität Masse Leistung Zeit

Beispiel: Ein 6-kW-Warmwasserspeicher erwärmt 80 I Wasser von 14 oc auf 55 oc in 45 Minuten. Berechnen Sie a) die Wärmemenge und b) den Wärmenutzungsgrad.

Lösun : a)

Q

= m · c · .M = 80 kg · 4,19 kJ/(kg · K) · (55 oc- 14 oc) = 13 743 kJ

b) ~= QN/ Q5 = 13743 kJ/(6 kW · 45 min · 60 s/min) = 0,85 ~ 85% 1

James Joule (sprich: dschul), engI. Physiker, 1818 bis 1889 'Anders Celsius, schw edischer Physiker, 1701 bis 1744 3 Lord William Kelvin, englischer Physiker, 1824 bis 1907 griech. Kleinbuchstabezeta

• t.

=J

Wärme, Wärmemenge Masse spezifische Wärmekapazität Temperaturdifferenz Anfangstemperatur Endtemperatur

Thermischer Widerstand, Seit e 195

Wärmenutzungsgrad. ln Elektrowärmegeräten entstehen Verluste dann, wenn ein Teil der Stromwärme (zugeführte elektrische Arbeit) durch Wärmeleitung, Wärmeströmung und Wärmestrahlung verloren geht. Die an der erwünschten Stelle, z. B. im Kochgut, auftretende Wärme bezeichnet man als Nutzwärme. Die Nutzwärme ist um die Verluste kleiner als die Stromwärme. Das Verhältnis von Nutzwärme zu Stromwärme nennt man Wärmenutzungsgrad , 4 .

[ Q]

1},

Bild: Wärmeleitung

a . J' - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ---=G:.:r...::uc:..n--=d--=b--=e'-"g"'-r:.: iff--=e:.....::: d:::_ e:... r :::. E--= Ie:..:.kt :.:r:...:o:....:t;:: e:::_ c:.: h:.: n:..:..: ik

1. Was versteht man a) allgemein unter Energie

8. a) Bestimmen Sie mit-

und b) warum kann Energie nicht erzeugt werden? c) Nennen Sie verschiedene Energiearten.

tels Farbkennzeichnung den Widerstandswert in Bild 2.

2. Von einem Siliciumatom wird durch Energiezufuhr ein Elektron aus der Atomhü lle entfernt. a) Wie nennt man den entstandenen Ladungsträger? b) Welche elektrische Ladung Q hat dieser Ladungsträger? 3.

Elektrofilter (Bild 1), z. B. in Kraftwerken, nutzen eine Eigenschaft der elektrischen Ladungen für die Flugascheabscheidu ng aus. Erklären Sie das Wirkungsprinzip des Elektrofilters.

Bild 2: Festwiderstand

b) Welche Farbkennzeichnung hat ein Widerstand mit dem Widerstandswert 47 kO ± 5%?

9. ln elektronischen Schaltplänen werden häufig zur Fehlersuche Messpunkte mit Potenzialwerten angegeben. a) Bestimmen Sie in der Schaltung (Bild 3) die Potenzialwerte cp2, cp3 und cp4 an den Messpunkten 2, 3 und 4 gegen Masse (Bezugspunkt) und b) ermitteln Sie die Spannung U34 •

Sprühst ab. negativ geladen

. ..••

pos1tiv geladene Niederschlagswand

J-{IIID- J

!.... ~::.

••

::·~

von den Sp1tzen abgespruhte Elektronen

_..~::· ::~

Staubteilchen mit angelagerten Elektronen

Klopfwerk "-

0

Bild 3: Schalt ungsausschnitt

10. Zeichnen Sie in einem Diagramm Aschetrichter Flugaschetransport ---- zur Siloanlage

Bild 1: Funktionsschema eines Elektrofilters

I= f(U) für eine Spannung von 0 V bis 24 V die Kennlinien für a) R1 = 220 0 und für b) R2 = 330 0 ein. c) Tragen Sie die Leistungshyperbel für 1 Wein und kennzeichnen Sie im Diagramm den Überlastungsbereich für beide Widerstände.

11 . Wie ändert sich die Stromstärke, wenn der Wi4. Welche elektrischen Teilchen ermöglichen einen elektrischen Stromfluss a) in Metallen und b) in leitenden Flüssigkeiten?

5. a) Nennen Sie die 5 Wirkungen des elektrischen Stromes und b) geben Sie je ein zugehöriges Anwendungsbeispiel an.

6. Warum muss ein Strommessgerät einen sehr kleinen Widerstand, z. B. 0,1 0, haben?

7 . Als Leitungs- und Geräteschutz müssen z. B.

1 Schmelzsicheru ngen in den Leitungsweg eingebaut werden. Erfu utern Sie den Zusammenhang zwischen der Stromdichte Jund der Temperatur -D in den Leitungsadern und in der Schmelzsicherung, wenn der Strom unzulässig hoch wird.

• Ergebnisse der Rechenaufgaben Seite 602.

derstand bei gleichbleibender Spannung den dreifachen Widerstandswert annimmt?

12. Berech nen Sie bei Raumtemperatur den Widerstandswert einer zweiadrigen Kupferleitung mit einer Leitungslänge von30m und einem Leiterquerschnitt von 1,5 mm 2 .

13. Erklären Sie, warum Metallfaden-Giühlampen gegen Ende ihrer Lebensdauer meist beim Einschalten durchbrennen. 14. Was versteht man unter der Belastbarkeit eines elektrischen Widerstandes?

15. An einem Heizwiderstand 230 V/800 W wird die Spannung auf 11 5 V verringert. Welche Leistung nimmt der Widerstand (Heizwiderstand bleibt g leich) nun auf? 16. Eine Cu-Spule (a =0,0039 1/K) nimmt bei 20 °C an DC 12 V eine Stromstärke von 0,5 A auf. Berechnen Sie die Stromaufnahme, wenn sich die Spule im Betrieb auf 80 °C erwärmt.

~R~e~ih~e~n~s~c~h~a~lt~u~n~gL------------------------------------------------------------~

3

Grundschaltungen der Elektrotechnik

3.1

Reihenschaltung

Bei der Reihenschaltung sind die einzelnen Verbraucher,z. B. Glühlampen, so geschaltet, dass sie vom selben Strom durchflossen werden. Die Reihenschaltung nennt man auch Hintereinanderschaltung.

3.1 .1

Bild 1: Reihenschaltung, Messen des Stromes

Gesetze der Reihenschaltung

Versuch 1: Schalten Sie zwei Glüh lampen gleicher Leistung in Reihe an einen Spannungserzeuger. Messen Sie den Strom vor, zwischen und nach den beiden Verbrauchern (Bild 1). Vergleichen Sie die Messergabnisse miteinander. Alle Strommesser zeigen die gleiche Stromstärke an (11 =/2

=/3).

Die Stromstärke ist in der Reihenschaltung an allen Stell en gleich, weil der Strom sich bei d ieser Schaltung ni cht verzweigt. ln der Reihenschaltung fließt überall derselbe Strom. Versuch 2: Schalten Sie zwei Verbraucher, z. B. zwei Glühlampen verschiedener Leistung, in Reihe an einen Spannungserzeuger und messen Sie alle Spannungen (Bild 2). Vergl eichen Sie diese Spannungen.

Bild 2: Reihenschaltung, Messen der Spannungen

Die Teilspannungen an den Verbrauchern sind zusammen so groß wie die angelegte Spannung (Gesamtspannung).

Bei d er Reih enscha ltung liegt an jedem Verbraucher ein Teil der Gesa mtspannung . Die Gesamtspannung teilt sich an den einzelnen Wide rständen auf (Spannungstei lung).

Teilspannungen U=

u1+ U2 + ...

U

Gesa mtspannung U,, U2 Teilspannungen, Verbraucherspann ungen

Bei der Reihenschaltung ist die Summe der Teilspannungen an den Verbrauchern so groß wie die angelegte Spannung. Maschenregel

Erzeuger und Verbraucher in Versuch 2 sind so geschaltet, dass sie einen geschlossenen Weg, eine so genannte Masche bilden. Allgemein kö nnen sich in einer Ma sche mehrere Verbraucher und mehrere Erzeuger befinden (Bild 3). Auch die erzeugten Spannungen (Erzeugerspannungen, Seite 62) werden mit einbezogen. Es gilt die Maschenregel (2. kirchhoffsche1 Regel): ln einer Masche ist die Summe der Erzeugerspannungen (Quellenspannungen) und der Tei lspannungen an den Verbrauc hern null. Bei der Anwendu ng der Maschenregel si nd die Umlaufrichtung (frei wäh lbar) und die Spannun gspfeil e zu berücksichtigen. ln Umlaufrichtung zeigend e Spannungspfeile we rden positiv gezählt, entgegengesetzte Spannungspfei le negativ.

Bild 3: Masche

Versuch 3: Wiederholen Sie Versuch 2, messen Sie aber auch die Stromstärke. Berechnen Sie aus Strom, Teilspannung en und Gesamtspannung die Widerstände der beiden Verbraucher und den Gesamtwiderstand der Reihenschaltung. Der Gesamtwiderstand R der beiden Verbraucher ist gleich d er Summe der Einzelwiderstände R, und R2•

!:!_ I 1

= U1 I

+ U2 I

~

R

=R1+ R2

Gustav R. Kirchhotf, deutscher Physiker, 1824 bis 1887

'f..U=O U01 + U02 - U2 - U 1 =0 U01 + U02 = U1 + U2

r.u

Summe aller Spannungen Erzeugerspannungen Verbraucherspannungen

~~------------------------------------------------------------~R~e~ih~e~n~s~c~h~a~lt~u~n~g Gesamtwiderstand

Bei der Reihenschaltung ist der Gesamtwiderstand gleich der Summe der Einzelwiderstände. Den Gesamtwiderstand R einer Schaltung nennt man auch Ersatzwiderstand. Ein solcher W iderstand nimmt an dergleichen Spannung die gleiche Stromstärke aufwie die Einzelwiderstände zusammen.

R=R, + R2 + ... R

R,, R2

Gesamtwiderstand (Ersatzwiderstand) Einzelwiderstände

-

Beispiel:

I

Zwei Widerstände, R, = 27 0 und R2 = 80 0, sind in Reihe geschaltet und liegen an einer Span nung von 230 V (Bild). Berechnen Sie a) den Ersatzwiderstand, b) die Stromstärke, c) die Teilspannungen, die an den Einzelwiderständen, liegen und d) die Gesamtspannung.

Lösung:

u

a) R = R, + R2 = 27 0 + 80 0 = 107 !l

)~

U 230V b) I =R= 1070 =2,15A c) U, = I· R, = 2,15 A · 27 0 = 58 V

U2 = I · R2 = 2,15 A · 80 0 = 172 V d) U = U, + U2 =58 V+ 172 V= 230 V

Da in der Reihenschaltu ng überall derselbe Strom fließt, ist die Spannung am größten Widerstand am größten und die Spannung am klein sten Widerstand am kleinsten.

Bild: Strom, Spannungen und Widerstände in einer Reihenschaltung Spannungsteilung

Bei der Reihenschaltung fällt am größeren Widerstand auch die größere Spannung ab. Ve rgleicht man die Werte der Teilspannungen und dann die der Einzelwiderstände, so erkennt man, dass sich die Teilspannungen zueinander w ie die Einzelwiderstä nde verhalte n (Beispiel).

u,_ R, u 2- R2

u

u,, U2

.!:!J_ß u2- R2

R

Ebenso verhä lt sich die Teil spannung zur Gesamtspannung wie der zugehörige Einzelw iderstand zum Gesamtwiderstand.

Gesamtspannung Teilspannungen Gesamtwiderstand (Ersatzwiderstand) Einzelwiderstände

bzw.

Bei der Reihenschaltung verhalten sich die Spannungen wie die zugehörigen Widerstände. Anwendungen der Reihenschaltung. Verbraucher, z. B. Glühlampen, werde n selten in Reihe geschaltet. Fällt nämlich ein Ve rbraucher aus, so ist der Stromkreis unterbrochen. Bei Christbaumbeleuchtungen wird die Reihenscha ltung jedoch angewendet. Um bei solchen Beleuchtungen zu verhindern, dass beim Durchschmelzen einer Lampenwendel der Stromkreis unterbroch en wi rd, überbrückt man jede La mpe mit einem Heißleit er (Seite 188). Beim Unterbrechen der Lampenwendel fließt dann ein größerer Strom durch den Heißleiter, der sich dadurch mehr erwärmt. Sein Widerstand verringert sich dann, sodass er als Stromweg für die ausgefa llene Lampe dienen ka nn. Spannungserzeuger, z. B. galvanische Elemente, können ebenfalls in Reihe geschaltet werden (Seite 62). Auch beim Fließen des elektrischen Stromes durch den menschlichen Körper liegt eine Reihenschaltung von Widerständen (Übergangs- und Durchgangswiderstände, Seite 321 ) vor. M ehrere Aus-Taster, z. B. fü r die Sicherheitsschaltung bei Motoren, werden ebenfalls in Reihe (Seite 111) geschaltet.

~V~o~nN~id~e~r~s~ta~·n~d~e~------------------------------------------------------------IIIIGIJ I

-

3.1.2 Vorwiderstände

I

Versuch: Schalten Sie eine Glühlampe 12 V/0,1 A in Reihe mit einem ve rstellba ren Widerstand von mindestens 150 Q (Bild 1). Achten Sie darauf, dass der höchste Widerstandswert eingestellt ist. Legen Sie die Schaltung über ein Netzgerät an 24 V und stellen Sie den W iderstand so ein, dass der Strommesser 0,1 A anzeigt. Messen Sie die Spannung an der Lampe. An der Glühlampe liegt eine Spannung von nur 12 V.

Elektrogeräte können durch Vorschalten eines Widerstandes (Vorw iderstand) an eine Spannung gelegt werden, die höher als ihre Bemessungsspannung ist.

u Bild 1: Vorwiderstand

Der Vorwiderstand Rv (Bild 1) muss dabei so bemessen sein, dass von ihm die Spannungsdifferenz U1 =U- U2 aufgenommen wird und er gleichzeitig den Strom in der Schaltung auf den Bemessungsstrom des Verbrauchers begrenzt. Man verwendet Vorwiderstände z. B. zum Herabsetzen des Anlaufstromes von Elektromotore n (Anlasser siehe Seite 473). Auch Glimmlampen, Spannungsprüfer mit eingebauter Glimmlampe sowie viele Halbleiterbauelemente, z. B. Z-Dioden, Leuchtdioden (Bild 2) und Tra nsistoren, benötigen zu r Strombegrenzung Vorwiderstände. ln Vorwiderständen wird Wärme erzeugt (Verlustleistung, Pv = Uv · I= 2 • Rvl· Wegen dieser unerwünschten Nebenwirkung verwendet man die Spannungsreduzierung durch Vorwiderstände nur bei Verbrauchern mit kleiner Leistu ng.

/

Vorwiderstand

RV

_.!:!1._ u- u2 -

I -

I

Rv

Vorwiderstand U Gesamtspannung U,, U2 Teilspannungen I Stromstärke

Rv

P1

Beispiel1 : Auf welchen Wert wurde im Versuch der ve rstellbare Widerstand Rv eingestellt?

Lösun :

R.=

U-U2 I

=

24V - 12V 0,1 A

=120 n

VF

Bild 2: Leuchtdiode mit Vorwiderstand

Vorwiderstand von Leuchtdioden Beispiel2: Eine Leuchtdiode CQX 35 w ird an die Spannung U, = 12 V DC angeschlosse n. Der Strom /F soll10 mA betragen. a) Entnehmen Sie aus der Kennlinie (Seite 615) die Durchlassspannung UF. b) Berechnen Sie den Vorwiderstand R•. c) Wählen Sie einen Vorwiderstand nach der Reihe E12. d) Wie groß ist der maximale Durchlassstrom der Leuchtdiode? e) Welchen Wert darf der Vorwiderstand nicht unterschreiten?

Lösung: a) Aus der Kennlinie Seite 615: UF = 1,63 V b)

R.,= U, - UF= 12V - 1,63V = 1037 n /F

10 mA

c) Gewählt nach E 12:

R., = 1 kfl

d ) IFmax =50 mA

e) Aus Kennlinie: UF

=1,72 V

R.,= U, - UF= 12V-1,72V /Fmax

50 mA

=20Gfl

~

Anschlussspannung Durchlassspannung Durchlassstrom ',_ •.",,jrfP.rstand

-

Spannungsfall an Leitungen

3.1.3

Spannungsfall an Leitungen

Versuch 1: Schließen Sie eine Glühlampe 4,5 V/1 A über eine etwa20m lange Leitung aus Kupferdraht (0 0,6 mm) an ein Netzgerät an (Bild). Messen Sie die Spannung an den Klemmen des Spannungserzeugers un d die Spannung an der Glühlampe. Vergleichen Sie die Spannungen mitein ander.

Ru 9

- 2-

Die Spannung an der Lampe ist kleiner als die Spannung an den Klemmen des Spannungserzeugers.

Auch Leitungen haben einen Widerstand (Bild). Im Stromkreis sind Verbraucher und Leitung in Reihe geschaltet. Die angelegte Spannung verteilt sich auf die Hin Ieitung, den Verbraucher und die Rückleitung. An Hin- und Rückleitung fä llt ein Teil der angelegten Spannung ab. Dieser so genannte Spannungsfall t:J.U an den Leitern, frü her Spannungsabfall genannt (wie die Spannung an Vorwiderst änden), steht dem Verbraucher nicht mehr zur Verfügung. An jedem stromdurchflossenen Leiter tritt ein Spannungsfall auf.

~

e infache tl U LeitungslängeT

Bild: Spannungsfall an Leitungen

Versuch 2: W iederholen Sie Versuch 1 und schalten Sie parallel zu der Glühlampe eine zweite Lampe von 4,5 V/1 A.

Spannungsfall

Beim Einschalten der zweiten Lampe geht die Spannung noch weiter zurück.

t:J.U=

Ein größerer Strom bewirkt an den Leitungen einen größeren Spannungstall tlU. Der Spannungsfall ist außer von der Stromst ärke auch vom Leitungswiderstand Ru 9 (Seite 38) abhängig. Der Spannungsfall der Leitung wird umso größer, je größer der Strom im Leiter und je größer der Leiterwiderstand ist.

t:J.U =I· Ru 9 tlu = t:J.U · 100 %

u

i'J.U Spannungsfall U1

Der Spannungsfall an Leitungen verursacht Energieverluste, die in Wärm e umgewandelt werden. Man versucht daher, ihn möglichst klein zu halten. Der zulässige Spannungsfall an Leitungen (Seite 306) ist vom VDE (Verband der Elektronik, Elektrotechnik, Informationstechnik e.V.) und von dem jeweiligen VNB (Verteilungsnetzbetreiber) vorgeschrieben.

u,- u2

U2 I

Ru9 i'J.u

Spannung am Leitungsanfang (Netzspannung) Spannung am Leitungsende (Verbraucherspannung) Leiterstrom Widerstand der Verbindungsleitungen prozentualer Spannungsfall

Beispiel: Eine zweiadrige Leitung aus 1,5 mm2 Kupfer mit der Länge I= 10m ist mit 13 A belastet. Wie groß ist a) der Spannungstall i'J. U an dieser Leitung in V und b) der prozentuale Spannungsfall i'J.u in % der Netzspannung von 230 V?

Lösung: 2 ·/ = a) RLtg = -

y· A

2 ·10m_ __

----==-~:...:..:..:

56

m

2

O·mm

= 0,238 0

· 1,5 m m 2

tJ.U =I· RLtg = 13 A · 0,238 0 = 3,1 V b) tJ.u = i'J.U·100 %= 3,1V · 100 % = 1 35 % U 230V '

Wiederholungsfragen 1 Wie werden Verbraucher in Reihe geschaltet? 2 V ergleichen Sie bei der Reihenschaltung die Teilspannungen und die zugehörigen Widerst ände. 3 W elcher Zusammenhang besteht bei einer Reihenschaltung zwischen Ersat zwiderstand und den Einzelwiderständen? 4 Welche Aufgabe hat ein Vorwiderstand? 5 W elchen Nachteil haben Vorwiderstände?

6 Wie w ird der M essbereich eines Spannungsmessers erweitert? 7 Erklären Sie den Begriff Spannungsfall. 8 Von welchen Größen hängt der Spannungsfall an einem Leiter ab? 9 Nennen Sie den zulässigen Spannungsfall nach a) DIN VDE und b) TAB. Beachten Sie dazu die Seite 306.

Parallelschaltu ng

3.2

Parallelschaltung

Bei der Parallelschaltung sind jeweils alle Stromeintrittsklemmen und alle Stromaustrittsklemmen miteinander verbunden. Versuch 1: Schalten Sie drei Verbraucher, z. B. Glühlampen, parallel an einen Spannungserzeuge r. Messen Sie nacheinander die Spa nnungen am Spannungserzeuger und an jedem einzelnen Verbraucher (Bild 1) und vergleichen Sie die Messwerte miteinand er. Oie Spannungen an den Verbrauchern und am Spannungserzeuger sind gleich groß (U =U1 =U2 =U 3).

Bild 1: Parallelschaltung, M essen der Spannungen

-

An parallel geschalteten Verbrauchern liegt dieselbe Spannung.

I

Bei der Parall elschaltung ist der Gesamtstrom gleich der Summe der Teilströme (Zweigströme).

v2

~ /3

I = I, + /2 + /3 Gesamtstrom, Strom in d er Zuleitung I 1, I 2, I 3 Teilströme, Zweigströme

Knotenpunktregel (1 . kirchhoffsche Regel)

!./ =0 !. lzu = !. I ab

An jedem Knoten ist die Summe der zufließenden Ströme so groß wie die Summe der abfließenden Ström e.

I, + /2 = /3 + /4 + ls r.J,u r.J•b

Summe der zufließenden Ström e Summe der abfließenden Ströme

Für 2 parallele Widerstände gilt:

U, = U2; /1 · R, = / 2 · R2

Durch den größeren Widerstand fließt der kleinere Strom Und durch den kleineren Widerstand der größere.

An den Widerständen liegt bei Parallelschaltung dieselbe Spannung. Deshalb verhalten sich die Teilström e umgekehrt wie die zugehörigen Widerstandswerte.

-

Gesamtstrom

Punkte, an denen sich Ströme verzweigen, werden auch als Knot enpunkte (Bild 2) bezeichnet. A n einem Knotenpunkt können mehrere Ströme zufließen (positiv gezählt) und mehrere Ströme abfließen (negativ gezählt). Es gilt dann d ie Knotenpunktreget (1. kirchhoffsche Regel):

Versuch 3: Schalten Sie zwei verschieden große Widerstände parallel, z. B. 47 n und 100 n, und sch li eßen Sie diese Wider stände an einen Spa nnungserze uger an. Messe n Sie nacheinander die Teilströme und vergl eichen Sie die M essw erte mit den W iderständen.

Knotenpunkte

Bild 2: Parallelschaltung, Messen der Ströme

Die Stromstärken in den einzelnen Verbrauchern ergeben zusammen die Stromstärke in der Zuleitung.

Der Strom in der Zul eitung verzweigt sich auf die einzelnen Verbraucher. Man nennt d ie Ströme in den einzelnen Verbrau chern Zweigströme oder Teilströme.

,-·7

.--(

~ t,

Durch die Parallelschaltung ist es möglich, gleichzeitig mehrere Verbraucher unabhängig voneinander an dieselbe Spannung anzuschließen. Daher schaltet man am Ortsnetz angeschlossene Verbraucher parallel. Versuch 2: Schalten Sie drei parallel geschaltete Verbraucher, z. B. 3 Glühlampen 12 V/0,1 A, an einen Spannungserzeuger. Messen Sie nacheinander die Stromstärke in der Zuleitung und die Stromstärken der einzelnen Verbraucher (Bild 2). Vergleichen Sie die Strö me miteinander.

A

/1 _

J;I ,, I 2

R,, R2 U1, U2

R2 R,

Zweigströ me, Teilströme Einzelwiderstände Teilspannungen

e.I._______________________________ _:P....:a:..:r:.::a....:ll:.::e.:.:ls:.:c::.:h:.::a....:lt:.::u::.:n:.;zg Bei der Parallelschaltung verhalten sich die Stromstärken umgekehrt wie die zugehörigen Widerstandswerte. Der größere Strom fließt also durch den kleineren (niederohmigeren) Widerstand. Versuch 4: Schließen Sie einen Verbraucher, z. 8. eine Glühlampe, an ein Netzgerät mit gleich bleibender {stabilisierter) Ausgangsspannung an. Messen Sie den Strom in der Zuleitung und die Spannung am Verbraucher. Schalten Sie nacheinander ei nen zweiten und dritten Verb rauche r parallel, z. 8. Glüh lampen, und beobacht en Sie die Anzeige von Spannungs- und Strommesser.

Bei der Parallelschaltung weiterer Verbraucher nimmt die Stromstärke in der Zuleitung zu, während die Spannung an den Verbrauchern etwa gleich bleibt; der gesamte Widerstand der Parallelschaltung wird also kleiner.

Den gesamten Widerstand der Parallelschaltung nennt man auch Ersatzwiderstand R. Er kann die Teilw iderstände ersetzen. Bei gleicher Spannung nimmt er den g leichen Strom auf wi e die parallel geschalt eten Einzelwiderstände zusammen. Bei der Parallelschaltung ist der Ersatzwiderstand stets kleiner als der kleinste Einzelwiderstand. W ie sich bei der Parallelschaltung die Zweigströme zum Gesamtstrom summieren, so summieren sich auch die Einzelleitwerte der einzelnen Zweige zum Ersatzleitwert G der Parallelschaltung. Durch Parallelschalten w ird der Leitwert also größer. Bei der Parallelschaltung ist der Ersatzleitwert gleich der Summe der Einzelleitwerte. Ersatzwiderstand Ersatzleitwert

Beispiel1 : Berechnen Sie den Ersatzwiderstand R für die beiden Widerstände {Bild) mithilfe der Einzelleitwerte.

I = I, + I2 + I3 + ...

Lösung: 1

!:!.=_!:!.._ +_!:!.._ +_!:!.._+ ... 1

G, = - = - - = 20 mS; R, 50Q G = G, + G2 = 20 mS + 10 mS = 30 m S = 0,03 S

R=

1

1

G = 0 03 s

R

R 1 = 50 Q

~--R~~~Q--~

R,

R2

R3

..l.=_l_+_l_ +_l_+ ... R R, R2 R3

= 33,33 Q

G = G, + G2 + G3 + ... Bild: Parallelschaltung von zwei Widerständen

R R,, R2

...

G

Bei zwei ve rschieden großen, parallel geschalteten Wide rständen lässt sich die Formel zur Berechnung des Ersatzw iderstandes Rvereinfachen:

G,, G2 ...

Ersatzwiderstand Einzelwiderstände Ersatzleitwert Einzelleitwerte

Für 2 parallel geschaltete Widerstände gilt:

1

1

R

R,

- =Beispiel2:

1

+R2

..!__ R, + R2

Berechnen Sie den Ersatzwiderstand aus Beispiel 1 nach der Formel für zwei parallel geschaltete Widerständ e.

R - R, · R2

Lösun :

R= R,. R2 R, + R2

R = R, · R2 = 50 Q · 100 Q = 33 33 0 R, + R2 50 0 + 100 Q '

Für n gleiche parallel geschaltete Widerstände:

Bei n gleich großen W iderständen ist der Ersatzwiderstand der Parallelschaltung gleich demn-ten Teil eines Einzelwiderstandes, also R= R1/n. Anwendung der Parallelschaltung. Glühlampen, elektrische Haushaltsgerät e oder Elektromotoren werden für genormte Spannungen, z. B. 230 V, hergestellt. Sie werden daher parallel an das Netz geschaltet. Generatoren, Transformatoren und galva nische Elemente schaltet man parallel, wenn große Ströme geliefert werden sollen (Seite 62).

R= R, n R R,

n

Ersatzwiderstand Einzelwiderstand Anzahl g leicher Widerstände

I

'

Gemischte Schaltu

3.3

i ler

Gemischte Schaltungen

ln der Praxis kommen häufig Schaltungen vor, die aus der Kom bination von Reihenschalt ungen und Parallelscha ltungen bestehen (Bild 1). Solche Schaltungen bezeichnet man als gemischte Schalt ungen oder Reihen-Parallel-Schaltungen. Gemischte Schaltungen nennt man auch Gruppenschaltungen. Gruppenschaltungen bestehen aus mindestens drei Bauelem enten. Werden mehrere gemischte Schalt ungen miteinander verknüpft, so spricht man vo n einem Netzwerk. Zur Ermittlung d es Ersatzw iderstandes gemischter Schaltu ngen geht man wie folgt vor: • Die Schaltung löst man vo n i nnen nach außen auf. • Zusammenfassen von Reihen- oder Parallelschaltungen zu einem Ersatzwiderstand (1. Schritt in Bild 1) nach den Gesetzen der Reihen- und Parallelschaltung. • Die neu entstandenen Schaltungen, die als Reihen- oder Parallelschaltu ngen vorliegen, sind wieder zu einem Ersatzwiderstand zusammenzufassen (2. Schritt in Bild 1). • Schritte wiederholen, bis nur noch ein Ersatzwiderstand vorliegt (3. Schritt in Bild 1).

...

R, = 560Q

c=:::J

~Q

~

2.Schritt: z.-tlmenfassen von

3.3.1 Spannungsteiler Elektrogeräte und elektronische Geräte benötigen oft eine Spannung, die von null bis zur Höchstspannnung einstellbar ist. So kann man z. B. die Helligkeit einer Glühlampe, den A rbeitspunkt eines Verstär kers oder die Drehzahl eines Gleichstrommotors d urch Ändern der angelegten Spannung verstellen. Bei der Helligkeitseinstellung von Glühlampen w ird eine nahezu ve rlustlose Einstellung der Verbraucherspannung, z. B. mithilfe von Tr iacs in einer Dimmerschaltu ng (Seite 251), vorgenommen. Bei Schaltungen mit kleiner Leist ung, z. B. bei Verstärker-Eingängen, lässt sich die veränderbare Spannung auch durch eine Reihenschaltung von Festwiderständen (Bild 2) oder mit Stellwiderständen (Potenziometer) (Bild 3) herstellen. Diese Schaltungen beruhen auf dem Prinzip der Spannungsteilung. Der Spannungsteiler besteht aus zwei in Reihe geschalteten Widerständen R1 und R2 (Bild 2). An den beiden äußeren Anschlüssen der Reihenschaltu ng liegt die Spannung U; am Widerstand R2 w ird die Teilspannung bzw. Ausgangsspannung U2 bzw., wenn kein Verbraucher angeschlossen ist, d ie Spannung U20 (Leerlaufspannung) abgegriffen. Wird derWiderstand R mit einem verstellbaren Abgriff versehen, z. B. einem Schleifer, so kann man die Ausga ngsspannung U20 von null Volt bis zur Betriebsspannung Ustetig ve rändern (Bild 3). Je nach Wert der Widerstände R, und R2 bzw. der Stellung des Schleifers beim Potenziometer (Bild 3) kann die Spannung U20 die Werte U20 = U (Schleifer ganz oben) oder U20 =0 V (Schleifer ganz unten) annehm en.

3.Schritt: Zusamn Mli ofassel• von R,23 und

R = 96Q

...

Ersatz-

----c:::::::J-- widerstand

Bild 1: Gemischte Schaltung

-I

u

R1 [ ]

!u~

R2 []

~ U1o

Bild 2: Spannungsteiler m it Festwiderständen

Mit einem stufenlos verstellbaren Widerstand (Potenziometer) kann man die Ausgangsspannung von null bis zur Betriebsspannung einstellen. Im. Gegensatz zu Schalt ungen mit einem Vorwiderstand, kann man beim Spannungsteiler die Spa nnungsänder ung auch im Leerlauf, d. h. ohne angeschlossenen Ve rbraucher, einstellen.

Bild 3: Spannungsteiler mit Potenziometer

R

~~------------------------------------------------------------~S~p~a~n~n~u~n~g~s~te=i~le~r Man unterscheidet unbelastete und belastete Spannungsteiler. Unbelasteter Spannungsteiler. Dem unbelasteten Spannungsteiler (Bild 1) wird kein Strom entnommen. Diesen Fall nennt man Leerlauf. Die Gesamtspannung U wird in die Teilspannungen U, und U20 aufgeteilt. Die Leerlaufspannung U20 verhält sich zur Gesamtspannung U wie der Widerstand R2 zum Gesamtwiderstand R (R = R1 + R2 ).

Unbelasteter Spannungsteiler

U U20

Gesamtspannung Teilspannung bei Leerlauf (Leerlaufspannung} R,. R2 Spannungsteilerwiderstände

Beispiel: Ein unbelasteter Spannungsteiler mit den Spannungsteilerwiderständen R1 =82 n und R2 =220 n liegt an einer Gesamtspannung von U=40 V. Wie groß ist die Spannung am Widerstand R2?

Lösung: R2 U2 o= R1 + R2

•

220 Q · 40 V U= 82!1 + 220!1

8800Q·V _ V 291 302!1 '

Die Teilspannungen lassen sich auch zeichnerisch bestimmen (Bild 1). Für den Wide rstand R2 ergibt sich im Kennlinienfeld eine ansteigende Ursprungsgerade. Die Kennlinie für R1 ist eine fallende Gerade, die auf der Stromachse beim Kurzschlussstrom Ik = UIR1 (für R2 = 0 Q) beginnt und auf der Spannungsachse bei der Gesamtspannung U endet. Der Schnittpunkt A (Arbeitspunkt) beider Geraden ergibt, projiziert auf die waagerechte Achse, die Spannungsteilung und in der Projektion auf die senkrechte Achse den Strom I der Schaltung.

Bild 1: Bestimmung der Teilspannungen beim unbelasteten Spannungsteiler (Arbeitspunkt}

Belasteter Spannungsteiler. Ein Spannungsteiler ist belastet, wenn ein Verbraucher RL angeschlossen ist und ein Strom /L entnommen wird (Bild2). Versuch: Bauen Sie die Spannungsteilerschaltung Bild 2 mit einem Stellwiderstand R = 100 n auf. Legen Sie eine Spannung von 24 V an. Schalten Sie parallel zu R2 einen Lastwiderstand RL= 47 n. Messen Sie die Spannungen und den Gesamtstrom bei geschlossenem und bei geöffnetem Schalter.

Bild 2: Messschaltung des belasteten Spannungsteilers

Belasteter Spannungsteiler

Bei geschlossenem Schalter ist die Spannung U 2 kleiner und der Gesamtstrom größer als bei geöffnetem Schalter.

Durch den Lastwiderstand RL fließt der Laststrom /L und durch den Widerstand R2 der Querstrom Iq. Durch R, fließt die Summe der beiden Ströme I = / L + l q. Bei Belastung wird der aufgenommene Strom I größer, weil der Ersatzwiderstand R2L der Parallelschaltu ng von R2 und RL kleiner ist als R2 • Damit wird aber auch der Gesamtwiderstand des Spannungsteilers kleiner als im unbelasteten Zustand. Die Teilspannung U2 des belasteten Spannungsteilers verhält sich zur Gesamtspannung U w ie der Ersatzwiderstand R2 L der Parallelschaltung zum Gesamtwiderstand R (R = R, + R2d. Belastet man den Spannungsteiler mit unterschiedlichen Lastwiderständen RL, so stellt man fest, dass die Ausgangsspannung U 2 umso weniger von der Leerlaufspannung U20 abweicht, je größer der Lastwiderstand RL gegenüber dem Teilwiderstand R2 ist. Dann ist der Querstrom Iq größer als der Laststrom IL. Ausgedrückt wird dies durch das Querstromverhältnis q, q = /ql/ L. Je nach Anforderung wählt man Werte für das Querstromverhältnis q von 2 bis 10. Die Ausgangsspannung U 2 des belasteten Spannungsteilers ist umso stabiler, je größer der Querstrom Iq gegenüber dem Laststrom IL ist.

R1

u R2

u2= u .R,____f!11_ + R2L R - R2 RL 2L - R2 + Rl 0

q=

!s_

= RL

/L

R2

RL Lastwiderstand R1, R2 Spannungsteilerwiderstände R2L Ersatzwiderstand aus R2 und RL U Gesamtspannung U2 Teilspannung bei Belastung /L Laststrom Iq Querstrom q Querstromverhältnis

=B~ru~··c~k~e~n~s~c~h~a~lt~u~n~g~----------------------------------------------------------IIIIEil 3.3.2 Brückenschaltung Versuch 1: Schalten Sie 4 Widerstände, z. B. R1 =75 Q, R2 =75 Q (einstellbarer Widerstand von max. 200 Q), R3 = 50 Q und R4 = 100 Q nach Bild 1 an eine Spannung von z. B. 10 V. Nehmen Sie als Messinstrument einen Spa nnungsmesser mit Nullpu nkt in Skalenmitte.

Der Spannungsmesser zeigt einen Ausschlag. Es liegt also eine Spannung zwischen den Punkten A und 8 der Schaltung. Versuch 2: Wiederholen Sie Versuch 1, stellen Sie aber dabei den Widerstand R2 auf den Wert 150 Q ein.

B

-

u,

Der Spannungsmesser zeigt keinen Ausschlag. Die Spannung zwischen den Punkten A und B ist also null.

+

Da bei Versuch 2 zwischen den Punkten A und B der Schaltung keine Spannu ng anliegt, muss der Spannungsfall an R1 gleich dem Spannungstall an R3 und der Spannungsfal l an R2 gleich dem Spannungsfall an R4 sein (Bild 1).

Bild 1: Grundschalt ung von Messbrücken (Brückenschaltung)

Eine Schaltung nach Bild 1 nennt m an Brückenschaltung. Sie besteht aus der Parallelschaltu ng zweier Spa nnungsteiler. Die Verbindung der Punkte A und B der Brücke nennt man Brückendiagonale. Tei lt der Spannungsteiler R1-R2 die Spannung des Spannungserzeugers im gleichen Verhält nis auf wie der Spannungsteiler R3 -R4, so besteht zwischen den Punkten A und B keine Spannung (UA6 =0 V, Nullpunktmethode). Die Widerstä nde R1 und R2 stehen also im gleichen Verhältnis zueinander wie die W iderstände R3 und R4 . Man sagt, die Brücke ist abgeglichen. Eine Brückenschaltung ist abgeglichen, wenn in der Brückendia gonalen kein Strom fließt, d. h., wenn das Widerstandsverhältnis der beiden Spannungsteiler gleich ist.

u

Abgeglichene Brückenschaltung

bzw. Unbekannter Widerstand Vergleichswiderstand (einstellbar) Brückenwiderstände

Mithilfe einer abgeglichenen Brückenschaltung kann man einen unbekannten Widerstand Rx bestimmen. Beispiel: Eine abgeglichene Messbrücke nach Bild 1 hat die W iderstä nde Rz = 40 Q, R3 = 25 Q und R4 = 50 Q sowie den unbekannten Widerstand R1. Berechne n Sie R1•

Lösung: R _ R2 • R3 _ 40 Q · 25 Q = n 20 1 R4 50 Q

Bild 2: Schleifdraht -Messbrücke

Zur Berechnung von R1 genügt die Kenntnis von R2 und dem Verhältnis von R3 zu R4 • Man kann also die beiden Widerstände R3 und R4 durch einen stufenlos einstellbaren Widerstand (Drehwiderstand oder Schleifdraht mit Schleifer nach Bild 2) ersetzen. Diese Brückenschaltung zur Messu ng vo n Widerständen nennt man w heat stonesche1 M essbrücke. Der Verg leichswiderstand R2 (Normalwiderstand) ist meist umschaltbar. Damit kann man erreichen, dass sein Wert nicht zu stark vom Wert des unbekannten Widerstandes R, (Rx) abweicht. Messfehler werden dadurch verringert. Das Ergebnis der Messung mit einer Messbrücke ist unabhängig von der Höhe der Versorgungsspannung. Brückenschaltungen verwendet man vor allem in der M esstechnik (Seite 178) sowie in der Steuerungs~-d Re~_elungstechnik. Mithilfe der Widerstandsmessbrücke können z. B. mit temperaturabhängigen tderstanden (Seite 188) Temperaturen gemessen werden. 1

Chartes Whealstone, engl. Physiker, 1802 bis 1875

~

3.3.3

Widerstandsbestim m ung

Widerstandsbestimmung durch Stromund Spannungsmessung

Zur indirekten Widerstandsbestimm ung mit einer Strom- und Spannungsmessung sind zwei Schaltu ngen möglich: d ie Spannu ngsfehlerschaltu ng (Bild 1) und die Stromfehlerschaltung (Bild 2). Bei der Spannungsfehlerschaltung (Bild 1) m isst der Strommesser den Strom, der tatsächlich durch den W iderstand R fließt. Der Spannu ngsmesser zeigt aber eine Spannung U an, die um den Spannu ngstall U;A am Strom messer zu groß ist. Bei der W iderstandsberechnung nach dem ohmschen Gesetz mit R = U/1 erhält man daher einen zu großen Wert. Fa lls der Innenwiderstand R;A des Strommesser s bekannt ist , lässt sich der berechnete Widerst andswert korrigieren. Der tatsächliche Wert des W iderstandes R ist um den Innenwiderstand R;A des Strommessers kleiner als der berechnete Wert U/I.

Bild 1: Spannungsfehlerschaltung (stromrichtige Schalt ung) Korrekturformel für die Spannungsfehlerschaltung:

Ist der zu messende W iderstand Rwesentlich größer als der Innenwiderstand R;A des Strommesser s, so braucht man diesen Innenwiderstand nicht zu berücksichtigen. R

Die Spannungsfehlerschaltung ist ohne Korrektur zur Ermittlung großer Widerstandswerte geeignet.

zu bestimmender Widerstand

U angezeigte Spannung U;A Spannu ng am Strommesser I

angezeigte Stromstärke

R;A Innenwiderstand des Bei der Stromfehlerschaltung (Bild 2) m isst der Spannungsmesser die Spannung, die tatsächlich am Widerstand liegt. Der Strommesser zeigt jedoch einen Strom I an, der um den Strom I;v durch den Spannungsmesser zu groß ist. Bei der W iderstandsberechnung nach dem ohmschen Gesetz erhält man also einen zu kleinen Widerstandswert

Strommessers

Ist der Innenwiderstand R;v des Spannungsmessers bekannt, dann lässt sich der berechnete Widerstandswert korrigieren. Durch den Spannungsmesserfließt der Strom I;v = UIR;v- Durch den Widerstand f ließt nur die Differenz vom gemessenen Strom I und dem Strom l ;vlst der Strom durch den Spannungsmesser wesentlich kleiner als der Strom durch den zu messenden Widerstand, z. B. bei digitalen Spannungsmessern, so braucht man den Strom durch den Spannungsmesser nicht zu berücksichtigen. Durch den Spannungsmesser fließt nur ein kleiner Teil des Stromes, wenn der Wider stand R viel kleiner als der Innenwiderstand R;v des Spannungsmessers ist. Der Stromfehler kann in diesem Fall vernachlässigt werden.

Die Stromfehlerschaltung ist ohne Korrektur zur Ermittlung kleiner Widerstandswerte geeignet.

Bild 2: Stromfehlerschalt ung (spannungsrichtige Schaltung)

IJl

Messen von Widerständen, Seite 168

Ko rrekturfo rmel für die Stro mfehlerschaltung:

R =_y_= ____!:!__ 1- l;v

! - /)_ Rv I

u

I;v= -R

Wiederholungsfragen

iV

1 Was verst eht man unt er a) der Spannungsfehlerschaltung, b) der Stromfehlerschaltung?

R

2 ln welchem Fall braucht m an bei der Spannungsf ehlerschalt ung den Innenw iderstand des Stro mmessers nicht zu berücksichtigen?

l ;v

3 Welche Schaltung w ählt man am besten, wenn große Widerstandswerte ermittelt w erden sollen? 4 W elche Schalt ung w ählt man zur Ermittlung kleiner Widerstand sw erte?

zu bestimmender Widerstand

R;v Innenwiderstand des

I U

Spannungsmessers Strom d urch den Spannungsmesser angezeigte Stromstärke angezeigte Spannung

~ln~n~e~n~w~i~d~e~r~st=a~n~d~v~o~n~S~p~a~n~n~u~n~g~s~qLu~e~ll~e~n~----------------------------------------~

3.4

Innenwiderstand von Spannungsquellen

r------======--------.

3.4.1 Betriebsfälle einer Spannungsquelle Versuch: Schalten Sie drei 4,5-V-Normalbatterien (3 R 12) in Reihe. Messen Sie die Leerlaufspannung U0 mit einem hochohmigen Spannungsmesser (R;v = 10 Mn) bei geöffnetem Schalter 51 (Bild 1). Belasten Sie durch Schließen desSchalters die Batterien kurzzeitig und verschieden stark miteinem Drehwiderstand RL (500 n). Messen Sie jeweils die Stromstärke I mit einem niederohmigen Strommesser (R;A s 0,1 0.) und die Klemmenspannung U an den Klemmen der Batterie. Tragen Sie die Messwerte erst in eine Tabelle und dann in ein Diagramm U= f(I) ein. Berechnen Sie die abgegebene Leistung Pfür jede Belastung. RL in n I

in A

u

in V

p in W

00

0

50,1

20,1

6,1

4,1

3,1

2,9

6,0

2,1

1,1

0,6

2,24 2,71

3,02 3,42

3,0

1,8

0,34

8,9 10,8 , 1,4 11 ,3 10,5

8,1

5,4

1,2

9,5

8,1

6,8

5,9

+

~

" "'c: "'

C"

"c:c:ro

0.

u

V>

0,1

4,7

0,24 0,55 0,94 1,33 1,67 1,91

13 , 2,1 11,0 0

10,1

..

Bei wachsendem Laststrom I nimmt die Klemmenspannung U ab. Die Messpunkte der Kennlinie U = f (I) liegen alle auf einer Geraden (Bild 2).

Die Abhäng igkeit der Klemmenspannung U vom Belastungsstrom I wird durch die V(/)- Kennlinie der Batterie (Bild 2) dargestellt. Sie beginnt mit d er Leerlaufspa nnung U0 an der Spannungsachse und endet mit dem Ku rzschlussstrom Jk auf der Stromachse. Meist kann m an den Kurzschlussstrom Jk nicht direkt messen. Überbrückt man nämlich d ie Klemmen der Spannungsquelle mit dem niederohmigen Strommesser, ist dessen Innenwiderstand R;A imm er noch im äußeren Stromkreis vorhanden. Manche, vor allem galvanische, Erzeuger kann man nicht kurzschließen, ohne sie zu schädigen.

Bild 1: Messen des Innenwiderstandes Leerl auf

14 r • V ~ Uo

12

riille RL

f~ u6

A

(eine

R; Kur zschluss

4

2 00

2.0

1,0

,___~~'•H

3,0 A 4,0

Bild 2: Lastkennlinie einer Spannungsquelle

in diesen Fällen zeich net m an die Kennlinie, so bald man sie als Gerade erkennt, und verlänge rt sie bis zu r Stromachse. Der Schnittpunkt ist der gesuchte Kurzschlussstrom Jk.

Innenwiderstand

Die Steigung der abfallenden Kenn linie (R; = t!.UIM) entspricht einem Widerstand, nämlich dem Innenwiderstand R;, der Spannungsquelle.

H=~ jk

Bei den galvanischen Elementen bildet der Elektro lyt den lnnenwiderstand, bei Generatoren der W id erstand der A nker- bzw. Feldw icklungen.

R= öU I t!. I I

R; U0 lk

t!.U Die Klemmenspannung von Spannungsquellen nimmt bei Belastu ng wegen des Innenwiderstands ab. Im Leerlauf (RL = oo) belastet kein Verbraucher die Spannungsquelle. Es fließt dabei auch kein Strom, und die Spannungsquelle g ibt die größtmögliche Spannung ab, die Leerlaufspannung U0 • Bei Kurzschluss (RL =0 0) fließt der m axima le Stro m Jk. Die Spannung an den Klemmen der Spannungsquell e, die Klemmenspannung U, ist dabei null.

M

Innenwiderstand Leerlaufspannung Kurzschlussstrom Spannungsänderung Stromänderung

12

w

P.,.x

t 1~ p

6

RL=R;

4

2

Jk/2

'·

0 Bei Belastung (RL< oo), der Betriebsart zwischen Lee rlauf und Kurzo 0,5 1.0 1.5 2.0 2,5 A 3,5 schl uss, gibt die Spannungsquell e eine Leistung Pa n den Lastwider,_ stand RL ab. ln d er Last kennlinie (Bild 2) entspricht diese Leistung der Fläche des Rechtecks, das die Achsen und die Parallelen zu ihnen Bild 3: Leistungsabgabe durch den Arbeitspunkt A begrenzen. einer Spannungsquelle Mit zu nehmender Belastu ng einer Spannungsquelle wächst die abgegebene Leistung Pvon null aus an, erreicht einen Höhepunkt Pmax (bei RL= R;, Anpassung, Seite 61 ) und sinkt dann w ieder ab (Bild 3).1m Kurzschluss ist die an den Verbra ucher gelieferte Leistung wieder null. Die Leistungskurve ist eine Parabel.

Im.

Ersatzspannungsquelle und Ersatzstromquelle

3.4.2 Ersatzspannungsquelle und Ersatzstromquelle Versuch: Nehmen Sie die Lastkennlinie ei nes Spannungsteilers (Bild 1) auf. Stellen Sie hierzu mit dem Drehwiderstand verschiedene Laststromstärken I ein und messen Sie die zugehörigen Spannungen U. Zeichnen Sie mit den Werten die Kennlinie U= f(l). Alle Messpunkte liegen auf einer Geraden (Bild 2).

Ein Netzwerk aus ohmschen Widerständen, z. B. ein Spannungsteiler, hat dieselbe gerade Lastkennlinie (Bild 2) wie ein Spannungserzeuger, z. B. ein galvanisches El ement oder ein Generator.

Bild 1: Messschaltung für belasteten Spannungsteiler

Die Steigung der Kennlinie entspricht dem Innenwiderstand R;= U0 /lk.

B Uo

.,---.-- -v

Ist nicht die ganze Kennlinie gezeichnet oder ist d ie Messung des Leerlaufs bzw. die des Kurzsch lusses nicht möglich, lässt sich R; auch aus dem Spannungsrückgang ö U bei der Stromerhöhung M berechnen: R;= öU!M.

Uo u ,

u 2 1

Der Ersatz-lnnenwiderst and R; eines Netzwerks (Bild 1) lässt sich durch Rechnu ng bestimmen. Er ist gleich dem Widerstand des Netzwerks bei kurzgeschlossener Quelle:

R; = R!

II

R2 = RR! . RR2 = 1 + 2

40 . 60 40 + 60

/k

0 0

0,1

Mit der Ersatzspannungsquelle zu rechnen ist sinnvoll, wen n der Lastwiderstand viel größer als der lnnenwiderstand ist ( RL~ R;). Schwankungen des Lastw iderstands wirken sich dann kaum auf die Klemmenspannung aus (Konstantspannungsquelle mit .,eingeprägter" Spannung). ln der Energietechnik arbeitet man m eist mit der Ersatzspannungsquelle.

A

0,3

I,

:I

/k

Bild 2: Lastkennlinie eines Spannungsteilers oder eines Spannungserzeugers

--I

Die Ersatzspannungsquelle (Bild 3) liefert dauernd eine Leerlaufspannung U0 , die sich im Belastungsfall auf den Lastwiderstand RL und den in Reihe geschalteten Innenwiderst and R; aufteilt. Die Klemmenspannung U ist um den Spannungsabfall U; = I • R; kleiner als die Quellenspannung U0 •

0,2

I

24 n

Da s elektrische Verhalten eines Bauelem ents oder eines Netzwerks, dessen Klemme nspannung U (zwischen A und B in Bild 1) in dem Maße zurückgeht wie die entnommene Stromstärke ansteigt, kann man durch eine Ersatzspannungsquelle oder durch eine Ersatzstromquelle deuten:

6

Bild 3: Ersatzspannungsquelle

Klemmenspannung

U U0 I

R;

Klemmenspann ung Quellenspannung (Leerlaufspan nung) Laststrom Innenw iderstand

Beispiel1 : Eine 9-V-Normalbatterie (6 F 22) gibt im Leerlauf die Spannung 9,3 V ab. Bei Kurzsch luss entsteht eine Stromstärke von 2,9 A. a) Wie g roß ist der lnnenwiderstand? b) Auf welche Laststromstärke ist I zu begrenzen, wenn die Klemmenspann ung bei Belastung um höchstens 0,8 V zurückgehen darf?

Lösung: a) R· I

=..!:!2_= /k

93 • V= 3 2 !l 2,9A

•

I= U0

-

R;

U = 0,8 V= 0,25 A

3,2n

;E~rs~a~t~zs~t~ro~m~gLu~e~l~le~·~A~n2p~a~s~s~u~n~g~----------------------------------------------~IIIICIJ

:------;:-----1

Beispiel2: Eine Monozelle hat eine Leerlaufspannung von 1,58 V. Bei Belastung durch einen Widerstand von 3 Q fällt die Klemmenspannung auf 1,50 V ab. Welchen Innenwiderstand besitzt die Mono-Zelle?

Lösun : I= .!:!._ = 1,50 V = O 5 ARL

3Q

•

•

U 0 - U 1,58 V - 1,50 V U= U0 -I·R; ==> R;=-I- = 0,5 A = 0,16!1

I

I

-

~ ·· ~"

I

I

!----------I Ersatzstromquelle

Bild 1: Ersatzstromquelle

Die Ersatzstromquelle (Bild 1) stellt man sich vor, als liefere sie dauernd den Kurzschlussstrom I k, der sich in den Laststrom I und in den Strom I; durch den parallel geschalteten Innenwiderstand (/= Ik

~)verzweigt. I

Die Ersatzstromquelle erweist sich als zweckmäßig, wenn der Innenwiderstand wesentlich größer als der Lastwiderstand ist (R; ~ Rd. Dann unterscheidet sich der Laststrom kaum vom Kurzschlussstrom, Lastwiderstandsänderungen verursachen nur sehr geringe Stromschwankungen (Konstantstromquelle mit .. eingeprägtem" Strom). Das Ausgangsve rhalten eines Transistors wird z. B. so m it der Ersatzstromquelle gut beschr ieben.

3.4.3 Anpassung

RL Bild 2: Anpassung des Verbrauchers an die Spannungsquelle

Leistungsanpassung Eine Spannungsquelle gibt die höchste Leistung P max ab, wenn die Lastspannung U nur halb so groß wie die Leerlaufspannung U0 ist. Dabei fließt ein Strom I, der dem halben Kurzschlussstrom /k entspricht (Bild 2). Eine Spannungsquelle gibt die höchste Leistung ab, wenn der Lastwiderstand ebenso groß ist wie der lnnenwiderstand: RL = R;. Die maximale Abgabeleistung beträgt nur die Hälfte der im ganzen Stromkreis umgesetzten Gesamtleistung. Die andere Hälfte der Gesamtleistung wird im Innenwiderstand in Wärme umgewandelt. Der Wirkungsg rad 17 ist bei Leistungsanpassung 0,5. Muss die maximale Leistung übertragen werden, wendet man die Leistungsanpassung an; z. B. in der Tontechnik zur Anpassung der Leistung an den Innenwiderstand der Signalquelle. Spannungsanpassung Für den Anschluss von Verbrauchern in der Energietechnik verwendet man meist die Spannungsanpassung. Hierbei soll d ie Spannung stabil bleiben, auch wenn die Größe des Lastwiderstands schwankt. Außerdem erhält man einen hohen Wir kungsgrad des Stromkreises. Eine Spannungsquelle gibt die höchste und stabilste Spannung ab, wenn der Lastwiderstand groß gegenüber ihrem Innenwiderstand ist: RL~ R;. Spannu ngsanpassung w ird verwendet zum Anschluss von Lautsprechern an Verstärkerausgänge. Stromanpassung Dabei ist der Lastwiderstand nur ein kleiner Teil des Gesamtwiderstandes im ganzen Stromkreis. Der Laststrom schwankt nur wenig, wenn sich der Lastwiderstand ändert. Eine Spannungsquelle liefert den maximalen Strom, wenn der Lastwiderstand klein gegenüber ihrem Innenwiderstand ist: RL , der die feste Spule im Ständer der Maschine durchdringt. ln der Ständerspule wird eine Wechselspannung u induziert (lnduktionsgesetz). Diese Wechselspannung erreicht den größten Wert, wenn der magnetische Fluss durch die Spule seine Richtung ändert. Dann ist die Flußänderung in der Spule am größten. Im Scheitelwert des Flusses ändert sich der Fluss kurzzeitig nicht, deshalb wird auch keine Spannung induziert.

Periodendauer T

Spule

tt

-Q.

"'

"'

"'

0..

~ cn Ü: c ~ " "' c cc cn "'

Bild 2: Innenpolmaschine mit einem Polpaar

"c:nc

li) Spannungserzeugung durch Induktion,

"cc

Seite 92

"'

0..

Vl

Die induzierte Spannung u ist immer so gepolt, dass der entstehende Induktionsstrom mit seinem Magnetfeld nach der lenzsehen Regel dem Auf- und Abbau des ursächlichen Magnetfeldes entgegenwirkt.

Zeitdauer f ür eine Umdrehung

Bild 3: Innenpolmaschine mit zwei Polpaaren

Frequenz und Polpaarzahl

Dreht sich bei einer Maschine mit der Polpaarzahl p = 1 (Bild 2) das Polrad in der Sekunde 50-mal, so hat die entstehende Wechselspannung die Frequenz f= 50 Hz. Bei einer Maschine mit der Polpaarzahl p= 2 (Bild 3) entsteht bei gleicher Umdrehungsfrequenz (Drehzahl) die doppelte Frequenz f = 100Hz.

Zeitdauer für eine Umdrehung

E Vl

f= p ·n

p

n

[fl =_!_=Hz

s

Frequenz Polpaarzahl Umdrehungsfrequenz (Drehzahl)

Beispiel:

Wiederholungsfragen

ln einem Versuch wird bei einer Innenpolmaschine mit der Polpaarzahl p = 4 eine Frequenz von f = 50 Hz ermittelt. Berechnen Sie die Umdrehungsfrequenz (Drehzahl) der Maschine.

2 Welche Frequenz hat das Wechselspannungsnetz ifl Europa7

Lösun :

~

f

50-

3 Wie ändert sich die Frequenz, wenn die Periodeodallei verdoppelt wird? 4 Wie groß ist grundsätzlich die maximale Ausbreitungs" geschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle7

f= p ·n 1

1 Was versteht man unter Frequenz?

1

1

n =- = __s_ = 12,5- = 750 -.P 4 s m1n

5 Wie berechnet man die Frequenz, wenn PolpaartBill und Drehzahl einer Innenpolmaschine gegeben sind?

u Zeitlicher Verlauf von Wechselgrößen der Elektrotechnik unterscheidet man insbesonRechteck-, Sinus- und Sägezahnspannungen 1).

Eine Wechselgröße liegt vor, wenn während einer Periode die Flächenanteile im positiven und negativen Bereich gleich groß sind.

Rechteckspannung

!FtJ'J--

Stnusspannung

utp \J/"""\\._//t--

Sagezahnspannung

t ~/1V /1V /1v -~ ,__ u-

Bild 1: Beispiele von Wechselspannungen Steuerungstechnik, Regelu ngstechnik und llhton·t ol'hnik wird häufig mit Spannungs- und f(t•.n...,,;...,pulsen gearbeitet. Bei Spannungsimpulund bei Stromimpulsen ist eine Spannung oder Strom nur kurzzeitig vorha nden (Tabelle). Nach einem Impuls folgt eine spannungslose bzw. eine stromlose Pause. Bei einem Pulsvorgang folgen die Einzelimpulse periodisch aufeinander (Tabelle). Bei Wechselimpulsen wechselt der Strom bzw. die Spannung währe nd einer Periode die Richtung. Je nach Impulsform und Schwingungsanteil unterscheidet man verschiedene Impulse (Tabelle). ln der Digitaltechnik werden häufig Rechteckimpulse und Nadelimpulse als Taktsignale verwendet. Nadelim pulse entstehen, wenn man z. B. eine AC-Schaltung mit Rechteckimpulsen (Bild 2) ansteuert. ln der Energietechnik werden Sinusimpulse, z. B. bei der Gleichrichtu ng (Seite 242), und Schwingungspakete bei Vielperiodensteuerungen (Schwi ngungspaketsteuerungen) (Seite 252) erzeugt. Wichtige Impulsgrößen sind die Impulsdauer t;, die Pausendauer tP, die Periodendauer T (Tabelle) und der Tastgrad g. Bei Impulsen u nterscheidet m an die Vorderflanke, die Rü ckflanke und das lmpuls~ach (Bild 3). Die Impulsflanke n sind umso steiler, Je kürzer die Anstiegszeit t,1 u nd die Abfallzeit t12 sind. Beispiel:

B~i einem Generator beträgt die Impulszeit 3 ms und dte Pausendauer 5 ms. Berechnen Sie a) den Tastgrad g und b) die Frequenz f.

a) g .,

!l ., _ T

b) f

t_1 _ =

t ; + tP

"'l ., _ l_ T

t ; + tP

=

Tabelle: Impulsarten Rechteckimpulse

t I I:'··1·/p= n ,__

Nadelimpulse

tI ~

Sinusimpulse

V

!I ( \

Schwingungspakete

~

,__

( \ ,__

tu oVnVoV nno ,__ uuv 1

Pausendauer und Impulsdauer t g=..:J. T g T t;

Tastgrad Periodendauer Impulsdauer

T=t,+tr, tp

f

f=.lT

Pausendauer Frequenz

f=111F

J.l n,

ltR

Bild 2: Erzeugung von Nadelimpulsen

3 ms = 0,375 3 ms + 5 ms 1

3 ms + 5 ms

= 125Hz

10%

1-----..,c_--+-----1--~

o L-~~----+------+---+~---­ 1

1

'Von t0 · vo nse Ieng!. =ansteigen) n 10 fall (engI. =fallen)

Anstiegszeit t, Bild 3: Kenngrößen beim Impuls

lfJII 7.2

Wechse lgrößen,

Sinusförmige Wechselgrößen

Versuch: Entnehmen Sie dem Netz über einen einstellbaren Trenntransformator die Wechselspannung U =10 V. Schalten Sie die Spannung an den V-Eingang eines Oszilloskops und bilden Sie den zeitlichen Verlauf der Spannung ab. Messen Sie die Periodendauer der Spannung.

/

V

Eine Wechselspannung bzw. einen Wechselstrom mit zeitlich sinusförmigem Verlauf nennt man Sinusspannung bzw. Sinusstrom.

"

\

I

\

Aufdem Schirm des Oszilloskops wird eine Spannung mit zeitlich sinusförmigem1 Verlauf dargestellt (Bild 1}. Die Periodendauer der Wechselspannung ist 20 ms.

7.2.1

Zeigerd a rstellur·~.a

Etnslellung OsZilloskop • Amplitude I SV/d1v • T1me Base 2 ms/d1v

'\.

/

Bild 1: Oszillogramm einer sinusförmigen Wechselspannung

Zeigerdarstellung von Sinusgrößen

Sinusförmig verlaufende Vorgänge können vereinfacht als Zeiger dargestellt werden. Unter einem Zeiger versteht man eine gerichtete Größe (Pfeillinie), die man sich um ih ren Anfangspunkt drehend vorstellt (Bild 2). Für Zeigerdarstellungen von Sinusspannungen und Sinusströmen gelten folgende Vereinbarungen: • Die Zeigerlänge entspricht dem Scheitelwert{) der Wechselspannung bzw. 'i' des Wechselstromes. • Die Drehzahl je Sekunde des umlaufenden Zeigers ist gleich der Frequenz des Wechselstromes bzw. der Wechse lspannung. • Die Drehrichtung des umlaufenden Zeigers ist entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn (Linksdrehung ist positive Richtung). • Die Ausgangsrichtung eines Zeigers ist die Richtung der Zeitachse. Aus dem umlaufenden Zeiger kann die Sinuslinie der Wechselspannung bzw. des Wechselstromes konstruiert werden. Bei dem kleineren Kreis (Bild 2) ist der Radius z. B. so groß wie die Amplitude {) der Sinusspannung. Deshalb ist die Gegenkathete des Winkels a im markierten rechtwinkligen Dreieck u= {) · sin a. Der Augenblickswert u der Spannung in der Sinu slinie (Bild 2) entspricht dem senkrechten Absta nd von der Zeitachse bis zur Sinu slinie. Die Abhängigkeit einer Größe von der Zeit wi rd durch Kleinbuchstaben, z. B. u, i, hervorgehoben, eine Wechselspannung kann zusätzlich als Index (Beiwert) eine Wellenlinie erhalten, z. B. u_2 ,

Augenblicksw erte Für Spannungen:

. a u= u" · stn Für Ströme:

i = i · sin a u, i

u,f

sin a

Augenblickswerte Scheitelwerte Sinus des Drehwinkels a

Augenblickswerte, z. B. u, i oder p , werden mit Kleinbuchstaben bezeichnet.

Beispiel: Geg.: D= 325V, IX= 60° Ges.: u Lös.: u =D· sin IX u =325 V. sin 60° u :325 V· 0,866 u=281,5V T

2

IX - - -

T

3T

T

Bild 2: Zeigerbild und Linienbild einer Sinusspannung 1

2

sinus (lat.) = Bogen u- (sprich: u-Wechsel)

360° : 2nrad : T

t ---

n

Krei

7.2.2

Kreisfrequenz

~t

Den Drehwinkel a des Zeigers im Bild Seite 124 gibt man bei Wechselstrom- und Wechselspannungsberechnungen auch im Bogenmaß an.

0.524 rad 360°= 2nrad

Das Bogenmaß eines Winkels a (Einheit rad1 ) ist die Länge des zugehörigen Kreisbogens in einem Kreis mit dem Radius r= 1 (Einheitskreis). Der Drehwinkel a 8 im Bogenmaß, in Bild 1 z. B. 0,524 rad, verhält sich zum Vol lwinkel 2 n rad wie der Drehwinkel im Gradmaß aG, z. B. 30°, zum Vollwinkel 360°. Aus dieser Beziehung kann das Bogenmaß berechnet werden, wenn das Gradmaß gegeben ist, und umgekehrt. Die Einheit rad des Bogenmaßes wird meist weggelassen. Je höher die Frequenz einer Sinusschwingung ist, umso kürzer ist die Periodendauer und umso schneller dreht sich der dazugehörige Zeiger (Bild 1). Als Maß für die Geschwindigkeit der Zeigerbewegung wird in der Elektrotechnik häufig die Kreisfrequenz w 2 angegeben.

360° ~ 2nrad ~ T Bild 1: Einheitskreis und Bogenmaß

Gradmaß und Bogenmaß

a aG - a--=--==> 2 1t rad

3

a 8 = ~~0 • 2 1t rad

w=

Eine Wechselspannung mit einer Frequenz von 50 Hz hat einen Scheitelwert ü =34 V. Berechnen Sie a) dieKreisfrequenz w und b) den Augenblickswert u bei der Zeit t = 7 ms )Beachte: Taschenrechner auf RAD).

1\

•

•

A

•

I= I · Sln

Wechselspannungen mitzeitlich sinusförmigem Verlaufwerden in der Energietechnik durch Induktion in Wechselspannungsgeneratoren erzeugt. Diese Generatoren sind lnnenpol- oder Außenpolmaschinen. Das Prinzip der Außenpolmaschine ist eine gleichförmig drehende Leiterschleife in einem gleichförmigen (homogenen) Magnetfeld (Bild 2). Durch die Drehbewegung erfährt die Leiterschleife ständig eine Änderung des magnetischen Flusses mit zeitlich sinusförmigem Verlauf. Dadurch wird in der Leiterschleife eine Sinusspannung induziert. : rad, A bk. für: Radiant (Winkeleinheit) 1 rad = 180"/n Cll griech. Kleinbuchstabe omega

a

0 · sin (w ·

1' · sin (w

t)

· t)

u, i Augenblickswerte ( Momentanwertel der Sinus-

s

7.2.3 Erzeugung von Sinusspannungen

s

u = u · sm a

= 314.!.s

u=34 V · sin 2,198 = 27,5V

1

[w)=-

Augenblickswerte der Sinusgrößen

Lösun :

b) u = ü · sin (w · t ) =34 V· sin (314.!. · 0,007 s)

=rad

Drehwinkel im Bogenmaß Drehwinkel im Gradmaß Kreisfrequenz (Winkelfrequenz) Zeit ab Nulldurchgang Periodendauer Frequenz

Beispiel:

s

[a 8 ]

überstrichener Winkel Zeitdauer w =21t · f

Die Kreisfrequenz (Winkelfrequenz) gibt an, welchen Winke l (gemessen im Bogenmaß) ein Zeiger je Sekunde überstreicht.

a) w= 2 n. f = 2 n . so.!

360°

größen

0, 1' Scheitelwerte der Sinusgrößen w t a

Kreisfrequenz (Winkel im Bogenmaß pro Sekunde) Zeit Drehwinkel

tt

'6-

3"' "'~ ~~~--~--~~~r-u..

:J

c: c: c:

cn "' "' 0.. E lll Zeitdauer einer Umdrehung

Bild 2: Prinzip der Außenpolmaschine

Scheitelwe

7.2.4

Scheitelwert und Effektivwert bei sinusförmigen Wechselgrößen

Versuch: a) Schließen Sie eine Signallampe 12 V/0,1 A an eine Sinusspannung an. Messen Sie die Sinusspannung mit einem digitalen Messinstrument und einem Oszilloskop. b) Schließen Sie eine gleiche Signallampe an ein Gleichspannungsnetzgerät an. Erhöhen Sie die Gleichspannung, bis beide Lampen g leich hell leuchten. Messen Sie die Gleichspannung.

Der Gleichspannungsmesser zeigt den gleichen Wert wie bei Wechselspannung bei gleicher Helligkeit an (ungefähr 70 % von 0).

Die Gleichspannung ist so groß wie der Effektivwert1 der Wechselspannung. Somit ist der Gleichstrom so groß w ie der Effektivwert des Wechselstromes. Der Effektivwert des Wechselstromes ist so groß wie ein Gleichstrom derselben Wärmewirkung. ln der Energietechnik werde n bei Sinusströmen und Sinusspannungen, z. B. Netzspannung 230 V, immer Effektivwerte (Bild 2) angegeben. Bei der Berechnung des Effekt ivwertes geht man vom M ittelwert der Wechselstromleist ung aus. Die augenblickliche Leistung p des Sinusstromes i an einem Widerstand Rist p = u · i = i 2 · R. Die Sinusleistung ändert sich mit dem Quadrat des Stromes und hat doppelte Freque nz (Bild 1). Der Effektivwert heißt auch geometrischer (quadratischer) M ittelwert.

Bild 1: Sinusleistung

p;

Es gilt:

Pott= 0,5 · P.tt = U.tt · fett

Mit U. tt=lott' R=>

Patt = I.tt 2 · R;

Aus Bild 1 folgt:

Einsetzen in 1. Formel: Dividiert du rch R: Daraus folgt:

ß = jz . R Iet/ · R =0,5 · f 2 • R I.t/ = 0,5 · f 2 ,~ ,~~ fett =Y 0,5 · t- =y ~· i ' = (2

Scheit elwert und Effektivwert bei Sinusgrößen

t

positiver Scheitelwert

Effektivwert

Wegen der Vorei lung von 90° steht der Spannungszeiger übL CD MaOst ab, 4 V : 1 cm rechtwinklig (senkrecht) zum Zeiger 1' und zeigt nach oben. 5 mA : 1 cm ® Die Gesamtspannung entsteht durch das A neinanderfügen (geometrische Addition) der Spannungszeiger Üw und u bL· Der Zeiger Bild 3: Spannungszeigerbild übL w ird dabei parallel an die Spitze vom Zeiger Liw nach rechts verschoben. Die Diagonale in dem entstandenen Rechteck entsp ri cht dem Scheitelwert der Gesamtspannung. ® Die Gesamtspannung ü eilt dem gemeinsamen Strom 1' um den Phasenverschiebungswinkel tp voraus. Der Phasenverschiebungswinkel

tan ö = d

bL

~er Win kel 90° -

XL= Xe. :::) w r .

1 1 1 L = ----- => w 2 = - - => f. = ---.:== wr. C r L. C r 2:rt

rc

Die Formel zur Berechnung der Resonanzfrequenz eines Schwingkreises nennt man nach ihrem Entdecker Thomsonsche2 Schwing ungsformeL Bei Resonanz sind die Spannungen am induktiven Und kapazitiven Widerstand gleich groß, jedoch entgegengesetzt gerichtet. Der Reihenschw ingkreis wirkt nur noch wie ein ohmscher Widerst and (Bild 1). Diesen Widerstand nen nt man ResonanzWiderstand Rr des Reihenschwingkreises. Oberhalb und unterhalb der Resonanzfrequenz ist der ?cheinwiderstand Z des Reih enschwingkreises Immer größer als der Resonanzwiderstand Rr. Ein Reihenschwingkreis hat bei Resonanz seinen ~leinsten Widerstand. An Spule und Kondensator ISt meist eine Spannungsüberhöhung (Spannungsresonanz) vorhanden. Die Blindspannungen u bL und ubC können dann um ein Vielfaches größer als die Gesamtspannung sein.

.--------~----------------------.---~

, ~~nare Uat.) z widerhallen, mitschwingen •lham Thomson, Lord Kelvin, engl. Physiker, 1824 bis 1907

Resonanzfrequenz [f,]=

1

,{VS7i:S

1 =-= Hz

s

r-;;:v-

Resonanzfrequenz Induktivität Kapazität Rv Verlustwiderstand der Spule R, Widerstand der Resonanz f,

L C

Reihenschwingkreis (für U unterhalb der Resonanz

bei Resonanz

=konst .) oberhalb der Resonanz

I XL

XL

~

iz=R i

XL

z R

Xe

Xl)((; wirkt wie ~

Bild 2: Zeigerbilder des Reihenschwingkreises

Das Verhältnis einer Teilspannu ng UbL oder Ubc zur Gesamtspannung U bei Resonanz nennt man die Güte Q des Reihenschwingkreises. Q = UbL= Ubc

Q =~=~

U U R, R, Der Resonanzwiderstand R, ist so groß wie der Verlustwiderstand Rv des Reihenschwingkreises (Bild 1). Die Verluste in der Spule überwiegen bei weitem die Verluste im Kondensator. M an versucht die Spulenverluste klein zu halten, um eine hohe Schwingkreisgüte Q zu erlangen.

~

7. 7.3

u.. u

ubL

Bei Resonanz· R• = R'

~

u..,

u

Bild 1: Ersatzschaltbild des Reihenschwingkreises

~~~ I

t

I

z

Frequenz f Bild 2: Resonanzkurve des Reihenschwingkreises

Parallelschwingkreis

Beim Parallelschwingkreis sind Spule und Kondensator parallel geschaltet. Versuch: Schalten Sie eine Spule (600 Windungen auf U-Kern mit Joch) pa rallel zu einem Kondensator von 8,2 p F. Legen Sie diesen Parallelschwingkreis über einen Transformator an 25 v_. Messen Sie die Ströme durch Spule und Kondensator sowie den Gesamtstrom (Bild 3). Verschieben Sie das Joch auf dem U-Kern so lange, bis der Gesamtstrom möglichst klein und die Teilströme so groß wie möglich sind.

-50Hz

Bild 3: Messungen im Parallelschwingkreis I

1

=> cv, · L= - -

cv,.

=>

c 1

=>

2rt ·f, =~ => L ·C

cv2- _1_ '- L · C f.=

1

2rt·0

I

Rv [

Im Parallelschwingkreis ist bei Resonanz der Gesamtstrom in der Zu leitung am kleinsten. Bei Resonanz sind die Teilströme durch Induktivität und Kapazität gleich groß (Bild 4). Der induktive Blindwiderstand ist so groß wie der kapazitive, da Spule und Kondensator an gemeinsamer Spannung liegen. Es gilt also die gleiche Resonanzbedingung w ie beim Reihenschwingkreis.

--

-

Bei Resonanz sind die Teilströme durch Spule und Kondensator gleich groß. Jeder Teilstrom ist wesentlich größer als der Gesamtstrom.

XL=Xc

ubc

r--------------·~c=:J~------------~

Unterhalb der Resonanzfrequenz überwiegt beim Reihenschwingkreis der kapazitive W iderstand Xe. oberhalb der Resonanzfrequenz jedoch der induktive Widerstand XL (Bild 2). Zeichnet man den Verlauf des Scheinwiderstandes Z abhängig von der Frequenz f. so erhält man die Resonanzkurve des Reihenschwingkreises (Bild 2). Mit dem Reihenschwingkreis ka nn man in einem Frequenzgemisch die Resonanzfrequenz kurzschließen und unterdrücken. Eine Antenne ist z. 8. ein Wechselspannungserzeuger mit einem Frequenzgemisch. Ein Reihenschwingkreis an den Klemmen der Antenne schließt seine Resonanzfrequenz kurz. Man bezeichnet den Reihenschwingkreis in einer solchen Schaltung auch als Saugkreis.

I~

~~~

u

~ ~~

===> [== Rp.r[

~Iw

~I 5 L5

u

Bei Resonanz ist R,= Rp' Rp,. __ L_ C·Rv Bild 4: Ersatzschaltbild des Parallelschwingkreises

Resonanzfrequenz Resonanzfrequenz Induktivität c Kapazität RP Paralleler Verlustwiderstand der Spule R, Widerstand bei Resonanz

f, L

1 f.=2rt · 0 1

[f,)= Hz=s

~~a~ra_l_le_ls_c_h_w_i_n~g_kr_e_is______________________________________________________~IIIIJI ~ Oie Ströme durch den induktiven und kapazitiven Blindwiderstand heben sich in der Zuleitung wegen deren entgegengesetzter Phasenverschiebung auf. Bei Resonanzverhältsich daherder Parallelschwingkreis wie ein Wirkwiderstand. Diesen Resonanzwiderstand R,denkt man sich zu Spule und Kondensator para llel geschaltet (Bild 4, Seite 146). Oberhalb und unterhalb der Resonanzfrequenz ist der Scheinwidersta nd Z des Parallelschwingkreises stets kleiner als der Resonanzwiderstand R, (Bild 2).

Parallelschwingkreis (für I= konst.) unterhalb der Resonanz

u

Bei Reso nanz sind induktiver und kapazitiver Blindwiderstand wesentlich kleiner als der Resonanzwiderstand R,. Durch Kondensator und Spu le fließen daher g roße Ströme. Das Verhältnis der Teilstromstärken /bL oder /bc zur Gesamtstromstärke I nennt man die Güte Q des Parallelschwingkreises.

Be

~ BL

y

BL

XL Xc

wirktwie

wirkt wie

wirkt wie

~

,- c : : J - -

~

R, : Rp

Bild 1: Zeigerbilder des Parallelschwingkreises L Rp"' [ · R, R, = Rp

I

z

~

I 0

L_

Den Parallelschwingkreis verwendet man, um aus einem Frequenzgemisch eine bestimmte Frequenz, die Resonanzfrequenz, herauszusieben.

quenzen, die von der Antenne empfangen werden können. Schaltet m an an diese Klemmen einen Parallelschwingkreis, schließt er alle Frequenzen bis auf die Resonanzfrequenz kurz. Der Spannungserzeuger, hier die Antenne, wird also nur bei Resonanzfrequenz in der Nähe des Leerlaufs betrieben, alle anderen Frequenzen werden kurzgeschlossen.

X:

u

G

Unterhalb der Resonanzfrequenz f, ist der induktive Blindwiderstand kleiner als der kapazitive. Durch die Spule fließt der größere Strom (Bild 1). Oberha lb der Resonanzfrequenz f, ist der kapazitive Widerstand klei ner als der induktive. Hier fließt durch den Kondensator der größere Strom. Unterhalb von f, wirkt der Parallelschwingkreis induktiv und oberhalb kapazitiv. Die Resonanzkurve des Pa rallelschwingkreises (Bild 2) zeigt den Verlauf des Scheinwiderstandes Z abhängig von der Frequenz f.

An den Klemmen einer Antenne liegen z. B. alle Fre-

Be BL

Be

Ein Parallelschwingkreis hat bei Resonanz seinen größten Widerstand.

oberhalb der Resonanz

bei Resonanz

0

I 0

_I

Frequenz f -

Bild 2: Resonanzkurve des Parallelschwingkreises Gute im Parallelschwingkreis Bei Resonanz gilt: R, = RP Q Q l bL

loc I XL

R0 R,

= R, · w, · C =___!i_ w, ·L

Güte des Schwingkreises induktiver Blindstrom kapazitiver Blindstrom Gesamtstrom induktiver Blindwiderstand parallelerVerlustwiderstand der Spule Widerstand bei Resonanz

Wiederholungsfragen 1 Was versteht man unter der Resonanz eines Schwingkreises? 2 Unter welcher Bedingung ist ein Schwingkreis in Resonanz? 3 Mit welcher Formel berechnet man die Resonanzfrequenz a) des Reihenschwingkreises und b} des Parallelschwingkreises?

4 Warum zeigen Schwingkreise bei Resonanz Spannungsüberhöhung bzw. Stromüberhöhung? 5 Warum bezeichnet man den Parallelschwingkreis auch als Sperrkreis und den Reihenschwingkreis als Saugkreis?

I@!:M

Drehstrom

7.8

Dreiphasenwechselstrom (Drehstrom)

7 .8.1

Entstehung der Dreiphasenwechselspannung

Versu ch 1: Drehen Sie einen starken Stabmagneten zwischen drei gleichen, um 120° räumlich versetzten Spulen (Bild 1). Schließen Sie an jede Spule einen Gleichspannungsmesser an, dessen Nu llpunkt in der Mitte der Skala liegt. Drehen Sie den Stabmagneten mit konstanter Drehzah l um seine Achse. Oie Zeiger der drei Spannungsmesser schlagen bei jeder vollen Umdrehung des Polrades nacheinander je einmal nach links und nach rechts aus.

Dreht sich das Polrad, wird in jeder Spule eine Wechselspannung mit gleicher Amplitude und Frequenz induziert. Die Spannungen sind wegen der räumlichen Anordnu ng der Spulen auch zeitlich um 1h Periode gegeneinander verschoben. Der Phasenverschiebungswinkel beträgt jeweils 120° (Bild 2b). Die drei Spulen eines solchen Generators bilden die Stränge der Maschine. ln jedem Strang w ird eine Spannung induziert, die man Strangspannung nennt. Die A nfänge der Stränge bezeichnet man mit U1, V1, W1, die Strangenden mit U2, V2, W2. Durch Verkettung (Verbindung) der drei Spulen miteinander kann man die Anzahl der zur Energieübertragung notwendigen Leiter auf drei Leiter (L1, L2, L3) verringern (Bild 2a).

Bild 1: Erzeugung von drei um je 120° phasenverschobenen Wechselspannungen

Drei um 120° phasenverschobene und verkettete Wechselspannungen nennt man Dreiphasenwechselspannung.

7.8.2 Verkettung Verbindet man bei einem Erzeuger oder Verbraucher die drei Strangenden U2, V2 und W2, so entsteht die Sternschaltung, Zeichen: Y (Bild 2a und c). Den Ve rbindungspunkt von U2, V2 und W2 nennt man Sternpunkt. Am Sternpunkt wird meist der Neutralleiter N angeschlossen. Verbi ndet ma n das Ende eines Stranges mit dem A nfang des nächsten, z. 8 . U2 mitV1, V2 mit W1 und W2 mit U1, entsteht die Dreieckschaltung, Zeichen: !:::. (Bild 2d). Die drei Leiter L1, L2 und L3, die bei beiden Schaltungen vom Erzeuger zu den Stranganfängen U1, V1 und W1 führen, nennt man Außenleit er. Erzeuger L1

L2

-

t, __ I , __

V1

120° a) Zeigerbild

b) Liniendiagramm

120° c) Sternschaltung (Y)

Bild 2: Drehstromsystem m it Liniendiagram men und Zeigerbildern

V2

d) Dreieckschaltung L6.)

V~e~rk~e~tt~u~n~g~------------------------------------------------------------~~ versuch 2: Messen Sie an einem Drehstromnetz (Bild 1) zuerst die Spannungen zwischen den Außenleitern, dann die Spannungen zwischen jedem Außenleiter und dem Neutralleiter N. zwischen L1 und L2, L1 und L3 sowie zwischen L2 und L3 misst man drei gleich große Spannungen. Zwischen L1 und N, L2 und N sowie zwischen L3 und N misst man ebenfalls drei gleich große Spannungen, die jedoch kleiner als die Spannungen zwischen den Außenleitern sind.

Setzt man die Spannung zwischen zwei Außenleitern, z. B. U31 =400 V, zur Spannung zwischen Außenleiter und Neutralleiter N, z. B. U,N = 230 V, ins Verhältnis, so erhält man den Verkettungsfaktor: 400 V 230V

= (3

Bild 1: Spannungsmessungen am Drehstromnetz !!l t = !!JN - !!tN (geometrische Differenz)

Bei Drehstrom nennt man den Faktor kettungsfaktor.

(3

Ver-

Die Spannung zwische n zwei Außen leitern, z. B. L1 und L2, bezeichnet man als Außenleiterspannung oder Leiter spannung. Den Zusammenhang zwischen den Leiterspannungen und den Spannungen zwischen Außenleiter und Neutralleiter N kann man im Zeigerbild (Bild 2) und im Liniendiagramm (Bild 3) darstellen. Die Verbindung zwischen den Zeigern für die Strangspannungen sind die Zeiger der Leiterspannungen U12, U23 und U31 (Bild 2). in Bild 2 bilden die Spannungen u,N, UJN und u 31 ein gleichschenkliges Dreieck mit dem Basiswinkel 30°. Dieses Dreieck kann man in zwei rechtwinklige Dreiecke zerlegen. Mithilfe der Winkelfunktionen ergibt sich:

u3, (3 2 =ulN · cos 3o• =ulN · 2

Bild 2: Zeigerbild der Spannungen in der Sternschaltung

~

Aus der geometrischen Addition in Bild 2 ergibt sich J.bl + J.!1N -.!kN =o ~

J.b, =.!.bN -1.!1N

(geometrische Differenz)

Bildet man im Lini endiagramm (Bild 3) die Differenz der Momentanwerte der Spannungen u3N und u tN• ergi bt sich der Verlauf der Leiterspannung u31 . Auch hier zeigt sich, dass der Scheitelwert der Spannung u31 um den Faktor '{3 größer ist als der Scheitelwert der Spannung u1N. Im 400-V-Vierleiter-Drehstromnetz beträgt die Leiterspannung U= 400 V, die Spannung zwischen Außenle!ter und Neutralleiter (U,N, u2N• UJN) 230 V (Bild 4). Dies ermöglicht den Betrieb von Drehstromverbrauchern mit einer Bemessungsspannung von 400 V, z. B. Motoren, Elektroherde oder Nachtspeicheröfen, Und von Wechselstromverbrauchern für 230 V, z. B. Glühlampen oder Fernsehgeräte, an einem Netz. 1

u,,,

Der Unterstrich, z. 8. bei bedeutet, dass es sich um eine Größe mit Betrag und Richtung handelt, die geometrisch addiert werden muss.

Bild 3: Strangspannungen und Leiterspannung im Liniendiagramm

Spannung j e 400 V

Spannung je 230 V

Bild 4: Spannungen im Vierleiter-Drehstromnetz

IIOi•*

Sternschaltung symmetris multipliziert mit 360° und t eilt ihn durch die Länge x T. Beispiel:

Edwj

Bild 5: Hall-lmpulsgeber

1 Blende mit Breit e a. 2 weichmagnetische Leitstücke mit Dauermagnet. 3 Hall-IC, 4 Luftspalt. Ub Betriebsspannung, U• verstärkte Hallspannung

~L-------------------------------------------------------------~H~a~lb~l~e~it=e~rd~·=lo~~

9.4

Halbleiterdioden

( ) Dioden verwendet man z. B. • zum Gleichrichten (Seite 242) • als Freilaufdiode (Seite 1OB und 202)

9.4.1 Wirkungsweise Die Halbleiterdiode besteht aus einer P-Schicht und einer N-Schicht (Seite 186), die an den Enden mit metallischen Kontakten versehen sind. Der Ansch luss an der P-Schicht heißt Anode, der Anschluss an der N-Schicht Katode.

I 2,5 A

Tabelle 2: Einsatzgebiete von Transistoren (Beispiele) Anpassung von Spannungen

Schalten

~ /~n ~ Q1 ov Niederer Spannungswert w ird in hö heren Spannungswert umgesetzt, z. B. 5 V vo n Sensor auf 24 V für SPS.

Große Lastströ me werden geschaltet, z. B. Steuerstrom fü r Relais.

Verstärken

~~rb~e~it~s~p~u~n~k~te~i~n~s~te~l~lu~n~gL-----------------------------------------------------~~ 9.5.1.2 Einstellung des Arbeitspunktes Ein Transistor wird als Verstärker z. B. für Wechselspannungen ode r als elektronischer Schalter verwendet. Die häufigste Schaltung dazu ist die EmitterSchaltung. Bei ihr liegt der Emitter an Masse bzw. V (Bild 1 oben). Der Emitter ist dabei der gemeinsame Ansch luss von Eingangs- u nd Ausgangskreis. Das Eingangssigna I, z. B. eine Wechselspannung, liegt zwischen Basis und Emitter, das Ausgangssignal steht an Kollektor und Emitter (bzw. Masse) zur Verfügung. Die Änderungen des Kollektorstromes, verursacht durch Schwankungen des Basisstromes, wandelt der Lastwiderstand Re am Kollekto r in Spannungsänderungen um.

o

ln der Transistorscha ltung stellen die Ko llektor-Emitter-Spannung Uce und die Basis-Emitter-Spannung UaE den Arbeitspunkt (Gieichspannungswerte) ein. Dabei muss die Basis-Emitter-Strecke in Durchlassrichtung geschaltet sein ( Uee =0,7 V), und die Kollektor-Emitter-Spannu ng Uce soll bei einem Wechselspannungsverstärker ungefähr UJ 2 betragen. Damit kann ei n W echselstromsigna l möglichst unverzerrt verstärkt w erden.

Emitterschaltung • Ub

Re

lc

Bild 1: Festlegen des Arbeitspunktes bei einem Wechselspannungsverstärker ( ) Arbeitspunkteinstellung durch • Basisvorwiderstand • Basisspannungsteiler

Rt

Rv

Wird der Transistor als Wechselspannungsverstärker betrieben, ist eine Einstellung des Arbeitspunktes notwendig.

R2

Mithilfe der Betriebsspannu ng Ub werden über • ei nen Basisvorwiderstand Rv (Bild 2a) oder • einen Basisspannungsteiler R1, R2 (Bild 2b) die notwend igen Arbeitspunkte ei ngestellt.

!iJ

b) Basisspan nungsteiler

a) Basisvorwiderstand

Bild 2: Erzeugen der Basis-Emitter-Spannung

Arbeitspunkteinstellung

Querstrom Iq, Seite 56

Basisvorwiderstand

Beispiel: Ein Transistor BC 107 in Emitterschaltung soll eine BasisEmitter-Spannung UaE 0,62 V bei einem Basisstrom 18 0,2 mA durch einen Vorwiderstand R. oder einen Basisspannungsteiler erhalten (Bild 2). Die Betriebsspannung beträgt Ub =16 V.

=

=

Basisspannungsteiler

R,

Ub- Uee lq + 16

a) Wie groß ist der Basisvorwiderstand R.?

~ Wie groß sind uerstrom von 10

a) R.

= Ub-

b) q

lq

Uae Ia

= 7;;

=> 10

lq + Ia

=!.s. Ia

J

0,2 mA

=q · Ia =3 · 0,2 mA =0,6 mA

0,6 mA

R1 : Ub-Uae

q

= 16 V - 0,62 V =JS,S k!l

R2 = Uae = 0,62 V lq

UeE lq

die Widerstände R, und R2, wenn ein

=3 · Ia fließen soll?

=

=1,0J k!l

16V-0,62V =19•23 k!1 0,6 mA + 0,2 mA

R. R,, R2 q Ia 10

Ub Uae

Basisvorwiderstand Spannungsteilerwiderstände Querstromverhältnis (2 ... 5) Basisstrom Querstrom Betriebsspannung Basis-Emitter-Spannung

fiele+

Arbeitspunktstabilisieru.!1

9.5.1.3 Stabilisierung des Arbeitspunktes

10 1

m~

oc

=

Möglichkeiten zur Stabilisierung des Arbeitspunktes • Stabilisierung durch Heißleiter (Bild 2a), • Stromgegenkopplung (Bild 2b) und • Spannungsgegenkopplung.

10° 5

,_. ~

/i I

i/

I

y

2~f J r.

I I

02

04

'/I I~

06

0 8 V 10

UBE _:_____ '

Bild 1: Spannungssteuerkennlinien Stabilisierung des Arbeitspunktes Wirkungskette

J

• Vb

t = Iel = Id = = Ue\ =Ie \ = Ic\ 8

Stabilisierung durch Heißleiter. Bei Erhöhung der T ransistortemperatur nimmt der Widerstand Ri> des Heißleiters ab (Bild 2a). Damit sinken die Basis-Emitter-Spannung U8 e und der Kollektorstrom Ic.

Spannungsgegenkopplung. Legt man den Basisspannungsteiler nicht an die Betriebsspannung Ub, sondern verbindet ihn mit dem Kollektor, bewirkt dies eine Spannungsgegenkopplung.

I

100°C}-IJ

2 10"'

R~ l

Stromgegenkopplung.lm Emitterkreis wird ein Widerstand Re (Re "' 0,1 · Rcl eingebaut (Bild 2b). Ein wegen Temperaturanstiegs ansteigender Strom Ic verursacht eine größere Spannung URe· Da aufgrund des Basisspannungsteilers R1 und R2 die Spannung UR2 konstant bleibt, wird die Spannung Use kleiner. Dies hatzur Folge, dass der Transistor wieder mehr sperrt und damit Ic kleiner wird. Der Kollektorstrom wirkt damit gegensteuernd auf den Transistoreingang.

- 1--1-Uce = SV

t --lc

Durch die Eigenleitung der Transistoren ändern sich die Transistorströme mit der Temperatur (Bild 1). Mit steigender Temperatur nimmt der Kollektorstrom Ic zu. So beträgt bei einer Basis-Emitter-Spannung U 8 e = 0,6 V und bei einer Sperrschichttemperatur von 25 der Kollektorstrom Ic 1 mA. Bei 100 °C ändert sich aber der Kollektorstrom Ic von 1 mA auf 12 mA. Dies bedeutet eine Verschiebung des Arbeitspunktes im Kenn linienfeld, dadurch sinkt die Spannung Uce·

---

Heißleiter. in -.........___ Wärmekontakt -.........___ mit Transistor R montiert ~

ov

a} durch Heißleiter Wirkungskette j

t = Ia t = Id =

da URz = const.

Uee\

=

URd R1

= Ie \ = lc I

Der Widerstand R e bewirkt die Stromgegenkopplung

R2

b} durch Stromgegenkopplung Bild 2: Arbeitspunkteinstellung

Der Emitterwiderstand Re hält den Arbeitspunkt der Transistorschaltungtrotz Temperaturänderung und Exemplarstreuung des Transistors stabil.

Stromg egenkopplung (Es gilt: Ie =Iel

Beispiel: ln der Schaltung (Bild 3) beträgt die Spannung Ub =12 V, Re= 1 kO, q = 5, Re= 100 0, 8 = 80 und Uae = 0,7 V. Die Spannung an Re beträgt 6 V. Berechnen Sie R, und R 2•

Lösun : le

Ia lq

Re Re

= URe = ~ = 6 mA Re 1 kO 6 = _!_s;_ = mA = 75 IJÄ 8 80 = q · Ia = 5 · 75 IJÄ = 375 IJÄ

R,, R2

Iq Ia Ie

ub

URe= Re· l e = 6 mA · 100 0 = 0,6 V

R,

Uae + URe = 0,7 V+ 0,6 V = 3 , 5 k!l lq 375 1JA Ub- Uee-URe = 12V - 0,7V-0,6V 1q +18 3751JA+751JA

= 23,Sk!l .

URe Uae q UR2 URE

Emitterwiderstand Kollektorwiderstand Basisspannungsteiler Querstrom Basisstrom Kollektorstrom Betriebsspannung Spannung an Re Basis-Emitter-Spannung Querstromverhältnis (2 ... 5) Spannung an R2 Spannung an Re

I

Tra

istor als Schalter

9.5.1.4 Transistor als Schalter Den Transistor als Schalter (Bild 1) setzt man ein, um z. B. Leuchten (Bild 1) schnell, kontaktlos und elektronisch ein- oder auszuschalten. Beim Schalten des Transistors, z. B. bei Kippstufen, sind nur die Schaltzustände .,Sperren" (Schalter geöffnet) oder .,Leiten" (Schalter geschlossen) wichtig . Als Schalter w irkt die Kollektor-Emitter-Strecke C-E, die sehr hochohmig (gesperrt) bzw. niederohmig (leitend) sein kann. Die Steuerstrecke ist die Basis-Emitter-Strecke B- E. Versuch: Schalten Sie einen Transistor, z. B. BC 140, über eine Meldeleuchte P1 (12 V, 100 mA) an die Betriebsspan nung Ub (Bild 1). a} Legen Sie an den Eingang vor den Basisvorwiderstand Rv erst 0 V und dann +Ub (Brücke von +Ub an Rvl· Messen Sie Ia. lc und Uce· Bei gesperrtem Transistor liegt an P1 keine Spannung. Dann sind 18 = 0 mA, Uce =Ub und lc beträgt einige JJA. Bei leitendem Transistor liegt an P1 fast die gesamte Spannung von Ub. Ia und lc sind erheblich größer, und Uce geht fast

ov Bild 1: Transistor als Schalter Tabelle: Spannungsverlauf Transistor als Schalter

auf null zurück. b} Legen Sie nun an den Eingang eine Rechteckspannung mit der Frequenz von

t 1~

etwa10Hz und oszilloskopieren Sie die Spannung Uce·

UcE

ub

Unsat

t

50

/8

Im gesperrten Zustand (Bild 2) ist der Widerstand Rce der Kollektor-

t~

Rce~ O

Ubersteuerungsberetch ls

t

lc

Transistoren als Schalter haben zwei Schaltzustände: Sie arbeiten in der Sättigung (leitend) oder sind gesperrt (nichtleitend). Die stabilen Schaltzustände Ein (A3) und Aus (A1) auf der Arbeitsgeraden von Re im Ausgangskennlinienfeld (Bild 2) m üssen stets unter der L~~stungshyperbel P101 des Transistors liegen. Die Arbeitsgerade darf Wahrend des Schaltens die Hyperbel schneiden. Wenn der Schaltvo rgang in seh r ku rzer Zeit abläuft, z. B. t kleiner als 1 J.JS, wi rd der Transistorwährend des Schaltens thermisch nicht überlastet.

~chal~eiten sind vom Transistortyp und v on der Schaltung abhängig. ~ dte Schaltzeiten klein zu halten und ein sicheres Schalten zu ge-

A1

ub Bild 2: Schaltzustände des Transistors bei Widerstandslast Transist or als Schalter

Ic

Ü·

~urrh die Übersteuerung verringern sich die Einschaltzeit und auch die

d~ ~~~~istung Pv = Ucesat · Ic des Transistors, weil bei ansteigendem Ic

A atttgungsspannung Ucesat auf Werte von etwa 0 ,2 V absinkt. Die , Usschaltzeit des Transistors wird jedoch vergrößert, da die Basis v on &at ist die Abkürzung für Saturation (engl.) = Sänigung

..

mm

R

en Ubersteuerungsfaktor ü größeren Basisstrom / 8 angesteuert. Schalttransistoren sicher durchzuschalten, steuert man die ransistoren mit / 8 = ü · Iemin an. ln der Praxis wählt man einen Übersteuerungsfaktor von ü = 2 ... 5.

Ic

B = le le = ~ le = U · l emin

;ah~!eisten, werden Transistoren in Schaltverstärkern mit einem um

~m

-

100

Uce = Ub Ia = 0 Ic = O Rce ~oo

Uce = Ucesat groß Ic groß

Schalten bei ohmscher last Emitter-Strecke des Tra nsistors sehr groß (Arbeitspun kt A 1). Steigt der Basisstrom / 8 , sinkt die Kollektor-Emitter-Spannung Uce· Beim Basisstrom I emin stellt sich der Arbeitspunkt A2 ein. Der Transistor befindet sich am Sättigungsanfang, die sogenannte Übersteuerung beginnt. Erhöht man U8 e und / 8 w eiter, wandert der Arbeitspunkt des Transistors zum Arbeitspunkt A3. Der Widerstand Rce des Transistors ist nun seh r klein Die zugehörige Spannung w ird Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung Ucesat' genannt. Im A rbeitspunkt A3 ist Ucesar auf ei ne Restspannung v on Uceresr"' 0,2 V abgesunken.

~

00

Das Rechtecksignal wird verstärkt und invertiert auf den Ausgang übertragen. Ein· und Ausschalten des Transistors erfolgt im Rhythmus der Rechteckspannung(Tabelle und Bild 1).

Transistor sperrt

Transistor leitet

v

= (U 1 - Ueel · Bmin

ü . Ic

Übersteuerungsfaktor Basisstrom mit Übersteuerung Iamin min. erforderlicher Basisstrom an Übersteuerungsgrenze Bmin min. Gleichstromverhältnis Ic Kollektorstrom Rv Basisvorwiderstand U, Eingangsspannung Uae Basis-Emitter-Spannung ü

/8

Transistor als Scha den vielen Ladungsträgern erst ausgeräumt werden muss. Zur Verringerung der Schaltzeiten wird der Basisvorwiderstand parallel mit dem Beschleunigungskondensator C überbrückt (Bild 1). Der Widerstand R1 gewährleistet, dass auch bei offenem Eingang ein definiertes Potenzial an der Basis von K1 liegt (Bild 1).

Beschleunigungs[ kondensator ---........___

Re

Beispiel: Die typische Ausgangsspannung eines NANO-Gatters (Bild 2) beträgt bei 1-Signal U1 = 3.4 V. Bei der Durchlassspannung UF =1,65 V beträgt der Strom durch die LED CQX 35 /F = 20 mA. Der Transistor BC 107 hat folgende Werte: Use =0,65 V, Bmin =120, Ucrsac =0,2 V. Bestimmen Sie aus der Reihe E12 a) den Kollektorwiderstand Re und b) den Basisvorwiderstand Rv bei einem Übersteuerungsfaktor Ü= 3.

ov Bild 1: Schaltung zur Schaltzeitverkürzung

Lösung: a) R =

ub- UF-

Ucesal = 5 V- 1,65 V - 0,2 V

c h 20 m A Re = 158 0 ; gewählt Re= 150 n b) Rv = (U, - Uael · Bmin = (3.4 V- 0,65 V) · 120 ü · Ic 3 · 20 mA R. = 5,5 kO; gewählt R. = 5,6 kn

Schalten bei induktiver Last Beim Schalten einer induktiven Last (Bild 3a), z.B. einer Relaisspule, wird beim Einschalten des Transistors der Stromanstieg durch die Selbstinduktion verzögert und verläuft auf der Einschaltkurve von A 1 bis A2 (Bild 3b). Beim Ausschalten wird in der Spule eine Induktionsspannung induziert, die ohne Diode R1 einen Strom nach der Ausschaltkurve zur Folge hat. Beim Ausschalten einer induktiven Last kann eine hohe Induktionsspannung an der KollektorEmitter-Strecke entstehen, die den Transistor zerstört. Als Schutz gegen schädliche Induktionsspannungen wird zur Induktivität meist eine Freilaufdiode (Bild 3a und 3b, Ausschaltkurve mit R1) oder ein RC-Giied parallel geschaltet. Schalten bei kapazitiver Last Beim Einschalten einer kapazitiven Last, z. B. dem Ladekondensator eines Netzteils, ist der Kollektorstrom stark erhöht, da derVerlustwiderstand Rdurch den Kondensator C kurzgeschlossen wird (Bild 4a). Der Einschaltstrom verläuft auf der Kurve Einschalten, ohne R1. Beim Ausschalten von A2 nach A 1 sinkt der Strom schnell ab (Bild 4b).

A

B

Bild 2: Transistor als Schalter mit NANO-Gatter

1nduk- ___r::---.-•_U ...::b tive Last

t

fc

a) Schaltbild

Bild 3: Schaltverhalten bei induktiver Last

kapazitive Last

t

fc

Beim Einschalten einer kapazitiven Last kann der Transistor durch den hohen Ladestrom des Kondensators zerstört werden. Der in Reihe geschaltete Widerstand R1 (Bild 4a) begrenzt den Einschaltstrom (Bild 4b).

b) Ausgangskennl inienfeld

ov a) Schaltbild

b) Ausgangskennl inienfeld

Bild 4: Schaltverhalten bei kapazitiver Last

W .leßl

Bistabi le Kippschaltung

9.5.1 .5 Kippschaltungen

Übersicht: Kippschaltungen

Kippschaltungen ändern ihren Zustand an den Ausgängen Q und li sprunghaft, z. B. von 0 nach 1.

• • • •

Die Ausgänge Q und li von Kippschaltungen müssen immer inverse Signale haben, z. B. Q = 0 und =1.

Bistabile Kippschaltung (Bild 1) monostabile Kippschaltu ng (Seite 204) astabile Kippschaltung (Seite 204) Schwellwertschalter mit NE 555 (Seite 204)

a

+12 V

Bistabile Kippschaltung Versuch: Erstellen Sie eine bistabile' Kippschaltung (Bild 1). Legen Sie an die Eingänge die Signale 5 2 =0 und R3 = 1 (+Ub = 12 V). Messen Sie die Signalzustände der Ausgänge Q und Q. Wiederholen Sie den Versuch mit weiteren Signalkombinationen an S und R. Die bislabile Kippschaltung nimmt nach einem Setzsignal (S = 1) den Zustand Q = 1 und Q = 0 an, nach einem Rücksetzsignal (R = 1) den Zustand Q = 0 und Q = 1. Mit den Eingangszuständen S = R = 1 hat die Kippschaltung den verbotenen Zustand Q = Q = 0. Danach nimmt die Schalrung einen nicht vorhersehbaren Zustand (nicht definierten Zustand) Q = 0 oder Q = 1 an (Bild 2).

Eine bistabile Kippscha ltung hat zwei stabile Zustände. Sie kippt in den entgegengesetzten (inversen) Zustand, wenn über Vorwiderstände an die Basis des nicht leitenden Transistors ein 1-Signal +Ub) gelegt wird. Ihr Ausgangszustand bleibt auch dann erhalten, wenn der Eingangsimpuls nicht mehr vorha nden ist.

A U

Bistabile Kippschaltungen lassen sich auch aufbauen aus: • NANO-Verknüpfungen, z. 8. 74HCTOO • NOR-Verknüpfu ngen, z. B. 74HCT02, (Seite 228)

Rt =

2.2 kQ

a _ _....,_c=r--..._

S (set) Bild 1: Bistabile Kippschaltung

s

I

R (Re· sei)

I I

(Set)

Q

ä

~

r-

n

r-

r--

r-Speicher·! zustand

? I ,_

,_

1 Spei· eher gesetzt

I

Speicher zurück· gesetzt

I

l

Verbotener nicht definier· ter Zustand Zustand a.ä Q • 0 oder 1

Bild 2: Signalverläufe der bistabilen Kippschaltung

Timer-Baustein NE 555 Der Baustein NE 555 ermög licht ohne aufwendige Außenbeschaltung den Aufbau von zeitabhä ngigen Schaltungen oder von Schwellwertschaltern. Er enthält zwei Kompa ratoren (Verg leicher ) und einen Spannungsteiler aus den drei g leich großen Widerständen R,, R2 und R3 (Bild 3). Dieser Spannu ngsteiler liegt an der Betriebsspannung Ub des Timer-Bausteins. An jedem der drei Widerstände fällt ein Drittel d~r Bet riebsspannung Ub ab. Sinkt die am Triggeremgang ® angelegte Spannung unter den Wert der Referenzspannung (1/ 3 Ub) des invertierenden KomParators, liegt am Komparatorausgang K2 1-Signal, der RS-Speicher K3 w ird gesetzt. Damit liegt am Ausgang 0 @1-Signal. Liegt am Schwelleneingang @ des nicht invertieren~en Komparators K1 eine Spannung, die größer als Ia ·st, so hat der Ausgang des Kom parators K1 _U .b 1 1 Signal, der RS-Speicher K3 wird wieder zurückge: etzt (Q = 0). Gleichzeitig wird der Transistor K4 leiend gesteuert. biUal)twe1. 11 v -

2 S von to set (engl.) = setzen on 10 reset (engl.) =zurücksetzen

{ ) Wichtige Kennwerte des Timer-Sausteins NE 555 • Betriebsspannu ng: 4,5 V ... 18 V • Ausgangsstrom: maximal200 mA

nicht invertierender Komparator Schwelle IThres) Steuerspannung ([ont)

Trigger (Trig)

Bild 3: Blockschaltbild Tim er NE 555

~L---------------------------------------------------------~K~ip~p~s~c~h~a~lt~u~n~ g~ Kippschaltungen mit dem Timer NE 555 Beschaltet man den Triggereingang ® und den Schwelleneingang ® des Timers NE 555 mit einem RC-Giied, kann man den Timer auch zum Aufbau einer monostabilen oder einer astabilen Kippschaltung verwenden.

Ub

= • 12V

-®-~~~ --~ I

Zeitbestimmen- 1 des RC -Gli_ed--1', ..---+---+----l

u,l ov

Monostabile Kippschaltung Die Spannung Uc des zeitbestimmenden AC-Gliedes (R1, C1) liegt an den Eingängen ® (Schwelle) und CD (Entladung) in Bild 1. Du rch einen Triggerimpuls am Eingang ® kleiner 1/ 3 Ub setzt der Komparator K2 (Bild 3, Seite 203) den RS-Speicher und damit den Ausgang Q @ auf den Wert 1. Übersteigt die Spannung Uc am Kondensator C1 den Wert 2/ 3 Ub am Eingang (6, Schwelle) des Komparato rs K1, liegt dessen Ausgang auf 1. Der RS-Speicher wird zurückgesetzt, Ausgang 0 ® =0. DerTransistor K4 (Bild 3, Seite203) wi rd leitend und entlädt den Ko ndensato r C1 des ACGliedes. Die monostabile Kippschaltung erzeugt Ausgangsimpulse bestimmter Zeitdauer.

t ~1 111 u1111111 u1111111 uII I I t ~1 111 U}f l lll LJ}f l lll U}f j t ~ 1 111 1 111 1 111 1 111 1 111 1 1111 1

u,

1

2

3

4ms5 1 - -

1

2

3

4

1

2

3

1

Uc

ms 51 - -

1

U,

4 ms 51 - 1, =1.1·R1 ·f 1

~

Bild 1: Monostabile Kippschaltung

u. =·12V

m_ I R1~

1 220() I R2 . _~ 15kR

4 T-----1 7 6

NE 555

3

I

u,

Zeitbestimmendes RC -Glied I

Astabile Kippschaltung Bei Anlegen der Betriebsspannung ist der Kondensator C1 (Bild 2) nicht geladen, die Spannung Uc ist kleiner als 1/ 3 Ub, der RS-Speicher K3 (Bild 3, Seite 203) wird gesetzt (Q = 1). Überschreitet die Spannung Uc den Wert 2/ 3 Ub, wi rd der RS-Speicher zurückgesetzt. Der nun leitende Transistor K4 entlädt den Kondensator C1 über den Widerstand R2 . Unterschreitet Uc den Wert 1/ 3 Ub wiederholt sich der Vorga ng. Astabile Kippschaltungen erzeugen Rechteckimpulse mit einstellbarer Impuls- und Pausenzeit

ov

~--

t ~11"1 Hd 11"1 l'$3 11"1 l$3 I;H l$3 I t ~1 11 1 1 1 1 11 1 1 I 111 111 111 1111 1

Uc

0,5

1

1,5

0,5

1

1,5

2

2.5

3

3,5 ms 4 I - -

2

2,5

3

3,5 ms 4 I - -

1

U,

1 I, I f , I ~

1, =0.69-(R, ·R2).[, 10 =0.69·R2·f,

Bild 2: Astabile Kippschaltung

E~Q ~-

Schwellwertschalter (Schmitt-Trigger) Schwellwertschalter geben beim Erreichen eines bestimmten Spannungswertes am Eingang E (Bild 3a) ein 1-Signal am Ausgang Q ab. Unterschreitet die Eingangsspan nung den Spannungswert hat der Ausgang Q w ieder den Wert 0.

u,.

u,.

~ al

I R1

I

0

Beschaltun~ ~

Dämmerungsschalter

'- _

u,.

Die Differenz zwischen Einschaltschwelle und Ausschaltschwelle bezeichnet man als Hysterese llu1 (Bild 3b und 3c).

u,.

Versuch: Bauen Sie mitdem Baustein NE 555 einen Schwellwertschalter (Bild 3) auf. Legen Sie an den Eingang zuerst eine sinusförmige, danach eine dreieckförmige Wechselspannung. Oszilloskopieren Sie die Ausgangsspannung u2 • Die Ausgangsspannung u2 ist immer rechteckförmig.

Bild 3: Schwellwertschalter

Schwellwertschalterverwendet man z. B. bei Dämmerungsschaltern (Bild 3), zur Formung von Rechteckimpulsen oder zur Signalaufbereitung bei der Datenübertragung.

Grundbe

'ffe der Verstärkertech n ik

9.5.1.6 Verstärkerschaltungen

r·----- -- -- -- -

Grundbegriffe der Verstärkertechnik Mikrofon

Verstärker haben die Aufgabe, Signale originalgetreu und unverzerrt zu verstärken. Ein Lautsprecher mit z. B. 60 W Anschlussleistu ng kann kei ne Signale mit kleiner Spannun g oder mit geringer Leistung wiedergeben, z. B. von einem Mikrofon, das etwa 1 o,JW liefert. Solche Signale müssen zuerst m öglichst unverzerrt mit Verstärkern vergrößert werden. Zum Verstärken benötigt ma n aktive Bauelemente, z. B. Tran sistoren. Verstärkerstufen stellt m an als Vierpol mit 2 Einund 2 Ausgängen dar (Bild 1). Sie benötigen eine Versorgu ngsspannu ng, um die abgegeb ene Leistung liefern zu können. Das Verhältnis der A u sgangsgröße zur entsprechenden Ei ngangsgröße bezeichnet man als Verstärkungsfaktor. Man unterscheidet Spannungsverstärkung Vu, Stromverstärkung II; und Leistungsverstärkung VP' Beim Verstärkungsvorga ng sind ha uptsächlich die Wechselgrößen für Schaltungsberechnungen von Bedeutung. Ausgehend vom A rbeitspunkt A i m Kennlinienfeld (Bild 2) können der WechselstromEingangswiderstand r8 e und der WechselstromAusgangswiderstand ' ce berechnet werden. Aus der Stromsteuerkennlinie kann man die Wechselstromverstärkung ß bestimmen.

--

.

I

1

.I

Verstarker

. ,u,. p,_ [>

I

-I

·

L__ __ ____ __ __ _ Bild 1: Verst ärker als Vierpol Verstärkungsfaktoren

V= 12-

,

Vu, V;, V0

u,_, u2I,_, /2_

p,_,

p2-

J,_

VP = p2_ - V ·V P,_ - u ,

Verstärkungsfaktoren Eingangs- und Ausgangswechselspannung Eingangs- und Ausgangswechselstrom Eingangs- und Ausgangsleistung

Vierquadranten-Kennlinienfeld

Jl Stromsteuer- flle kenntinie

Grundschaltungen des bipolaren Transistors 10

Entsprechend den drei A nschlüssen des Transistors unterscheidet man Emitter-, Kollektor- und Basisschaltung (Tabelle). Unterscheidungsmerkmal istderTransistoransch luss, der dem Ein- un d Ausgangskreis gemeinsam angehört. Dieser Transistoran schl uss liegt wech selsp annungsmäßig an dem gemeinsamen Bezugspunkt.

Eingangs-

III

IV

kennlinie

Bild 2: Kennlinien und Kenngrößen des bipolaren Transistors BC 107

J:.abelle: Verstärkergrundschalt ungen bipolarer Transistoren Schaltungsname Emitterschaltung Kollektorschaltung

EinganJ +

Schaltungsbeispiel

u,_

-

I Ausgang +

Phasenlage von u,_ zu U2_ Anwendungsbeispiel

+

.,.

1]1

~annungsverstärkungsfaktor Vu groß, z. B. 200 ~mverstärkungsfaktor V: groß, z. B. 200

~stungsverstärkungsfaktor V0 ~angswiderstand ~angswiderstand

EinganJ

sehr groß, z. B. 40 000 mittel, z. B. 5 kO groß, z. B. 20 kO gegenphasig, 180° NF-Verstärker

J

• Ub

Eingang

ov

ju,_

~~ov

[

Ausgang +

+

~ Ausgang

U2-

u,_

IJ

rJl . .l

klein(< 1) groß, z. B. 200 groß, z. B. 200 groß, z. B. 50 kO klein, z. B. 100 n gleichphasig NF-Eingangsverstärker

.

Basisschaltung

.u.

+Ub

I

V 20

Ucr-

groß, z. B. 200 klein(< 1) groß, z. B. 200 klein, z. B. 50 0 groß, z. B. 50 kO gleichphasig HF-Verstärker

U2-

ov

f·N *

Bipolarer Tra n s i storve rstär~

Einstufiger bipolarer Transistorverstärker in Emitterschaltung Der Schaltplan (Bild 1) zeigt eine oft verwendete Niederfrequenz-Verstärkerstufe.

Bild 1: NF-Verstärkerstufe in Emitterschaltung mit Oszillogrammen der Spannungen Versuch 1: Bauen Sie die Verstärkerstufe (Bild 11 auf und legen Sie die Schaltung an eine Betriebsspannung von 12V Stellen Sie mit R1 den Ruhe-Arbeitspunkt Aso ein, dass URe= 6 V (UcE= 5 V und URE= 1 V) beträgt. Die Eingangswechse spannungsoll bei f = 1 kHz einen Spitze-Tal-Wert 01 =50 mV haben (Oszillogramm 1). a) Messen und oszilloskopieren S~ die Spannung U2 - am Verstärkerausgang. b) Bestimmen Sie die Spannungsverstärkung. a) Am Verstärkerausgang entsteht eine Ausgangswechselspannung U2- = 1,8 V bzw. b) Die Spannungsverstärkung beträgt V" = ~/ 1 =5 V/0,05 V= 100.

y

y = 5 V (Oszillogramm 4). 2

Das Vierquadranten-Kennlinienfeld (Bild 2) zeigt den Verstärkungsvorgang vom Ansteuern der Eingangs Wechselspannung u,_ bis zum Auskoppeln der Ausgangswechselspannung U2- · Der Spannungsteile (R1+R2) sowie R3 (Bild 1) erzeugt die Basisvorspannung U8 e (etwa 0,7 V) und stellt den ArbeitspunktAdes Transistors ein. Am Verstärkereingang wird der Transistor mit einer Sinusspannung, z. B. von 1 =50 mV angesteuert (Oszillogramm 1). Diese Wechselspannung V,_ überlagert die Basisvorspannung U 8e, d. h., es entsteht eine Mischspannung mit einem Gleich- und Wechselanteil (Oszillogramm 2). Die Basis-Emitter· Spannung U8e ändert sich um öU8 e im Rhythmus der zu verstärkenden Wechselspannung und schwank! z. B. um den Gleichspannungswert U8 e = 0,7 V von Punkt A 1 nach A2 (Bild 2). Bei ansteigender SpannunQ U8e steigt im gleichen Verhältnis der Basisstrom 18 und somit der Kollektorstrom Ic. Der Lastwiderstand R: (Arbeitswiderstand) setzt die Kollektorstromänderungen in Änderu ngen des Spannungsfalls um. Mit steigender Eingangsspannung ö U8 e ändert sich die Aussteuerung auf der Arbeitsgeraden von A nach A1, die Kollektor-Emitter-Spannung Uce wird kleiner. Danach verläuft die Aussteuerung von A 1 über den Ia = 0,1. mA Arbeitspunkt A nach A2. Die entstehende Spannung Uce ist wie U8e eine Mischspannung und ändert sich h.t--~--....:.:..12f.l=~r;;----,0.3 mA gegenphasig um den Gleichspannungswert Uce mit tJ.Uce (Oszillogramm 3).

g

t

lc- H-H I-r'---Q.

Bei der Emitterschaltung sind Eingangswechselspannung V,_ und Ausgangswechselspannung U2_ invertiert1, also um 180° phasenverschoben.

0,1,.;.

2

Bei richtiger Dimensionierung der Schaltu ng erzeugt die Änderung von U8 e um ö U8 e eine unverzerrte und wesentlich größere Änderung von Uce um ö Uce (Bild 2). Die Eingangswechselspannung wird ZU U2- verst ärkt (Oszillogramm 4).

4

6

8

10 V 12

~u:rm gsgrone ~ ucEo.5o 0 55

v'

ilU f

t

CE

u,_

Einstufige Transistorverstärker haben eine geringe Ausgangsleistung. Große Ausgangsleistungen, z. B. 20 W, erreicht man mit Leistungsverstärkern. 1

invenere (lat.) : umkehren, umwenden

Bild 2: Verstärkungsvorgang einer Wechselspannung im Vierquadranten-Kennlinienfeld

~deffekttransistore n

9.5.2 Feldeffekttransistoren (FET)

Source Gate Drain P-Substrat

GA O

Feldeffekttransistoren nennt man auch unipolare Transistoren, weil der Stromfluss im Transistor nur durch eine Ladungsträgerart (Löcher oder Elektronen) erfolgt. Dabei wird der Stromfluss leistungslos durch ein elektrisches Feld gesteuert. Feldeffekttransistoren werden leistungslos durch eine Steuerspannung und ohne Steuerstrom gesteuert. Sie haben deshalb einen sehr hohen Eingangswiderstand.

s';/ Raumladungszone im Betriebszustand

Bild 1: J -FET mit N-Kanal

Aufbau . Feldeffekttransistoren bestehen aus einem N- oder P-leitenden Kanal zwischen den Anschlüssen Drain und Source (Bild 1). Der Stromfluss im Drain-Sou rce-Kanal wird durch die Steuerspannung über den Gateanschluss gesteuert.

Übersicht: Anschlussbezeichnung beim FET • Gate (engl.) =Tor, Sperre • Source (engl.) =Quelle • Drain (eng I.)= Senke, Abfluss

Einteilung. Feldeffekttransistoren lassen sich, außer nach den Kanaltypen, in Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (J-FET1) und lsolierschicht-Feldeffekttransistoren {IG-FET'l) unterteilen (Tabelle). Da beim IG-FET der Gateanschluss vom Kanal isoliert ist, ist sein Eingangswiderstand z. B. um den Faktor 1000 größer als beim J-FET.

Tabelle: Feldeffekt-Transistoren LadungsHalbleiterKanal-Typ träger element

Schaltzeichen

H VerI schicht~:.::]{ 1N-Kanal f- armung FET Ver- I HP-Kanal f- H armung

Ströme und Spannungen beim FET. • 10 : Strom, der im Drain-Source-Kanal fließt. • U05: Spannung zwischen Drain und Source. U0 s muss so gepolt sein, dass die im Kanal vorhandenen Ladungsträger zum Drainanschluss abfließen. Bei einem N-Kanai-FET muss damit der Drainanschluss positiver als der Sou rceansch luss vorgespannt sein, damit die Elektronen zum Drainanschluss gelangen.

IG-FET

I

MOS· FET

~

0

~G i s 0

:l s

Hcherung Anrei- 1 ~.,Q_ ~ -1 armung Ver- I ~8= s

1N -"'"''1

~

Ver- I ~E: rl P-Kanal-1 -i armung s -1 cherung Anrei- I ~.,Q_

-

• UGs: Spannung zwischen Gate und Source. lhre Höhe und Polarität bestimmen den Stromfluss im Kanal. Eine negative Gate-Source-Vorspannung sorgt bei einem N-Kanai-FET dafür, dass der N-Kanal schmäler wi rd und damit der Strom / 0 geringer.

~

lsolierschicht-Feldeffekttransistoren lassen sich in ZWei Gruppen einteilen. Fließt bei UGs =0 V ein Drainstrom / 0 , nennt man die FET selbstleitend. Am Schaltzeichen erkennt man dies an der geschlossenen Verbindung zwischen Drain und Source (Tabelle). Bei sel bstsperrenden FET dagegen fließt bei UGs = 0 V kein Drainstrom . Im Schaltzeichen wird dies mit einer unterbrochenen Linie zwischen Drain Und Source gekennzeichnet.

IG·FET

J-FET

N-Kanal

N-Kanal

uer t

'·~

'·ur~ 0 -

uGs

-

Uos

-UGs -

Bild 2: Kennlinien von FET 1

.

GL ~ t t

s

t

Selbstsperrende FET werden auch als Anreicherungstypen und selbstleitende FET auch als Verarmungstypen bezeichnet.

~ennlinien. Da FET leistungslos über die Gate1- 0,7 V) befindet sich die Schaltung in stabiler Lage. Die Spannung am nicht invertierenden Eingang wird durch R2 mehr positiv als die Spannung am inv ertierenden Eingang, die durch die Diode R6 etwa 0,7 V beträgt. Mit einer negativen Spannu ngsflanke U1 am Schaltungseingang, der

d~n nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers auf emen Wert unter 0,7 V bringt, kippt die Schaltung. Die Ausgangsspannung U2 erreicht damit den größten negativen Wert. Der Kondensator C1 wird über R3 entladen und auf negative Spannung Ull2 geladen. Der Komparator schaltet nun auf positive Ausgangsspannung U2, und der Kondensator C1 w ird aufetwa 0,7 V umgeladen (diese ~.mladezeit nennt man auch Erholzeit). Danach kann die monostabile 1PPschaltu ng erneut mit einem negativen Impuls an U gestartet wer1 den. Monostabile Kippschaltungen gibt es auch als integrierte Schaltung (Bild 5).

Bild 4: Monostabile Kippschaltung

1

von to compare (eng I.) =vergleichen

2Ö. 2R 2B 2A

~~I 12345678

1A

Monostabile Kippschaltungen werden als Impulsgeber und als Impulsformer verwendet.

20

• Ub

1B

1R 1Ö.

10

A,B: Einginge A: RucksteUtingang

..L

Ö, Q : Aus gingt

Bild 5: Zwei nachtriggerbare monostabile Elemente mit Rückstellung, z. B. SN74123

t!.l•*

Digitale Schaltungen mit OP-Verstärk~

Einen Schmitt-Trigger (Schwellwertschalter) mit einem Operationsverstärker zeigt Bild 1. Er ist wie ein invertierender Komparator aufgebaut. Überschreitet die Eingangsspannung U1 einen bestimm ten Wert, so kippt die Ausgangsspannung U2 sehr schnell, d . h. mit hoher Flankensteilheit, von dem einen maximalen Wert in den entgegengesetzten größten Wert. Wird z. B. der Operationsverstärker am invertierenden Eingang mit positiver Spannung U1 angesteuert, so kippt die Ausgangsspannung U2 auf- U2max (Bild 2). Invertierende Schmitt-Trigger. Nimmt man als Ausgangsspannung + U2max an, dann ist UR 2 positiv. Wenn die Eingangsspannung U1 kleiner als UA 2 ist, hat dies kei nen Einfluss auf den Ausgang. Werden jedoch U1 und UR2 gleich groß, so kippt die Schaltung. Es kommt mit großer Flankensteilheit am Ausgang zum Polaritätswechsel (Bild 3). Die Schwellspannung (Schaltspannung) U1 berechnet sich nach der Formel

741

Bild 1: Schmitt-Trigger

ul +UINx

Der Schmitt-Trigger wird z. B. in Dämmerungsschaltern oder in Temperaturwächtern verwendet.

u, -U"'~·

Beispiel 1: Ein Operationsverstärker als Schwellwertschalter (Bild 1) hat U2max = 15 V. Die Ausgangsspannung U2 sei positiv, R1 =4 kO, R2 =1 kO. Bei welcher Eingangsspannung U, kippt der Schmitt-Trigger auf die Ausgangsspa nnung von etwa - Uzmox?

Bild 2: Spannungsverlauf der Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Eingangsspannung

Lös un : U, = Uzmax · R2 = + 15 V · 1 kO = + 15 V = + 3 V R, + R2 4 kn + 1 kn 5

Bei U1 =+3 V kippt die Ausgangsspannung des Schmitt-Triggers auf -U2max· Im Beispiel 1 kippt die Ausgangsspannung bei U1 = - 3 V w ieder auf U2max = + 15 V zurück. Die Spannung U1 ist von der Wa hl der Widerstandswerte für R1 und R2 abhängig. So kann der Kippvorgang z. B. bei 1 1J der Ausgangsspannung U2 für die Eingangsspannung U1 ausgelöst werden (Bild 2).

u + Ulmax +-.,.-7-~--r----r.

+UR2 ~q---~l---~~

-UR2

-U2~,t-~---~~~--~

Bild 3: Spannungsdiagramm der Ausgangsspannung beigegebener Eingangsspannung

Beispi el 2: Für eine sinusförmige Eingangsspannung mit ü =SV, 50 Hz, ist die Ausgangsspannung nach einem Schmitt-Trigger entsprechend Bild 1 zu ermitteln. Es gelten die Bedingungen von Beispielt

Lösun : siehe Bild 4. Soll die Ausgangsspannung U2 bei Ansteuerung mit positiver Eingangsspannung U1 gleichfalls positiv sein, so wi rd der Operationsverstärker am nicht invertierenden Eingang angesteuert (Bild 5).

Bild 4: Lösung zu Beispiel 2

Wiederholungsfragen 1 Nennen Sie typische Kennwerte von Operationsverstärkern. 2 Nennen Sie drei Grundschaltungen von OP-Verstärkern. 3 Nennen Sie die Bauelemente, aus denen eine astabile Kippschaltung mit einem Operationsverstärker verwirklicht wird. 4 Auf welche Weise muss die astabile Kippschaltung ergänzt werden, damit daraus eine monostabile Kippschaltung wird? 5 Welche Spannungsform ist am Ausgang eines Schmitt-Triggers stets vorhanden? 6 Nennen Sie jeweils zwei Anwendungen für a) die ast abile Kippschaltung und b) für einen Schmitt-Trigger.

R2=10kQ

Bild 5: Nichtinvertierender Schmitt-Trigger

arten Gru ndverknü

9.8

Digitaltechnik

9.8.1

Signalarten der Digital- und Steuerungstechnik

in der Digitaltechnik unterscheidet man analoge 1, binäre2 und digitale3 Signale (Tabelle 1). Analoge Signale ändern ihren Wert mit der verursachenden Größe. Die Ausgangsspannung eines als Spannungsteiler geschalteten Potenziometers ändert sich analog mit der Stellung des Schleifers, z.B. mit dem Drehwinkel des Potenziometers. Analoge Signale können in einem vorgegebenen Wertebereich, z. 8 . 0 V ... 5 V, jeden Zwischenwert, z. 8. 2,55 V, annehmen. Sie sind stetig veränderbar. Binäre Signale haben nur zwei mögliche Zustände. Eine Leuchte kann z. 8 . an Spannung liegen oder spannungsfrei sein. Binäre Signale können nur zwei Signalzustände, 0 oder 1, annehmen.

(I)

Duales Zahlensystem, Seite 230

Digitale Signale ändern ihre Größe sprunghaft und mit gleichem Wertzuwachs. Das digitale Signal eines stufigen Spannungsteilers kann sich z. 8. in vier gleichen Schritten vom Wert 0 V bis zum Wert der Betriebsspannung ändern (Tabelle 1). Digitale Signale haben m ehrere, abzählbare Zustände. Sie sind stufig veränderbar.

9.8.2

Grundverknüpfungen

Alle Steuerungsaufgaben lassen sich mit den drei Grundverknüpfungen UND, ODER und NICHT lösen (Tabelle2).

Analogsignal

t.

m!t

a

. 1

Datenblätter HCMOS-ICs WWw.datasheetcatalog.net

~"•!og (griech.l = entsprechend

~~r= aus :twei Wenen bestehend ' Ko:l ~~iffernmäßig, von digitus (lat.) = Finger, mit dem gezählt wird n oon, von conjunction (engl.) • Verbindung

1

utn n

Binärsignal

Digitalsignal

t

..

t

..

ut /l~ • t

Tabelle 2: Grundverknüpfungen UND

NICHT ODER Schaltzeichen nach EN 60617-12

--{D-x :ax :f ix A Schaltzeichen nach US-Norm

;=C)-x ;=f>-x :=t>-x { ) Wichtige ICs der Digitaltechnik • 74HCOO: 4 NANO mit 2 Eingängen • 74HC02: 4 NOR mit 2 Eingängen • 74HC08: 4 UND mit 2 Eingängen • 74HC32: 4 ODER mit 2 Eingängen • 74HC04: 6 Nicht-Verknüpfungen (Inverter} T abelle 3: UND-Verknüpfung Schaltzeichen und Stromlaufplan Funktionsgleichung L

.T

9.8.2.1 UND-Verknüpfung Die UND-Verknüpfung (Konjunktion 4 ) hat am AusQ.ang nur dann den Wert 1, wenn alle Eingangs~1.9nale .gleichzeitig den Wert 1 haben (T abelle 3). typ1scher Anwendungsfall für eine UND-Vernuptung ist die Zweihandbedienung, z. 8. bei Pres~~n. Die Pr~sse lässt ~ich dieser Schaltun.g b ~D-Verknupfung) nur 1n 8etneb setzen, wenn d1e ~ 1 ?en getrennt angeordneten Sicherh eitstaster ~ elchzeitig betätigt werden. Diese Schalt u ng dient er Untallve rhütung.

uv

Tabelle 1: Signalarten

51 0H I l

51~

""t~

52~

0 I

01 ~X

01

N

A B

• Wertetabelle

== ~

:il

Eingänge

Ausgang

:b3L X=A AB Zeitablaufdiagramm

A:1s-Ls-L ,_ B:t n__r,_ X:1 •,_

Grundverknü Die Funktion logischer Verknüpfungen lässt sich durch den Stromlaufplan, durch Schaltzeichen, durch die Werte- oder die Arbeitstabelle, durch ein Zeitablaufdiagramm oder mithilfe der Funktionsgleichung beschreiben (Tabelle 3, Seite 221 ).

• 5V

74HC08

Versuch 1: Legen Sie an den Baustein 74HC08 (vier UNDVerknüpfungen) die Betriebsspannung Ub = DC 5 V und basehalten Sie die Eingänge (Bild). Stellen Sie an den Schaltern 5 1 und 52 die vier möglichen Schalterkombinationen ein. Der Ausgang der UND-Verknüpfung hat den Zustand 1, wenn beide Eingänge gleichzeitig den Zustand 1 (etwa + 5 V) haben (Tabelle 3, Seite 221).

ov Bild: Verhalten der UND-Verknüpfung

Die UND-Verknüpfung hat nur dann das Ausgangssignal1, wenn alle Eingangssignale gleichzeitig den Wert 1 haben. X= A " B (lies: X= A und B)

A U

Zählweise bei ICs mit Dual·in-line-Gehäuse

Tabelle 1: ODER-Verknüpfung Schaltzeichen und Funktio nsg leichung

Stromlaufplan

9.8.2.2 ODER-Verknüpfung

74HC32

Versuch 2: Setzen Sie in die Versuchsanordnung zu Versuch 1 einen Baustein 74HC32 ein (vier ODER-Verknüpfungen). Der Baustein 74HC32 hat die gleiche Anschlussbelegung des IC 74HC08 aus Versuch 1. Wiederholen Sie sinngemäß Versuch 1.

:=LJ-x

Der Ausgang der ODER-Verknüpfung hat den Zustand 1, wenn an einem oder an beiden Eingängen der Zustand 1 an/iegt (Tabelle 1).

X= Av B

N

Am Ausgang der ODER-Verknüpfung (Disjunktion1) liegt der Zustand 1, wenn mindestens ein Eingang den Zustand 1 hat. X= A v B (lies: X= A oder B)

A1 ~ 0

B

11 0j

Legt man die Störmeldungen, z. B. Wassermangel, Übertemperatur und Brennerstörung einer Heizungsanlage auf die drei Eingänge ei ner ODER-Verknüpfung, erhält m an am Ausgang der Verknüpfung eine Sammelstörmeldung der Heizung. Sie zeigt das Auftreten einer oder mehrerer Störungen an.

cu==: f

f

x ~l . . . cj ,_ Tabelle 2: NICHT-Verknüpfung Stromlaufplan

9.8.2.3 NICHT-Verknüpfung

Schaltzeichen und Funktionsgleichung _..

L

Bei der NICHT-Verknüpfung (Negation2 ) liegt am Ausgang das umgekehrte (invertierte3 ) Eingangssignal. Die Schützschaltung in Tabelle 2 wirkt wie eine Negation. Betätigt man den St euertaster S1, zieht das Schütz K1 an und trennt durch seinen Öffnerkontakt die Leuchte P1 vom Netz.

74HC04

~I

K1 N

~

::0:

I

A----8- X

SH---~ ~

I

:

P1Qp

X=Ä Zeitabi aufdiagramm

Wertetabelle

Am Ausgang der NICHT-Verknüpfung liegt immer das invertierte EingangssignaL X= Ä (lies: X= A nicht) Für eine Negation braucht man immer ein aktives Bauelement, z. B. ein Relais oder einen Transistor. Die UND- bzw. die ODER-Verknüpfung lässt sich auch mit passiven Bauelementen, z. B. Widerstände und Dioden, rea lisieren.

Zeitablautdiagramm

Wertetabelle

_..

A11nox ~m • cw ,_ 0

' Disjunktion, von disjunctio (lat.l = Trennung Negation (lat.l = Verneinung von invertere (lat.l = umwenden, umkehren

2 3

t-

onen

9.8.3

Grundverknüpfungen mit Ausgangs- oder Eingangsnegation

Grundverknüpfungen kombiniert man in der Praxis häufig mit der NICHT-Verknüpfung. Dabei kann die Eingangsseite oder die Ausgangsseite negiert sein.

Tabelle 1: Grundverknüpfungen mit Ausgangsnegation NAND-Verknüpfung 74HCOO

9.8.3.1 Verknüpfungen mit Ausgangsnegation

---

NAND-Verknüpfung. Negiert man den Ausgang der UND-Verknüpfung, erhält man die NAND-Verknüpfung (Tabelle 1). Die Bezeichnung NAND bedeutet soviel wie NOT-AND (Nicht-UND). Der Ausgang der NAND-Verknüpfung hat nur dann den Zustand 0, wenn alle Eingänge gleichzeitig den Zustand 1 haben. X = A 1\ B (lies: X= A und B, nicht) Am Schaltzeichen kennzeichnet man eine Ausgangsnegation durch einen Kreis am Ausgang der Verknüpfung, in der Funktionsgleichung durch einen durchgehenden Querstrich über den Eingangsvariablen (Tabelle 1).

NOR-Verknüpfung. Eine NOR-Verknüpfung (NOTOR) kann man herstellen, wenn auf die ODER-Verknüpfung eine NICHT-Verknüpfung folgt (Tabelle 1). Der Ausgang der NOR-Verknüpfung hat den Zustand 0, wenn mindestens ein Eingang den Zustand 1 hat. X = A v B (lies: X= A oder B, nicht)

A~ y 1

B

X

:fi x

A1

B1

y 1 X 1

NOR-Verknüpfung 74HC02

A=Lf8-_..1 y 1 X B

:fix

Y=A v B

X=Y A1 o r=~==~--~~-­

B 1 O f=~~=L~======L

y 1 o~~--~~--~---­

9.8.3.2 Verknüpfungen mit Eingangsnegation UND-Verknüpfungen mit Eingangsnegation (Tabelle 2) bezeichnet man als lnhibition 1 oder SperrUNO. Damit sperrt man z. B. gleichzeitige Startsignale für Rechtslauf und Linkslauf einer Wendeschaltu ng. Betätigt man die Taster für Rechtslauf Und Linkslauf zusammen, w ird kein Steuersignal Wirksam (Verriegelung). ODER-Verknüpfungen mit Eingangsnegation (Tabelle 2) sind lmplikationen2 • Die Implikation verwendet man hauptsächlich zum Rücksetzen von RSS~eichern in speicherprogrammierten Steuerungen. ~lrd z. B. ein Aus-Taster (Öffner) betätigt oder spricht ~~n Auslöser an, wird das anliegende Signal 0 invertiert und setzt damit den RS-Speicher zurück.

:

:~hi~itio.n, von to inhibit (engl.) = ver2ögern, hemmen, hindern P lkallon, von implicatio (lat.) =Verflechtung

x1 0

Tabelle 2: Grundverknüpfungen mit Eingangsnegation Inhibition

:fix

X=Ä AB

Implikation

:=L}-x W

X=Ä v B

Speicherprogrammierte Steuerungen, Seite 516

Ein

scher Verknü

9.8.3.3 Eingangsbeschaltung logischer Verknüpfungen Im Versuch zur UND-Verknüpfung (Bild Seite 222) haben die Schalter S1 und S2 Umschaltkontakte. Sie legen in jeder Schaltstellung ein definiertes 0-Signal oder 1-Signal an die Eingänge der UND-Verknüpfung. ln der Praxis setzt man häufig Geber ein, die nur Schließer- oder nur Öffnerkontakte haben. Legt man z. B. den Schalter S1 in Bild 1 an +5 V, liegt bei geschlossenem Schalter der Zustand 1 am Eingang der Verknüpfung. Bei geöffnetem Kontakt ist dann aber kei n definiertes Eingangssignal vorhanden. Versuch 1: Beschalten Sie d ie Eingänge einer UND-Verknüpfung mit Schließerkontakten (Bild 1). Die rot gezeichneten Widerstände R1 und R2 entfallen zunächst. Stellen Sie die vier möglichen Eingangskombinationen an 51 und 52 ein. Messen Sie die Ausgangsspannung U2 •

ov R1. Rz, Pult-Down-Widerstände

Bild 1: Beschaltung potenzialfreier Eingänge a) Wertetabelle

b) Teilfunktionen für X= 1 (Normalbetrieb)

Der Ausgang der UND-Verknüpfung hat bei allen Eingangskombinationen den Zustand 1.

X1: AABAC

Versuch 2: Schalten Sie nun die beiden Widerstände R1 und R2 (Bild 1) zwischen Steuereingang und Masse (0 V). Stellen Sie wieder alle vier Eingangskombinationen ein.

X2 : AABA( X3 : ÄAßA(

Der Ausgang der UND-Verknüpfung hat jetzt nur den Zustand 1, wenn alle Eingänge den Zustand 1 haben.

Eingänge von TIL1- und HCMOS-Schaltkreisen, die nicht belegt oder durch geöffnete Steuerkontakte potenzialfrei sind, erkennen diesen Zustand als 1-Signal. Potenzialfreie Eingänge legt man deshalb über Puii-Down2-Widerstände (Bild 1) an Masse (0 V).

c) Funktionsgleichungen Normalbetrieb Nor malbetrieb Störung

X = X1vX2vX3 X = (AABAÖ v (AABA() v (ÄABACl Y =X

d) Funktionsplan (disjunktive Normalform)

A B C

9.8.3.4 Anwendung der Grundverknüpfungen Beispiel: Anwendung der Grundverknüpfungen in einem Wasserwerk sind 3 Pumpen A. Bund C installiert. Im Normalbetrieb müssen immerzwei Pumpen in Betrieb sein. Die Leuchtdiode P1 (X) soll den Normalbetrieb anzeigen, die Leuchtdiode P2 (Y) den StörfalL

Lösun :

Bild 2: Pumpenst euerung (Beispiellösung) Erstellen der Funktionsgleichung in ODER-Normal-Form: • Zunächst erstellt man eine Wertetabelle und trägt die acht möglichen Betriebszustände der Pumpen ein (Bild 2a). • Jede Zeile m it zwei eingeschalteten Pumpen erhält in der Spalte X eine 1, alle anderen Zeilen eine 0. • Aus den d rei Zeilen mit X= 1 lassen sich nun d ie drei Teilfunktionen ablesen (Bild 2b). • Die Teilfunktionen mit X= 1 fasst man in einer ODER-Verknüpfung (Disjunktio n) zusammen (Bild 2c).

Die so gefundene Funktionsgleichung bezeichnet man als Funktionsgleichung in ODER-Normalform (disjunktive Normalform). Der Wahrheitstabelle ist zu entnehmen, dass die Störu ngsanzeige P2 (Y) immer leuchten soll, wenn die Betriebsanzeige P1 (X) dunkel ist. Zur Störmeldung Y wird der Betriebszustand X invertiert (Bild 2d). Wiederholungsfragen 1 Wodurch unterscheiden sich a) analoge, b) binäre und c) digitale Signale? 2 Geben Sie je zwei Anwendungsbeispiele für eine a) UND- und b) ODER-Verknüpfung an. 1

TTL = Abk. für Tran sistor-Transistor-Logik;

2

3 Welche Möglichkeiten bestehen, um die Funktion einer Verknüpfung zu beschreiben? 4 Aus welchen Grundverknüpfungen besteht eine a) NANO- und b) NOR-V erknüpfung?

pull-down (engl.) = herunterziehen

W{fi

~altkreisfamil i en

9.8.4

Schaltkreisfamilien

Schaltkreise der Digitaltechnik lassen sich nur zu einer Schaltung zusammenfügen, wenn die Kennwerte der Schaltkreise aufeinander abgestimmt sind. Wichtige Kennwerte für einen gemeinsamen Betrieb innerhalb einer Schaltung sind die Betriebsspannung, die garantierten Spa nnungsbereiche für L- und H-Pegel, die Signallaufzeit und die Belastbarkeit des Schaltkreisausganges.

AB a)

b)

Bild 1: Grundschaltung einer NAND-Verknüpfung a) in TTL-Technik, b) in CMOS-Technik

9.8.4.1 TTL-Schaltkreisfamilie Bausteine der TIL1 -Scha ltkreisfamilie haben eine Betriebsspannung von 5 V. Sie sind m eist in einem Dual-in-line-Gehäuse 2, bei Anwendung der SMDTechnik in einem S0-14-Gehäuse untergebracht. TTL-Standard. Die Grundschaltung dieser Schaftkreisfamilie ist ei ne NAND-Verkn üpfung. Sie wird mit einem Multi-Emitter-Transistor ( K1) und nachgeschalteter Inverterstufe (K2) ausgeführt (Bild 1 a). Die Inverterstufe bewirkt eine hohe Ausgangsbelastbarkeit (Tabelle). Diese Belastbarkeit wird meist dureil den W ert " fan out" ausgedrückt. Ein Wertfan out= 10 bedeutet, dass ein Schaltkreisausgang 10 gleichartige nachfolgende Schaltkreiseingänge (fan in = 1) ansteuern kann. Die garantierten Spa nnungsbereiche für die Eingangs- und Ausgangspegel für TTL-Sta ndardbausteine sind in Bild 2 angegeben.

A U

Bezeichnung von integrierten Schaltkreisen (Beispiele):

• TTL-Bausteine: 74 ... , z. B. 7408, • HCMOS-Bausteine: 74HC .. ., z. B. 74HC08 • CMOS-Bausteine: CD ..., z. B. CD 4007

TTL-Eingangspegel

TTL-Ausgangspegel

~t

4

ffi-Schottky . Bei TIL-Schaltkreisen in SchottkyTechnik sind parallel zur Basis-Kollektor-Strecke der Transistoren Dioden mit kleiner Schweifspannung (Schottky-Dioden, Us "' 0,4 V) geschaltet. Damit ergeben sich kleine Signallaufzeiten (Tabelle).

2

ffi-Low -Power-Schaltkreise haben eine kleine Signallaufzeit und eine geringe Verlustleistung (Tabelle).

0

9.8.4.2 CMOS-Schaltkreisfamilie

U2Hmo•' höchste Ausgangsspannung bei H-Pegel U2H1Nn , kleinste Ausgangsspannung bei H-Pegel

3

CMOS -Bausteine haben als Grundschaltun g eine komplementäre Schaltstufe aus Feldeffekt-Transistoren (Bild 1b). Sie können mit einer Betriebsspannung zwischen 3 V und 15 V versorgt werden. Die Spannungsbereiche der L-Pegel und H-Pegel sind von der Höhe der Betriebsspannung abhä ngig . HCMOS-Bausteine der Serie 74HC haben die che PI N-Belegung, Betriebsspannung und Qangspegel w ie TIL-Bausteine (Tabelle). Der Äangspegel U 2Hmin = 3,5 V weicht jedoch vom usgangspegel u 2Hmin 2,4 V ab (Bild 2).

gleiEinAusTIL-

=

QJ Schutz gegen elektrostatische Aufladung bei A rbeiten mit CMOS-Bauelementen, Seite 348 ; ~~~Abkürzung für Transistor-Transistor-Logik • c..,~'n hne (engl,) =zweifach in Reihe IIom ~von ~mplementary metaI oxide semiconductor (eng I.)= P ementarer Metalloxid·Halbleiter

u,

Ull.,, , höchste Ausgangsspannung bei L-Pegel U2trrvn, kleinste Ausgangsspannung bei L-Pegel größte Eingangsspannung bei H-Pegel U tlillwl , kleinste Eingangsspannung bei H-Pegel UtL.., , größte Eingangsspannung bei L-Pegel Utt.., , kleinste Eingangsspannung bei L-Pegel

u,_, ,

Bild 2: Pegelbereiche für TTL-Schaltkreise an Ub = S V Tabelle: Kennwerte von Logikfamilien Logikfamilie

I

Betriebs- Signal- Verlust- Ausgangsspannung Iauheit Ieistung belastbarje Verknüpfung keit ub

TTI.:Standard 5V 10 ns 10mW 50 mW 19mW 12mW TTI.:Schottky 5V 3 ns TTI.:Low-Power SV 8 ns 2mW 40mW 5 mW 3bis 15V 50 ns 0,01 mW CMOS HCMOS' SV 12 ns 50mW 125mW • ICs der HCMOS-Serie 74HCXX haben dieselbe Anschlussbelegung wie die ICs derTIL·Standardserie SN74XX.

Reche n

9.8.5

Schaltalgebra

Die Schaltalgebra ermöglicht die mathematische Beschreibung binärer Verknüpfungen. Rechenregeln. Zur Verkn üpfung einer Va riable, z. B. mit der Variable A (Bild), in einer UND- bzw. in einer ODER-Verknüpfung mit der Konstanten 0 oder 1, mit der Variable A selbst oder mit der negierten Variable A, sind Rechenregeln festgelegt (Bild). Für die Vereinfachung von Funktionsgleichungen sind dabei die rot unterlegten Zeilen besonders w ichtig.

A11l A II Ä A II A

Av AV Av Av

A

0 =

A

a)

A

A

=

b)

Bild: Rechenregeln der a) UND-Verknüpfung b) ODER-Verknüpfung ~ KV-Diagramm zur Vereinfachung von digitalen

netzwerken, siehe DVD

Das Vertauschungsgesetz (Kommutativgesetz) besagt, dass man die Variablen einer Funktionsgleichung, die nur UND- bzw. nur ODER-Verknüpfungen enthält, beliebig vertauschen kan n. Das Ergebnis der Funktionsgleichung ändert sich dadurch nicht (Tabelle). Das Verbindungsgesetz (Assoziativgesetz) drückt aus, dass man in einer Funktionsgleichung mit nur einer Verkn üpfungsart Klammern setzen, aber auch weg lassen darf. Das Assoziativgesetz wendet man z. B. an, wenn die Variablen A, B und C in einer UND-Verknüpfung verarbeitet werden sollen, aber nur ein Baustein zur Verfügung steht, der UND-Verknü pfungen mit zwei Eingängen enthält (Tabelle).

A~

~ ~X

Das Verteilungsgesetz (Distributivgesetz) enthält Regeln zum Umformen von Funktionsgleichu ngen, die sowohl UND- als auch ODER-Verknüpfungen enthalten. Beim Umformen ist jedoch auf eine ei ndeutige Schreibweise zu achten, z. B. du rch den Einsatz von Klammern. Verknüpfungen in Klammern haben Vorrang vor nicht eingeklammerten Verknüpfungen.

O 1 Ä A

( A II B ) II [ ( A II [ ) II B

=

Konjunktives Verteilungsgesetz

A

Beispiele: ln der Funktionsgleichung X = A " (B v C) wird zunächst die Variable B mit C ODER-verknüpft. Das Verknüpfungsergebnis wird dann mit der Variablen A in einer UND-Verknüpfung verarbeitet. Eine Schaltung mit der Funktionsgleichung X = (A" B) v (A" C) hat am Ausgang X den Zustand 1, wen n die Variablen A und B oder die Variablen A und C den Zustand 1 haben (Tabelle). Die gleiche Funktion w ird durch eine nach dem Verteilungsgesetz in UND-Form (konjunktives Verteilungsgesetz) umgeformte Funktionsgleichung X= A" (B v C) erreicht (Tabelle). Entsprechend ändert man die Funktionsgleichung X= (A v B) " (A v C) nach dem disjunktiven Verteilungsgesetz in die funktionsg leiche Schaltung X= A v (B" C) (Tabelle).

B

A II ( B V

[

)

Disjunktives Verteilungsgesetz

A

A~ ".1 X &

B

X ==!> B [

[

(A v B) II (A v [)

Gesetze

Oe

oe morgansche Gesetze

Tabelle: Die de morganschen Gesetze

Mithilfe der de morganschen Gesetze kann man NANO- in funktionsgleiche ODER-Verknüpfu ngen bzw. NOR- in UND-Verknüpfungen umformen (Tabelle). Dabei wird jede Variable der Verknüpfungen negiert und das Funktionszeichen der Verknüpfung geändert.

1. de morgansches Gesetz

8

A

0

0

8

A

0

0

~~

0

1

~~]

0

1

:f;.t

~

1

0

t1i

1

0

1'

1

1

$

1

1 [~

X

A-cG11_ 8i.__fx

X

Das erste de morgansche Gesetz wandelt eine NAND-Verknüpfung in eine funktio nsgleiche ODERVerknüpfung m it negierten Eingängen um (Tabelle).

AA 8 =Äv B Das zweite de morgansche Gesetz setzt eine NORVerknüpfung in eine funktionsgleiche UND-Ve rknüpfung mit negierten Eingängen um.

Av 8=ÄAB Zwei hintereinander geschaltete Negationen heben sich auf (A= A ). Vereinfachen von Funktionsgleichungen Beispiel: D1e Schaltung in Bild 1 soll durch A nwenden der Rechengesetze der Schaltalgebra verei nfacht werden.

Lösun : Für die gegebene Scha lt ung bestimmt man zunächst die Teilfunktionen (blaue Ergänzungen in Bild 1) und erstellt daraus die Funktionsgleichung der Schaltung (Bild 1 ).

x = (A" s" c)v (A ,d3 " eh (A ,d'i " c) v (A " s " c) 1. 4nwenden des Distributivgesetzes {Ausklammern von (B " C) bzw. (A" C):

X

=[B A c A (A VA)] V [A A c A (B V

B)]

A= 1 bzw. B v B= 1: x =(Ei " c" 1, v (A" c " 1, =18 " eh !A " c)

2. Anwenden der Regel A v

Bild 1: Schaltungsbeispiel A 8 C

X

Bild 2 zeigt die vereinfachte Schaltung.

9.8.6 Antivalenz-Verknüpfung und Äquivalenz-Verknüpfung

Bild 2: Vereinfachte Schaltung

Antivalenz-Verknüpfung Die Antivalenz-Verknüpfung vergleicht d ie EinQangssignale auf ungleichen Signalzustand.

X

:fix

~~

ungleichen Eingangssignalen, z. 8. A = 0 und V- 1oder A = 1 und 8 = 0 (Bild 3) hat die A nt ivalenzerknüpfung am Ausga ng den Zustand 1.

Äquivalenz-Verknüpfung Die Äquivalenz-Verknüpfung vergleicht die EinQangssignale auf gleichen Signalzustand.

~er Ausgang der Äquivalenz-Verknüpfung hat den Wstand 1, wenn die Eingangssig nale den g leichen ert haben, z. 8. A =0 und 8 =0.

b)

Bild 3: Antivalenz-Schaltung a) Schaltung, b) Schaltzeichen

A- . . . - - ----1 8 -+-==:---l

x:1]-x b)

Bild 4: Äquivalenz-Schaltung a) Schaltung, b) Schaltzeichen

RS -K i ppglie~

9.8.7

Kippglieder

Kippglieder sind elektronische Schaltungen mit Speicherverhalten.

9.8.7.1 Zustandsgesteuerte und taktgesteuerte Kippglieder Zustandsgesteuerte Kippglieder (asynchrone Kippglieder) bestehen aus NOR- oder aus NANO-Verknüpfungen (Übersicht). Die Eingänge der Kippglieder bezeichnet man mit S (Setzen) und R (Rücksetzen). Die Speicherausgänge sind mit Q und Q bezeichnet und haben immer inverse Signale.

Übersicht: Kippglieder 1. Zustandsgesteuerte Kippglieder • NOR-Kippglied (RS-Kippglied) • NANO-Kippglied (RS-Kippglied)

2. Taktgesteuerte Kippglieder • Taktzustandsgesteuerte Kippglieder • D-Kippglied • JK-Kippglied 3. Flankengesteuerte Kippglieder • Einflankengesteuertes JK-Kippglied • Zweifla nkengesteuertes JK-Kippglied (J K-Master-Siave-Kippglied)

b){ ]

a)

S

Ein Kippglied ist gesetzt, w enn die Speicherausgänge die Zustände Q =1 und Q = 0 haben.

0 e

s

o Q c) s R Zus1and bleibt

d) 0

o

Ö

R

~ ~

erhalron 1

vo?bolone:

L-.....L.:Z::::u::•••:::nd:.._.....J

RS-Kippglieder (NOR-Kippglieder) werden mit Signal1 gesetzt bzw. zu rückgesetzt (Bild 1). Bei R = 1 und S = 1 nehmen beide Speicherausgänge den verbotenen Zustand Q und 0 = 0 an. Taktgesteuerte Kippglieder (synchrone Kippglieder) geben Signale mithilfe eines Taktsignales an die Ausgänge ab. Die Eingangssig nale sind mit dem Signal am Takteingang C1 UND-verknüpft (Bild 2). Damit werden Steuersignale an S oder R nur bei Takteingang C = 1 wirksam. Sind C = 1, S = 1 und R = 0, so führt das UND-Glied K1 am Ausgang 1-Signal, K2 aber 0-Signal. Das NORGiied K3 muss am Ausgang also 0-Signal, NOR-Giied K4 1-Signal haben. Alle weiteren Möglichkeiten für C = 1 können entsprechend überprüft werden (Tabelle). Bei C = 0 ebenso bei R = S = 0 ist eine Signaländerung am Speicherausgang unmöglich (Tabelle). D-Kippglieder haben einen Takteingang C und einen D-Eingang2 (Dateneingang). Das Verknüpfungsergebnis D 11 C liegt am EingangS', das Verknüpfungsergebnis D 11 C am Eingang R' des RS-Kippgliedes (Bild 3). Damit können die Eingänge S' und R' niemals gleiche Werte annehmen. D-Kippglieder haben deshalb keinen verbotenen Zustand (Q = 0). JK-Kippglieder (Bild 1, Seite 229) besitzen je einen Setz- und Rücksetzeingang sowie den Takteingang C. Die Eingänge sind mit J und K bezeichnet. Das Zeitablaufdiagramm (Bild 2, Seite 229) zeigt die Arbeitsweise des JK-Kippg liedes. Einer der beiden Ausgänge Q bzw. Q muss 1-Signal führen . Ist Q = 1, dann ist die UND-Verknü pfung des K-Einganges vorbereit et. Bei K = 1 gelangt an den Eingang 1R das 1-Signal und 0 wird beim nächsten Takt 1. Nun ist die UND-Verknüpfung des J-Einganges vorbereitet. Mit J = 1 wird das JK-Kippglied mit dem nächsten Takt gesetzt (Q = 1).

14 1+ U")13 121110 9 8

R

1 2 3 4 5 5 7 lll

Bild 1: RS-Kippglied (NOR-Kippglied), a) Schaltung, b) Schaltzeichen, c) Werteta belle, d) Anschlussbelegung a)

b)

s

Q

[J 1

(

ii

ö

R

14(i ä i i

K1/ K2: 74HC08 K3/ K4: 74HC02

c)

1 2 3 4 5 6 7 (11

Tabelle: Taktzustandsgesteuertes RS·Kippglied

c

0

0

s

0

0

R

0

Q

0

0

0 0

Speicherzustand

0

0

0 0

verboten

Bild 2: Taktzustandsgesteuertes RS-Kippglied, a) Sch8~ tung, b) Schaltkurzzeichen, c) Wertetabelle a)

K1 :

1

von clock (engl.) = Takt ' von delay (engl.) =Verzögerung

Bild 3: 0-Kippglied, a) Schaltung, b) Wertetabelle

-fll

~-Kippg lieder

Ein JK-Kippglied hat keine verbotenen Eingangskombinationen. Beim einflankengesteuerten JK-Kippglied kann die Informationsübernahme der an den J- und K-Eingängen anliegenden Signale mit der ansteigenden oder mit der abfallenden Flanke des Taktsignals gesteuert werden (Bild 2). Die Steuerung mit der abfallenden Flanke kennzeichnet man durch einen Negationsring vor dem Takteingang (Bild 2b).

A U

JK-Kippglied mitReset Pin-Belegung 74HC73, SN7473

0

K 0 1 0 1

atn., a•• 0

ä,.

b)

Bild 1: JK-Kippglied, einflankengesteuert

A U

Ausgangszustände des einflankengesteuerten JKKippgliedes (Bild 1): O.n =Zustand des Ausgangs Q vor dem Takt O.n+t = Zustand des Ausgang Q nach dem Takt 5,. = Der Zustand des Ausgangs Q wechselt mit jedem Takt.

9.8.7.2 Zweiflankengesteuertes JK-Kippglied Das zweifla nkengesteuerte JK-Kippglied (JK-MasterSiave1-Kippglied) besteht aus zwei einflankengesteuerten JK-Kippgliedern (Bild 3b). Das Taktsignal des Master-Kippgliedes wird invertiert und dem Takteingang des Slave-Kippgliedes zugeführt. Die Information an den Vorbereitungseingängen (J und K) w ird deshalb mit der ansteigenden Flanke des Taktsignals übernommen, zwischengespeichert und mit der abfallenden Taktflanke vom Slave-Kippglied K2 übernommen und steht dann an den Speicherausgängen Q und 0 an (Bild 3c). Im Schaltzeichen wird die Zweiflankensteuerung durch zwei Winkel an den Ausgängen angegeben (Bild 3a). Zweiflankengesteuerte JK-Kippg lieder sind störsicher, weil zwischen der Informationsübernahme an den J- und K-Eingängen und der Signalausgabe an Q bzw. 0 eine zeitliche Trennung besteht.

a)

b)

Bild 2: Zeitablaufdiagramm des JK-Kippglieds, gesteuert a) mit ansteigender Taktflanke b) mit abfallender Taktflanke

JK-Master-Siave-Kippglieder verwendet man bevorzugt für Zählerschaltungen und für Schieberegister.

fll Zählerschaltungen, Seite 230

a)

Schieberegister, Seite 232 Wiederholungsfragen 1 Beschreiben Sie den Aufbau des RS-Kippgliedes. 2 Mit welchem Eingangssignal wird ein a) NOR-Kippglied und b) ein NANO-Kippglied gesetzt bzw. zurückgesetzt? 3 Begründen Sie, warum es keinen verbotenen Zustand gibt a) beim D-Kippglied und b) beim JK-Kippglied. 4

Woran erkennt man am Schaltzeichen eines einflankengesteuerten JK-Kippgliedes die Ansteuerung mit a) ansteigender und b) mit abfallender Flanke?

5 1 Aus Welchen Teilen besteht ein zweiflankengesteuert

tes JK-Kippglied?

Von lllaster lengl.) = Herr; slave (eng I.) =Sklave

Bild 3: JK-Master-Siave-Kippglied a) Schaltzeichen, b) Schaltung und c) Zeitablaufdiagramm

f.JieM 9.8.7.3

Duales Zahlensystem, T-Kippg~

Schaltungen m it Kippgliedern

Duales Zahlensystem Das duale Zahlensystem ist wie das Dezimalsystem ein Stellenwertsystem, jedoch mit Potenzen der Basis 2. Der kleinste Stellenwert für ganze Zahlen ist 2° (Tabelle 1). Li nks vom Stellenwert 2° = 1 stehen die aufsteigenden Werte 2 1 = 2, 22 =4 usw. Die letzte Stelle (n-te Stelle) hat den Stellenwert 2n- 1 • Bei der Umrechnung vom Dual- in das Dezimalsystem addiert man die Stellenwerte aller Stellen, die den Wert 1 haben.

Tabelle 1: Duales Zahlensystem Stelle n 6. 5. 4. 2n-1 25 24 23 Stellenwert Dezimalzahl 32 16 8 Tabelle 2: 8-4-2-1-Code 23 Wert (8) (Dezimalziffer) 0 1 2 3 4 5 6

Beispiel1 : Wandeln Sie die Dualzahl1001011 in eine Dezimalzahl um.

Lösun : Dualzahl: 0 Stellenwert: 26 2s Dezimalzahl: 64 + 0 +

0 24 0+

1

0

23 8+

22 0+

21 2+

1 20 1 = 75

7

8 9 101

Beispiel2: Wandeln Sie die Dezimalzahl 19 mit dem Resteverfahren in eine Dualzahl um.

Lösung: 19: 2 = 9 Rest 1 9: 2 = 4 Rest 1 4 : 2 = 2 Rest 0 2 : 2 = 1 Rest 0 1: 2 = 0 Rest 1 --+1 Leserichtung

0

l

0

ll

ln Zählerscha ltungen verwendet man häufig BCD 1Codes, z. B. den 8-4-2-1-Code (Tabelle 2). Dabei stellt man jede Dezimalziffer durch die entsprechende 4-stellige Dualzahl dar. (Weitere Codes siehe Tabellenbuch Elektrotechnik.)

1

2

BCD von Binary-Coded-Decimal (engl.) = binär codiertes Dezimalsystem von t oggle (engI.) = hin· und herschalten

1. '!' 1

22 (4)

21

20

(2)

(1)

0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0

0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1

0 1

0 1 0 1

0 1

0 1

0

Zähldekade.

[~ . ut FtJ::-'~

T = "1"

T[ ~J [1 1K

Q

Ö

t

Bild 1: T-Kippglied

A

Zähler addieren Zählimpulse und speichern das Er· gebnis. Man unterscheidet: • Vorwärtszähler • Rückwärtszähler • Dualzähler • Dezimalzähler

U

.,~~-~j,Efi/',

-

02 1

1

[ -

al

T-Kippglieder arbeiten als Frequenzteiler. Asy nchron-Dual-Zähler. Beim Asynchron-Zähler liegt das Zählsignal am Zäh leingang des ersten JKKippg liedes. Der Ausgang steuert immer den Zähleingang des folgenden Kippgliedes (Bild 2). Die Kippglieder der Zäh ldekade bezeichnet man mit KO, K1 und K2 und ordnet ihren Ausgängen die Stellenwerte 00 = 2°, 0 1 =21 und 02 = 22 usw. zu (Bild 2).

2. 21 2

1 Zählerrückstellung und Übertrag sbildung zur nächsthöheren

Zählerschaltungen Zäh lerschaltungen, Frequenzteiler oder Schieberegister bestehen häufig aus taktflankengesteuerten JK-Kippg liedern. Frequenzteiler. JK-Kippglieder mit der Beschaltung J =K = 1 (T2-Kippglieder) ändern ihren Ausgangszustand mit jeder wirksamen Taktflanke. Die Periodendauer des Ausgangssignals ist doppelt so groß wie die des Eingangssignals (Bild 1).

0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1

3. 22 4

[1 1K ,

-

00

[1 1K ,

ä1

(1 1K ,

öi

uo( ~ ___:__:

:l-= ~,-~ :: ~ 2'

bl

-

t

f

Bild 2: Asynchron-Dual-Zähler a) Schaltung, b) Zeitablaufdiagramm

-

WJII

~nchron-Zähl er

Das Schaltzeichen des Asynchron-Du al-Zählers besteht aus dem Steuerblock, an den sich für jedes Kippglied des Zählers ein Ausgangsblock ansch ließt (Bild 1). Im Ausgangsblock trägt m an m eist den Stellenwert der Zählstufe ei n, z. 8. 1, 2, 4 oder 8. Dem Zähleingang führt man d ie Zäh limpulse zu. Ein Pluszeichen am Zähleingang kennzeichnet den Vorwärtszähler, ei n M inuszeichen den Rückwärtszähler. ln Zäh lerschaltungen verwendet man meist zweiflankengesteuerte JK-Master-Siave-Kippglieder.

Ausgangsblock 00

01 02

03

Steuerblock Zahleingang (vorwarts)

Bild 1: Schaltzeichen des Asynchron-Dual-Zählers

Asynchron-BCD-Zähler zeigen ihren Zählerstand meist mithilfe von Sieben-Segment-Anzeigen (Seite 210) im Dezimalsystem an. Sie müssen deshalb so korrigiert w erden, dass sie nur von 0 bis 9 zählen (Bild 2). M it dem zehnten Impuls wird der Zähler über dte Verknüpfung Q1 " Q3 zurückgesetzt. Den Übert-agsimpuls Ü für die nächsthöhere Zähldekade kann man am Ausgang Q3 des Zählers abgreifen (Bild 2).

lJ = Übertrag zur nachsten Dekade

BCD-Zäh ler benötigen für jeden Stellenwert einer Dezimalzahl eine Zähldekade mit 4 Kippgliedern. Bei Asynchron-Zählern wirkt sich die Ansteuerung der hintereinander geschalteten Kippg lieder (asynchrone Ansteuerung) nachteilig aus, weil der Zählvorgang erst beendet ist, wenn das Steuersignal alle Kippglieder erreicht hat. So treten beim AsynchronZähler z. B. beim Übergang vom Zählerstand 3 nach 4 oder von 7 nach 8 falsche Zählerstände auf. Übernehmen schnell arbeitende Datenverarbeitungsanlagen in dieser Zeit den Zä hlerstand, werden fa lsche Zählerstände verarbeitet.

Bild 2: A synchron-BCD-Zähler

Asynchron-Zähler eignen sich nur für niedere Zählfrequenzen. Synchron-Dual-Zähler. Bei Synchron-Zählern wird das Zäh lsig nal (Takt) allen Kippgliedern des Zählers gleichzeitig zugef ührt (Bild 3). Die Kippglieder des Zählers ändern deshalb bei einer Ansteuerung ihren Zustand gleichzeitig. Damit ist die Ausgabe fehlerhafter Zählerstände w ie beim Asynchron-Zähler ausgeschlossen. Synchron-Zäh ler eignen sich auch für höhere Zählfrequenzen.

D~ beim Synchron-Zähler das Zählsignal allen Kipp-

J,K =oo J.K =oo" 01

~Iiedern zugeführt w ird, ist eine Ansteuerung der Jeweiligen J- und K-Eingänge notwendig.

J.K = 01" 02 "03

Bild 3: Synchron-Dual-Zähler

Beschaltung der J- und K-Eingänge beim Synchron-Dual-Zähler:

~ie J- und K-Eingänge des Kippgliedes KO mit der Wertigkeit 2° liegen an 1-Signal. Das Kippglied KO andert damit sei nen Zustand mit jeder wirksamen Flanke des Zählsignals. • Die Kippglieder mit höherer Wertigkeit, d. h. K1 , K2 und K3, ändern ihren Zustand nur, wenn alle Kippglieder mit niedrigerer Wertigkeit den Ausgangszustand 1 haben (Bild 3). •

-

Synchron-Zähler, Schieberegiste• Synchron-BCD-Zähler (Bild 1). Die Vorbereitungseingänge J und K der Kippgliederwerden grundsätzlich wie beim Synchron-Dual-Zähler durch die UNDVerknüpfu ng aller niederwertigeren Ausgäng e vorbereitet. Eine Ausnahme bilden ledig lich die Kippglieder K1 und K3. Funktion: • Bei Zählerstand 9 darf das Kippglied K1 mit der nächsten Taktflanke nicht mehr gesetzt werden, da sonst der bei BCD-Zählern unzulässige Zä hlerstand 10 entsteht. Dies verhindert eine UND-Verknüpfung QO " Q3 vor dem J-Eingang K1 . Mit Zählerstand 8 wird Q3 =0, das Verknüpfungsergebnis QO " Q3 ist dann 0. Das Kippglied K1 lässt sich mit J =0 nicht mehr setzen.

J= 00" K = 00

53

J,K = 00" 01

J = 00" 01A Q2 K =00

Bild 1: Synchron-BCD-Zähler

• Mit Zählimpu ls 10 müssen die Kippglieder KO und K3 zu rückgesetzt werden. Mit der Beschaltung J = K =1 an KO (Bild 1) setzt KO mit der Flanke des 10ten Zäh limpulses zurück.

Parallelausgänge 00

01

02

Am J-Eingang v on K3 wirkt die UND-Verknüpfung QO " Q1 " Q2. Damit wird K3 mit dem achten Zählimpuls gesetzt. Ein Rücksetzen des Kippgliedes K3 erreicht man durch die Beschaltung K =QO (Bild 1). Mit den bei Zählerstand 9 anliegenden Signalen J =0 und K =1 lässt sich dann K3 mit Zählimpuls 10 nur rücksetzen. • Das Übertragssignal zur nächsthöheren Zä hldekade erhält man aus der UND-Verknüpfung Ü =QO " 03 /\ Zählimpuls (Bild 1).

Schieberegister Schieberegister setzt man z. B. zur Serien-Parallel-Umsetzung, zur Parallel-Serien-Umsetzung oder als Kurzzeitspeicher im Bereich der Steuerungstechnik ein.

SA

SA = serieller Ausgang

( ~~ L !Obernahme in den Speicher KO f

SE 'b!

t 00 01

t

1 \ 1

lI

\IAusg~b: aT Ausgang 00 1

'

I

'\

.,

I: f

I

ad~===========c~~~----,...!:b=:f;-~

=SA

Schieberegister bestehen meist aus zweiflankenge- Bild 2 : Schieberegister mit seriellem Eingang, steuerten JK-Kippgliedern . Der serielle Eingang (SE) seriellen und parallelen Ausgängen ist mit dem J-Eingang des ersten Kippgliedes direkt und mit demK-Eingang über eine Negation verbunden (Bild 2). Das erste Kippglied (KO) übernimmt die am seriellen Eingang anstehende Information, 0 oder 1, mit der ansteigenden Flanke am Takt eingang und übergibt sie mit der abfallenden Flanke des Taktimpulses an den Speicherausgang QO (Bild 2). Die Speicherausgänge KO sind mit dem J - undK-Eingang derfolgenden Stufe verbunden und bereiten sie damit für die Informationsübernahme mit der nächsten Taktflanke vor. Die gespeicherte Information wird so mit jedem Taktimpuls um eine Stelle nach rechts verschoben. Nach dem dritten Taktimpuls steht die am seriellen Eingang (SE) übernommene Information am seriellen AUS' gang (SA) des Schieberegisters an. Schieberegister können zusätzlich mit parallelen Eingängen und mit parallelen Ausgängen ausgestattet sein. Sie können dann Informationen zusätzlich parallel aufnehmen und seriell ausgeben (Parallei-Serien-umset· zer) oder seriell einlesen und parallel ausgeben (Serien-Parallei-Umsetzer). Verbindet man den seriellen Ausgang mit dem seriellen Eingang des Schieberegisters, entsteht ein so 9~ nanntes Ringregister. Schreibt man über die Paralleleingänge in drei Kippglieder den Wert 0 ein und nur iO das vierte Register den Wert 1, lässt sich z. B. eine Lauflichtsteuerung mit vier Anzeigeelementen her· stellen.

1-Umsetzer

9.8.8

Analog-Digitai-Umsetzer und Digitai-Analog-Umsetzer

9.8.8.1

Analog-Digitai-Umsetzer

Beim Messen elektrischer Größen, z. B. der Spannung, oder nichtelektrischer Größen, z. B. der Temperatur, erhält man oft analoge Messwerte. Zur Verarbeitung dieser analogen Messwerte in digitalen Mess- und Datenverarbeitungsanlagen ist ein Analog-Digitai-Umsetzer (Bild 1) notwendig.

analoger Eingang

~

a) allgemein

digitale Ausgänge 00 01

02 b) 3-Bit-Umsetzer

Bild 1: Schaltzeichen für AD-Umsetzer

Ein Analog-Digitai-Umsetzer 1 setzt eine analoge Eingangs- in eine digitale Ausgangsgröße um. Direkte Umsetzer, z. B. Flash2-Umsetzer, auch ParalleiUmsetzer genannt, vergleichen die analoge Eingangsgröße mit bekannten Referenzspannungen. Dadurch wird die Eingangsspannung direkt digitalisiert. Der Rash-Umsetzer verwendet für jeden Ausgangswert einen Komparator. Dadurch sind Flash-Umsetzer sehr schnell. Flash-Umsetzer werden z. B. in digitalen Oszilloskopen (Seite 174) eingesetzt Der parallele AD-Umsetzer für 3 Bit (Bild 2) setzt sich aus sieben parallelen Komparatoren (A bis G) zusammen. Die nichtinvertierenden Eingänge sind mit der Eingangsspannung Ux verbunden. Die Ausgänge der Komparatoren sind auf ein digitales Schaltnetz geführt. Das Schaltnetz wandelt die Ausgangswerte der Komparatoren in eine dreisteilige Binärzahl, z.B. 101, um. Umsetzer mit Spannungs-Zeit-Umsetzung, z. B. Duai-Siope-Umsetzer oder Sägezahn-Umsetzer, setzen die analoge Eingangsspannung in eine proportionale Zeit um, die anschließend mit einem Zähler digital gemessen wird. Umsetzer m it Spannungs-Frequenz-Umsetzung setzen die analoge Eingangsgröße in eine proportionale Frequenz um, die anschließend digital gemessen wi rd. Beim Spannungs-Frequenz-Umsetzer (Bild 3) wird die analoge Eingangsspannung Ux verhältnisgleich in eine Impulsfrequenz umgesetzt. Während einer konstanten Messzeit werden diese Impulse gezählt. Die innerhalb dieser Zeit gezählten Impulse sind ei n Maß für den Messwert Ux.

Bild 2: ParallelerAD-Umsetzer für 3 Bit (Prinzip)

Anzeige

Digitalsignal Zeitbasis für Torschaltung

Frequenzteiler

Bild 3: AD-Umsetzer nach dem Spannungs-FrequenzVerfahren (Prinzip)

Beispiel:

~einem parallelen AD-Umsetzer für 3 Bit (Bild 2) liegt eine analoge Eingangsspannung Ux von 0 V bis 0,7 V. Gesucht

i-2.:. die Wahrheitstabelle für das Schaltnetz des AD-Umsetzers. J:.ö sunQ: Analogwerte Ux 1--..

M3C B6C

"' ~

.~

-"'

0>

~

Q;

B 2 U F

l

Für Gleichrichterschaltungen gibt es ein genormtes Kennzeichnungsschema, das festlegt, zu welcher Grundschaltung der betreffende Gleichrichter gehört (Bild 1). Außerdem gibt diese Kennzeichnung Auskunft über Pulszahl, Steuerbarkeit und eine evtl. vorhandene Zusatzbeschaltung, z. B. eine Freilaufdiode. Übersicht 2: Gleichrichterschaltungen

E1U M2U B2U

Q)

111

gesteuert

L

~i==~~egzweig

Q Löschzweig

Steuerbarkeit U ungesteuert C vollgesteuert H halbgesteuert Pulszahl [__ Schaltungsart K einJ>olig gesteuert Z zweigpaar-halbgesteuert M Mittelpunktschaltung B Brückenschaltung E Einwegschaltung

Bild 1: Kennzeichnungsschema für Gleichrichter

für Wechselstrom: • Einpuls-Einwegschaltung E1 U • Zweipuls-Mittelpunktschaltung M2U • Zweipuls-Brückenschaltung B2U (Seite 243)

Eigenschaften der Einpuls-Einwegschaltung E1U • Hoher Brummspannungsanteil • 50-Hz-Brummfrequenz • Niedriger arithmetischer Mittelwert • Nur kleine Ströme entnehmbar • Z. B. für Ladegeräte zu verwenden

für Drehstrom: • Dreipuls-Mittelpunktschaltung 1 M3U (Seite 244) • Sechspuls-Brückenschaltung B6U (Seite 244)

Einpuls-Einwegschaltung (E1U ) Spannung, Strom und Leistung

9.9.3.1 Ungesteuerte Gleichrichterschaltungen

udi =

o,45 .

u,

Ud; ideelle Leerlauf-Gleichspannung (Seite 245)

Gleichrichterschaltungen für Wechselstrom Einpuls-Einwegschaltung E1U

Ud Gleichspannung bei

Versuch: Schalten Sie eine Siliciumdiode, z. B. BAY44, in Reihe mit einer 12-V-Giühlampe und schließen Sie die Schaltung an einen Stelltrenntransformator (Bild 2a) an. Stellen Sie den Transformator so ein, dass die Anschlusswechselspannung U1 =25 V beträgt. Oszilloskopieren Sie mit einem Zweikanal-Oszilloskop die Spannungen u1 und ud. Beachten Sie am Oszilloskop die Einstellungen AC oder DC.

Pr = 3,1 ·Pd

Die Glühlampe leuchtet, die Spannung ud an der Glühlampe verläuft impulsförmig und ändert sich mit der Eingangsspannung u,.

Kanal 1 R1 N

Kanal 2

§r ~~~. 6 l u~

Die Einpuls-Einwegschaltung nutzt nur die positive Netzhalbwelle aus. Bei der positiven Netzhalbwelle leitet die Diode, da das Potenzial an der A node positiver ist als an der Katode. Liegt die negative Netzhalbwelle an, so sperrt die Diode. Die Last erhält nur die positiven Halbwellen der Wechselspannung und somit eine pulsierende Gleichspannung (Bild 2b). Wird an statt des Oszilloskops in Bild 2a ein DrehspuiSpannungsmesser angeschlossen, so wird der arithmetische Mittelwert der Spannung Ud angezeigt.

Belastung U1 Anschlusswechselspannung (Effektivwert) lz Zweigstrom (Strom durch eine Diode) Id Gleichstrom Pr Transformatorbauleistung Pd Gleichstromleistung

u, i'\ I I 1\ J.l. ud71\

2sv

Zweikanaloszilloskop

a) Versuchssc haltung

'

t .-::

[/'1'\

.1.

1\.

I I

1

t:

i/'1\

t

*Nach OIN EN 61346 Teil 2 werden Oioden mit R gekennzeichnet (früher, Vlj b)

Oszillogramm

Bild 2: Einpuls-Einwegschaltung E1U 1

Die Dreipuls·M inelpunktschaltung wird auch Sternschaltung genannL

Zweipuls-Brückenschaltung B2U

l.f\P

Die Zweipuls-Brückenschaltung (Bild 1a) nutzt beide Wechselstromhalbwellen aus. Die Brückenschaltung besteht aus vier zu einer Brücke geschalteten Dioden. Brückenschaltungen können unterschiedlich dargestellt werden (Bild 1d ). Sie ist die am häufigsten verwendete Gleichrichterschaltung. Funktion: Ist die Spannung U1 positiv (Bild 1b), so fließtder Zweigstrom lz1 überdie Diode R1 , den Lastwiderstand RL und über die Diode R4. Bei negativer Spannung U1 fließt der Zweigstrom IZ2 über die Diode R3, den Lastwiderstand RL und zu rück über die Diode R2. Die Last erhält eine pulsierende Gleichspannung Ud (Bild 1c). Da bei der Zweipuls-Brückenschaltung beide Halbwellen der Wechselspann ung genutzt werden, ist der arithmetische Mittelwert der ideellen Leerlauf-G leichspannu ng Ud; doppelt so groß wie bei der Einpuls-Einwegschaltung E1 U. Er beträgt 90 % des Effektivwertes der Wechselspannung U1 • Die Gleichspannung Ud kann, w ie bei der E1U-Schaltung, auch hier mit einem Drehspui-Spannungsmesser gemessen werden.

b)

t

B

Bild 1: Zweipuls-Brückenschaltung B2U, a) Schaltung, b) Eingangsspannung,c) Ausgangsspannung d) w eitere Darstellungen Eigenschaften der Zweipuls-Brückenschaltung B2U • • • • •

Niedriger Brummspannungsanteil 100-Hz-Brummfrequenz Höherer arithmetischer Mittelwert Für größere Ströme geeignet Niedriger Glättungsaufwand

Zweipuls-Brückenschaltung B2U Spannung, Strom und Leistung

Gleichrichterschaltungen werden als fertige Module, so genannte Gleichrichtersätze, angeboten (Bild 2). Für Gleichrichtersätze gibt es ei n ei nheitliches Bezeichnungsschema, das die für die Auswah l wicht igen Daten angibt.

Id Iz = 2

Pr = 1,23 · Pd

Glättung, Seite 246

ideelle Leerlauf-Gieichspannung Ud Gleichspannung bei Belastung u, Anschlusswechselspannung (Effektivwert) lz Zweigstrom (Strom durch eine Diode) Id Gleichstrom Pr Transformatorbauleistung Pd Gleichstromleistung u di

Bezeichnungsschema

z.B.

B 40 C 5000 - 3300

l

Tm.~:::::::::~~:;o"" mit Kühlkörper

kapazitive last (Glättung) zulässig

maximale effektive Eingangsspannung in V Schaltungsart M Mittelpunktschaltung B Brückenschaltung Bild 2·· GIe1c . hnc . htersatze ·· · hnungen und Beze1c

f -.-

d ) Weitere mögliche Darstellungen der Brückenschaltung

udi = o,9 . u ,

Bauformen !Auswahl)

Ud

R3 und RZ le1tend c) Rl und R4 le1tend

Gleichricht ersätze für Wechselstrom

-

I

Ud

Die Zweipuls-Brückenschaltung B2U ist die meist verwendete Gleichrichterschaltung. Sie kann für Verbraucherleistungen bis in den kW-Bereich eingesetzt werden.

lJJ

I

Drehstrom-Gleichrichter

Ungesteuerte Gleichrichterschaltungen für Drehstrom

a)

L1

t

R1 /1,

u /d

Bei großen Strömen, z. B. bei einem elektrischen Schweißgerät, werden Gleichrichterschaltungen eingesetzt, die für den Anschluss an Drehstrom geeignet sind.

L3 N

Dreipuls-Mittelpunktschaltung M3U

b)

L1

Bei der ungesteuerten Dreipuls-Mittelpunktschaltung M3U (Bild 1) wird in jeden der drei Außenleiter L1, L2 und L3 eine Diode geschaltet. Die Dioden sind jeweils mit einem Anschluss zu einem gemeinsamen Gleichrichteranschluss zusammengeschaltet

A Kennzeichnung von M3U-Schaltungen (Bild 1) U • M3UK: gemeinsamer katodenseitiger Anschluss • M3UA: gemeinsamer anodenseitiger Anschluss

Die Diode, die den höchsten Augenblickswert der Strangspannung hat, führt Strom, z. B. R1 bei cp = 90° (Bild 2). Der Stromfluss durch diese Diode wird unterbrochen, wenn die Augenblickswerte von zwei Strangspannungen gleich groß sind, z.B. u1 und u2 bei

P klein .!.!..:groß =>Pgron

T

t

T

J

(I

1""tll-tfffttr""'-Hitttt

Elektrische Verbrauchsgeräte dürfen keine störenden Einflüsse auf andere Anlagen oder das Verteilungsnetz ausüben (Gesetz über die elektromagnetische Verträglichkeit - EMVG). Um störende Einfl üsse auf Anlagen und Vertei lungsnetz auszuschließen, sind die Ansch lussleistu ngen für Geräte mit Anschnittst euerung, Gleichrichtung oder Schwingungspaket st euerung nach den Technischen A nschlussbedingungen (TAB) der Verteilungsnetzbetreiber (VNB) begrenzt (Tabelle). Tab elle: Grenzw erte der Anschlussleistungen für Gerät e mit Anschnittst euerung, Gleichricht ung oder Schwingungspaketsteuerung (Auszug aus TAB 2007) Symmetrische Anschnittsteuerung Maximale Anschlussleistung (Bild 3a) je Außen Ieiter: Glühlampen 1,7 kW Ii Entladungslampen mit induktiven 3,4kVA Vorschaltgeräten und Motoren Wärmegeräte 200W Unsymmetrische Gleichrichtung Maximale Anschlussleistung (Bild 3b) je Außenleiter: Wärmegeräte 100W Anschittsteuerungen beim Einschalten Bis Bemessungsleistung von Wärmegeräten zur Begrenzung des Einschaltstromes Schwingungspaketsteuerung (Bild 3c) Grenzen nach DIN EN 61000-3-3 (VDE 0838-3)

f;

T

Bild 2: Vielperiodensteuerung

a)

symmetrische Anschnittsteuerung

b)

unsymmet rische Gleichrichtung

c)

Viel periodensteuerung

~

Bild 3: Arten der LeistungssteuerunQ

W fjl

Gleichstrom-Um richter

9.9.6

Gleichstrom-Umrichter

Gleichstrom-Um richter wandeln Gleichstrom einer gegebenen Spannung in einen Gleichstrom einer anderen Spannung mit anderer Höhe und Polarität um. Gleichstrom-Umrichter teilt man wie Wechselstrom-Umrichter in Umrichter mit und ohne Zwischenkreis ein (Übersicht). Beim Zwischenkreis-Gieichstrom-Umrichter (Bild 1) wird eine Gleichspannung U1 mit einem Wechselrichter in die Zwischenkreisspannung lJzKumgewandelt. Ein Gleichrichter wandelt diese Wechselspannung in die Ausgangsgleichspannung U2 um. Um diese Ausgangsspannung einstellen zu können, verwendet man einen gesteuerten Gleichrichter. Ist eine galvanische Tren nung erforderlich, so kann in den Zwischenkreis ein Trenntransformator eingefügt werden. Weitaus verbreiterter und kostengünstiger sind Gleichstrom-Umrichter ohne Zw ischenkreis. Sie werden auch als Gleichstromsteller oder Chopper1 bezeichnet. Alle Gleichstromsteller arbeiten mit schaltenden Ventilen, z. B. bipolaren Transistoren, MOS-FETs, Thyristoren oder IGBTs2, und sind somit besonders verlustarm.

{lJ MOS-FET Thyristo r IGBT

Seite207 Seite 235 Seite 240

Die Prinzipschaltung (Bild 2) zeigt einen Transistor-Gleichstromsteller mit Mischlast Wird der Transistor Q1 leitend (Bild 2a). so fließt ein Laststrom durch den Verbraucher. Wird der Transistor 01 gesperrt (Bild 2b), so wird der Stromfluss unterbrochen. Die Freilaufdiode R1 verhindert lnduktionsspannungsspitzen, die beim Schalten entstehen, und sorgt gleichzeitig für einen gleichförmigen Stromfluss. Je höher die Frequenz der Stromimpulse ist, desto gleichförmiger ist der Stromfluss durch die Last. ln der Praxis werden aufgrund der geforderten hohen Schaltfrequenzen meist MOS-FETs verwendet.

Übersicht: Gleichstrom-Umrichter Umrichter

St euerarten

• über • ZwischenWechselkreisumrichter strom • Pulsweiten• Sperrwandler steuerung • Durchfluss• Pulstelgewandler Steuerung

Wechselrichter

Gleichrichter

:~OZI ~ul : Gleichstromkreis

WechselstromZwischenkreis

Gleichstromkreis

Bild 1: Gleichstrom-Umrichter mit Zwischenkreis (Prinzipschaltbild)

a)

b)

Gleichstromstellerverändern durch gesteuertes Ein- und Ausscha lten den arithmetischen Mittelwert der Ausgangsspannung. Werden hohe Schaltspannungen oder hohe Ströme verla ngt, so werden als Ventile meist Thyristoren eingesetzt (Bild 3). Im Gegensatz zum Einsatz im Wechselstromkreis löscht der Thyristor hier nicht selbsttätig, da der Strom nicht automatisch unter den Haltestrom absinkt. Es muss ein zusätzlicher Lösch- bzw. Komm utierungskreis eingebaut werden. Wird der Thyristor Q1 durch einen Zündimpuls an seinem Gate leitend, fließt ein Laststrom /L. Gleichzeitig lädt sich der Kondensator C1 auf. Wird der Lösch-Thyristor Q2 gezündet, entlädt sich der Kondensator C1 über die zwei leitenden Thyristoren Q1 und 02. Dabei wirkt der Entladestrom lc dem Laststrom /L entgegen; der Haltestrom /H wird unterschritten und der Hauptthyristor Q1 löscht. Dabei wird der Stromkreis unterbrochen und Thyristor Q2 löscht ebenfalls. Der nächste Löschvorgang kann allerdings erst nach erneuter Aufladung des Kondensators erfolgen. Deshalb sind Gleichstromsteller mit Thyristoren nur für relativ geringe Schaltfrequenzen geeignet. ; von to chop (engl.) =abhacken, abschneiden IGBT von lnsulated Gate Bipolar Transistor (engl.) = Bipolarer Transistor, der intern nach dem Feldeffekt·Prinzip arbeitet und daher sehr verlustarm ist.

Bild 2: Transistor-Gleichstromsteller

..:.+--!,_...,__-91::-: ~

Feldbus, z.B. Profi· bus PC Einheits· signal, z.B. 4 bis 20 mA

W.t%1

Frequenzumrichter

9.9.11 .1 Drehstrom-Asynchronmotor am Frequenzumrichter Um einen guten Wirkungsgrad des Antriebssystems bei variabler Frequenz zu erhalten, soll der Motor mög lichst mit Bemessungsmoment betrieben werden. Deshalb muss der Frequenzumrichter an das Verha lten des Drehstrom-Asynchronmotors angepasst werden.

Spannungs-Frequenz-Kennlinie Weicht die Betriebsfrequenz des Drehstrom-Asynchronmotors von der Bemessungsfrequenz fn ab, so hat dies Auswirkungen auf das Betriebsverhalten der Drehstrommaschine (Tabelle). Damit der Motor bei niedrigen Betriebsfrequenzen keine unzulässig hohe Stromaufnahme hat, muss die Spannung durch die U/ f-Kennliniensteuerung an die Frequenz angepasst werden (Bild 1). Wird der Motor im Frequenzbereich f < fn bis f = fn (Spannungsstellbereich) mit Bemessungsstrom betrieben, entwickelt er sein Bemessungsdrehmoment Damit der Drehstrom-Asynchron motor beim Anlauf oder beim Betrieb im unteren Frequenzbereich, z. B. bei 5 Hz, ein ausreichend hohes Drehmoment entwickeln kann, wird die Spannung in diesem Bereich etwas angehoben IUm;n·Anhebung). Diese Spannungsanhebung nennt man auch Boost, r xR-Kompensat ion oder Startkompensation.

Tabelle: Betriebsverhalten des DrehstromAsynchronmotors ohne SpannungsFrequenz-Kennliniensteuerung Frequenz f> '· f< '· f= '· magnet. Fluss cp =Cf>. cp .

n Zsteigt Widerstand Zsinkt z. Strom I> In I= I. I< In Folge Wicklung Optimaler MotordrehBetrieb moment thermisch sinkt überlastet Keine Motor Maßnahme Spannung entlasten verringern Spannungsstell· bareich

400 V

Arbeitet der Motor im Frequenzbereich f> fn, wird die Spannung konstant gehalten. Da mit zunehmender Frequenz der Blindwiderstand XL und somit der Scheinwiderstand Z des Motors steigen, nimmt die Stromaufnahme ab. Das Drehfeld des Motors wird geschwächt (Feldschwächbereich) und das zur Verfügung gestellte Drehmoment si nkt (Bild 2). Bei Frequenzen f > fn muss die Last des Motors verringert werden.

Motorkennlinien

Bemessungspunkt I U0 -400V, f0 =50Hz I

300

u

I I I

200

Boost

I ~~~~~~~~50~6~0~7=o~s7 o~Hz~1~0~0

,___

Bild 1: Spannungs-Frequenz-Kennlinie FeldschwachlJerei. h sinkt

Spannungsstellbereich ct> •konstant

M

Motoren, die bei niedrigen Frequenzen mit Bemessungsmoment belastet werden, müssen fremdbelüftet werden, um die entstehenden Stromwärmeverluste abzuführen.

Feldschwäch·

~

0,5 1-- - - - - - - f -- - -- - - =-

10

20

30

40

,___ 50

60

70

80

Hz 100

Bild 2: Drehmoment-Frequenz-Kennlinie Bemessungsfrequenz Konstantflussbereich M - konstant

20Hz 40Hz

Felrl!IChw hhereich M•konslM\l

50Hz

t

Arbeitet der Motor im Frequenzbereich von 0 Hz bis zu seiner Bemessungsfrequenz, so w ird bei sich ändernder Frequenz des Frequenzumrichters die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie des Drehstrom-Asynchronmotors parallel verschoben (Bild 3). Wird der Motor mit Frequenzen größer als Bemessungsfrequenz betrieben, sinkt das Kippmoment des Motors stark ab.

+-

Mn

n---

Bild 3: Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien bei verschiedenen Betriebsfrequenzen

9.9.11 .2 Auswahl eines Drehstromantriebes mit Frequenzumrichter

·Q: ~

3- M o t

Die Drehzahl eines Drehst rom motors soll m it ei nem Frequ en zum richter (FU ) gesteuert w erden. Für die A u swa hl eines geeigneten FU müssen deshalb die Bem essungsw erte des M o to rs, z. B. durch die Angab en auf dem Leistungsschild (Bi ld 1), bekannt sei n.

biJ

J

Hersteller

230V / 400V

6,2 A /3,6 A

1,5 kW

cos cp 0,81

1410

50 Hz

1/ min

o:l

II S1

IP54

lsoi.-KI. DIN VDE 0530

1:

~11

llh

EN 60034

Auswahl eines Elektromotors, Seite 484 Bild 1: Leist ungsschild eines Drehstrommotors

Schaltung der Mot orwicklungen (Tabelle 1). Die Schaltung der Motorwicklungen w ird bestimmt durch: • d ie Ei ngangssp annun g des Frequenzumrichters, z. B. 1-phasig 230 V oder 3-phasig 400 V, und • den eingest ellten Ty p enpunkt (Bild 2 ). Der Dreh strom motor (Bild 1) kann am 3-phasigen FU in Dreieckschaltung betrieben w erden, w enn bei der Inbetriebnahme am FU die W erte U" = 230 V und f" = 50 Hz ei ngegeben werden. Bei einer Betriebsfrequ enz von 50 Hz liegen 230 V an den M o torwicklu ngen. Gem äß der linearen VIf-Kennlinie (Bild 2) wi rd die m aximale Ausgangsspa nnung Un= (3 · 230 V= 400 V bei f= (3 · 50 Hz= 87 Hz erreicht. Dieser am FU eingestellte Punkt heißt Typenpunkt (Eckfrequenz). Die M otorwicklung m uss für 400 V isoliert sein. Soll der Motor in Sternschaltung betrieben w erden, so ist der Ty p enpunkt auf 50 Hz einzustellen. Bei Dreieckschaltung und Typenpunkt87Hz muss ein Frequenzumrichter mit V3-facher Strombelastbarkeit und höherer Leistung gewählt werden. Ausw ahl des Frequ enzumrichters. Bei d er Auswahl des Frequenzumrichters istvon der Bem essungsleistung des M ot o rs auszugehen (Tabelle 2). Daraus ergibt sich, ob ein 1-phasiger oder ein 3-phasiger Frequen zum richter b enötigt wird.

t

u

v 300

I 50Hz I

Typenpunkte: _,

400

,I /

M I

J M otor in Y-Schaltung

~ ~ T V /

230 un 200 100

/

/

10

20

~V 0 0

30

40

/

I 87Hz I

..".,< '-.j Motor in

I

J-

.0.-Schaltung

,_'" 50

60

70

80

Hz 100

Bild 2: Spannungs-Frequenz-Kennlinien für die Typenpunkte 50 Hz und 87 Hz

6

Bis zum Typenpunkt kann der Motor mit dem Bemessungsdrehmoment Mn belastet werden.

Tabelle 1: Motor m1t dem Leistungsschild n ach Bild 1 am Frequenzumrichter 1-phasig 3-phasig FU-Anschluss Typenpunkt 87Hz 50 Hz 50 Hz Motorwicklung DreieckSternDreieckschaltung schaltung schaltung Strangspg. (max) 230 V 230V 400 V Strangstrom 3,6A 3,6A 3,6A Leiterstrom 6,2 A 3,6A 6,2A

Tab elle 2 : Datenblattauszug f ür Frequen zumrichter (Beisp iele) FU Motor-BemessungsBemessungsAusgangsstrom Nr. Ieistung in kW Ieistung in kVA in A

Eingangsstrom in A

Überstrom-Schutzeinrichtung in A

Eingangsspannung 1-phasig 200 V bis 240 V

2

1,1 1,5

3 4

2,2 3,0

3,2 7,4 13 Eingangsspannung 3-phasig 380 V bis 480 V

5,9

7,7

6,7

20 20 16 16

Bei spiel: Ein Drehstrommotor nach Bild 1 soll bis 50 Hz mit dem Bemessungsdrehmoment betrieben werden. Bestimmen Sie die Schaltungsart des Motors und wählen Sie aus Tabelle 2 den passenden Frequenzumrichter (FU) für den Betrieb an einern a) 1-phasigen Frequenzumrichter, b) 3-phasigen Frequenzumrichter (Typenpunkt 50 Hz). Begründen Sie Ihre Auswahl.

Lösun : a) Die Motorwicklung wird in Dreieck geschaltet. Es fließt ein Leiterstrom von 6,2 A zum Motor. Der FU Nr. 2 ist geeignet. b) Die M otorwicklung wird in Stern geschaltet. Es fließt ein Leiterstrom von 3,6 A. FU Nr. 3 ist geeignet.

Frequenzumrichter

Si~ationsbeschreibung: Ein 3-phasiger Frequenzumrichter soll installiert (Übersicht) und anschließend mit der Schnellinbetriebnahme (Tabelle) parametriert (eingestellt) werden. Der Motor mit dem Leistungsschild von Seite 264, Bild 1 wird in Sternschaltung am Frequenzumrichter betrieben. Installation: Bei der Installation von Frequenzumrichter und Motor sind die Informationen der Hersteller zur elektrischen Installation unbedingt zu beachten, z. B. • Verwendung abgeschirmter Steuerleitungen, • getrennte Verlegung von Motor- und Steuerleitungen, • EMV-gemäße Installation und • vorschriftsmäßige Erdung.

Übersicht: Sicherheitshinweise zu Installation und Inbetriebnahme • Frequenzumrichter und Motor führen gefährliche Spannungen, auch wenn der Frequenzumrichter nicht in Betrieb ist. • Ausführen von lnstallationsarbeiten, Inbetriebnahme und Servicearbeiten nur von Elektrofachkräften. • Beachten der Installations- und Betriebsanleitung des Herstellers, z. B. Eingeben der Motordaten vor der Inbetriebnahme des Frequenzumrichters. • Vorsehen von Schutzmaßnahmen und Schutzeinrichtungen nach den gültigen Vorschriften, z. B. Überstrom-Schutzeinrichtung, Erdungsmaßnahmen.

~ Betriebsanleitung eines Frequenzumrichters

Inbetriebnahme: Grundsätzlich muss vor der ersten Inbetriebnahme die mechanische und elektrische Installation von Frequenzumrichter und Motor erfolgt sein. Frequenzumrichter werden mit voreingestel lten Motordaten (Werkseinstellung) geliefert. Vor der Inbetriebnahme eines Frequenzumrichters mit angeschlossenem Motor müssen die Bemessungsdaten des Motors parametriertwerden. Ansonsten kann der Motor zerstört werden.

-

Frequenzumrichter können durch aufsteckbare Bediengeräte (Bild) parametriert werden. Daten lassen sich aber auch mit einem PC über die Datenschnittstelle in den Frequenzumrichter einlesen und speichern. Mit den Tasten auf dem Bediengerät können die gewünschten Motor- und Betriebsdaten, z. B. • Bemessungsdaten des Motors, • min. und max. Motordrehzahl, • Hochlaufzeit und Rücklaufzeit und • Typenpunkt Programmiert werden. Außerdem lassen sich verschiedene Betriebswerte und Meldungen, z. B. • Ausgangsstrom, • Ausgangsspannung, • Ausga ngsfrequenz, • Spannung des Gleichstrom-Zwischenkreises und • Alarm- und Fehlermeldungen anzeigen. Da sehrviele verschiedene Parameter zur Verfügung stehen, bieten Hersteller eine Schnellinbetriebnahme an. Mit der Schnellinbetriebnahme kann der Frequenzumrichter schnell an den ausgewählten Motor angepasst und wichtige Betriebsdaten eingegeben Werden (Tabelle).

I (RUN)

Motor EIN

0

MotorAUS

(STOPP) p

Einstellen von Parametern Wert erhöhen oder vermindern

Bild: Bediengerät eines Frequenzumrichters Tabelle: Parameter zur Schnellinbetriebnahme eines Frequenzumrichters (Auszug) Funktion Wert Parameter1 1 P0010 Schnellinbetriebnahme Motordaten P0304 Motorspannung in V 230 P0305 Motorstrom in A 3,6 Motorleistung in kW 1,5 P0307 P0310 Motorfrequenz in Hz 50 P0311 Drehzahl in 1/min 1410 Betriebsdaten P0700 Befehlsquelle: Bedienfeld 1 Frequenzsollwert Bedienfeld 1 P1000 Max. Motorfrequenz in Hz 100 P1082 P1 120 Hochlaufzeit in s 5 3 P3900 Ende 1 herstellerspezifisch

Elektronik

1. Zur Ansteuerung einer Leuchtdiode CQX 35 wird ein Transistorschaltverstärker (Bild 1) mit einem Übersteuerungsfaktor ü = 5 verwendet. Die Lichtstärke lv der Leuchtdiode soll 3 mcd betragen. Berechnen Sie den Basisvorwiderstand Rv und den Vorwiderstand Re der LED. Zur Berechnung der Widerstände bestimmen Sie mithilfe der Kennlinien im Infoteil (Seiten 615 und 616) den Durchlassstrom /F, die Durchlassspannung UF, das Gleichstromverhältnis 8 und die Basis-Emitterspannung Use·

6.

a) Zeichnen Sie das Schaltzeichen eines RSKippgliedes. b) Geben Sie die Wahrheitstabelle des RS-Kippgliedes an.

7 . Zeichnen Sie die Schaltung eines asynchronen Dualzählers mit JK-Kippgliedern, der von 0 bis 12 zählt.

8 . Erklären Sie das Bezeichnungsschema des Gleichrichtersatzes B 250 C 1500/1000.

9.

a) Geben Sie die Kurzbezeichnung einer Zweipuls-Brückenschaltung an. b) Skizzieren Sie die Schaltung mit Transformator und Last. c) Durch welche Schaltungsmaßnahme kann die Ausgangsspannung geglättet werden?

10. Skizzieren Sie den Spannungs- und Stromverlauf an einer Glühlampe (Bild 2) bei einer An· steuerung mit a) Phasenanschnittsteuerung (a = 30°) und b) Vielperiodensteuerung.

11 . ln Bild 2 ist die vereinfachte Schaltung einer

ov Bild 1: Transistorschaltverstärker

2. Beschreiben Sie den Aufbau und die Wirkungsweise eines Sperrschicht-Feldeffekttransistors (J-FET) mit N-Kanal.

3.

ln einem Kühlhaus sind an drei verschiedenen Stellen die Temperaturfühler B1 , B2 und B3 installiert. Bei einer Temperatur i} > -18 °C führen die Temperaturfühler den logischen Wert 1. Eine Warnleuchte P1 leuchtet auf (P1 = 1), wenn zwei der drei Temperaturfühler eine Überschreitung der Temperatur, z. B. iJ =-16 °C, melden. Ist die Temperatur bei allen drei Temperaturfühlern überschritten, ertönt eine Hupe P2 (P2 = 1). a) Erstellen Sie die Wahrheitstabelle. b) Ermitteln Sie die Funktionsgleichungen für die Warnleuchte P1 und die Hupe P2 in disjunktiver Normalform. c) Zeichnen Sie den Funktionsplan für die Warnlampe P1 und für die Hupe P2.

Phasenanschnittsteuerung dargestellt. a) Be· nennen Sie die Bauelemente, die mit01 und R2 gekennzeichnet sind. b) Erklären Sie die Funk· tion der Schaltung. c) Zeichnen Sie den Span· nungsverlauf bei einem Zündwinkel von 90°. 230 V/50 Hz N

E1

Bild 2: Phasenanschnittsteuerung

12. a) Welche Operationsverstärkerschaltung ist in Bild 3 dargestellt? b) Berechnen Sie den Wert des Widerstandes RK.

4 . Stellen Sie mithilfe der de morganschen Gesetze a) die Antivalenzverknüpfung ausschließlich durch NOR-Verknüpfungen und b) die Äqu ivalenzverknüpfunQ ausschließlich durch NANOVerknüpfungen dar.

5. Wandeln Sie a) die Dualzahl 1001 in eine Dezimalzahl und b) die Dezimalzahl 23 in eine Dualzahl um. • Ergebnisse der Rechenaufgaben Seite 602

Bild 3: Operationsverstärkerschaltung

W1iJ

Energieerzeugung, Kraftwerke

10

Elektrische Anlagen

10.1

Energieerzeugung und Energieübertragung

Elektrische Energie muss man im g leichen Augenblick im Kraftwerk erzeugen, in dem sie vom Verbraucher benötigt w ird (Übersicht). Die rechtzeitige und ausreichende Bereitstellung elektrischer Energie liegt in der Verantwortung der Verteilungsnetzbetreiber (VNB).

Übersicht: Stromerzeugung in der Bundesrepublik Deutschland Kraftwerksarten: • Wärmekraftwerke (Seite 268): - Kohlekraftwerke - Kernkraftwerke

( ) Das Energiewirtschaftsgesetz (EnWG) regelt eine sichere, preisgünstige und umweltverträgliche Versorgung der Allgemeinheit mit elektrischer Energie.

• Wasserkraftwerke (Seite 270): - Laufwasserkraftwerke -Speicherkraftwerke -Gezeitenkraftwerke

Über das Verbundnetz sind die VNB Europas untereinander verbunden.

• Kraftwerke für erneuerbare Energien (Seite 271): - Windkraftwerke - Fotovoltaikanlagen - Biogasanlagen

fJJ

Europäisches Verbundnetz, Seite 277

Die VN B schätzen täglich den Leistungsbedarf des nächsten Tages ab. Diese Voraussage dient den VNB bei der Planung des Kraftwerkeinsatzes.

Mineralöl 1,9%

übrige nicht erneuerbare Energie 3,8%

10.1.1 Kraftwerke

Fotovoltaik 0,2%

Wärmekraftwerke gewinnen aus fossilen Energieträgern, d. h. aus Steinkohle, Braunkohle, Erdöl und Erdgas sowie aus Uran, elektrische Energie. Nasserkraftwerke nutzen die Energie des aufgestauten Wassers zum Antrieb der Turbinen.

Wasser 3,5%

Braunkohle 25,0%

Anteile an der Stromerzeugung (2005)

Die Antei le der Energieträger bei der Strom erzeugung in der Bundesrepublik Deutschland sind in der Übersicht dargestellt. Das Belastungsdiagramm eines Verteilungsnetzbetreibers (Bild) zeigt, dass eine Grundlast während des ganzen Tages vorhanden sein muss. Der Grundlastbereich wird abgedeckt durch: • Kernkraftwerke, • Braunkohlekraftwerke und • Laufwasserkraftwerke. Im Mittellastbereich (Bild) setzt man Kraftwerke ein, die in wenigen Stunden angefahren werden können und in den Nachtstunden (Schwachlastbereich) wieder abgeschaltet werden. Den Mittellastbereich versorgen: • Steinkohlekraftwerke und nur selten • Erdgas- oder Heizölkraftwerke. lrn Spitzenlastbereich setzt man Kraftwerke ein, die i~nerhalb weniger Mi nuten elektrische Energi e hefern können. Sie verursachen aber hohe Kosten. lrn Spitzenlastbereich werden eingesetzt: • Speicherkraftwerke, • Pumpspeicherkraftwerke und • Gasturbinen-Kraftwerke.

~~~~~~~~~~~~~ 0

2

4

6

8

10 12 14 16 18 20 Uhr 24

an einem Sommertag -

Uhrzeit---

an einem Wintertag

Bild: Tagesbelastungsdiagramm eines VNB

10.1.1.1 Wärmekraftwerke

•

Vorwärmer

~ Pumpe

I)

Gebläse

Bild 1: Prinzip eines modernen Heizkraftwerkes (Steinkohlekraftwerk);

o'

"

Hausanschluss mit Erdkabel. Das Hausanschlusskabel endet am Hausanschlusskasten den der VNB, z. B. im Hausanschlussraum (Bild 2), montiert. Fundamenterder

( ) Kabelanschlüsse enden nach DIN 18015: • im Hausanschlussraum (Bild 2), • in der Hausanschlussnische (Bild 2, Seite 281) oder • an einer Hausanschlusswa nd (Seite 281).

wasserleitung

Bild 2: Hausanschlussraum

Gas-

Hausanschlussrau

Hausanschlussnische

Hausanschlussraum. ln Wohngebäuden mit mehr als vier Wohneinheiten ist nach DIN 18012 ein Hausanschl ussraum (Bild 2, Seite 280) vorgeschrieben. Ein Hausanschlussraum muss über allgemein zugängliche Räume, z. B. Treppenraum, Kellergang oder direkt von außen, zugänglich sein. Der Hausansch lussraum muss an die Außenwand des Gebäudes angrenzen, durch welche die Anschlussleitungen in das Gebäude geführt werden.

A

U

Mindestabmessungen für Hausanschlussräume (nach DIN 18012) 2,0 m • Länge mindestens • Höhe mindestens 2,0 m • Mindestbreite -bei Belegung nureinerWand 1,5 m 1,8 m - bei beidseitiger Belegung derWände

Die Betriebseinrichtungen für die Strom- und Telekommunikationsversorgung sollen möglichst nicht an derselben Wand mit den Betriebseinrichtungen der Wasser-, Gas- oder Fernwärmeversorgung angeordnet werden. Ist dies aus installationstechnischen Gründen nicht möglich, sind die Hausanschlussleitungen so einzuführen, dass im Verlauf der Installation eine kreuzungsfreie Verlegung sichergestellt ist. Der Mindestplatzbedarf für die Anschluss- und Betriebseinrichtungen ist dann mit den Versorgungsunternehmen abzustimmen. Zum Abdichten der Einfüh run gsstelle des Hausanschlusskabe ls wird in die Au ßenmauerein Kabelschutzrohreingebaut(Bild 1). Die Rohrart und Rohrgröße ist mit dem VNB abzustimmen. Hausanschlussräume dürfen nicht als Durchgangs- oder Lagerräume genutzt werden. Hausanschlusswand. ln Wohngebäuden mit bis vier Wohneinheiten ist nach DIN 18012 kein eigener Hausanschlussraum vo rgeschrieben. Die Betriebseinrichtungen für Strom, Gas, Wasser und Fernwärme können dann an einer Hausanschlusswand untergebracht werden, die an eine Außenwand angrenzen muss. Hausanschlusswände müssen frei zugänglich sein und dürfen nicht durch Gegenstände versperrt werden. Hausanschlussnische. Die Hausanschlussnische (Bild 2) ist eine platzsparende Möglichkeit für den Hausanschluss. Sie wird meist in nicht unterkellerti!n Wo hngebäuden und in Fertighäusern angewendet. ln einer durch eine Tür verschließbaren Nische lassen sich die Betriebseinrichtungen für Strom, Gas, Wasser und Telekommunikation unterbringen. Die Größe der Hausanschlussnische wird durch das Rohbau-Richtmaß einer gängigen Wohnungstür mit einer Breite von 875 mm und einer Höhe vo n 2 m festgelegt. Die Tiefe der Nische muss mindestens 250 mm betragen.

Kabelschutzrohr

Bild 1: Hauseinführung mit wasserdichtem Abschluss

Abmessungen der Nische: - - fri;~~~~~ij' Breite 885 mm Höhe 2010 mm Mindest250 mm tiefe

Kommunikationsanschlüsse

Wasserzähler

Haupterdungsschiene

Bild 2: Hausanschlussnische

Hausanschlussnischen dürfen höchstens 3 m von einer Außenwand entfernt sein. Sie müssen be- und entlüftbar sein.

t.l:tM 10.1.4.3 Erdungsanlagen Erdungsanlagen verhindern gefährliche Berührungsspannungen zwischen der geerdeten Anlage und dem Erdreich. Erdungsanlagen bestehen aus dem Erder und der Erdungsleitung. Erder sind blanke Leiter, die in das Erdreich eingebettet sind und mit ihm in leitender Verbindung stehen. Die Erdungsleitung verbindet die zu erdenden Anlageteile mit dem Erder. Der Erdungswiderstand setzt sich aus dem Widerstand der Erdungsleitung und dem Erdausbreitungswiderstand zusammen. Mindestquerschnitte für Erdungsleitungen siehe Tabelle 1 und Tabelle 2. A ls Leit erwerkstoff für Erder verwendet man meist feuerverzinkten Bandstahl mit einem Mindestquerschnitt von 90 mm 2, Kupferband mit 50 mm 2 oder Kupferseil mit 35 mm2 • Oberflächenerder sind Erder, die in geringer Tiefe, z. B. 0,8 m, in die Erde eingegraben werden. Sie können als Strahlen-, Ring- oder Maschenerder ausgeführt sein (siehe Tabellenbuch Elektrotechnik). Tiefenerder werden senkrecht in größere Tiefen eingerammt. Tiefenerderstäbe können aus ve rzinktem Stahl oder aus Kupfer mit Durchmessern von 16 mm, 20 mm oder30 mm bestehen. Die Ein ze lst ablänge beträgt meist 1,5 m . Jeder Stab hat an einem Ende eine Bohrung und am anderen Ende einen Zapfen mit Ringnut und Rändelung. Beim Eintreiben der Erderstäbe steckt man den Zapfen des zweiten Erdarstabes in die Bohrung des bereits eingetriebenen Stabes. Die Erderstäbe verbinde n sich beim Eintreiben selbstt ätig . Der Fundamenterder wird in die Außenfundamente von Gebäuden als geschlossener Ring ei ngelegt (Bild 1). Als Leiterwerkstoff verwendet man verzinkten Bandstahl mit einem Mindestquerschnitt von 90 mm2 und einer Mindestdicke von 3 mm oder verzinkten Rundstahl mit einem Mindestdurchmesser von 10 mm. DerErder wi rd zum Schutz gegen Korrosion in eine 10 cm hohe Betonschicht eingebettet. Baustahlmatten und Bewahrungseisen des Kellerbodens dürfen mit dem Erder verbunden werden. Für den Anschluss an der Haupterdungsschiene wird bei Kabelanschlüssen im Hausanschlussraum, bei Freileitungsanschlüssen in der Nähe des Wasseranschlusses eine Anschlussfahne (Bild 2) im Mauerwerk hochgeführt Wird der Fundamenterder auch als Blitzschutzerder verwendet, ist für jede AbIeitung eine Anschlussfahne nach außen zu füh ren (Bild 1). Gut leitende Verbindungen und Abzweige können durch Keilverbinder, Federverbinder, durch Schrauben oder durch Schweißen hergestellt werden.

Fundamenterder Tabelle 1: Mindestquerschnitte für Erdungsleiter im Erdreich (nach DIN VDE 0100, Teil 540) Erdungsleiter Mindestquerschnitt in mm2 mechanisch mechanisch geschützt ungeschützt Kupfer Stahl Kupfer Stahl gegen Korrosion 2,5 10 16 16 geschützt gegen Korrosion 50 25 50 25 nicht geschützt Tabelle 2: Zuordnung von Schutzleiter und Erdungsleiter zum Außenleiter (nach DIN VDE 0100, Tei l 540) AußenleiterMindestquerschnitt der Schutz· querschnitt A und Erdungsleiter in mm 2 bei in mm2 gleichem Leiterwerkstoff A ~ 16 wie Außenleiterquerschnitt A

biJ

16 35

0,5 · Außenleiterquerschnitt A

Berührungsspannung, Seite 326 Anschlussfahne zur Haupterdungsschiene ~~rrm"T"l~

rc=-=-=:..;;;;;;;:;..;:::::....:;:::..c::::;J

I I I Fundamenterder

Anschlussfahne für Blitzschutzanlage

Bild 1: Fundamenterder

Haup terdungsschiene

0

Bild 2: Fundamenterder mit Anschlussfahne

Ieich

10.1.4.4 Schutzpotenzialausgleich über die Haupterdungsschiene Der Schutzpotenzialausgleich über die Haupterdungsschiene beseitigt Potenzialunterschiede zwischen Körpern und fremden leitfähigen Anlagenteilen oder zwischen verschiedenen leitfähigen Anlagenteilen. PEN beo Freoleotungsanschluss

Man unterscheidet den Schutzpotenzialausgleich und den zusätzlichen örtlichen Schutzpotenzialausgleich. Der Schutzpotenzialausgleich über die Haupterdungsschiene (Bild) muss in allen Gebäuden mit elektrischem Hausanschluss oder mit einer gleichwertigen Versorgungseinrichtung durchgeführt w erden.

Heizung

Gasinnenleitung

W

Zusätzlicher Schutzpotenzialausgleich in Räumen mit Badewanne oder Dusche, Seite 310 Die Haupterdungsschiene (Bild) wird bei Kabelanschluss im Hausanschlussraum, bei Freileitungsanschluss meist in der Nähe der Hauptwasserleitung montiert und mit der Anschlussfahne des Fundamenterders verbunden. An der Haupterdungsschiene sind alle metallischen Leitungssysteme, z. B. Frischwasserleitung, Abwasserleitung, Heizungsanlage und Gasinnenleitung, die Antennenanlage und, soweit möglich, Metallteile der Gebäudekonstruktion anzuschließen (Bild). Der Schutzpotenziala usgleic hsleiter wird an Gas-, Wasser- und Fernwärmeleitungen immer hinter der Trennstelle, z. B. nach Absperrventilen, angeschlossen. ln TN-System en w ird eine Verbindung mit dem PENLeiter, in TT-Systemen und in IT-Systemen mit dem PE-Leiter hergestellt. Der Leiterquerschnitt der Schutzpotenzialausgleichsleitung (Tabelle) wird nach dem Schutzleiterquerschnitt der stärksten, vom Hausanschluss oder von der Hauptverteilung abgehenden Hauptleitung bemessen. Der Leiterquerschnitt der Schutzpotenzialausgleichsleitung muss dem halben Querschnitt des Hauptschutzleiters entsprechen, mindestens jedoch 6 mm 2 Kupfer, 16 mm2 Aluminium oder 50 mm2 Stahl betragen.

Haupterdoogsschoene

Abwasser

~ \ ====l~

U

Fundamenterder

-"-

U

Bild: Schutzpotenzialausgleich in Wohngebäuden Tabelle: Leiterquersch nitte für Schutzpotenzialausgleichsleitungen (nach DIN VDE 0100 Teil 540) Leiterquerschnitte in mm 2 Cu HauptschutzSchutzpotenzialAußenleiter ausgleichsleiter Ieiter

10 16 25 35 50 70 95

10 16 16 16 25 35 50

6 10 10 10 16 25 25

Der Querschnitt der Schutzpotenzialausgleichsleitung Die Aderfarbe für Schutzpotenzialausgleichsleitu ndarf auf 25 mm2 begrenzt werden. gen ist Grüngelb. Bei einadriger Mantelleitung (NYM) oder bei Kabel (NYY) genügt ein e dauerhafte grüngelbe Kennzeichnung der Leitungsenden. Wiederholungsfragen 1 Nennen Sie für den Hausanschluss die drei möglichen Ausführungen bei Kabelanschluss. 2 Aus welchen Teilen besteht ein Hausanschluss7 3 Welche Mindestabmessungen muss ein Hausanschlussraum haben? 4 ln w elcher Tiefe verlegt man Kabel im Erdreich a) im Gehwegbereich, b) unter Fahrbahnen?

5 Aus welchen Teilen besteht eine Erdungsanlage7 6 Welche Mindestabmessungen sind für den verzinkten Bandstahl eines Fundamenterders vorgeschrieben? 7 Welche Anlagenteile müssen durch den Schutzpotenzialausgleich miteinander verbunden werden? 8 Welchen Leiterquerschnitt müssen Schutzpotenzialausgleichsleitungen mindestens haben?

Hau

10.1.4.5 Hauptstromversorgungssysteme Hauptstromversorgungssysteme bestehen aus den Hauptleitungen und allen Betriebsmitteln nach der Übergabestelle (Hausanschluss) des VNB, die nicht gemessene elektrische Energie führen. Die Abdeckungen von Hausanschlusssicherung, Hauptleitungsabzweigkästen und unterem Anschlussraum des Zählerplatzes sind deshalb vom VNB durch Plomben verschlossen. Hauptstromversorgungssysteme sind nach DIN 18015 als Strahlennetze auszuführen. Hauptleitungen sind Drehstromleitungen mit einer Mindestbelastbarkeit von 63 A. Der Leiterquerschnitt muss mindestens 10 mm 2 Kupfer betragen.

150 kVA

~~00·

r

-r

t-· -so f-80........ F63" ~ -, 40 s 35 ~ elektrischer Warmwasserbereitung I Bade-oder Duschzwecke

30

20

.Y

~ elektrische Warmwasserbereitung Bade-oder Duschzwecke

•

10

M1~destabs1Cherung /, =63 A zur Sicherstellung der Selektiv1fät zu den Stromkreissicherungen 2

1

Hauptleitungen verlegt man in leicht zugänglichen Räumen, z. B. in Treppenräumen. Die Leitungen sind oberhalb der Kellerdecke in Rohren, Schächten, Kanälen oder unter Putz zu verlegen. ÜberstromSchutzeinrichtungen für Hauptleitungsabzweige ordnet man in unmittelbarer Nähe der Abzweigsteile in Gehäusen mit getrennten Abdeckungen an. Der Abst and der Abzweigsteile vom Fußboden soll mindestens 0,5 m und nicht mehr als 1,85 m betragen. Mindestbelastbarkeit von Hauptleitungen siehe Bild 1.

-- 1-- -- -

160---

100 90 fl2580 10 :100 :

Beispiel 4 Wohnungen - I,= 125 A mit Warmwasserbereatung - I,= 63 A ohne Warmwasserbereitung (/, Bemessungsstrom der Uberstrom-Schutze•nrichtung)

3

4

-

5 6 1 8 910

Anzahl der Wohnungen

15

20

Bild 1: Mindestbelastbarkeit von Hauptleitungen für Wohnungen ohne Elektroheizung

Messeinrichtungen und Tarifsteuergeräte sind in Zählerschränken (Bild 2) zu montieren. Messeinrichtungen und Steuergeräte müssen frei zugänglich und ohne Hilfsmittel ablesbar sein. Als Montageort wählt man z. B. den Hausanschlussraum oder Zählernischen (Mindestabmessungen der Zäh lernischen siehe Tabelle). Der Abstand vom Fußboden biszur Mitte des Zählers oder der Steuereinrichtung muss mindestens 0,8 m und darf höchstens 1,8 m betragen. Messeinrichtungen sind gegen mechanische Beschädigung, Versehrn utzung und Feu chtigkeit zu schützen. Deshalb ist eine Montage in feue rgefährdeten Betriebsstätten, in Räumen mit erhöhter Temperatur oder in feuchten Räumen verbot en. Im Zählerschrank ist neben den Feldern für die Zähler ein Montageplatz für das Tarifsteuergerät vorzusehen, z. B. für Rundsteuerempfänger, Tarifschaltuhr oder Funksteuergerät Die Art der Tarifsteuerung, z. B. leitungsgebunden oder durch Funksignale, ist mit dem Verteilungsnetzbetreiber abzustimmen.

Bild 2: Zählerschrank mit eingebautem Stromkreisverteiler

Tabelle: Mindestabmessungen für Zählernischen (nach DIN 18013) Anzahl der Zähler 1 2 3 4 5

Zählernische Breite 300mm 550mm 800mm 1050 mm 1300 mm

Tiefe

Höhe*

140mm 140mm 140mm 140mm 140mm

950 mm 1100 mm 1250 m m oder 1400 m m

* Abhängig von der Bauart des Zählers

W1:101

Stromkreisvertei ler Strom kreisverteiler (Bild) dienen dem Verteilen gemessener elektrischer Energie auf die einzelnen Stromkre ise.

A U

Stromkreise mit Steckdosen sind nach DIN VDE 0100. Teil410 einzeln oder in Gruppen durch FehlerstromSchutzeinrichtungen mit I"'"= 30 mA zu schützen.

Stromkreisve rteiler in gem einsamer Um hüllung mit dem Zählerplatz (Bild 2, Seite 284) haben meist sechs Rei hen zum Einbau vo n Schaltgeräten. ln Mehrra umwohnungen sind getrennt angeordnet e Strom kreisverteiler mindestens zweireihig auszuführen . Jede Einbaureihe darf höchstens zwölf Teil ungseinheiten haben, z. B. für LS-Schalter.

(~ 3.3kW Waschmaschine

(~ 3.3kW

Die Verbindungsleitung vom Zählerplatz zum Stromkreisverteiler ist als Drehstromleitung mit einer Mindestbelastbarkeit von 63 A auszuführen. Zur Ansteuerung vo n Tarifschaltgeräten, z. B. Relais zu r St euerung von Zweikreisspeichern, m uss eine Steuerleitung mit 7 bezeichnet en Adern oder ein Leerrohr vom Zählerplatz bis zum Verteiler mitgeführt werd en. Zu m Freischalt en der Kundenanlage sind Trennvorrichtungen, z. B. selektive HauptleitungsSchutzschalter (Bild), Fehlerstrom -Schutzscha lter (RCD) oder Hauptsicherungen mit einem Bemessungsst rom vo n m indestens 63 A einzubauen. Di e Art und die Ano rdnung der Trennvorrichtu ng sind den TAB des zuständigen VN B zu entnehm en. Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (RCD) mit Ilin :5 30 mA sind vorgeschrieben in: • Endstromkreisen mit Steckdosen bis In= 20 A fü r die Benutzung durch Laien, • Endstromkreisen für im Außenbereich verwendete tragbare Betriebsmittel bis In= 32 A. Stromkreisverteiler befinden sich meist innerhalb der Wohnung. Damit ergeben sich ku rze Leitungswege zu Gerät en mit hoher A nschlussleistung, z. B. zum Elektroherd oder Durchlauferhitzer. Stromkr eise. Die erforderliche Anzahl von St romkreisen in Wohngebäuden ist in der Tabelle angegeben. Geräte mit A nschlussleistungen über 2 kW erhalten zusätzlich eigene Strom kreise. in Stromkreisverteilern sind als ÜberstromSchutzeinrichtungen LS-Schalter der Energiebegrenzungsklasse 3 mit einem Schaltvermögen von mindestens 6 kA vorgeschrieben.

1.Smm2 B 16A ff' -( ' Küche

A Cb

(

B1~~rf:\.

1-- - -.",. ,

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I 6 :30mA B 16 A

1 5 mm2

8 16 A

1.5 mml

~ . _ ~. 6kW Warmwasserbereiter

1 "~ -r»' . :t: ACb r: B 16 A Wohnzimmer 1.5 mm2 -r»r :k ACb r: -r»'

Schlafzimmer

:l: ACbr: 1---+-=~-r ~ ACb r: L ___ _j Bd IBi6A- /;"~oiiiÄ1 1,5mm a 1---+-=~-r I Cb r:

rli'i6A- 7;n;JoffiA1 l,Smml Kinderzimmer :L _

2

L - - - L-_j

Terrasse

* Selektiver Hauptleitungsschutzschalter Bild: Hauptleitung, Zähler und Stromkreisverteiler

Tabelle: Anzahl der Stromkreise in Wohn(nach DIN 1801 5, Teil 2) gebäuden Mindestanzahl der Stromkreise 2 Wohnfläche in m für Beleuchtung und Steckdosen 3 bis 50 4 über 50 bis 75 5 über 75 bis 100 6 über 100 bis 125 7 über125 Eigene, zusätzliche Stromkreise sind vorzusehen: • für Verbraucher mit Anschlusswerten über 2 kW, • für Keller- und Bodenräume.

Stromkreise für verschiedene Ta rife, z. B. Hochtarif für Beleuchtung und Nieder ta rif fü r Elektrowärmegeräte, müssen in getrennten Vertei lern installiert Werden oder sind innerhalb eines Verteilers mindest ens durch Stege vonei nander zu t rennen. Stromkreise ve rschiede ner Kundenanlagen d ürfen nicht im gleichen St romkreisvertei ler angeordnet sein. Stromkreisleitungen müssen ausreichend gegen mechanische, thermische und chemische Einflüsse geschützt sein. Leitungen fürfeste, geschützte Verlegung müssen einen Mindestquerschnittvon 1,5 mm2 Kupfer oder 2,5 mm 2 Aluminium haben (DIN VDE 0100 Teil 520).

Ausstattun Situationsbeschreibung:

Übersicht: Ausstattung

Die elektrische Anlage für ein Wohngebäude soll errichtet werden. Welche Mindestausstattung an Stromkreisen, Steckdosen, Auslässen und Antennensteckdosen ist dafür notwendig?

• Ausstattungswert 1: Wohnung mit normalem Wohnwert (DIN 18015-2) • Ausstattungswert 2: Wohnung mit gehobenem Wohnwert • Ausstattungswert 3: Wohnung bzw. Wohnhaus mit aufwendigem Komfort

Grundsatz: Die Elektroinstallation in einem Wohngebäude soll nicht nurfür den momentanen Bedarf genügen. Auch in der Zukunft sollen Änderungen und/oder Erweiterungen ohne aufwendige Nachinstallation möglich sein. Der Umfang der Elektroinstallat ion hängt vom gewünschten Ausstattungswert (Übersicht ) ab. Die Tabellen 1, 2 und 3 beziehen sich auf den Ausstattungswert 1 nach DIN 18015-2. Strom kreise: Die Mindestanzahl der Stromkreise gemäß Ausstattungswert 1 ist in Tabelle 1 angegeben. Nebenräume und elektrische Verbrauchsmittel mit einem Anschlusswert über 2 kW benötigen eigene Stromkreise. Steckdosen:

Tabelle 1: Mindestanzahl der St rom k reise im Wo hnbereich (nach DIN 18015-2) Wohnfläche in m 2 bis 50 über 50 bis 75 über 75 bis 100 über 100 bis 125 über 125

Anzahl der Stromkreise für Steckdosen und Beleuchtu ng 3

4 5 6 7

Tabelle 2: M indest anzahl der Steckdosen und Auslässe in Woh n- und Schlafr äumen (nach DIN 18015-2)

• Ihre Anzah l in den jeweiligen Räumen ist den Tabellen 2 und 3 zu entnehmen.

Raumfläche in m 2

Anzah l der Steckdosen

• Anordnung nutzungsgerecht, z. B. in Nähe der Arbeitsfläche in Küchen, des Standortes der Heimelektronik, von Betten oder von Waschbecken.

bisS über 8 bis 12 über 12 bis 20 über 20

2 3 4 5

• Einbau von Doppel- und Mehrfachsteckdosen für spezielle Anwendungsbereiche, z. B. neben Antennensteckdosen, im Bettbereich, an Arbeitsflächen oder im Badbereich. Achtung: Mehrfachsteckdosen zählen planungsmäßig nach Tabelle 2 nur als eine Steckdose. • Steckdosen außerhalb der Wohnung, z. B. auf der Terrasse, gegen unbefugte Benutzung absichern, z.B. durch Schalter in der Wohnung. • Steckdosen zum Anschluss elektrischer Betriebsmittel im Freien zusätzlich durch einen RCD mit I 6 n ~ 30 mA schützen. Auslässe für Leuchten: • Ihre Anzahl in den jeweiligen Räumen ist den Tabellen 2 und 3 zu entnehmen. • Im Flur oder in Durchgangsräumen mit mehr als 2,50 m Länge sollen die Leuchten von jeder Tür schaltbar sein.

Wohnfläche bis50m 2 über 50m2 bis 75 m 2 über75m2 bis125m 2 über125m2

Raum oder Verbrauchsmittel Küche Dunstabzug Küh i-/Gefriergerät Geschirrspüler Elektroherd Bad Waschmasch i ne Wäschetrockner Flur

Steckdosen

Auslässe

5 1 1

2

Anschlüsse über 2 kW

1 1 2

2 1* 1*

1 3

4 5

• Nur 1 Anschluss je Wohneinheit

Antennensteckdosen 2 3

-

Tabelle 3: Mindestanzahl d er Steckdosen und Auslässe für Beleucht ung und Ansch lüsse für Verbrauchsmittel über 2 kW in Nebenräum en (nach DIN 18015-2)

Hausarbeitsraum Waschmaschine Bügelmaschine Wäschetrockner Lüfter Ho bbyraum Terrasse WC-Raum Kellerraum

Tabelle 4: Mindestanzahl der Antennensteckdosen in Wohnungen

Anzahl der Auslässe für Beleuchtung 1 1 1 2

1 1 1* 1 1*

3 1 1

1

1 1 1 1 1

I

W 'I:Q

EMV und TN-System

10.1.5 Elektromagnetische Verträglichkeit und TN-System Elektrische Geräte und Anlagen können gleichzeitig als Störquelle und Störsenke (Übersicht) für unerwünschte Signale oder elektromagnetische Wellen (Strahlung) wirken.

0

Elektromagneti sche V erträg lichkeit (EMV) Fähigkeit eines Gerätes oder einer Anlage, in einer elektromagnetischen Umwelt zufriedenstellend zu funktionieren, ohne dabei andere Geräte oder Anlagen zu stören.

Übersicht: Störquellen und -senken (Beispiele) Niederspannungsnetz

1 J j

leitungsgebundene Störströme und Störspannungen

Starquelle oder Starsenke (Gerät oder Anlage)

r

elektromagnetische Störstrahlung

T

Geratebeisplele: Elekuonische Vorschaltgeräte für LeuchtstoHiampen bzw. Energie· sparlampen, Schaltnetzteile, Stromrichter, lnduktionsherde, Mikrowellengeräte, unterbrechungsfreie Stromversorgungen, Phasenanschnittsteuerungen und Kommutatormotoren.

-~

t

I Eine verzerrte Spannung entsteht z.B. durch Überlagerung von:

Stors.~nke

oder Starquelle !Anlage oder Gerät)

·--=- ·--=-

I Anlagenbelspiele: IT·Anlagen. Messtachnische Anlagen, Automatisierungsanlagen, Rundfunk- und Fernsehanlagen.

150-Hz-Oberschwingung

Eine elektrische Einrichtung darf keine Störsignale aussenden. Gleichzeitig muss sie eine ausreichende Störfestigkeit gegenüber elektromagnetischen Feldern von außen haben. Zunehmend werden Betriebsmittel mit elektronischen Schaltungen betrieben. Die fließenden Ströme sind dann nicht mehr sinusförmig (Seite 183, Bild 2). Sie wirken in das speisende Netz zurück und verze rren die Netzspannung. Nichtsinusförmige Schw ingungen in der Energietechnik bestehen aus der 50-Hz-Sinus-Grundschwingung und weit eren Sinusschwingungen (Bild 1), deren Frequenzen einem ganzzahligen Vielfachen der Netzfrequenz entsprechen. Diese höherfrequenten Schwingungen nennt man Oberschwingungen. Sie sind leitungsgebunden und verursachen Störungen in der elektrischen An lage und in den Geräten. Überlastu ng des PEN - bzw . N -Leiters. Durch Betriebsmittel mit elektronischen Schaltungen treten besonders häufig 150-Hz-Oberschwingungen auf. Ein Computer bewirkt z. B. einen Strom von ca. 1 A mit f= 150Hz im Netz. Diese überlagerten 150-Hz-Ströme in den drei Außenleitern sind selbst phasengleich und können sich deshalb zu einem unerwünschten Strom im N-Leiter addieren (Bild2).

Bild 1: Entstehung einer v erzerrte n Spannung durch Überlagerung (Prinzip)

150-Hz-Strom

50-Hz-Laststrom

a) Leiter St~omim ~~ L1 _. I _. .; b) Strom im Leiter l2

c)

~ ,

,

".

~ ~~ T

~ I _. I .; Stromim ~ß Leiter L3 _. ~

d) Strom im N-Leiter

1

\

I \ \

I

I

i\

I

.._I Bild 2: Entstehung des St romes d er 150-Hz-Oberschw ingung im N -Leiter

Sie erhöhen zusätzlich den Ausgle ichstrom im N- bzw. PEN-Leiter, der durch eine unsymmetrische Belastu ng entsteht. Als Folge davon kann der Strom im N-Leiter erheblich höher sein als der Strom in den Außenleitern. Es kann deshalb vorkommen, dass der Leiterquerschitt des N- bzw. PEN-Leiters im TN-CS-System überlastet wird und sich Klemmsteilen unzulässig erwärmen. Im Extremfall kann sich dadurch die Verbindung des N- oder PEN-Leiters lösen. Das Fehlen einer N-Leiterverbindung bewirkt dann eine Sternpunktverschiebung (Seite 151), die zu Übetspannungen mit Schäden, besonders in den elektronischen Geräten, führen kann.

f1:1:M Vagabundierende Ströme im TN-C-System. ln größeren Gebäuden ist das Hauptstromversorgungssystem meist als TN-C-System über die Steigleitung bis in die einzelnen Etagen geführt. Im Etagenverteiler (EV) wird dann durch Auftrennen des PEN-Leiters in N und PE das TN-S-System hergestellt. Der Rückstrom IN im N-Leiter (Bild 1) teilt sich an der N-PE-Brücke auf und fließt über den PEN-Leiter und unerwünscht über den PE-Leiter und die Abschirmungen der Netzwerk-Datenleitungen (Seite 295, Bild 2), die mit dem PE-Leiter verbunden sind. Es kann auch durch das Schutzpotenzialausgleichsystem (SPA) ein unerwünschter vagabundierender Strom Iv (Bild 1) f ließen. Folgende Störungen können entstehen: • Die Datenübertragung kann gestört und die Aderabschirmung der Datenleitung unzulässig erwärmt werden (Bild 2). • Wird die Netzwerkleitung unzweckmäßig verlegt (Bild 1), können Störspannungen auf der Netzwerkleitung induziertwerden und die Datenübertragung stören.

EMV und TN-System Rohr·

L3

EV

I "i

•

;vst~r 1- :.__;, PB _

I L

r- :....:..J

t

/v

Vagabundieren- ~tl I lv verlegte Netz-

l iPEN Werkleitungen

/v

t

r

l-

PB

_ 111/~

der Strom /v und großflächig

•

verursachen Störungen

__

EMV im TN-S-System. Der Aufbau eines TN-SSystems verhindert vagabundierende Ströme in elektrischen Anlagen und Geräten. Es können deshalb keine vagabundierenden Ströme im PE-Leiter fließen (Bild 3).

t

/peN

~INI"'~

_J_J....JCL.

PB: Schutzpotenzialausgleichsleiter nach DIN VDE 0197

Bild 1: EMV-ungünstiges TN-C-S-System

Bild 2: Verschmorte Datenleitung

Rohr, ~ iJyster _

Netzwerkleitungen für IT-Systeme sind so zu v erlegen, dass Induktionswirkungen durch die Ströme im TN-S-System gering sind. Lichtwellenleiter (LWL) sind gegen diese Störungen unempfindlich. Sollten mehrere Gebäude mit eigenen Elektroeinspeisungen untereinander mit Netzwerkleitungen verbunden werden, sind LWL (Seite 295) zu empfehlen.

I

---- ---I Netzwerkleitung so verlegen, dass großfl ächige Induktionsschleifen vermieden werden!

Nur an der Energieeinspeisestelle, z. B. im Hausanschlussraum, darf eine Verbindung zwischen dem N-, dem PE- und dem Schutzpotenzialausgleichsleiter erfolgen. Es darf keine weitere N-PE-Verbindung hergestellt werden, damit keine betriebsmäßigen Ströme im PE-Leiter fließen können. PB

L3

N ~

/v

PB

lv

-

Ein TN-C-S-System ist nicht für Gebäude mit vernetzten Informations- und Kommunikationsanlagen geeignet. Nach einem BGH-Urteil {Mai 1998) geht ein entstandener Schaden, der durch EMV-Störungen in einem normgerechten, aber nicht EMV-gerecht installierten TN-C- oder TN-C-S-System hervorgerufen wurde, zu lasten des Elektro-lnstallationsbetriebes.

1\t

]!

EV

----h

• Elektrochemische Korrosionen können die metallenen Rohre von z. B. Wasserleitungen (Bild 1), Heizungs- und Gasanlagen zersetzen.

A V

11

~ ,11,1,1,11

- L f-~

/v

PE

Netzwerk1 l /v Ieitung

__

11PEN

/v

N

~ ~-

PB: Schutzpotenzialausgleichsleiter (nach DIN VDE 0197)

Bild 3: EMV-günstiges TN-S-Syst em

PE

Netzqualität Netzqualität. Oberschwingungen verschlechtern die Netzqualität hinsichtlich der Sinusform der Versorgungsspannung. Deshalb wird für die Übergabestelle (VN8 zu m Kunde n) auch der zulässige Oberschwingungsgehalt festgelegt. Der Gesamtoberschwingungsgehalt THD (Total Harmonie Distortion) darf nach EN 50160 den Anteil von 8% der Versorgungsnetzspannung nicht überschreiten.

( ) Netzqualität . Die Norm EN 50160 "Merkmale der Spannung m öffentlichen Elektrizitätsversorgungsnetzen" beschreibt und legt die Netzqualitätskriterien hinsichtlich Frequenz, Höhe, Kurvenform und Symmetrie der 3 Leiterspannungen fest.

Durch Oberschwingungen verursachte Netzstörungen sind z. B.: • Ungewollte Beeinflussung und Schäden an elektronischen Anlagen, • Überlastung der N-Leiter sowie vo n Kondensatoren und Wicklungen und • unerwünschte Ströme in Schutzleitern . Mit einem Netzanalysator (Bild 1) kann man die Oberschwingungen erfassen. Ist der Oberschwingungsgehalt der Netzspannung für den Betrieb empfindlicher Geräte und Anlagen zu groß, hat der Netzbenutzer für Abhilfemaßnahmen zu sorgen, z. B. durch Filtereinbau.

Bild 1: Netzanalysator

Oberschwingungsfilter (OSF). Sie entlasten das Netz von Oberschwingungsströmen. Man unterscheidet passive Oberschwingungsfilter und aktive Oberschwingungsfilter. Passive OSF werden, z. B. auf die 150-Hz-Oberschwingung, genau abgestimmt. Die Wirkungsweise beruht auf dem Prinzip des Parallelschwingkreises (Seite 146). Der passive Filter hat bei der Resonanzfrequenz f0 , z. 8 . 150 Hz, seinen größten Widerstand Z. Schaltet man den Parallelschwingkreis z. 8. in den N-Leiter (Bild 2), sperrt er d ie 150-Hz-Oberschw ingungsströme und entlastet so den N-Leiter. Die 50-Hz-Verbraucherströme lässt er aber ungehindert fließen .

L1

L2 L3

N

PE

Bild 2: Passiver OSF (Prinzip) im N-Leiter

Passive Oberschwingungsfilter bestehen aus Spulen und Kondensatoren. Sie sind frequenzabhängige Widerstände, die nur den Oberschwingungsstrom einer bestimmten Frequenz sperren. Aktive OSF kompensieren die schädlichen Oberschwingungen, indem sie ständig den Oberschwingungsstrom analysieren und einen entsprechenden Kompensationsstrom liefern. Der Kompensationsstrom und der Oberschwingungsstrom heben sich gegenseitig auf (Bild 3). Im Versorgungsnetz fl ießt dann nur noch 50-Hz-Strom. Aktive OSF bestehen aus je einem Filter pro Außen leiter und werden parallel zum oberschwingungse rzeugenden Verbraucher angeschlossen (Bild 3). Oberschwingungen im Netz können so zu 95% beseitigt werden.

/so= Grundschwingungsstrom Oberschwingungsstrom

lo •

Verbraucher

Netzeinspeisung

Bild 3: Schaltungs- und Kompensationsprinzip eines aktiven OSF

t.fu+

Isolierte Leitu ng~

10.2 Isolierte Leitungen, Kabel und Freileitungen Aufgabe. Leitungen u nd Kabel t ransportieren elektrisehe Energie vom Erzeuger zum Verbraucher. Sie dienen ebenfalls zur Übertragung von Signalen in Mess-, Steuer- und Regeleinrichtungen. Aufbau. Isolierte Leitungen und Kabel best ehen aus einer oder aus mehreren gegeneinander isoli erten A derleitungen, die durch eine gemeinsame Umhüllung zusammengefasst sind. Die in elektrischen A nlagen verlegten isolierten Leit ungen und Kabel m üssen den gült igen No rmen entsprechen. Normung. Leitung en und Kabe l müssen durch den Hersteller normgerecht gekennzeichnet werden. Man unterscheid et: • Bauarten nach nationalen Normen, • Bauarten nac h harmonisierten Normen. Bauarten nach nationalen Normen werden mit dem Aufdruck oder einem schwa rz-roten Kennfaden gekennzeichnet (Bild a). Bauarten nach harmonisierten Normen we rden mit dem Aufdruck für Deutschland und dem Harmonisierungskennzeichen oder ein em schwarz-rot-gelben Ken nfaden gekennzeichnet (Bild b). Ein zusätzlicher Kennfaden (Ursprungszeich en) oder ein Aufdruck auf der Isolierung gibt den Herstei ler an. Farbkennzeichnung. Bei Leitungen und Kabel n m it bis zu 5 Adern müssen die einze lnen Aderiso li erungen durch Farben gekennzeichn et werden . Haben sie mehr als 5 Adern, sind die Adern schwarz und mit ein em Zahlenaufdruck versehen (Tabelle 1). Die Farbken nzeichnung ist vorgeschrieben: • f ür den Schutzleiter (PE): g rüngelb, • für den Neutralleiter (N): blau, • für den Schutzleit er mit Neut ralleiterfu nktio n (PEN ): grüngelb, zusätzlich sind die Leitungsenden blau zu kennzeichnen.

10.2.1 Isolierte Leitungen Isolierte Leitungen werden mit u nd o hn e Schutzleiter hergestellt (Tabelle 1). Die Eigenschaften der Leitungen sind durch Kurzzeichen gekennzeichn et. Die Leitungen nach nationaler Norm (Tabelle2) und harmonisierter Norm (Tabelle 1, Seite 291) werden u nterschiedlich gekennzeichnet.

W I

Beispiele für Leitungsarten: Tabelle 2, Seite 291 Tabelle, Seite 292

•

•

Tabelle 1: Aderfarben von Leitungen und Kabeln Kabel oder Leitungen Aderzahl mit Schutzleiter ohne Schutzleiter 2

- -

3

()

3*

-

4

()

4*

()

5

()

>5

()

•• ••• • e ®e -

-

-

0 0 0 0 0 0

•• • •e • • ·- ~- ·-

e ®e

0 0

-

•

0 0 0 0 0 0

• ln Drehstromkreisen sollen für die drei Außenleiter L1. L2 u nd L3 die Aderfarben Braun, Schwarz und Grau verwendet werden.

{ ) Farbku rzzeichen nach DIN IEC 60757: BK= schwarz (black) BN =braun (brown), GY= grau (grey), BU =blau (blue), GNYE =grüngelb (g reen-yellow) Kennzeichenaufdruck

VDE-Kennfaden

a) Nationale Kennzeichnung b) Harmonisierte Kennzeichnung Bild: Leitungskennzeichnung Tabelle 2: Buchstaben-Kurzzeichen für Leitungen nach nationaler Norm (Auswahl) (nach DIN VDE 0250) Beispiel Kurz- Bedeutung zeichen N4GA A Ader Bleimantel B NYBUY NSHCÖU Abschirmung c F Flachleitung (Stegleitung) NYIF NSLFFÖU FF fei nstdrähtig G Gummiisolierung N4GA NYIF I Stegleitung (lmputzleitung) j Leitung mit Schutzleiter NYM-J NYLRZY L Leuchtröhrenleitung M Mantelleitung NYM N genormte Leitung NYM 0 Leitung ohne Schutzleiter NYM-0 ölfest NSSHÖU ö PL Pendelleitung NPL (N)YM(St) St statischer Schirm s Sonderleitung NSGAÖU Leitungstrosse NTM T u Umhüllung unbrennbar NSSHÖU NYFAW w wärmebeständige Leitung y Kunststoffisolieru ng NYM NYFAZW z Zwillingsausführung

sarten

Lei tu

Tabelle 1: Typkurzzeichen für harmonisierte isolierte Leitungen (Auswahl)

rBeispiel: Gummischlauchleitung Kennzeichnung Harmonisierte Leitung Anerkannter nationaler Typ Bemessungsspannung UoJU" 100/100 V 300/300 V 3001500 V 4SOn5o v lsolierwerkstoff des Leiters Ethylenpropylen-Gummi Silikon-Gummi PVC, weich Mantelwerkstoff Glasfaserge flecht Polychloropren-Kautschuk Ethylenpropylen-Gummi Silikon-Gummi Textilgeflecht PVC, weich

(nach DIN VDE 0292)

H 05 R R -F 3 X 1,5

~~

A*~~ 01 030507-

Leiterquerschnitt in mm2 Schutzleiter ohne Schutzleiter mit Schutzleiter

-F -H -K -R -U -Y

R-

sV-

J N R

H H2 H6 H8

s

T V

.

Aderzahl Leiterform feindrähtig (flexible Leitung) feinstdrähtig (flexible Leitung) feindrähtig (fest verlegte Leitung) mehrdrähtiger Rundleiter eindrähtiger Rundleiter Lahn litzenleiter (hochflexibel) Besonderheiten im Aufbau flache, aufteil bare Leitung flache, nicht aufteilbare Leitung flache Leitung mit 3 oder mehr Adern Wendelleitung

U0 größte zulässige Spannung Leiter gegen Erde: U g rößte zulässige Spannung Leiter gegen Leiter ·• Andere Typenkurzzeichen sind ebenfalls möglich, sofern keine Verwechslung mit anderen Buchstaben auftritt.

Tabelle 2: Leitungsarten und ihre Verwendungsmöglichkeiten (Beispiele) Isolierte Leitungen für feste Verlegung Bezeichnung

Leitungsaufbau =-11

· ~~

I~

.....

,."...,,

t..--=-~

,_

Kurzzeichen

Bemessungs- Aderspg. U01U zahl

c

:....:i:

~

Verwendung

Ku nststoffaderIeitung

H07V-U H07V-R H07V-K

450n5ov

1

Zur Verlegung in Rohren in trockenen Räumen. Zur inneren Verdrahtung von z. B. Leuchten, Motoren, Verteilungen.

Stegleitung

NYIF

230/400 V

2 ... 5

Nur in trockenen Räumen zur Verlegung im Putz oder unter Putz. Nicht auf Holz, auf Metall, in Hohl räumen, im Bad.

MantelIeitung

NYM

300/500 V

1 ... 7

Zur Verlegung unter Putz, im Putz und auf Putz in trockenen, feuchten, nassen, teuer- und explosionsgefährdeten Räumen. Einschränkung: Nicht im Erdreich.

&;;o.;.;,.,~+ ~--

-

.

=

Isolierte Leitungen zum Anschluss ortsveränderlicher Verbraucher Bezeichnung

Leitungsaufbau

~=

.

L

.J

= '-

·-

Kurzzeichen

Bemessungs- Aderspg. U0 /U zahl

Verwendung

ZwillingsIeitung

H03VH-Y

300/300 V

2

Zum Anschluss kleiner Handapparate, z. B. elektrische Rasierapparate. Länge max. 2 m, Strombelastung < 0,2 A.

Leichte Kunstst offschlauchIeitung

H03W-F

300/300 V

2 ... 3

Bei geringen mechanischen Beanspruchungen für Haushaltsgeräte und Büromaschinen. Nicht geeignet für Kochund Raumheizgeräte.

Mittlere KunststoffschlauchIeitung

H05W-F

300/500 V

2 ... 5

Bei mittleren mechanischen Beanspruchungen für Haushaltsgeräte und Büromaschinen, z. B. Waschmaschinen, Kühlschränke, Wärmegeräte.

Gumm ischlauchIeitung

H05RR-F

3001500 V

2 ... 5

Bei geringer mechanischer Beanspruchung, für Haushaltsgeräte und Büromaschinen, z. B. Staubsauger, Lötkolben, Küchengeräte.

So nde rleitu ngen

Tabelle: Sonderleitungen (Auswahl) Bezeichnung

Leitungsaufbau

.

-

i

,.,

-= - '

s'fQ

::;;;;

~-

... __

..

=

l

- u.

U01U ' in V

Aderzahl

~

J2L =

~

A '' inmm 2; Verwendung dinmm

PVCKlingelDraht

V-Draht

60

1

d=0,8

Für feste Verlegung in Rohren auf und unter Putz, in t rockenen Räumen.

PVCKlingelStegIeitu ng

J-FY

375

2 und 3

d=0,8

Für feste Verlegung im und unter Putz, in trockenen Räumen.

PVCKlingelMantelIeitung

YR

100

2 bis 24

d=0,8

Für feste Verlegung auf und unter Putz, in trockenen u nd feuchten Räumen sowie im Freien.

PVCVerdrahtu ngsIeitung

H05V-U H05V-K

300/500

1

A=0,5 bis 1

Bei geschützter Verlegung in Geräten, in und an Leuchten sowie in Signal- und Steueranlagen, auch in Rohren auf und unter Putz.

Gummiader· Ieitung

H03RT-H

300/300

2 und 3

A=0,75 Zum Anschluss von Elekbis 1,5 trowärmegeräten im Haushalt und Büro, z. B. Bügeleisen, Heizdecken. Nicht geeignet für gewerbliche Elektrowerkzeuge.

PVCSteuerIeitung

NYSLYÖ

300/500

3 bis 60

A=0,5 Anschluss- und Verbindungsbis 2,5 Ieitung für Steuergeräte an Werkzeugmaschinen, Fließund Montagebändern, in trockenen und nassen Räumen.

Schweiß- H01 N2-D Ieitung

100/100

1

A= 16 Bei Elektroschweißgeräten bis 185 im Werkzeug-, Automobilund Schiffsbau, mechanisch hoch beanspruchbar.

MSRLeitung

PYCYM

250/250

2 bis 100

d=0,6 Geschirmte, paarig verseilte und 0,8 Leitung zur Messwert- und Prozessdatenübertragung, für feste Verlegung, vor Sonneneinstrahlung schützen.

BusLeitung

YCYM

250/250

2 und 4

d = 0,8

ASiSteuerIeitung

AS-1

300/500

2

KornmunikationsIeitung

J-Y(St)Y

250/250

2 bis 100

~

~ lit;

-----

Kurzzeichen

g rößte zulässige Spannung Leiter gegen Erde;

-- A Leiterquersehnin; d Leiterdurchmesser

U

Für Europäischen Instal Iationsbus (KNX/EIB), für feste Verlegung, vor SonneneinstrahJung schützen.

A= 1,5 Gelbe ASi-Standardleitung zum Übertragen von Daten und Energie über den ASi-Bus. Schwarze Leitung: 24-V-DCVersorgung. Rote Leitung: 230-V-AC-Versorgung. d = 0,8

größte zulässige Spannung Leiter gegen Leiter;

Im Sprech- und Nebenstellenaufbau, für feste Verlegung, vor Sonneneinstrahlung schützen.

von Leitern

Bei Elektroinstallationen muss die Verlegung von Leitungen und Kabeln nach DIN-VDE-Vorschriften erfolgen. Betriebsmittel, z. B. Steckdosen, sind fachgerecht anzuschließen. Dabei sind die in DIN VDE 0293 festge legten Aderfarben (Seite 290) der Leitungen zu beachten.

{ ) Kabel und Leitungen sind vor Überlas~. und Kurzschluss zu schützen. Deshalb sind UberstromSchutzeinrichtungen (Seite 297) notwendig. Maßnahmen zum Personenschutz sind unbedingt einzuhalten!

Farbcode* Hinweise Leiter Hierzu gibt es keine gültige genormte Zuordnung der Farbkennzeichnungen. Außenleiter L1 braun (BN) ~-----1-----'--'----t Auf Empfehlung des ZVEH (Zentralverband der Elektro- und lnformationstechAußenleiter l2 schwarz (BK) ~:.:.:...;-----,--!-'-'-...,-"_..:.........:'---i nischen Handw erke) soll die links stehende Fa rbzuordnung gewä hlt werden . Außenleiter L3 grau (GY) Fü r ein und dasselbe Objekt, z. B. innerha lb ei nes Ei nfami lienhauses, soll aber die gleiche Zuor d nung der Aderfarben eingehalten werden. Neutralleiter N blau (BU ) Die blaue Ader darf z. B. auch als Schaltdraht verwendet werden. Voraussetzung: ln dem betreffenden Stromkreis oder Leitungsabschnitt ist kein Neutralleiter notwendig. Die grüngelbe Ad er darf nur als Schutzleiter (PE) oder als Neutralleiter mit Schutzleiter PE grüngelb (GNYE) Schutzfunktion (PEN) verwendet werden. • in Klammern: engl. Kurzbezeichnung (BN brown, BK black, GY grey, BU blue, GNYE green·yellow)

Überstrom-Schutzeinrichtungen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht in der Verbraucheranlage enthalten I

rH:-H=- Herd-

anschlussdose

0 VerbraucherUanlage

Verteilungsnetz Fundamenterder

l1 l2 ----------------~

l3 PEN

Vom Verteilungsnetzbelreiber

* Schaltdraht hier BU möglich, da zwischen Schalter und Abzweigdose kein Neutralleiter benötigt wird.

fmi~------------------------------K-'-a-'-b-'-e'"'"I,--F_re-'-i-l-e"'i-tu '-'-n-"g.,_e::.::n 10.2.2 Kabel für Mittelspannungs- und Niederspannungsanlagen Zu m Übertragen und Verteilen el ektrischer Energ ie w erden häufig im Erdreich verlegte Kabel verwendet (Tabelle). Kabelnetze sind weniger störanfällig und wartungsbedürftig als Frei leitungsnetze; sie sind aber bei der Erstellung teurer. Kabel sind mechanisch robuster aufgebaut als Leitu ngen, deshal b dürf en sie im Erdreich ve rlegt w erd en. Sie sind gegen mechanische Einflüsse und gegen das Eindringen von Feuchtigkeit geschützt.

( ) Kabel Kabel dürfen im Gegensatz zu Leitungen im Erdreich verlegt werden.

Nach der Verlegu ngsart unterscheidet man Innenraum-, Erd- und Unterwasserkabel, nach der Leiterzahl Einleiter- und Meh rleiterkabel und nach der Übertragu ngsspannu ng Niederspannungs-, Mittel-, Hochund HöchstspannungskabeL (Kabelarten und Kabelkennzeichnung siehe Tabellenbuch Elektrotechnik.) Tabelle: Kabel (Beispiele) Kabelaufbau

Typ

Bemessungsspannung *

Verwendung

UofU

~~ t~

------

NAYY Kunstst offkabel mit AluminiumLeitern

0,6/1 kV

Energiekabel für Ortsnetze und für Industrieanlagen.

NYCWY Kunst stoffkabel m it konzentrischem Schutzleiter

0,6/1 kV

Energiekabel mit konzentrischem Schutzleiter für Hausanschlüsse und Straßenbeleuchtungen, w o mit nachträglichen Beschädigungen zu rech nen ist.

NAKBA Dreimantelkabel

6/10 kV

Energiekabel als Netzkabel (Mittelspannung); jede Ader mit Bleimantel und Stahlbandbewehrung .

* U 0 größte zulässige Spannung Leiter gegen Erde; U größte zulässige Spannung Leiter gegen Leiter

10.2.3 Freileitungen für Hoch- und Mittelspannungsanlagen Unte r Freileitungen versteht m an blanke od er umhüllte und wetterfeste Leitungen, die m it Spannweiten über 20 m in der Luft v erlegt sind. Blanke Leitungen werden an Isolatoren befestigt. Der Mindestquerschnitt für Niederspannungsfreileitungen ist 10 mm2 Kupfer. Als Leiterwerkstoff w ird Kupfer (ein- oder mehrdräht ig) verwendet. Bei Querschnitten über 25 mm2 kommen meist Leitu ngsseile aus A luminiu m, Stahlaluminium oder Aldrey zum Einsatz. Aluminium-Stahl-Seile enthalten einen verseilten Alumi niummantel mit ei ner St ahlseele (Bild). Das Querschnittsverhältnis von Al um inium zu Stahl ist genormt, z. B. 25/4 mm 2 • Aldrey mit der Werkstoffbezeichnung EN AW-6101 B[EAL-MgSi(B)) ist eine Legieru ng aus 99 % Aluminium, 0,5 % Magnesium und 0,5 % Siliciu m . Es hat eine höhere Zugfestigkeit als Alu minium und ist bestän diger gegen Korrosion.

0 ~

Aluminium Schlagrichtung (Winkelrichtungl

Bild: Aufbau eines AluminiumStahl-Seiles

Wiederholungsfragen 1 Welche Aderfarbe ist für den Schutzleiteranschluss vorgeschrieben? 2 Welche Bedeutung haben die Buchstaben-Kurzzeichen a) F, b) J , c) 0 , d ) W, e) ÖU bei isolierten Leitungen? 3 Ermitteln Sie die Eigenschaften der folgenden Leitungen: a) H07V-K, b) HOSW-F, c) H03VH-Y, d) H07RN-F und e) H03WH2-F.

4 Was bedeuten bei harmonisierten Starkstromleitun· gendie Zahlenangaben a) 01 , b) 03 c) 05 und d) 077 5 Ermitteln Sie mithilf e des Tabellenbuches Eieklot echnik typische Bew ehrungsarten bei Kabeln und erläut ern Sie deren Aufgabe. 6 Begründen Sie, w arum bei Freileitungen mit großen Querschnitten als Leiterwerkstoff bevorzugt Alumi.nium verwendet wird.

Datenleitungen

10.2.4 Datenleitungen Die digita le Datenübertragung, z. B. ISDN und in lokalen Computernetzwerken, erfordert Leitungen, die eine kostengünstige, störungsfreie und schnelle Übertragung ermöglichen (Bild 1). Zum Aufbau von Datennetzen verwendet man meist Twisted-Pair1 -Leitungen und Lichtwellenleiter (Übersicht). Eine Twisted-Pair-Leitung besteht aus 8, 24 oder 48 isolierten Adern, die immer paarweise miteinander verdrillt (Twisted Pair) sind. Abhängig von der Abschirmung, der Bandbreite und dem Nebensprechen tei lt man Twisted -Pair-Leitungen in Leitungskateg orien ein. Jede Kategorie ist für einen bestimmten Anwendungsbereich geeig net (Tabelle). Derzeit werden für d ie Vernetzung von Computern meist Twisted-Pair-Leitungen der Kategorie 5 (Kat 5) ve rwendet. Für den Anschluss von Twisted-Pair-Leitungen an Netzwerkverteiler bzw. an die Netzwerkkarte im PC werden sogenannte RJ45 2-Stecker (Bild 2) verwendet. Beim Anschließen der Leitung ist darauf zu achten, dass zusammengehörende Aderpaare an die zugehörigen Pins angeschlossen werden. Lichtwellenleiter (LWL) übertragen Informationen mithilfe elektromagnetischer Wellen im sichtbaren und inf raroten Bereich. Ein LWL besteht aus einer hochreinen Ouarzglasfaser. Durch Aufbringen einer Schutzschicht, dem Primär Coating, w ird die Faser flexibel und bieg sam. Das Signal wird in der Glasfa ser durch Totalreflexion am Glasmantel (Bild 3) geführt. Jede Lichtwe lle, die sich mit einem unterschiedl ichen Eintrittswinkel ausbreitet, bezeichnet man als Mode.

Übersicht: Arten von Datenleitungen • Koaxial-Kabel (nur noch in Altanlagen} • Twisted-Pair-Leitung • Lichtwellenleiter (SM und MM} Tabelle: Leitungskategorien Kate- max. Über- Anwendungsbereich gorie tragungsfrequenz Kat 1 0,1 MHz Für Alarmsysteme und analoge Sprachübertragung. Kat 2 4 MHz Für Sprachübertragung und ISDN. 16 MHz Datenübertragung bis 16 Mbit/s. Kat 3 Kat4 20 MHz Datenübertragung bis 20 Mbit/s. Kat 5 100 MHz Datenübertragung bis 100 Mbit/s. Kat 6 250 MHz Datenübertragung bis 250 Mbit/s. Kat 7 600 MHz Datenübertragung bis 600 Mbit/s. Le1tungslange