Kapitel 2 - Grundlagen der Elektrotechnik PDF

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Zusammenfassung vom Kapitel 2 mit Fragen zum Verständnis ...

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GRUNDLAGEN ELEKTROTECHNIK WAS SIND ELEKTRIZITÄT UND LADUNG?

Elektrizität: allgemein die Phänomene die auf der elektrischen Ladung Q beruhen, z. B. Stromfluss (Ausgleich eines e −-Überschusses). In einem geschlossenen Stromkreis, fließen die Elektronen vom Minuspol zum Pluspol. Die (technische) Stromrichtung zeigt entgegengesetzt. Die Stromquelle “pumpt” die Elektronen vom Minuspol zum Pluspol.! Ladung: Atome bestehen aus ungeladenen Neutronen n und geladenen Teilchen, den sogenannten negativ geladenen Elektronen e − und positiv geladenen Protonen p + . ! Elementarladung e ist die kleinstmögliche Ladung auf einem Ladungsträger (1,602 . 10^(-19) C).! Die Ladung in einem Leiterabschnitt ist immer ein ganzzahliges Vielfaches.! WAS IST EINE STROM- ODER SPANNUNGSQUELLE?

Strom- oder Spannungsquelle: Bauteil mit zwei Anschlüssen.! Strom I und Spannung U über elektrochemischen Prozess.! Reihenschaltung: Addition von Spannung U.! Batterie: ideale Spannungsquelle (konstante Spannung unabhängig von Verbraucher und Strom).! Ideale Stromquelle: konstanter Strom.! WIE SIND STROM, SPANNUNG UND WIDERSTAND DEFINIERT?

(Elektrischer) Strom: gerichtete Bewegung von Ladungsträgern, wie z.B. Elektronen oder Ionen. Infinitesimale Ladung pro infinitesimal Zeitabschnitt (I

=

Q , Ladungsmenge Q und Zeit t).! t

Technische Stromrichtung: vom Pluspol zum Minuspol.! Physikalische Stromrichtung: vom Minuspol zum Pluspol (neg. gel. Elektr. Fließen zum Pluspol).! Ohmsche Gesetz: U = R·I, Spannung U, Widerstand R und Strom I.! Der elektrische Widerstand R ist ein Maß für die nötige Spannung U um den erforderlichen Strommfluss I in einem elektrischen Leiter zu erzeugen.! Kehrwert von R ist Leitwert G.!

l R = ρ· , Leiterlänge l, Querschnitt A, werkstoffabhängiger spez. Widerstand! A WIE KANN MAN LADUNG SPEICHERN?

Mittels Kondensatoren. Werden oft verwendet, um Störungen im Stromfluss zu überbrücken oder das Eingangssignal zu glätten.! Q = C . U, Ladung Q, Kapazität C, Spannung U! -> ver outras fórmulas no slide! WIE LANGE DAUERT DER ENTLADEVORGANG EINES KONDENSATORS? t

U(t) = (e − τ )·U0! τ = R·C ! WIE LANGE DAUERT DER LADEVORGANG EINES KONDENSATORS? t

U(t) = (1 − e − τ )·U0

WIE KANN MAN ZUSAMMENHÄNGE ELEKTRISCHER NETZWERKE BESCHREIBEN?

Knotenregel (1. Kirchhoffsches Gesetz): Summe einfließende Ströme = ausfließende.! Maschenregel (2. Kirchhoffsches Gesetz): in Masche ist die Summe der Teilspannungen = 0.! WOMIT KANN MAN ELEKTRIZITÄT VERGLEICHEN?

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Gutes Modell zum Vergleich: Wassermodell. ! Ladung Q = Wassermenge Wasser! · Strom I = Durchflussmenge pro Zeit V! Spannung U = Höhenunterschied H oder Druck p!

Wie kann man elektrische Energie bereitstellen? Speichern: Kondensator, Batterie (Primärzelle), Akkumulator (Akku, Sekundärzelle)! Umwandeln: Generator, Solarzelle, Stromnetz! Kondensator: speichert die Energie im elektrischen Feld. Kann sie beim Entladen ohne nennenswerte Verluste wieder abgeben. Dieser Vorgang ist beliebig oft wiederholbar.! Batterie (Primärzelle): Energie wird als chemisches Äquivalent in Form von Ionenbindungen gespeichert. Bei der Entladung wird die chem. Energie durch Redoxreaktionen in elektrische Energie umgewandelt. Batterien sind nicht wieder aufladbar!! Akkumulator (Akku, Sekundärzelle): elektrische Energie wird beim Aufladen in chemische Energie umgewandelt (chemisches Äquivalent in Form von Ionenbindungen gespeichert). Wird ein Verbraucher angeschlossen, so wird die chemische Energie wieder in elektrische Energie zurückgewandelt. Prozess umkehrbar durch Aufwenden von elektrischer Energie (wieder aufladbar). Leider ist dieser Vorgang mit Verlusten verbunden, die mit der Anzahl der Lade- und Entladezyklen zunimmt. ! Generator: Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie (Faradays Induktionsgesetz). Auch Speicherung über Schwungrad möglich.! Solarzelle: Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie.! Was ist eine galvanische Zelle? Die galvanische Zelle besteht aus: zwei Elektroden unterschiedlichen Werkstoffen + eine Elektrolytlösung.! Die Elektroden sind in der Elektrolytlösung eingetaucht und die Elektronen fließen von einem Element zum anderen. (Stromfluss)! Die Spannung der Batterie ist abhängig vom Redoxpotential der beteiligten Eketrodenmaterialien.! Was ist das Unterscheid zwischen Gleich- und Wechselspannung?! “Gleich” und “Wechsel” gibt Auskunft über die Richtung der Spannung.! Gleichspannung: Spannung zwischen zwei Anschlüssen zeigt nur in eine Richtung. (Bsp: Batterie, Akku).! Wechselspannung: Spannung zwischen zwei Anschlüssen ändert sich in Betrag und Richtung. In der Regel ist sie sinusförmig, da die großtechnische Erzeugung mit Generatoren erfolgt.! Die Spannung, die vom Stromnetz stammt und bei uns im Haus aus der Steckdose kommt, ist eine Wechselspannung. Sie ist einfacher transportierbar als die Gleichspannung und hat geringere Verluste.! Wie kann man Geräte an Netzspannung betreiben?! Meisten Geräte benötigen eine niedrige Gleichspannung (Bsp: Handy 3,7 bis 4,2 V). Mithilfe eines Netzteils kann die Wechselspannung aus der Steckdose in Gleichspannung umgewandelt werden.! Netzteil: Transformator (setzt Spannung auf 5 V herunter) und Gleichrichter (wandelt die Wechselin Gleichspannung).! Für medizinische Geräte: außerdem Trenntransformator aus Sicherheitsgründen nötig, damit keine Verbindung zwischen Netzspannung / Erde und Ausgangsspannung zu Stande kommt.! (Bauweisen von Netzteilen: Schaltnetzteile und Trafonetzteile. Unterscheiden sich wiederum in Steckernetzteile, Tischnetzteile oder Einbaunetzteile.)! Was ist ein Potentiometer? Das Potentiometer (kurz: Poti) ist ein elektrisches Widerstandsbauelement, das einen mechanisch veränderbaren Widerstand darstellt. Diese Veränderbarkeit wird durch Schleifsteine realisiert.! Das Poti hat mindestens drei Anschlüsse und wird meistens als Spannungsteiler verwendet.! Es sind auch elektronische Potts verfügbar.! Anwendungsbeispiel: Dimmen einer LED über veränderbaren Widerstand (Strom wird erhöht bzw. Erniedrigt und somit die Helligkeit verändert).! Was ist eine Diode?!

Die die Diode ist ein Halbleiterbaustein, der Strom nur in eine Richtung passieren lässt und in der anderen Richtung als Isolator wirkt. Sie besteht aus p- und n-dotierten Halbleiterkristallen oder einem Metall-n-Übergang.! Grundwerkstoff: meist Silizium p-dotierter Bereich: Störstellenatome mit drei Valenzelektronen (z.B. Aluminium)! n-dotierter Bereich: Störstellenatome mit fünf Valenzelektronen (z.B. Phosphor)! Anwendung: Verpolungsschutz, Gleichrichtung von Wechselspannung! Was ist eine Leuchtdiode? Eine Leuchtdiode (LED - light-emitting diode) ist eine spezielle Diode, die Licht abstrahlt solange sie von Strom durchflossen wird. Die Wellenlänge des Lichtes ist abhängig vom verwendeten Halbleitermaterial und der Dotierung.! Anwendungen: Anzeigeelement, Datenübertragung (Infrarot)! Zu beachten: LEDs benötigen einen Vorwiderstand, da die LED im Gegensatz zum Ohmschen Verbraucher keinen konstanten Widerstand besitzt. ! Nach Anlegen einer Spannung sinkt der Widerstand gegen Null. Infolgedessen würde der Strom gegen unendlich ansteigen ( I

=

U ). Dies würde die LED überhitzen und zerstören.! R

Wie kann man aus Wechselspannung Gleichspannung erzeugen?

Wie kann man Spannung begrenzen? - Zener-Diode Spannungen werden generell mit Zener-Dioden, auch Z-Dioden gennant, begrenzt.! Sie verhalten sich in Durchlassrichtung und im Sperrbereich unterhalb der Zenerspannung (Durchbruchspannung) wie normalen dioden.! In Sperrichtung ab einer gewissen Spannung, lassen sie den Strom ohne Widerstand durch (U = R·I − > U = 0 ). Deshalb wird die Z-Diode in Sperrichtung betrieben!!

Zu beachten: bei einer Schaltung mit Z-dioden sind nur kleine Ströme möglich (bis ca. 50mA).! Alternative Anwendungsmöglichkeiten: Spannungsstabilisierung oder Spannungsdrosselung über Spannungsregler.! Was ist ein Transistor und wie wird er eingesetzt? - Verstärker und Schalter Ein Transistor ist ein aktiver Halbleiterbaustein zum Schalten und Verstärken von elektrischen Signalen. Es ist damit möglich mit kleinen Strömen oder Spannungen große Ströme zu steuern.! Man unterscheidet zwischen Bipolartransistoren und Feldeffekttransistoren.! Bipolartransistoren: kleiner Strom.! Feldeffekttransistoren: kleiner Spannung. Aufbau Bipolartransistoren: drei abwechselnd p- und n- dotierten Halbleiterzonen, d.h. aus zwei pn-Übergängen.! Der größere Strom kommt am Kollektor (C) an. Dieser Strom wird verstärkt und weitergeleitet zum Emitter (E), wenn an der Basis (B) ein kleinerer Strom fließt.! Der Stromverstärkungsfaktur B ist abhängig vom Bauteil.! Was sind die Unterschiede zwischen npn- und pnp-Bipolartransistoren? Die Anschlüssen besitzen umgekehrte Spannungsverhältnisse.! Damit der Transistor durchschaltet…! $ npn-Transistor: Spannungen zwischen B und E, sowie Zwischen C und E > 0V.! $ pnp-transistor: Spannungen zwischen B und E, sowie Zwischen C und E < 0V.!

! Stromverstärkungsfaktor B: IC

= B·IB !

Wie kann man Stromkreise galvanisch trennen? - Fototransistor, Optokoppler Mit einem Optokoppler lassen sich Stromkreise galvanisch trennen. ! Der Optokoppler ist ein Bauelement der Optoelektronik. Er besteht häufig aus einer LED und einem optoelektrischen Empfänger, zum Beispiel einem Fototransistor.! Ein Fototransistor ist ein Bipolartransistor, dessen Emitter-Basis-Strom durch das einfallende Licht gesteuert wird.! Beim Optokoppler wird also der Strom des zweiten Stromkreises über die LED im ersten Stromkreis gesteuert. Hierfür muss das Gehäuse des Optokopplers lichtundurchlässig sein. Damit ist eine Übertragung von sowohl digitalen als auch analogen Signalen zwischen zwei galvanisch getrennten Stromkreisen möglich.!

C) Grundlagen elektrische Messtechnik Wie kann man elektrische Spannung messen? Mit digitalen oder analogen Voltmeter.! Analoger Voltmeter -> Drehspulmesswerk: Drehspule, 2 Polschuhen, Kern aus Weicheisen und Rückstellfeder. ! Eine Stromdurchflossene Spule dreht sich in einem radikalhomogenen Magnetfeld.! Das Drehmoment ist proportional zur angelegten Spannung, d.h. der Winkelausschlag des Zeigers ist ein direktes Maß für die Spannung.! Das Messgerät steht parallel der zu messenden Schaltung.! Der Innenwiderstand des Spannungsmessgerätes ist möglichst groß, damit die Rückwirkung des Messgerätes auf die Messgröße minimal bleibt. (Kein Strom fließt ab, kein Spannungsabfall)! Wie kann man elektrischen Strom messen? Mit Amperemeter.! Das Messgerät liegt in Reihe zu der zu messenden Schaltung.! Das Innenwiderstand des Strommessgerätes ist möglichst klein, im Idealfall gleich Null Ohm. Dadurch wird der Einfluss des Amperemeter auf die Messgröße minimiert. (Kein Strom vom Messgerät verbraucht, da er in den Stromkreis eingeschleift wird)! Ein modernes digitales Amperemeter misst die Spannung und berechnet daraus den Stromfluss.! Eine Sonderform erfolgt über die Strommesszange. Diese misst das Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters und berechnet daraus den verursachten Stromfluss. ! Wie kann man elektrischen Widerstand messen? Möglichkeit 1: Strom und Spannung messen, Widerstand berechnen! Möglichkeit 2: Konstanter Strom bekannt, Messung von U am Widerstand R (Digitalmultimeter)! Möglichkeit 3: Messung von U am Widerstand R mit in Reihe geschalteten Referenzwiderstand R und bekannter Spannung U_0! Wie kann man elektrischen Widerstand sehr präzise messen? - Gleichstrommessbrücke...