Elektrotechnik und Elektronik: fur Maschinenbauer und Verfahrenstechniker

438 Pages·2011·154.05 MB·German

by  Prof. Dr.-Ing. Rudolf Busch (auth.)

Rudolf Busch
Elektrotechnik und Elektronik
Grundlagen Maschinenbau
BWL für Ingenieure und Ingenieurinnen
von A. Daum, W. Greife und R. Przywara
English for Materials Science and Engineering
von I. Eisenbach
Projektmanagement für technische Projekte
von R. Felkai und A. Beiderwieden
Technische Berichte
von H. Hering und L. Hering
Mechanical Engineering
von A. Jayendran
Englisch für Maschinenbauer
von A. Jayendran
Chemie
von P. Kurzweil und P. Scheipers
Physik Formelsammlung
herausgegeben von P. Kurzweil
Elektrotechnik für Maschinenbauer
von H. Linse und R. Fischer
www.viewegteubner.de __________________- -.
Rudolf Busch
Elektrotechnik
und Elektronik
für Maschinenbauer und Verfahrenstechniker
6., erweiterte und überarbeitete Auflage
Mit 436 Abbildungen
und 136 Übungsaufgaben mit Lösungen
STUDIUM
111
VIEWEG+
TEUBNER
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Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über
<http://dnb.d-nb.de> abrufbar.
Prof. Dr.-Ing. Rudolf Busch wechselte nach fast zwanzigjähriger Tätigkeit in der Industrie in das
Hochschulwesen und lehrte zuletzt über zehn Jahre an der Universität Essen, wo er das Fachgebiet
Elektrotechnik leitete und mit der Ausbildung von Maschinenbauingenieuren betraut war.
1. Auflage 1994
2. Auflage 1996
3. Auflage 2003
4. Auflage 2006
5. Auflage 2008
6., erweiterte und überarbeitete Auflage 2011
Alle Rechte vorbehalten
© Vieweg +T eubner Verlag I Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2011
Lektorat: Thomas Zipsner I Ellen Klabunde
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Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg
Technische Redaktion: Stefan Kreickenbaum, Wiesbaden
Druck und buchbinderische Verarbeitung: AZ Druck und Datentechnik GmbH, Berlin
Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier
Printed in Germany
ISBN 978-3-8348-0998-8
Wenn Du ein Schiffbauen willst,
dann trommle nicht Männer zusammen,
um Holz zu beschaffen,
Aufträge zu vergeben
oder Arbeit zu verteilen,
sondern lehre sie die Sehnsucht
nach dem weiten, endlosen Meer.
Antoine de Saint -Exupery
Vorwort
Das vorliegende Buch ist aus Vorlesungen entstanden, die ich über viele Jahre hinweg für Studie
rende der Ingenieurwissenschaften in nichtelektrotechnischen Studienrichtungen an der Techni
schen Universität "Otto von Guericke" Magdeburg gehalten habe und seit 1991 an der Universität
GH Essen durchführe.
Es gehört zu den wichtigen Erfahrungen meiner Lehrtätigkeit, dass es den Lernenden, die keinen
elektrotechnischen Beruf ausüben oder ausüben wollen, sich jedoch mit Elektrotechnik und
Elektronik befassen müssen, häufig sehr schwerfällt, sich in der Gedankenwelt der Elektrizitäts
lehre zurechtzufinden. Allzu oft treten dann Misserfolg und Resignation ein und die Studierenden
sind froh, wenn endlich die Elektrotechnikprüfung abgelegt und dieses Fach "überstanden" ist.
Von dem vermittelten Stoff bleiben bei ihnen oft nur einige wenige Begriffe oder diffuse Vorstel
lungen im Gedächtnis, mit denen sie in ihrer Ingeniewpraxis wenig anzufangen wissen.
Nach meiner Überzeugung kann man dem entgegenwirken, wenn das in so genannten ,,Nebenfä
chern" oft praktizierte "black-box-Denken" verlassen und mehr danach gefragt wird, was sich in
der "box" verbirgt, welche grundlegenden physikalischen Zusammenhänge dort existieren, d.h.,
wenn man sich darum bemüht, die Erscheinungen wirklich zu verstehen. Denn nur mit dem, was
man begriffen hat, kann man erfolgreich arbeiten, beispielsweise weitergehende Studien durch
fiihren oder Schlussfolgerungen für das eigene Fachgebiet ziehen. Allein auf der Basis soliden
Grundlagenwissens wird man ein guter Spezialist in der Praxis. Es gibt für mich keinen erkennba
ren Grund, hier das "Nebeufach" (ich gebrauche dieses Wort ungern) auszuschließen, weil es
nicht nur Bestandteil des Studiums, sondem ohne Zweifel auch der Praxis ist, was in besonderem
Maße für die Elektrotechnik zutrifft, der man in Wissenschaft und Technik auf Schritt und Tritt
begeguet.
Das vorliegende Buch habe ich mit dem Ziel geschrieben, auch den diesem Fachgebiet ferner
stehenden Studierenden, Ingenieuren und anderen Interessierten die physikalischen Zusammen
hänge in der Elektrizitätslehre und in deren wichtigsten Anwendungsgebieten deutlich zu ma
chen. Dabei war ich stets bemüht, von einfachen, der Leserin oder dem Leser oft aus eigener
Erfahrung bekannten Phänomenen auszugehen und darauf Schritt für Schritt aufbauend zu kom
plizierteren Zusammenhängen zu führen.
Dieser Orientierung habe ich u.a. dadurch Rechnung getragen, dass die Behandlung der Felder an
den Aufang des Lehrbuches gestellt wurde. Aus ihnen lassen sich die technischen Grundlagen der
Elektrotechnik anschaulich ableiten. Bei der Darlegung der Anwendungen war ich darüber hinaus
bestrebt, auch modemste Entwicklungen einzubeziehen.
VI Vorwort
Das Buch wendet sich an alle, für die in Studium oder Beruf Kenntnisse der Grundlagen der
Elek1rotechnik und Elektronik sowie ihrer Anwendungen notwendig sind. Der Stoff entspricht
etwa den Anforderungen, die heute an eine moderne Ingenieurausbildung, bei der Elektrotechnik
nicht das Hauptfach bildet, gestellt werden. Das Buch ist auch für Studierende der Elektrotechnik
in den Anfangssemestem geeignet.
Vorkenntnisse in Physik und Mathematik sind im Rahmen dessen wiinschenswert, was in nator
und ingenieurwissenschaft\ichen Studienrichtongen an Universitäten, Technischen Hochschulen
und Fachhochschulen im ersten Studienjahr geboten wird.
Die den Hauptabschnitten nachgestellten Übungsaufgaben sind bezüglich ihres Schwierigkeits
grsdes dem Leserkreis angemessen. Ihre Lösungen werden am Ende des Buches angegeben. Sie
sollen dazu dienen, den Stoff zu vertiefen und die Kenntnisse zu erweitem.
Bei meinem wissenschaftlichen Mitarbeiter, Herrn Dipl.-Ing. Sven Hilfert, möchte ich tnich für
die wertvolle Hilfe bei der computergestützten Erstellung der Bilder und beim Durchrechnen der
Übungsaufgaben bedanken. Weiterhin gilt mein Dank Herrn Dr. Jens Schlembach vom Teubner
Verlag für die gnte Zusammenarbeit, den im Text genannten Firmen für die Überlassung von
Bildmaterial und meinen ehemaligen Magdeburger Kollegen für die Beistenerung einiger
Übungsaufgaben. Schließlich bedanke ich mich bei meiner Frau Ingrid für viele Hinweise und
tatkräftige Unterstützung beim Korrekturlesen.
Essen, im Frühjahr 1994 RudolfBusch
Vorwort zur 6. Auflage
Die vorliegende Aullage ist das Ergehnis einer griindlichen Überarbeitong wesentlicher Teile
dieses Lehrbuches. Darüber hinaus wurden auch neue Abschnitte hinzugefügt. Beides machte
sich aufgrund der Weiterentwicklung des Standes der Technik erforderlich.
Die Überarbeitong betrifft insbesondere die emeuerbaren Energien. Die neuesten Entwicklungen
auf diesem Gebiet werden in angemessenem Umfang behandelt. Gerade für den Maschinenbauer
ergibt sich hier ein bedeutendes zukunftsträchtiges Betätigungsfeld. Neu aufgenommen wurde die
Beschreibung der Funktionsweise von Brennstoffzellen und deren Varianten, da in der heutigen
Zeit diese Technik inuner mehr in den Vordergrund rückt (Automobile, dezentrale Krsftwerke
usw.).
Weiterhin wird durch den neu geschriebenen Hauptabschnitt ,,Mechanismen der Stromleitong"
berücksichtigt, dass einerseits die dort geschilderten Prozesse zum grundlegenden Wissen über
Elektrotechnik gehören und andererseits diese Prozesse bei vielen technologischen Verfahren, mit
denen Maschinenbau-und Verfahrenstechnik-Ingenieure heute in der Praxis konfrontiert werden
können, eine Rolle spielen. Darüber hinaus sind gewisse Kenntnisse der Strom1eitongsmechanis
men erforderlich, um u. a. die Funktionsweise der elektronischen Bauelemente besser zu verste
hen. Es bleibt diesbezüglich zu erwähnen, dass der bisherige Abschnitt über die Stromleitong in
Halbleitem unverändert in den neuen Hauptabschnitt übernommen wurde.
vn
VOlWort
Wegen der Bedeutung der EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit) auch fiir Ingenieure, die
keine Spezialisten der Elektrotechnik sind, habe ich einen kurzen Abschnitt über dieses interes
sante, inzwischen selbstständig gewordene Fachgebiet aufgenommen.
Alle statistischen Aogaben und die Literalurübersicht wurden wiederum auf den neuesten Stand
gebracht. Eine bisher fehlende Zusammenstellung der Formelzeichen soll die Übersicht erleich
tern.
Dem Lektorat Maschinenbau des Verlages daoke ich fiir die konstruktive Zusammenarbeit, insbe
sondere Herm Stefan Kreickenbaum fiir die einwandfreie technische Herstellung des neuen Ma
nuskriptes, was wegen der teilweisen Neugestaltung dieser Auflage nicht immer leicht war.
Für Hinweise zur weiteren Verbesseruog des Lehrbuches bin ich jederzeit dankbar.
Farsleben bei Magdeburg, im Mai 2011 Rudolf Busch
Inhaltsverzeichnis
Teil A: Grundlagen der Elektrotechnik ................................................................................ I
1 Das elektrische Feld ........................................................................................................... I
1.1 Feldbegriff. Darstellung von Feldern ......................................................................... I
1.2 Das stationäre elektrische Strömungsfeld .................................................................. 2
1.2.1 Ladung. Strom. Stromdichte .......................................................................... 2
1.2.2 Poteozial. Spannung. Feldstärke .................................................................... 7
1.2.3 Elektrischer Widerstand. Ohmsches Gesetz .................................................. 12
1.2.4 Der elektrische Stromkreis ............................................................................ 14
1.2.5 Die Gesetze von Kirchhoff ............................................................................ 16
1.3 Das elektrostatische Feld ........................................................................................... 18
1.3.1 Entwicklung aus dem Strömungsfeld ............................................................ 18
1.3.2 Kenogrößen des elektrostatischen Feldes ...................................................... 20
1.3.3 Kapazität. Kondensatoren .............................................................................. 21
1.3.4 Kondensatorstrom ......................................................................................... 22
1.3.5 Energie und Kräfte im elektrostatischen Feld ............................................... 24
1.4 Übungsaufgaben ........................................................................................................ 25
2 Das magnetische Feld ........................................................................................................ 27
2.1 Magnetische Erscheinungen ...................................................................................... 27
2.2 Magnetische Kenngrößen .......................................................................................... 29
2.2.1 Magnetischer Fluss und magnetische Flussdichte ......................................... 29
2.2.2 Durchflutong. Maguetische Spannung. Maguetischer Widerstand ............... 30
2.2.3 Die maguetische Feldstärke ........................................................................... 32
2.3 Das Durchflutongsgesetz ........................................................................................... 33
2.4 Materie im Maguetfeld .............................................................................................. 36
2.4.1 Die Permeabilität. Einteilung der Stoffe ........................................................ 36
2.4.2 Hystereseschleife und Maguetisierungskurve ............................................... 37
2.5 Das Induktionsgesetz ................................................................................................. 41
2.5.1 Grundlagen. Der Versuch von Faraday ......................................................... 41
2.5.2 Anwendungen des Induktionsgesetzes .......................................................... 47
2.6 Selbst-und Gegeninduktion ....................................................................................... 49
2.6.1 Selbstinduktion .............................................................................................. 49
2.6.2 Gegeninduktion ............................................................................................. 52
2.7 Energie und Kräfte im maguetischen Feld ................................................................. 54
2.7.1 Energieinhalt des Maguetfeldes .................................................................... 54
2.7.2 Krsftwirkungen im maguetischen Feld ......................................................... 54
2.7.2.1 Kräfte an Grenzflächen ................................................................... 54
2.7.2.2 Kräfte aufs1romdurchflossene Leiter ............................................. 55
2.8 Übungsaufgaben ........................................................................................................ 57
X Inhaltsverzeichnis
3 Berechnung von Stromkreisen bel Glelcbstrom ............................................................. 61
3.1 Derunvenweigte Gleichstromkreis .......................................................................... 61
3.1.1 Der elektrische Widerstand .......................................................................... 61
3.1.2 Lineare und nichtlineare Widerstände .......................................................... 62
3.1.3 Energie und Leistung im Gleichstromkreis .................................................. 63
3.1.4 Der Grundstromkreis .................................................................................... 64
3.1.5 Leistungsumsatz im Stromkreis .................................................................... 68
3.2 Der venweigte Gleichstromkreis .............................................................................. 70
3.2.1 Vereinfachung von Widerstandsnetzwerken ................................................ 70
3.2.2 Teilerregeln ................................................................................................... 74
3.2.2.1 Die Stromteilerregel ....................................................................... 74
3.2.2.2 Die Spannungsteilerregel ............................................................... 75
3.2.3 Berechnung venweigter Stromkreise mittels der Gesetze von Kirchboff .... 77
3.2.4 Spannungsquellen und Stromquellen. Zweipoltheorie ................................. 80
3.3 Übungsaufgaben ....................................................................................................... 81
4 Berechnung von Stromkreisen bel Wechselstrom .......................................................... 84
4.1 Erzeugung von Wechselstrom. Bestimmungsgrößen ............................................... 84
4.2 K.enngrößen ............................................................................................................... 85
4.2.1 Zeitliche Mittelwerte .................................................................................... 85
4.2.2 Zählpfeile ...................................................................................................... 88
4.3 Darstellung sinusförmiger elektrischer Größen im Zeigerdiagramm ........................ 89
4.4 Spannungs-und Stromzeiger bei den Grundschaltelementen ................................... 90
4.5 Zeigerdiagramme bei gemischten Wechselstromschaltungen .................................. 91
4.5.1 Reihenschaltung von Kondensator und Widerstand ..................................... 91
4.5.2 Parallelschaltung von Spule und Widerstand ............................................... 93
4.5.3 Gemischte Schaltung .................................................................................... 93
4.6 Die komplexe Darstellung von Zeigern .................................................................... 94
4.7 Komplexe Zeiger der Grundschaltelemente .............................................................. 96
4.8 Komplexer Widerstand und komplexer Leitwert ...................................................... 99
4.8.1 Komplexer Widerstand ................................................................................. 99
4.8.2 Komplexer Leitwert ...................................................................................... 103
4.9 Wirk-und Blindkomponenten von Spannung und Strom ......................................... 104
4.10 Wechselstromleistung ............................................................................................... 105
4.11 Drehstrom (Dreiphasenwechselstrom) ...................................................................... 110
4.11.1 Erzeugung von Drehstrom ............................................................................ 110
4.11.2 Die Verkettung des Drehstromsystems ........................................................ 112
4.11.3 Spannungen und Ströme im symmetrischen Drehstromsystem .................... 114
4.11.4 Drehstromleistung ........................................................................................ 117
4.12 Übungsaufgaben ....................................................................................................... 118
5 Ausgleicbsvorgänge in Stromkreisen .............................................................................. 123
5.1 Die Schaltgesetze ...................................................................................................... 123
5.2 Aufladung eines Kondensators ................................................................................. 124
5.3 Kurzschluss einer stromdurchflossenen Spule .......................................................... 127
5.4 Schlussbemerkungen ................................................................................................. 129
5.6 Übungsaufgaben ....................................................................................................... 129
Inhaltsverzeichnis XI
6 Mechanismen der Stromleitung ........................................................................................ 130
6.1 Stromleitung im Vakuum ........................................................................................... 130
6.2 Stromleitung in Gasen ............................................................................................... 132
6.3 Stromleitung in Flüssigkeiten .................................................................................... 134
6.4 Stromleitung in Festkörpern ...................................................................................... 139
6.4.1 Allgemeines .................................................................................................. 139
6.4.2 Stromleitung in Mets1len ............................................................................... 141
6.4.3 Stromleitung in Halbleitern und Isolatoren ................................................... 142
6.4.3.1 Eigenieitung .................................................................................... 142
6.4.3.2 Störstel1enleitung ............................................................................ 144
6.4.3.3 Bändermodel1 .................................................................................. 146
6.4.3.4 Der pn-Übergang ............................................................................ 148
6.5 Übungsaufgaben ........................................................................................................ 150
Teil B: Anwendnngen der Elektrotechnik ............................................................................. 152
7 Elektronik ........................................................................................................................... 152
7.1 Einleitende Bemerkungen .......................................................................................... 152
7.2 Elektronische Bauelemente ........................................................................................ 153
7.2.1 Halbleiterwiderstände .................................................................................... 153
7.2.2 Halbleiterdioden ............................................................................................ 155
7.2.2.1 Aufbau. Kennlinien. Typen ............................................................ 155
7.2.2.2 Diode als Gleichrichter ................................................................... 158
7.2.3 Transistoren ................................................................................................... 160
7.2.3.1 Bipolartraosistoren .......................................................................... 160
7.2.3.2 Feldeffekttransistoren ..................................................................... 165
7.2.3.3 Iosulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs) ................................... 168
7.2.3.4 Betriebsarten von Transistoren ....................................................... 169
7.2.3.5 Transistoren als Verstärker ............................................................. 170
7.2.3.6 Transistoren als Scbalter ................................................................. 173
7.2.4 Thyristoren .................................................................................................... 175
7.2.4.1 Aufbau und Wirkungsweise. Typen ............................................... 175
7.2.4.2 Thyristoren als gesteuerte Gleichrichter ......................................... 177
7.2.5 Optoelektronische Bauelemente .................................................................... 181
7.2.5.1 Lichtempfangende Bauelemente ..................................................... 181
7.2.5.2 Lichtaussendende Bauelemente ...................................................... 182
7.2.5.3 Andere optoelektronische Bauelemente .......................................... 184
7.3 Leistungselektronik .................................................................................................... 185
7.3.1 Einführung. Arten und Wirkungsweise von Stromrichtern ........................... 185
7.3.2 Gleichrichter .................................................................................................. 188
7.3.2.1 Gleichrichter mit Dioden (Ungesteuerte Gleichrichter) .................. 188
7.3.2.2 Gleichrichter mit Thyristoren (Gesteuerte Gleichrichter) ............... 190
7.3.3 Wechselrichter ............................................................................................... 197
7.3.4 Gleichstronnnnrichter .................................................................................... 199
7.3.5 Wechselstromumrichter. Frequenzumrichter ................................................ 200
7.4 Iofonnationselektronik ............................................................................................... 202
7.4.1 Einführung ..................................................................................................... 202