Grundlagen der Elektrotechnik: Einschwingvorgänge, Nichtlineare Netzwerke, Theoretische Erweiterungen

521 Pages·2000·13.814 MB·German

by  Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Rolf Unbehauen (auth.)

Springer-Lehrbuch
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
RolfUnbehauen
Grundlagen
der Elektrotechnik 2
Einschwingvorgänge)NichtlineareNetzwerke)
TheoretischeErweiterungen
Fünfte,neubearbeiteteund erweiterteAuflage
mit 310 Abbildungen
Springer
Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Rolf Unbehauen
U niversităt ErIangen -N iirnberg
Lehrstuhl fiir Allgemeine und
Theoretische Elektrotechnik
Cauerstra6e 7
91058 ErIangen
Die Deutsche Bibiliothek -CIP-Einheitsaufnahme
Unbehauen, Rolf. Grundlagen der Elektrotechnik / Rolf Unbehauen. -Berlin; Heidelberg ;
New York; Barcelona; Hongkong; London; Mailand; Paris; Singapur; Tokio : Springer
(Springer-Lehrbuch)
Bd. 2. Einschwingvorgănge, Nichtlineare Netzwerke, Theoretische Erweiterungen.-
5., neubearb. und erw. Aufl. -2000
ISBN 978-3-642-63018-7 ISBN 978-3-642-57068-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-57068-1
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UrspriingIich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 2000
Softcover reprint of the hardcover sth edition 200 O
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Gedruckt auf săurefreiem Papier SPIN: 10729664 62/3020 -5 4 3 210
Alles
istschongesagt worden,
undman kommt mehrals
siebentausendJahre zu spät,
seitesMenschen gibt,
diedenken.
J.B.
Vorwort zur fünften Auflage
Die vorliegende Neuauflage ist das Ergebnis einer gründlichen Überarbeitung
des Textes und einer Erweiterung der Thematik. Da die insämtlichen Kapiteln
vorgenommenen Änderungen und Ergänzungen, die sich zumeist aufgrund in
haltlicher Präzisierungen und didaktischer Erfahrungen ergaben, sehr zahlreich
sind, wird auf eine AuflistungvonEinzelheitenverzichtet. Erwähnt werden soll
aber eine ErweiterungvonKapitel6umzweiAbschnitte über Bode-Diagramme
und eine Beschreibung des Mechanismus der Frequenzselektion. Darüber hin
aus wurde einzusätzliches Kapitel 9 über das Frequenzverhalten elektronischer
Schaltungen aufgenommen.In diesem Kapitel wirdgezeigt,wieFrequenzeigen
schaften ausgewählter elektronischer Schaltungen im Niederfrequenz- und im
Hochfrequenzbereich analysiert werden können und wie sich Einflüsse der
Rückkopplung auf den Frequenzgang elektronischer Verstärker untersuchen
lassen sowiewiedamit zusammenhängendeProblemegelöstwerden. Schließlich
wird die Syntheseelektronischer Filter an Hand eines konkreten Verfahrens er
klärt.
Herr Dr.-Ing. U. Forster hat dieimKapitel 6zusätzlichaufgenommenenAb
schnitte und das neue Kapitel 9 einer kritischen Durchsicht unterzogen und
wertvolle Verbesserungsvorschläge eingebracht. Daneben hat auch Herr T.
Ndjountche, M.S. das Kapitel 9 kritisch geprüft und Verbesserungen beige
steuert. Frau H. Schadel hat die Textverarbeitung einschließlich der Umbruch
arbeit in hervorragender Weise durchgeführt. Sie wurde von Frau R. Schwarz
stets unterstützt, welche dievielenneuen Bilder mitvielSorgfaltgezeichnet und
manches Bild aus der früheren Auflage verbessert hat. Den genannten Damen
und Herren, aber auch allen nicht genannten Angehörigen des Lehrstuhls für
Allgemeine undTheoretischeElektrotechnik, diemirbei den Arbeitengeholfen
haben, giltmeinbesondererDank.
Erlangen, imJuli 1999 R.Unbehauen
Vorwort zurvierten Auflage
Das vorliegende Buch, das nunmehr in vierter überarbeiteter und wesentlich
erweiterter Auflage vorliegt, istaus Vorlesungen hervorgegangen, dievomVer
fasser seit dem Jahre 1965 an der Technischen Fakultät der Friedrich-Alexan
der-Universität Erlangen-Nürnberg im Rahmen der Grundausbildung für Stu
denten der Elektrotechnik und Nebenfachstudenten gehalten werden. Das
Hauptziel isteine Einführung inVerfahrenzurBeschreibungundUntersuchung
elektrischer Schaltungen, wie sie in den verschiedenen Anwendungsbereichen
auftreten. Ein besonderes Anliegen ist es, die Schaltungen nicht nur rein sy
stemtheoretisch als elektrische Netzwerke zu betrachten und zu behandeln, in
dem die Netzwerkelemente und die Kirchhoffschen Gesetze axiomatisch einge
führt werden, sondern die Schaltungen auch physikalisch zu motivieren. Ein
ingenieurmäßiges Verständnis der Funktionsweise insbesondere elektronischer
Schaltungen erfordert zweifellosauch eine Einsicht in die einschlägigen physi
kalischen Mechanismen.
Es war notwendig,das BuchinzweiBände aufzuteilen. DieAufteilungwurde
so vorgenommen, daß die ersten fünf Kapitel im bereits erschienenen Band 1
zusammengefaßt wurden. Der vorliegende Band 2 umfaßt die weiteren Kapitel
6,7 und 8 sowiezweiAnhänge undeineSammlungvonAufgaben mit Lösungen.
Diese Aufgabensammlung ist zur Intensivierung der Mitarbeit des Lesers ge
dacht.
Gegenstand vonKapitel 6ist dasStudium des Einschwingverhaltensvonzeit
invarianten, linearen Netzwerken. Es stützt sich auf die in den ersten Kapiteln
geschaffenen netzwerktheoretischen Grundlagen sowieauf die mathematischen
Methoden zur Behandlung von linearen Differentialgleichungen mit konstanten
Koeffizienten; es soll den Leser von der Betrachtung zunächst nur einfacher
Netzwerke erster bzw. zweiter Ordnung bis zur Untersuchung des zeitlichen
VerhaltensvonNetzwerken beliebiger Ordnung führen. Hierfürwerden dasmo
difizierte Maschenstromverfahren und das modifizierte Knotenpotentialverfah
ren eingeführt. BreiterRaum wirdder Lösungder mitdiesenVerfahrenverbun
denen Differentialgleichungssysteme geschenkt. Dabei werden sowohl reine
Zeitbereichsverfahren, die besonderen Einblick in das Zustandekommen der
Lösung bieten, als auch die elegante Methode der Laplace-Transformation ein
schließlichder damit zusammenhängendenKonzepte,wiez.B.dem Konzept der
Übertragungsfunktion, behandelt. Auch das Problem der Stabilität zeitinvarian
ter, linearer Netzwerkewirddiskutiert.
Vorwort IX
Kapitel 7 ist der Beschreibung und Analyse nichtlinearer Netzwerke gewid
met. Hierfür werden zunächst die nichtlinearen Netzwerkelemente eingeführt,
welche alsSonderfälle allebisdahinalleinzugelassenenzeitinvarianten,linearen
Netzwerkelemente enthalten. Danach findet der Leser eine ausführliche Be
handlung von nichtlinearen Widerstandsnetzwerken, also von nichtlinearen
Netzwerken, die keine Energiespeicher enthalten. Bevor die Analyse nichtline
arer dynamischer Netzwerke beliebiger Ordnung behandelt wird,werden nicht
lineare Netzwerke erster und zweiter Ordnung untersucht. Bei letzteren, deren
Verhalten in der Phasenebene anschaulich beschrieben werden kann, interes
sieren vor allem multistabile Netzwerke und Oszillatoren. Das Problem der
numerischen Lösung von gemischten Systemen aus algebraischen Gleichungen
und Differentialgleichungen, wie sie bei der Analyse nichtlinearer Netzwerke
auftreten, wirdgestreift.
Kapitel 8 bietet einen Einblickin dieLeitungstheorie, wobeidieGrenzender
Theorie der Netzwerke mit konzentrierten Elementen ersichtlich und Möglich
keiten zur Behandlung von Netzwerken mit verteilten Elementen angedeutet
werden. In diesem Zusammenhangwird der physikalischenBegründung wieder
einverhältnismäßig breiterRaum geschenkt,wodurchzusammenmit denphysi
kalischen GrundlagenausKapitell inklusiveder zahlreichen einschlägigenAuf
gaben mit Lösungen gleichzeitigein kurzer Ausblickauf die Feldtheorie gege
ben ist.
Die dem vorliegenden Band 2 beigefügten Anhänge E und F enthalten eine
Tabelle für Korrespondenzen der Laplace-Transformation sowie Elemente der
Quantenmechanik, soweit siefür das Verständnis des im Kapitel 1behandelten
LeitungsmechanismusinLeiternundHalbleiternnützlichsind.
Am Ende desBuchesfindet der Leser eineumfangreiche SammlungvonAuf
gaben mit Lösungen zum StoffvonBand 2,geordnet entsprechenddenThemen
von Kapitel 6,7 und 8. Bezüglich der Bezeichnungen sei auch hier angemerkt,
daß zeitabhängige Größen in der Regel durch Kleinbuchstaben gekennzeichnet
werden, komplexe Größen, die von einem reellwertigen Parameter wie der
Kreisfrequenz abhängen, sowie Zeigergrößen dagegen durch unterstrichene
(J
Buchstaben. Zur Bezeichnung von Matrizen und Vektoren werden fette Buch
staben verwendet. Im übrigen wird die in der Elektrotechnik, Mathematik und
PhysiküblicheNotationbenützt.
Das Buch hätte in der nunvorliegenden Form und in der zur Verfügung ge
standenen Zeit nicht ohne diemassiveUnterstützung vonMitarbeiterinnenund
Mitarbeitern des Lehrstuhls für Allgemeine und Theoretische Elektrotechnik
der Universität Erlangen-Nürnberg fertiggestellt werden können. Herr Dr. H.
Roßmanith hat mich sowohl bei der inhaltlichen Gestaltung als auch bei der
technischen Durchführung des Projekts in besonderer Weise ständig mit Rat
und Tat unterstützt. Wertvolle Anregungen und außerordentlich nützliche Un
terstützung empfingichweiterhin durchHerrnProf. Dr.A. Cichocki,HerrnDr.
U. Forster, Herrn Dipl.-Ing. K. Weinzierl und Herrn Dipl.-Phys. K. Reif.Dank
des besonderen Engagements und der großen Sorgfaltvon Herrn Dipl.-Ing. R.
Finkler war es möglich,die Lösungen der Aufgaben kurzfristigund sachgerecht
x
Vorwort
abzuschließen. Erwähnt werden soll auch die ständige Unterstützung durch
Herrn Dipl.-Ing. H. Brandenstein und Herrn Dipl.-Ing. H. Weglehner. Herr
Dipl.-Phys.G. PhilipphatmitwichtigenKommentarenzumAnhang Fbeigetra
gen.
Die Textverarbeitung wurde von Frau H. Geisenfelder-Göhl, Frau H.
Schadel, Frau B.ScholzundFrau H. Wolfbesorgt, einengroßen Teil der Bilder
erstellte Frau E. Orth. Den Umbruch und die äußere Form hat Frau H.
SchadelmitvielHingabegestaltet.
Allen Genannten und den nicht genannten Mitarbeitern, die durch die For
mulierung von früheren Prüfungsaufgaben Anregungen geliefert haben, sei an
dieser Stelle besonderer Dank ausgesprochen. Für gute Kooperation und das
Verständnis für manche Verzögerung sei Herrn Dr. D. Merkle vom Springer
Verlaggedankt.
Erlangen,imAugust 1994 R.Unbehauen