Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik 1: Gleichstromnetzwerke und ihre Anwendungen

456 Pages·2014·9.71 MB·German

by  Steffen Paul

Steffen Paul
Reinhold Paul
Grundlagen der
Elektrotechnik
und Elektronik 1
Gleichstromnetzwerke
und ihre Anwendungen
5. Auflage
Springer-Lehrbuch
⋅
Steffen Paul Reinhold Paul
Grundlagen der
Elektrotechnik und
Elektronik 1
Gleichstromnetzwerke und ihre
Anwendungen
5., aktualisierte Auflage
SteffenPaul ReinholdPaul
InstitutfürTheoretischeElektrotechnik InstitutfürNanoelektronik
undMikroelektronik(ITEM) TUHamburg-Harburg
UniversitätBremen Hamburg,Deutschland
Bremen,Deutschland
ISSN0937-7433
ISBN978-3-642-53947-3 ISBN978-3-642-53948-0(eBook)
DOI10.1007/978-3-642-53948-0
DieDeutscheNationalbibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschenNationalbibliografie;de-
tailliertebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar.
SpringerVieweg
©Springer-VerlagBerlinHeidelberg1990,1993,1996,2010,2014
DasWerkeinschließlichallerseinerTeileisturheberrechtlichgeschützt.JedeVerwertung,dienichtaus-
drücklichvomUrheberrechtsgesetzzugelassenist,bedarfdervorherigenZustimmungdesVerlags.Dasgilt
insbesonderefürVervielfältigungen,Bearbeitungen,Übersetzungen,MikroverfilmungenunddieEinspei-
cherungundVerarbeitunginelektronischenSystemen.
DieWiedergabe vonGebrauchsnamen,Handelsnamen,Warenbezeichnungenusw.indiesemWerkbe-
rechtigtauchohnebesondereKennzeichnungnichtzuderAnnahme,dasssolcheNamenimSinneder
Warenzeichen-undMarkenschutz-Gesetzgebungalsfreizubetrachtenwärenunddahervonjedermann
benutztwerdendürften.
GedrucktaufsäurefreiemundchlorfreigebleichtemPapier.
Springer ViewegisteineMarkevonSpringerDE.Springer DEistTeilderFachverlagsgruppeSpringer
Science+BusinessMedia
www.springer-vieweg.de
Vorwort zur 5. Auflage
Die freundliche Aufnahme,die die Neubearbeitung bei den Lesernfand,veranlasstedie
AutorenzueinerNeuauflage.BerücksichtigthabenwirvorallemdieAnregungen,Kom-
mentareundWünschederLeser.SieführtenanmanchenStellenzutieferenErklärungen,
Bildergänzungen undauchVerbesserungen.Eingearbeitet wurden öftersauchunterstüt-
zendeQuerverweiseaufBand2unddenabgeschlossenenBand3DynamischeNetzwerke.
Eingefügt wurden auf Leserwünsche hin Zusammenfassungen zu jedem Kapitel, die als
knappeFaktenzumpräsentenstudentischenWissenwerdensollten.
Eine Textrevision bietet Gelegenheit zur Beseitigung von Schreibfehlern, die sich
trotzmodernerHilfsmittelimmerwiedereinschleichen.WirdankenandieserStelleallen
LesernfürvieleHinweiseundKommentareunderhoffensieunsauch fürdieseAuflage
([email protected], [email protected]). Ganz besonderer Dank gebührt Herrn
Dr.-Ing. habil. H.G. Schulz, der mit seinem fundierten feldtheoretischen Sachverstand
manchenwertvollenRatschlaggebenkonnte.
UnserDankgebührtnichtzuletztdemSpringer-VerlagundinsbesondereFrauE.Hes-
termann-BeyerlesowieFrauB.Kollmar-ThonifürdieguteZusammenarbeit,aberauchdie
Geduld,diesieunsentgegenbrachten.
Bremen,Frühjahr2014 SteffenPaul
Buchholz,Frühjahr2014 ReinholdPaul
V
Vorwort zur 4. Auflage
Nichts kennzeichnet den Umfang, in dem die Elektrotechnik heute Wirtschaft,Technik
undüberhauptdasöffentlich-gesellschaftlicheLebenbeherrscht,besseralseinplötzlicher
Stromausfall:allesruht.DeshalbistdiesesGebietstarkinterdisziplinärausgerichtet,stellt
es doch einerseits mit der Energietechnik die Grundlage für großtechnischen Energie-
transportundEnergiewandlung dar,andererseits hates in der Informations-undKom-
munikationstechnik mitStichwortenwieRundfunk-/Fernsehen,Computer,Internetund
Satellitentechnik Anwendungsbereicheweltweiten Ausmaßes.Nurfolgerichtig habendie
Grundlagen dieses Gebietes in ingenieurtechnischen Studienrichtungen Elektrotechnik,
Informationstechnik, Mikroelektronik, Automatisierungstechnik und natürlich Energie-
undAntriebstechnik,aberauchMechatronikundMaschinenbauanFachhochschulenund
UniversitätenseitlangemeinenfestenPlatz.
Dasvorliegende dreibändige Lehrwerk „Grundlagender Elektrotechnik undElektro-
nik“vermitteltdazunotwendigesGrundwissennachmodernenmethodisch-didaktischen
GesichtspunktenbasierendauflangjährigenAusbildungserfahrungenderAutoren.
Motivation GegenübervorherigenAusgabendiesesLehrbucheserfolgteeineweitgehende
NeubearbeitungausmehrerenGründen:
• Die eingeführten Bachelor- und Master-Abschlüsse als Angebot statt des Diplom-
Studiengangs drängen zur Neubewertung und stärker modularisierten Form des
Lehrstoffes. Deshalb muss die Themenfolge der Vorlesung nicht unbedingt mit der
StofffolgeeinesLehrbuchesübereinstimmen.
• Es gibt Stoffverschiebungen: Fortschritte der Mikroelektronik, der Solartechnik, die
wachsende Bedeutung elektromagnetischer Felder durch die Thematik der elektro-
magnetischen Verträglichkeit, die wachsende Sensorik und Mikrosystemtechnik u.a.
findensichnichtnurimAusbildungsangebotderOberstufe,sondernverschiebenauch
relevanteGrundaspekteinsGrundstudium.
• Halbleiterbauelemente (Solarzellen, Dioden, Transistoren, Operationsverstärker u.a.)
bestimmen heute die Schaltungstechnik. Das erfordert von der Grundausbildung ei-
nestärkereBeachtungnichtlinearerProbleme,vorallemabergesteuerterQuellenund
VII
VIII Vorwortzur4.Auflage
ihrenEinbezuginNetzwerke.DazuisteineinfachesVerständnisihrerFunktionsprin-
zipienundEigenschaftenimStromkreiswünschenswert.
• DiewachsendeBedeutungderMechatronikverlangteinestärkereBerücksichtigungder
elektromechanischenWechselwirkung(StichworteAktorik/Sensorik),derErweiterung
desNetzwerkeszumphysikalischenNetzwerkunddendamitverbundenenAnalogien.
• Der PC ist heute in den Ausbildungseinrichtungen breit verfügbar. Das erlaubt die
SoftwarenutzungbeiderProblemlösung:ProgrammewieSPICE/PSPICE(u.a.)fürdie
Schaltungssimulation oder MATLAB/SIMULINK, Mathematika/MAPLE u.a. für die
mathematischeUnterstützungsindsehrnützlicheHilfsmittel.SiestehenfürdieGrund-
ausbildungalsausreichendeVersionenmeistkostenlosimInternetzurVerfügung,auch
gibtespreisgünstigeStudentenversionen.
Dochdieses seivermerkt:ManerlerntElektrotechniknichtdurchBeschäftigungmitsol-
chenHilfsmitteln,sondernzunächstdurchpermanenteNutzungvonPapier,Stiftundei-
genesNachdenken!
ErstdannbietendieseWerkzeugeeinesinnvolleErgänzung.
• MancheNormenundBegriffe,jasogardieRechtschreibunghabensichteilweiseverän-
dert.
Der erste Band umfasst einfache (Gleich-) Stromkreise sowie Netzwerke, ihre Analyse-
verfahren und Anwendungen, der zweite Band die Gesetzmäßigkeiten des elektrischen
undmagnetischenFeldes,dieVerbindungzudenNetzwerkelementenundschließlichdie
Energiewandlung sowie Energie und Kraftwirkung in elektromagnetischen Feldern ein-
schließlichverallgemeinerterphysikalischerNetzwerkeundAnalogievorstellungen.
DerdritteBandenthältdynamischeNetzwerkeundzeitveränderlicheVorgänge(Wech-
sel-, Drehstromtechnik), Transformationen und Schaltvorgänge. Begriffen wird in allen
BändendieGrundausbildungnichtalsetwasAbgeschlossenes,Selbständiges,sondernals
das,wassieist:dasFundamentnachfolgenderLehrgebiete.
InhaltundStoffgestaltung Zuden stoffbezogenenProblemen einer elektrotechnischen
Grundvorlesungtreten erfahrungsgemäßnochdieSchwierigkeiten derAnwendungma-
thematischerMethodenauftechnisch-naturwissenschaftlicheProblemstellungen,wiesie
beispielsweisedasVerständnisderelementarenVektoralgebrazumUmgangmitFeldgrö-
ßenerfordert,stündedieFeldvorstellungamBeginnderAusbildung.DagegensindStich-
wortewieStrom,Spannung,WiderstandalsSchulwissen,durchdieBerufsausbildungoder
eigenesInteressemeistschonbekannt.DiesemAspektträgtderersteBandRechnung.Ein
einführenderAbschnittgreiftdieseBegriffeaufundwendetsieimKapitel„Gleichstrom-
netzwerke“aufeinfacheStromkreisean.
DemEinsatzvonHalbleiterbauelementeninderSchaltungstechniktragenSchwerpunk-
te wie nichtlinearer Grundstromkreis, Zweitore und gesteuerte Quellen mit besonderer
BeachtungdernetzwerktechnischenModellierungdesTransistorsundVerstärkers(Ope-
rationsverstärker)Rechnung.
Vorwortzur4.Auflage IX
Das Kapitel „Netzwerkanalyse“ behandelt die Standardverfahren und eine vertief-
te Zusammenstellung der matrixorientierten Darstellung (letztlich als Grundlage aller
rechnergestützten Methoden).Weil siezunehmendwichtiger werden,führteineknappe
Vertiefungin„Simulationsmethoden“undihreAnwendungein.Hierspielenhauptsäch-
lichlineareGleichungssystemeeineRolleunddamitfindetdiemeistparallelverlaufende
MathematikausbildungeinsehrpraktischesAnwendungsfeld.
DasvierteKapitelstelltnützlicheNetzwerktheoremezusammen,derenAnwendungdie
Netzwerkberechnungstarkvereinfacht.
Ein knapper Anhangenthältübergreifende Themen: physikalische Größen undGlei-
chungen,EinheitenundDimensionen.
Hat der Lernende an dieser Stelle den ersten Schwerpunkt der Grundausbildung er-
arbeitet, so konzentriert sich der zweite Schwerpunkt auf die Wirkungen ruhender und
bewegter Ladungen im Raumpunkt beschrieben durch das elektromagnetische Feld mit
seinen Bestandteilen Strömungsfeld, elektrostatisches und magnetisches Feld. An dieser
StelledürfteseitensderMathematikausbildungdieVektorrechnung(ergänztdurchLinien-
undHüllenintegrale)verfügbarsein.
DerÜbergangvomStromkreiszurFeldbetrachtungimBand2gelingtamanschaulichs-
ten mit dem „Strömungsfeld“. Ausgehend von Strom und Spannung wird zunächst der
feldmäßigeUrsache-Wirkungs-ZusammenhangdurchFeldgrößenimRaumpunktherge-
leitet mitdemStrömungsfeldalsMittler.AmEndestehtdiefeldmäßigeBegründungdes
NetzwerkelementesohmscherWiderstand.
VertrautmitdieserVorgehensweisewirdanschließenddas„ElektrostatischeFeld“mit
seinen Feldgrößen und Phänomenen erläutert. Am Schluss führt der Übergang auf die
GlobalgrößenSpannungundLadungzumNetzwerk-undSchaltelementKondensator.Be-
sonderer Wert liegt auf den technischen Aspekten der Felder und ihren Anwendungen,
etwa der EinführungdesMOSFET alsBeispieleines feldgesteuerten, nichtlinearenStrö-
mungsfeldes.EinÜberblickderStromleitungsvorgängeinFestkörpern,Flüssigkeitenund
GasenschließtdenAbschnittab,lenkendochheuteBrennstoffzellendenBlickstärkerauf
diesesTeilgebiet.
DiegleicheVorgehensweisenutztdasKapitel„MagnetischesFeld“mitdenzugehörigen
FeldgrößenundPhänomenen.DasfundamentaleInduktionsgesetzundseineAnwendun-
genwirdunterverschiedenenGesichtspunktenbehandelt,wichtigeNetzwerkfolgerungen
sinddieEinführungderSelbst-undGegeninduktivität.
Den Schluss bilden die Maxwellschen Gleichungen in Integralform, wie sie für viele
praktischeProblemstellungenausreichen.IhreDifferenzialformwirdlediglichalsAusblick
erwähnt,dennsieistInhaltdesLehrgebietes„TheoretischeElektrotechnik“.Wirdaufdiese
Vertiefungverzichtet–wasmancheStudiengängebevorzugen–sogenügeneinigeeinfache
BeispielezumbreiterenVerständnisderDifferenzialform.
DaselektromagnetischeFeldistTrägerderelektromagnetischenEnergie.Energieund
Kraftwirkungenbilden deshalbdenletzten Schwerpunkt.HierhabenWechselwirkungen
zuanderenEnergieformen,besonderszurMechanik,großeBedeutungmitEinrichtungen
wieMotoren,Generatoren,Elektromagneten,heuteverstandenalsTeilgebietderAktoren.
X Vorwortzur4.Auflage
FürdieEnergiewandlungsvorgängeelektrisch–nichtelektrischwirdihreModellierungzu-
nehmendwichtiger unddurchAnalogievorstellungenlassensichNetzwerkverfahrenauf
nichtelektrischeVorgängeüberdenBegriffphysikalischeNetzwerkeübertragen.
Die Stoffzuordnungder ersten beiden Bändehatsich nicht nur pädagogischlangjäh-
rigbewährt,sondernsiezeigtauchdenUnterschiedzurElektrizitätslehrederPhysik:Sie
beginnt mit der ruhenden LadungundElektrostatik gefolgt vonden Phänomender be-
wegten Ladungusw.InderElektrotechnikausbildung stehenmehrZweck undMittel im
Focus:dieEnergie- undInformationsübertragungmitNetzwerken. Erstallmählich wird
dasVerständniszumelektromagnetischenFeldundseinerNutzungaufgebaut.
Didaktik Die Lehrveranstaltung „Grundgebiete der Elektrotechnik“ bringt den ersten
KontaktderStudierendenzumspäterenBerufsfeld.Dasverlangtnebendermotivierenden
inhaltlichenDarlegungnichtnureinenständigenBezugzupraktischenBeispielen,erstellt
aucheinedidaktischeHerausforderungdar.
MethodischistderStoffsoangelegt,dasserselbständigerarbeitetwerdenkannundvom
LernendeneinenständigenDialogmitdemLehrbuchverlangt.DamiteignensichdieBü-
cherauchzumautodidaktischenLernenunterstütztdurchmehrereAspekte:
• Formulierung der Lernziele für jeden Stoffschwerpunkt, knappe Erklärung wichtiger
Begriffe als Merksätze, strukturierte Lösungsmethoden zur Anwendung bestimmter
Verfahren,Zusammenfassungen/TutorialszujedemStoffschwerpunkt,Prüfungs-und
Kontrollfragen,
• optischeHervorhebungwichtigerBegriffeundFakten,siesindgleichzeitigStützenzur
Prüfungsvorbereitung,
• StoffgebietemiterhöhtemSchwierigkeitsgradoderspeziellenProblem,diezunächstzu-
rücktretenkönnen,sindmiteinemStern(*)versehen,
• wichtige Themen werden mit einem ansteigenden, zweistufigen Anforderungsniveau
behandelt. So lässt sich der Vertiefungsgrad selbst wählen. Dabei verhelfen manche
RückverweisezumallmählichenAufbaueinesÜbersichtswissens,
• AnleitungzumEinbezugrelevanterComputerprogramme,
• zahlreicheBeispieleundpraktischeHinweisefestigendenLehrstoff,
• gutgestalteteBilder,siewurdendurchwegneubearbeitet,
• HinweiseaufAufgaben,diemitLösunginzweiArbeitsbüchernbereitstehen.
Studienmethodik DieErlernungelektrotechnischerGrundlagengelingtohneintensives
Selbststudiumkaum.DazugehörennebenderBeherrschungderwichtigstenDefinitionen
undGesetze,LösungsmethodenundphysikalischenSachverhaltediepermanenteeigen-
ständigeLösungvonÜbungsaufgaben.Dannwirdschnelldeutlich,wasverstandenwurde
undwasnicht.DieFragenzurSelbstkontrollesolltenunbedingtbeantwortetwerden,um
einGefühlfürdasStoffverständniszuerhalten.
Vorwortzur4.Auflage XI
Leserkreis DasLehrwerkwendetsichan:
• StudierendederFachrichtungenElektrotechnik,Informationstechnik,Informatik,aber
auch Maschinenbau, Physik und Wirtschaftsingenieurwesen an Universitäten und
Fachhochschulen,
• an den im Berufsleben stehenden Ingenieur und Techniker als Nachschlagewerk bei
auftretendenProblemenüberGrundzusammenhänge,dieereinmalgehörthat,
• anAbiturientenundSchülerinoberenKlassen,diesichwährendderSchulzeitoderim
Wehr-undErsatzdienstaufeinStudiumvorbereitenwollen.
Dank Die Motivation zu diesem Buch entsprang der Erkenntnis, dass die Grundlagen
einesFachgebietesnieabgeschlossensind,sonderninAbständenneudurchdachtundfor-
muliert werden müssen.Dasbestätigte sich auch inzahlreichen DiskussionenmitFach-
kollegen,wodurchdasVorhabensehrgefördertwurde.DerDankgiltabergleichfallsden
LesernvorhergehenderAuflagen,diemanchgute RatschlägezurVerbesserungübermit-
telten.
In der Bearbeitungsphasedes Manuskriptes hat Herr Dr.-Ing. sc.techn. H.-G.Schulz
miteinerReihevonVorschlägenausseinerlangjährigenTätigkeitalsLehrenderdesFach-
gebietesTheoretischeElektrotechnik(TUDresden)beigetragen.Ihmgiltunserganzper-
sönlicherundherzlicherDank.
DemSpringer-Verlag,insbesondereFrauE.Hestermann-Beyerle,dankenwirfürdiegu-
teZusammenarbeit,diesorgfältigeDrucklegungdesBuchessowiedafür,dassWünschen
weitgehend entsprochen worden ist. Der Firma le-tex, insbesondereFrau N. Kroke und
FrauP.MöwsdankenwirfürdieUnterstützungbeiderErstellungdesdruckreifenManu-
skripts.
Über die Jahre gingen von vielen Fachkollegen und Lesern zahlreiche Hinweise und
Anregungen ein,ein Fundusfürdie Neubearbeitung. Unzulänglichkeiten bleiben natür-
lichnichtausundwirsindfürAnregungen,FehlerundVerbesserungshinweisejederzeit
dankbar(steff[email protected],[email protected]).
EinGrundlagenbuchElektrotechnikmiteinemAnspruchfüreinenweitenNutzerkreis
istimmereineHerausforderung:essolleinerseitsdenLeserinseinerStudienwahlbekräf-
tigen, ein breites Fundament für das weitere Studium legen eingebettet in die Lernfort-
schritte, dieer in Mathematik undPhysikerzielt undihn schließlich aufdie Vielfaltder
Elektrotechnik neugierig machen. Die Autoren hoffen, dass das Buch diesem Anspruch
gerechtwird.
Bremen,Frühjahr2010 SteffenPaul
Buchholz,Frühjahr2010 ReinholdPaul