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WWU - Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik - 1. Einführung und allgemeine Grundlagen 1 Einführung in die Elektronik/Elektrotechnik.

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2 WWU - Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik - 1. Einführung und allgemeine Grundlagen 1 Einführung in die Elektronik/Elektrotechnik 1.Einführung und allgemeine Grundlage 2.Elektronik 2.1Elektronische Bauelemente 2.2Wichtige Baugruppen der Elektronik 2.3 Schaltungsentwicklung 2.4Übungen zur Elektronik 3. Elektrotechnik 3.1Wechselstromlehre 3.2Elektrische Maschinen 3.3Beleuchtungstechnik 3.4Energieversorgungssystem 3.5Übungen zur Elektrotechnik

3 WWU - Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik - 1. Einführung und allgemeine Grundlagen 2 1. Einführung in die allgemeinen Grundlagen der Elektronik und Elektrotechnik Die Beschreibung der elektrischen und magnetischen Erscheinungen stellt unsere Phantasie vor eine weit größere Aufgabe als die Mechanik. Die Bewegungen der Körper sind sichtbar, die Wirkungen der Kräfte können wir spüren. Dagegen wirkt die Elektrizität und der Magnetismus im allgemeinen nicht unmittelbar auf unsere Sinnesorgane. Wir gewinnen zwar mit der Elektrizität ein tiefes Erlebnis, wenn wir mit unseren Fingern die Drahtenden des elektrischen Netzes berühren, aber das ist eine nicht sehr zweckmäßige Art des Studiums der elektrischen Stromkreise. Das Wort Elektrizität hat der Hofarzt der englischen Königin Elisabeth, der im Jahre 1540 geborene Gilbert, eingeführt. Nach ihm hielt man noch etwa 300 Jahre lang die Elektrizität für eine Flüssigkeit, die man durch Reiben aus Körpern herauspressen konnte. Die Anwendung der Elektrizität ist weitaus älter. Die am Ufer des Tigris erfolgten Ausgrabungen haben ungefähr 3000 Jahre alte Tongefäße zu Tage gebracht, in denen sich geätzte Kupferzylinder und Eisenplättchen befanden. Die Spuren deuten darauf hin, daß die Ätzung durch Essig oder Zitronensäure verursacht worden ist. Den Boden der Gefäße bedeckte eine dünne Schicht Bitumen, das bekanntlich ein guter Isolator ist. Man vermutet, daß in solchen Gefäßen auch hauchdünn vergoldete Schmuckstücke galvanisiert wurden. Historisches

4 WWU - Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik - 1. Einführung und allgemeine Grundlagen 3 Nach diesem theoretischen Vorlauf war der Weg für die technische Nutzung der Elektrizität frei. Doch den einzelnen elektrotechnischen Erfindungen wenden wir uns dann zu, wenn die Systeme im weiteren Verlauf behandelt werden. Das 19. Jahrhundert brachte einen rapiden Fortschritt in der Elektrizitätslehre. Faraday war der erste, der statt von einem Fluidum von einem elektrischen und magnetischen Feld sprach entdeckte Faraday die elektromagnetische Induktion entdeckte Oerstedt die Wechselwirkung zwischen elektrischen und magnetischen Erscheinungen gab Ampere das Buch Über die Theorie der elektromagnetischen Erscheinungen heraus und es erschien Ohms Buch von den galvanischen Strömen, in dem er als Erster die Ausdrücke Stromstärke und Widerstand verwendete. Den elektrischen Strom vergleicht er mit der Strömung des Wassers, die Spannung mit der Wasserniveaudifferenz (Höhenunterschied).

5 WWU - Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik - 1. Einführung und allgemeine Grundlagen 4 Aus der Sicht der Allgemeinen Technologie sind elektronische und elektrotechnische Geräte, Maschinen und Anlagen Systeme zur Veränderung von Signal- und Energieflüssen. Dabei sind folgende Varianten möglich: E: nicht elektrischer EnergieflussE el: elektrischer EnergieflussQ: Verlustwärme E el E Q E Q Q S el S E Q E Q E S Q S: nicht elektrisches SignalS el :elektrisches Signal Q: Verlustwärme E: Antriebsenergie

6 WWU - Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik - 1. Einführung und allgemeine Grundlagen 5 Die Systeme der Elektronik und Elektrotechnik verändern also Signal- und Energieflüsse. Die Antriebsgröße für die Strömung der Elektroenergie die elektrische Spannung U und die Strömungsgröße die elektrische Stromstärke I. Die Elementargröße elektrischer Vorgänge ist die elektrische Elementarladung e. Sie kann positiv oder negativ sein. Ihr Betrag ist e = C C: Einheit der Ladung Coulomb Elektrische Vorgänge sind auf nichts anderes als die gerichtete Bewegung von Elementarladungen zurückzuführen. Als geeignete Modellvorstellung kann man sich hierzu Elektronen- oder Ionenströmungen denken. Hat ein Körper Elementarladungen e aufgenommen, dann bezeichnet man diesen Zustand als seine elektrische Ladung Q.

7 WWU - Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik - 1. Einführung und allgemeine Grundlagen 6 Werden Ladungsträger durch Verrichtung von Arbeit W zu verschoben, so baut sich ein elektrisches Feld auf. Das äußere Merkmal ist dabei die Entstehung einer elektrischen Spannung U oder einer sogenannten Spannungsquelle. Elektrische Spannung kann man z.B. durch Reiben eines Plaststabes an einem Wolltuch, durch elektromagnetische Induktion, durch die Kombination von Stoffen mit speziellen chemischen Eigenschaften oder durch den lichtelektrischen Effekt nachvollziehen Die Einheit der elektrischen Spannung ist das Volt (V). Umgerechnete Einheiten sind 10 6 V = 10 3 mV = 1 V = kV Aber Spannungsabfall entsteht, wenn ein Strom durch einen Widerstand fließt. Merke: Spannung und Spannungsabfall haben dasselbe Symbol, die selbe Einheit und werden mit denselben Messgeräten gemessen! Elektrische Spannung

8 WWU - Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik - 1. Einführung und allgemeine Grundlagen 7 Begriffe und Denken S p a n n u n g – S p a n n u n g s a b f a l l _ Q _ + F s Spannung liegt an Spannung fällt ab Spannung wird erzeugt durch:Spannungsabfall wird erzeugt durch: Induktion Elektrochemie Optoelektrik Thermoelektrik Strom durch einen Widerstand R I URUR + _

9 WWU - Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik - 1. Einführung und allgemeine Grundlagen 8 Elektrischer Strom Elektrische Felder sind in der Lage Ladungsträgerströmungen auszulösen. Deren Größe bezeichnet man als elektrische Stromstärke I. Die Einheit der elektrischen Stromstärke ist das Ampere (A). Elektrische Ströme sind immer dann möglich, wenn frei bewegliche Ladungsträger existieren, also in Metallen oder Flüssigkeiten oder Gasen oder im Vakuum. Umgerechnete Einheiten sind: 10 6 A = 10 3 mA = 1 A = kA Merke: Während das Vorhandensein einer elektrischen Spannung immer ein elektrisches Feld voraussetzt, ist jeder elektrische Strom von einem Magnetfeld begleitet.

10 WWU - Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik - 1. Einführung und allgemeine Grundlagen 9 Elektrischer Widerstand Ein elektrischer Strom setzt nicht nur eine Spannung voraus, sondern auch einen elektrischen Stromkreis. Ein solcher Stromkreis besteht aus elektrisch leitfähigem Material, das dem Strom einen Widerstand entgegensetzt. Die Spannung und die Stromstärke verhalten sich an elektrischen Widerständen proportional zueinander. Diesen Zusammenhang hat Ohm entdeckt. Deshalb nennt man ihn Ohmsches Gesetz. U I Dabei ist der Widerstand R der Proportionalitätsfaktor und das Gesetz lautet in der üblichen Schreibweise: Die Einheit des Widerstands ist das Ohm ( ). Umgerechnete Einheiten des Widerstands sind: 10 3 m = 1 = k = M Wie aus der Beziehung hervorgeht, ist der Widerstand als elektrische Größe zu deuten, denn immer, wenn bei einer Spannung oder einem Spannungsabfall ein Strom fließt, ist auch ein Widerstand vorhanden. Andererseits ist der Widerstand auch eine Werkstoffeigenschaft, die sich z.B. in deren Einteilung in Nichtleiter (Isolator), Halbleiter und Leiter ausdrückt. Diese Werkstoffeigenschaft wird als spezifischer elektrischer Widerstand (Rho) oder umgekehrt auch als elektrische Leitfähigkeit (Sigma) bezeichnet.

11 WWU - Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik - 1. Einführung und allgemeine Grundlagen 10 Elektrischer Stromkreis Werden Spannungsquelle und Widerstand miteinander verbunden, entsteht ein elektrischer Stromkreis, der von einem Strom mit der Stromstärke I durchströmt wird. UOUO URUR I + - Die Spannung Uo setzt als energetische Antriebsgröße einen Strom I (Strömungsgröße) in Bewegung. Merke: Physikalische und technische Stromrichtung sind entgegengesetzt Obwohl sich die Ladungsträger, in diesem Fall Elektronen; vom Minuspol (Ladungsträgerüberschuss) zum Pluspol (Ladungsträgermangel) bewegen, wurde als technische Stromrichtung die Bewegung von Plus nach Minus festgelegt. Diese Festlegung muss man bei der Erklärung elektrischer Zusammenhänge konsequent befolgen. Im anderen Fall sind Verwirrungen unvermeidbar! I strömt durch alle Teile eines Stromkreises und erzeugt an allen Widerständen R Spannungsabfälle U R. Wirkungsschema: Uo I U R W: Wird ein Widerstand von einem Strom durchflossen, so fällt über dem Widerstand ein Spannungsabfall ab. R U I

12 WWU - Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik - 1. Einführung und allgemeine Grundlagen 11 U ge s U R3 U R1 U R2 U R1 U R2 U R3 R3R3 R2R2 R1R1 R3R3 R2R2 R1R1 I ges I3+ I2I3+ I2 I3+ I2+I1I3+ I2+I1 Bei Reihenschaltung verhalten sich die Widerstände wie die Spannungsabfälle. Warum ist die Stromstärke bei Reihen- schaltung in jedem Punkt gleich? Für die elektrische Ladung gilt der Erhaltungssatz! Warum ist die Spannung bei Parallelschaltung an allen Widerständen gleich? Sie sind direkt miteinander verbunden! Der Leitungswiderstand wird vernachlässigt. I ges I1I1 Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen I3I3 I2I2 Bei Parallelschaltung addieren sich die Leitwerte G.

13 WWU - Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik - 1. Einführung und allgemeine Grundlagen 12 Elektrische Leistung und Arbeit Stromdurchflossene Widerstände erwärmen sich. Das bedeutet nichts anderes, als dass Arbeit (Stromarbeit) verrichtet wird. Das Produkt aus Spannungsabfall über dem Widerstand und Stromstärke durch den Widerstand ist die Leistung P des Widerstands. Die Einheit der Leistung ist das Watt (W) Die elektrische Arbeit W ist das Maß für die bei der Durchströmung entstandene Wärmemenge. Sie entspricht der Leistung, die über eine bestimmte Zeit erbracht wird. Die Einheit der elektrischen Arbeit ist die Wattsekunde (Ws) und gleichwertig mit dem Joule (J) und dem Nm. Mit Spannung, Stromstärke, Widerstand, Leistung und Arbeit sind die wesentlichen Parameter des elektrischen Systems bestimmt. U I R Wärme Q Verlustleistung

14 WWU - Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik - 1. Einführung und allgemeine Grundlagen 13 Zeitliches Verhalten von Spannung und Stromstärke Je nach Erzeugungsart können Spannungen und Ströme ihre Beträge und ihre Richtung ändern oder nicht. Grundsätzlich werden Gleich- und Wechselspannung bzw. Gleich- und Wechselstrom unterschieden. Diese Größen werden über der Zeit dargestellt. Die folgenden Diagramme zeigen Beispiele für das zeitliche Verhalten von Strömen und Spannungen. Gleichspannungen U t U 1 :Gleichspannung mit konstantem Betrag u 2 : veränderliche Gleichspannung u 3 : Gleichspannungsimpuls Wechselspannungen t +U U 1 periodische Wechselspannung Konstante elektrische Größen werden mit Großbuchstaben bezeichnet (U, I, P). Sind die Größen zeitlich veränderlich und nicht periodisch, verwendet man Kleinbuchstaben (u, i, p) Bei Wechselgrößen ändern sich periodisch oder nicht periodisch die Richtung der Spannung und damit die Richtung des Stromes. -U

15 WWU - Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik - 1. Einführung und allgemeine Grundlagen 14 Die periodische Richtungsänderung der energetischen Größen ist eine wichtige technische Eigenschaft elektrischer Strömungen. Bezieht man die Anzahl der Richtungsänderungen auf die Zeit, so erhält man einen weiteren wichtigen Parameter, die Frequenz f. Die Einheit der Frequenz ist das Hertz (Hz), T ist die Dauer einer Schwingung und wird Periodendauer genannt. Umgerechneter Einheiten:1 Hz = kHz = MHz t +U -U T

16 WWU - Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik - 1. Einführung und allgemeine Grundlagen 15 Prüfen und Messen elektrischer Größen Das Prüfen und Messen erfolgt zur Informationsgewinnung über den Betriebszustand, das Verhalten oder die Einsatzbereitschaft elektrotechnischer und elektronischer Systeme. Ebenso dient es der Qualitätskontrolle, Fehlersuche und experimentellen Bestimmung von Parametern. Prüfen: Vergleichen eines vorhandenen Ist- Zustands mit einem festgelegten Soll- oder Bezugszustand um feststellen, ob diese Vergleichszu­stände im Rahmen einer vorgegebenen Toleranz übereinstimmen. Prüfergebnisse sind daher grundsätzlich Ja - Nein - Entscheidungen. Messen: Vergleichen einer Messgröße X mit ihrer Einheit E, um festzustellen, wie oft E in X einhalten ist. Messen bedeutet also, in der Gleichung X = x E die Zahl x (Maßzahl) zu bestimmen.

17 WWU - Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik - 1. Einführung und allgemeine Grundlagen 16 Messen der Stromstärke Um einen Strom zu messen, muß der Stromkreis grundsätzlich aufgetrennt werden! (Die Stromstärke wird in einem Punkt gemessen:) Ein Stromstärkemesser ist ein Gerät und besitzt deshalb auch Widerstandseigenschaften. Bei der Messung wird der Stromkreis gestört, weil sich durch das Einfügen des Messgerätes der Gesamtwiderstand erhöht. Dadurch wird das Messergebnis verfälscht. Über dem Strommesser selbst fällt, weil er einen Widerstand besitzt, eine Spannung ab. UOUO URUR I + - A Der innere Widerstand R m eines Strommessgeräts soll möglichst klein sein; der Idealfall wäre mit R m = 0 erreicht! Solche Messgeräte gibt es nicht. Bei vielen Anwendungen kann man aber den Innenwiderstand eines Stromstärkemessgerätes vernachlässigen.

18 WWU - Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik - 1. Einführung und allgemeine Grundlagen 17 Messung der Spannung und des Spannungsabfalls Bei einer Spannungsmessung muss der Stromkreis nicht geöffnet werden! I UOUO + - A V Vielmehr wird der Spannungsmesser so geschaltet, dass die Spannung der Spannungsquelle oder der Spannungsabfall über dem Widerstand gemessen wird. Auch Spannungsmesser stören den Stromkreis. Wie aus dem Bild zu erkennen ist, fließt nicht nur ein Strom durch den Widerstand, sondern auch durch den Spannungsmesser. Der innere Widerstand R m eines Spannungsmessers soll möglichst hoch sein; der Idealfall wäre mit R m = erreicht. Zur Messung von Stromstärke und Spannung werden häufig sogenannte elektronische Vielfachmessgeräte oder Multimeter verwendet. Diese sind so ausgelegt, dass die durch ihre Eigenschaften bedingten Messfehler sehr klein sind und überwiegend vernachlässigt werden können. Darüber hinaus bieten sie fast immer die Möglichkeit der Widerstandsmessung.

19 WWU - Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik - 1. Einführung und allgemeine Grundlagen 18 Spannungsquelle und Innenwiderstand Spannungsquellen: Batterien und Akkumulatoren Generatoren und Transformatoren Solarzellen Mikrofone u.a. Gemeinsame Eigenschaft:: Erzeugen elektrische Spannung und bei Belastung, d.h., wenn sie einen Strom liefern sinkt ihre Spannung ab und die Stromstärke ist endlich. Ursache: Spannungsquellen besitzen einen Innenwidersatnd Ri. Ersatzschaltbild: U0U0 Ri Ra U Ra U Ri I U 0 : Leerlaufspannung Ri : Innenwiderstand der Spannungsquelle U Ri : Spannungsabfall über dem Innenwiderstand Ra : Arbeitswiderstand I : Stromstärke U Ra : Spannungsabfall über dem Arbeitswiderstand Aus dem Ersatzschaltbild kann man ablesen: Wenn die Spannungsquelle belastet wird, dann steigt der Spannungsabfall über dem Innenwiderstand, die Klemmenspannung U Ra sinkt im selben Maß.

20 WWU - Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik - 1. Einführung und allgemeine Grundlagen 19 Für eine ideale Spannungsquelle gilt: Ri = 0. Folge: Eine von der Belastung unabhängige konstante Ausgangsspannung. Das ist technisch in Grenzen möglich. Hierbei ändert sich der Innenwiderstand Ri in Abhängigkeit von der Belastung. Jede Spannungsquelle ist, wenn sie belastet wird, auch gleichzeitig eine Stromquelle. Im Kurzschlußfall wird der Strom nur durch den Innenwiderstand begrenzt. Für diesen Fall gilt: U0U0 Ri U Ri IKIK Das bedeutet, daß an den Klemmen der Spannungsquelle keine Spannung messbar ist. Diese sind ja auch kurz geschlossen, dh. Ra = 0. Merke: Ist der Innenwiderstand Ri der Spannungsquelle gegenüber dem Arbeitswiderstand Ra klein, dann betrachtet man die Energiequelle als Spannungsquelle. Ist der Innenwiderstand Ri der Spannungsquelle gegenüber dem Arbeitswiderstand Ra groß, dann betrachtet man die Energiequelle als Stromquelle.

21 WWU - Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik - 1. Einführung und allgemeine Grundlagen 20 Aufgaben 1 – 3 zur Elektronik 1. Welchen inneren Widerstand hat eine Batterie, deren Leerlaufspannung 4,5 V beträgt und aus der über einen Widerstand von 12 ein Strom von 350 mA entnommen wird? (Ri = 0,857 ) 2.Eine LED soll mit einer Spannung von U = 6V betrieben werden. Das ist nicht möglich, weil die Flussspannung der LED mit U F = 2 V nicht überschritten werden darf. Ihre Stromstärke beträgt 15 mA. Mit einem Vorwiderstand wäre das Problem zu lösen. Wie groß muss sein Widerstandswert sein und für welche Verlustleistung muss er ausgelegt sein? (R V = 266,66 ; P = 60 mW) 3. Eine frische Batterie (Leerlaufspannung = 4,5 V) liefert bei Kurzschluss einen Strom von 5 A. Wie groß ist der innere Widerstand? Welchen Wert hat der innere Widerstand, wenn die Batterie verbraucht ist, weil nur noch ein Kurzschlussstrom von 20 mA fließt? (R 1 = 0,9 ; R 2 = 225 )


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