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2022 | Buch

Elektrodynamik – die beste Theorie der Welt verstehen Kapitel lesen Erstes Kapitel lesen

Prüfungstrainer Elektrotechnik

Erst verstehen, dann bestehen

verfasst von: Prof. Dr. Martin Poppe

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Dieses Buch soll helfen, Prüfungen auf dem Gebiet der Elektrotechnik zu bestehen. Die 4. Auflage wurde aktualisiert, vollständig überarbeitet und bietet den Zugang zu mehr als 300 elektronischen Karteikarten („Flash Cards“), mit deren Hilfe die Kenntnis elementarer elektrotechnischer Begriffe und Zusammenhänge gefestigt werden kann. Das Buch enthält 160 Fragen aus mündlichen Prüfungen und verständlich begründete Antworten sowie mehr als 200 nach Schwierigkeitsgrad geordnete Klausuraufgaben. Zu diesen Aufgaben werden ausführliche Lösungen vorgerechnet und Lösungsstrategien vermittelt.

Zu jedem der acht Themengebiete werden in einem Theorieteil die grundlegenden Zusammenhänge erläutert. Über 300 Abbildungen helfen dem Verständnis und vollständig durchgerechnete aktuelle Praxisbeispiele veranschaulichen den Stoff.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Elektrodynamik – die beste Theorie der Welt verstehen
Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird die Verbindung von Physik und Elektrotechnik beschrieben. Es werden die grundlegenden Begriffe Ladung, Strom, elektrisches und magnetisches Feld und Spannung eingeführt. Hinzu kommen die in den vier Maxwell-Gleichungen zusammengefassten elementaren Zusammenhänge, auf denen die gesamte Elektrotechnik beruht. Das Kapitel beschreibt ein ebenso einfaches wie universell anwendbares Verfahren, Materie in den Maxwell-Gleichungen zu berücksichtigen. Und es zeigt, wo die klassische Elektrodynamik an ihre Grenzen stößt.
Die Diskussion der Auswirkung der Verwendung neuer Materialien im Flugzeugbau auf die Passagiersicherheit bei Blitzschlag dient als Praxisbeispiel.
Martin Poppe
2. Passive Bauelemente – den Strom zum Helfer machen
Zusammenfassung
Die elektrischen und magnetischen Eigenschaften der Materie und deren Behandlung im Rahmen der Maxwell’schen Gleichungen bilden die Grundlage der Konstruktion von Bauelementen, die heute passiv genannt werden. Ausgehend von den Materialeigenschaften werden die Brechungsgesetze für statische Magnetfelder hergeleitet und so die Erhaltung des magnetischen Flusses in Ferromagnetika begründet. Darauf aufbauend folgen zwei Techniken, Magnetfelder in einfachen Geometrien zu bestimmen.
Das grundsätzliche Verhalten der Bauelemente Widerstand, Kondensator und Spule wird sowohl reell als auch in der komplexen Ebene beschrieben. Es folgt die Beschreibung von Parasitärelementen, deren Modellierung, Quantifizierung durch Güte und Verlustwinkel, sowie deren Einfluss auf das Frequenzverhalten.
Martin Poppe
3. Halbleiter-Bauelemente – durch Verunreinigung Perfektion erreichen
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden Halbleiter-Materialien, ihre Eigenschaften und deren Modifizierung durch das Dotieren beschrieben. Ausgehend von der Bänderstuktur der Halbleiter wird das Verhalten von PN-Übergängen, Halbleiter-Metall Kontakten und deren Durchbruchmechanismen diskutiert. Darauf aufbauend werden die Funktionen und die Kennlinien von Solarzellen, PN-, Schottky- und Zener-Dioden beschrieben. Es folgen Kennlinien und Betriebszustände der Bipolar Transistoren. Die Funktion und die Kennlinie des MOS Transistors inklusive der neuen 3D Transistoren werden aus den Eigenschaften des Dünnoxyd-Kondensators hergeleitet.
Es werden Modelle für vereinfachte Schaltungsberechnungen vorgestellt und diskutiert. Mit Hilfe dieser Modelle werden Tests auf die jeweiligen Betriebszustände entwickelt.
Es folgt die Beschreibung der Funktionsweise und Einsatzfelder von Thyristoren, Leistungstransistoren und IGBTs.
Martin Poppe
4. Lineare elektrische Netze – dem Strom einen Weg bahnen
Zusammenfassung
Der Einführung in die Begriffswelt der Schaltpläne folgt die Diskussion von Strom- und Spannungspfeilen und deren Bedeutung als Koordinatensysteme. Hieraus folgt eine wenig bekannte, aber sehr einfache Methode zur Bestimmung der richtigen Vorzeichen der Bauelementegleichungen von Energieerzeugern und -verbrauchern. Die Kirchhoff’schen Regeln werden aus Erhaltungssätzen hergeleitet. Es wird gezeigt, welche Schaltungen auf reale Strom- und Spannungsquellen zurückgeführt werden können und wie deren Leistung maximiert wird.
Die Netzwerkberechnung wird auf Basis des Knotenpotenzial-Verfahrens, des Maschenstrom-Verfahrens und des Überlagerungsverfahrens diskutiert. Es wird gezeigt, wie mit Ausnahmen umgegangen wird und wann welches Verfahren das beste ist.
Martin Poppe
5. Wechselstromnetze – beliebige Spannungen erzeugen
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden die grundlegenden Konzepte zur Beschreibung von Phänomenen in Wechselstromnetzen in einfacher und in komplexer Notation dargelegt. Dazu gehören Parallelersatzwiderstände, Effektivwerte, Scheinleistung und Blindleistungskompensation ebenso wie die komplexe Leistungsanpassung. Die Transformatorgleichungen und deren Eigenschaften werden hergeleitet.
Auf ihrer Basis wird gezeigt, unter welchen Randbedingungen die Näherung des idealen Transformators benutzt werden kann. Der Einfluss von Verlustbringern wird ebenso behandelt wie der Mechanismus der Stromverdrängung. Als Praxisbeispiel wird der Zündtransformator eines Automobils beschrieben. Die Eigenschaften des Drei-Phasen-Wechselstromes und deren Ausnutzung in Stern- und Dreieckschaltungen werden analysiert und damit Hausnetze erklärt.
Martin Poppe
6. Frequenzselektion durch Zwei- und Vierpole – die guten Signalanteile herausfiltern
Zusammenfassung
Anhand von Parallel- und Reihenschwingkreisen werden die Begriffe Güte, Grenzfrequenz, Bandbreite und Verstimmung eingeführt. Es wird erklärt, wie Parallelersatzwiderstände die Berechnungen realer Schwingkreise erleichtern und unter welchen Umständen dies möglich ist.
Von einfachen RC-Pässen werden die Übertragungsfunktionen berechnet und als Bode-Diagramme dargestellt. Es werden Tipps für die schnelle und sichere Berechnung solcher Pässe gegeben. Die Vierpoltheorie wird als Verallgemeinerung der Übertragungsfunktion entwickelt. Die verschiedenen Matrizendarstellungen und Begriffe wie Eingangsimpedanz oder Stromübertrag werden eingeführt. Die Wellenparameterdarstellung stellt sich als natürliche Darstellungsform symmetrischer Vierpole heraus. Als Praxisbeispiel wird das Hochfrequenzverhalten von Leitungen (Telegraphengleichungen) aus der Vierpoltheorie hergeleitet.
Martin Poppe
7. Transistorschaltungen – mit kleinen Strömen viel bewegen
Zusammenfassung
Im Rahmen der Diskussion von Emitter-, Kollektor- und Basisschaltung werden die Begriffe Strom- und Spannungsverstärkung eingeführt. Es wird gezeigt, wie die Großsignalanalyse die Arbeitspunkte und die Kleinsignalanalyse die Verstärkereigenschaften liefert. Hierzu werden vereinfachende Rechentipps gegeben.
Eine Diskussion der Einflüsse von Temperatur- und Parameterschwankungen führt zu Dimensionierungsbedingungen und zu den Techniken der Strom- uns Spannungsgegenkopplung. Eine Diskussion der Erweiterung des Anwendungsspektrums durch Darlington-Schaltungen und Schottky- Transistoren beschließt diesen Teil.
Als einfachste MOS Schaltung wird der Inverter sowie dessen Dimensionierung und Kennlinie beschrieben. Ein Anwendungsbeispiel ist seine Verwendung in einem Quarz-Oszillator. Anhand des Transfer Gatters (elektronischer Schalter) wird gezeigt, wie MOS Transistoren im laufenden Betrieb nicht nur ihre Arbeitszustände, sondern auch die Bedeutung von Source- und Drain-Anschlüssen wechseln können. Zum Schluss wird die Funktion eines Master-Slave Flipflops behandelt.
Martin Poppe
8. Operationsverstärker – Sensorsignale nutzbar machen
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden die Eigenschaften, der Aufbau und exemplarische Anwendungen von Operationsverstärkern gezeigt. Aus den Forderungen an einen Operationsverstärker (kurz: OP) wird die Aufteilung in Differenz-, Verschiebungs- und Endstufe abgeleitet. Es werden die Unterschiede zwischen bipolaren Verstärkern und CMOS Verstärkern aufgezeigt.
Anhand der Vereinfachung des idealen Operationsverstärkers werden Techniken zur Schaltungsberechnung eingeführt. Diese werden benutzt um aktive Filter höherer Ordnung zu konstruieren. Dabei werden verschiedene Topologien von der reinen Lasttrennung bis zur Sallen-Key Struktur diskutiert.
Es wird gezeigt, mit welchen Maßnahmen sichergestellt wird, dass Schaltungen mit realen Operationsverstärkern ähnlich funktionieren wie die mit idealen. Dabei werden die Slew Rate, Verzögerungszeiten, Offset-Spannung und endliche Verstärkung berücksichtigt. Als Anwendungsbeispiel dient eine einfache Lambda-Sonden Anbindung an die KFZ Elektronik.
Martin Poppe
Backmatter
Metadaten
Titel
Prüfungstrainer Elektrotechnik
verfasst von
Prof. Dr. Martin Poppe
Copyright-Jahr
2022
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-65002-8
Print ISBN
978-3-662-65001-1
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-65002-8

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