# Curso de alemán para avanzados con audio/Lección 019

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Elektrotechnik

## Der Stromkreis

* Ein elektrischer Stromkreis ist eine Zusammenschaltung einer oder mehrerer elektrischer Energiequellen und verschiedener elektrischer Bauelemente.
* In einem geschlossenen Stromkreis sind die Bauelemente so miteinander verbunden, dass ein Ladungstransport (elektrischer Strom) ermöglicht wird.
* Ist dies nicht der Fall, spricht man von einem unterbrochenen Stromkreis.
* Dies kann beispielsweise unbeabsichtigt durch einen so genannten Wackelkontakt, eine fehlende Leitung oder beabsichtigt durch einen elektrischen Schalter erfolgen.
* In Abbildungen werden Stromkreise meist als Schaltbil dargestellt.
* Einfache Elemente in in einem Stromkreis sind beispielsweise Batterien, Glühlampen, Widerstände, Strommessgeräte, Schalter,
Dioden, Kodensatoren oder Gleichrichter
* In einem geschlossenen Stromkreis kann Strom fließen.
* Ist der Stromkreis nicht beschlossen, z. B. weil ein Schalter geöffnet ist, dass kann kein Ladungstransport erfolgen.

### Elektrische Energiequelle

* Als elektrische Energiequellen kommen Spannungsquellen und Stromquellen infrage.
* Spannungsquellen liefern an ihrem Ausgang eine näherungsweise konstante, vom jeweiligen Verbraucher unabhängige elektrische Spannung.
* Diese Energiequellen sind weit verbreitet (Netzsteckdose, Batterie).
* Stromquellen liefern dagegen an ihrem Ausgang einen näherungsweise konstanten, vom jeweiligen Verbraucher unabhängigen Strom.
* Diese Quellen sind selten anzutreffen (Labornetzteil im Zustand der Strombegrenzung, Solarzellen).
* Werden die Pole einer Spannungsquelle nicht durch elektrische Bauelemente, sondern durch einen Leiter ohne nennenswerten Widerstand miteinander verbunden, kommt es zum Kurzschluss.
* Bei einem Kurzschluss kann unter Umständen ein hoher Strom mit Lebensgefahr fließen.
* Die Höhe des Kurzschlussstroms hängt dann nur von dem Innenwiderstand der Spannungsquelle ab.

### Reihenschaltung

* Eine reine Reihenschaltung beinhaltet keinen Stromzweig, eine Parallelschaltung stellt dagegen immer eine Verzweigung dar.
* Das zweite wesentliche Schaltschema elektrischer Bauteile neben der Reihenschaltung ist die Parallelschaltung.
* Jede kompliziertere Schaltung lässt sich auf diese zwei Grundschaltungen zurückführen und gemäß der kirchhoffschen Regeln beschreiben.
* Die Reihenschaltung beschreibt in der Elektrotechnik und Elektronik die Hintereinanderschaltung zweier oder mehrerer Bestandteile in einer Schaltung.
* Je nach Anwendung werden Reihenschaltungen auch Spannungsteilerschaltung genannt.
* Zwei Schaltelemente sind in Reihe geschaltet, wenn deren Verbindung keine Abzweigung aufweist.
* Damit werden beide vom selben Strom durchflossen.
* Die Reihenschaltung kann auch als Hintereinanderschaltung bezeichnet werden.
* Die Anzahl der in Reihe geschalteten Elemente ist beliebig.
* Sind zwei Bauteile in entgegengesetzter Polung (zum Beispiel Dioden) in Reihe geschaltet, spricht man auch von Antiseriell-Schaltung.
* Analog der englischen Bezeichnung series circuit werden inzwischen anstelle des Begriffs Reihenschaltung bzw. des Ausdrucks in Reihe geschaltet häufig die Ausdrücke Serienschaltung bzw in Serie geschaltet verwendet.
* Ursprünglich wurden Schaltungen in der Hausinstallation, die einen Serienschalter enthalten, als Serienschaltung bezeichnet.

### Parallelschaltung

* Die Parallelschaltung – auch Nebenschaltung genannt – beschreibt in der Elektrotechnik und Elektronik eine Art der Schaltung der Elemente (Zweipole) in einem Schaltkreis.
* Bauteile sind parallelgeschaltet, wenn alle ihre gleichnamigen Pole jeweils miteinander verbunden sind.
* Die Anzahl der parallelgeschalteten Elemente ist beliebig.
* Sind (zum Beispiel bei Dioden) die ungleichnamigen Pole miteinander verbunden, spricht man auch von einer antiparallelen Verschaltung.
* An allen Elementen einer Parallelschaltung liegt der gleiche Potential-Unterschied (Spannung).
* Daher kann man durch Parallelschalten mehrerer elektrischer Verbraucher die Gesamtleistung erhöhen (Beispiel: zwei parallele 60-Watt-Lampen verbrauchen zusammen 120 W).
* Bei einer Parallelschaltung mit mehreren Elementen liegt an allen Verbrauchern die gleiche Spannung, auch wenn deren Stromaufnahme unterschiedlich ist.
* In der Parallelschaltung können einzelne Elemente hinzugefügt oder entfernt werden (z. B. durchbrennen), ohne dass die anderen Elemente ausfallen.
* Ein typisches Beispiel für eine Parallelschaltung ist die Netzspannungsversorgung (im Haushalt 230 V), wobei alle Geräte für diese Spannung ausgelegt werden, unabhängig von deren Leistungsaufnahme.

### Kondensator

* Ein Kondensator ist ein passives elektrisches Bauelement.
* Er hat die Fähigkeit, elektrische Ladung und damit zusammenhängend Energie zu speichern.
* Der Name des Kondensators leitet sich vom lateinischen Wort für ‚verdichten‘ ab.
* Die Fähigkeit, Ladung zu speichern, wird als elektrische Kapazität bezeichnet.
* Die Maßeinheit für die elektrische Kapazität ist Farad, eine SI-Einheit.
* Kondensatoren wirken Spannungsänderungen aufgrund ihrer Ladungsspeicherfähigkeit entgegen, während eine Spule Stromänderungen entgegenwirkt.
* Merksatz: „Kondensator: Strom eilt vor. Induktivitäten: Ströme sich verspäten.“
* Die technische Ausführung von Kondensatoren besteht aus zwei elektrisch leitenden Flächen.
* Diese beiden Flächen haben meist nur einen geringen Abstand voneinander. Sie werden als Elektroden oder auch auch als Kondensatorbeläge bezeichnet.
* Zwischen den beiden Kondensatorflächen befindet sich immer ein isolierender Bereich, ein Dielektrikum.
* Bei den meisten Bauformen werden die Elektroden und das Dielektrikum aufgerollt oder als Stapel angeordnet.
* Kondensatoren werden in vielen elektrischen Anlagen und in fast jedem elektronischen Gerät eingesetzt.
* Sie realisieren beispielsweise elektrische Energiespeicher, Blindwiderstände oder frequenzabhängige Widerstände.
* Spezielle Bauformen von Kondensatoren werden als Sensor verwendet.
* Bei besonderen Konfigurationen sind nichtlineare Kondensatoren bekannt.
* Ein Kapazitätsnormal ist ein Kondensator mit höchster absoluter und relativer Kapazitätskonstanz gegenüber Temperaturänderungen und Alterung.
* Zusätzlich werden meist noch höchste Anforderungen an die elektrische Güte über einen großen Einsatzfrequenzbereich sowie an die dielektrische Absorption des verwendeten Dielektrikums von weniger als einigen Mikrovolt gefordert.
* Auch Thermospannungen sind hier unerwünscht.
* Diese Eich-Kapazitätsnormale werden zur Kalibrierung (Abgleich) hochwertiger Messgeräte, wie z. B. Präzisions-RLC-Messbrücken eingesetzt bzw. befinden sich in diesen Geräten.
Funktonsweise:
* Ein elektrischer Stromfluss durch einen Kondensator hindurch lädt eine der Elektroden positiv, die andere negativ auf.
* Allgemein ausgedrückt, wird die auf den Elektroden gebildete Ladung vom Kondensator gespeichert.
* Zwischen den beiden Elektroden des Kondensators fließt der Strom als Verschiebungsstrom, der mit einer entsprechenden Änderung der elektrischen Feldstärke einhergeht.
* Ein weiterer Stromfluss gegen die sich aufbauende Spannung erhöht die innere Energie des Kondensators.
* Wird der Kondensator von der Stromquelle getrennt, so bleiben Energie und Ladungen erhalten, die Spannung bleibt konstant.
* Wird durch Umkehr der Stromrichtung Energie entnommen, sinkt die Spannung wieder.
* Ist der Raum zwischen den Elektroden mit einem Dielektrikum ausgefüllt, so besteht der Verschiebungsstrom zusätzlich zu dem Anteil durch die Änderung der Feldstärke aus sich tatsächlich bewegenden Ladungen des Materials.
* Diese Ladungen sind aber nicht frei beweglich, sodass das Material polarisiert wird.
* Bei kleinen Feldstärken wächst die Polarisation linear.
* Dann wird der Einfluss des Isolators durch seine Dielektrizitätszahl beschrieben und die gespeicherte Ladung ist proportional zur Spannung.
* Die Proportionalitätskonstante wird als Kapazität bezeichnet; sie ist das wesentliche Merkmal eines Kondensators.
* Je größer die Kapazität ist, desto mehr Ladung und Energie kann ein Kondensator bei einer bestimmten Spannung speichern.
* Wichtig ist die Maximalspannung, die ein Kondensator zwischen seinen Elektroden ertragen - die sogenannte Spannungsfestigkeit.
Geschichte:
* Die Leidener Flasche ist die älteste Bauform eines Kondensators (Kapazität etwa 5 nF).
* Sie besteht aus einem Glasgefäß, das innen und außen mit Metallfolie, meist aus Aluminium, belegt ist.
* Das Glas wirkt als Isolator, später „Dielektrikum“ genannt.
* Plattenkondensatoren erlauben in einer modifizierten Ausführung sehr hohe Kapazitäten pro Volumen.
* Indem man die jeweils mit einem Potential verbundenen Elektroden abwechselnd aufeinander gestapelt, werden sie doppelt wirksam.
* Vielschichtkondensator
* Sind die Platten als Metallfolie oder -film ausgeführt, können sie bei einem geeigneten Isolator auch aufgewickelt werden, auch dabei verdoppelt sich die Wirkung.
* Aufgrund seiner kompakten Bauform ist das der gebräuchlichste Kondensator.
* Zylinderkondensatoren werden meist nur bei speziellen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise als Vakuum- oder Durchführungskondensator.
* Kugelkondensator
* Bei Kugelkondensatoren ist insbesondere der Spezialfall, R_2 \to \infty von Bedeutung, die Kapazität einer freistehenden Kugel.
* Hier wird die Gegenelektrode durch die Umgebung gebildet, sie liegt deshalb gewöhnlich auf Erdpotenzial.
* Die Kapazität dieser Bauform ist sehr gering. So hat eine Kugel mit einem Radius von 15 cm, theoretisch eine Kapazität von ca. 16,7 pF.
* In der Praxis ist die Kapazität jedoch höher, weil die Gegenelektrode (Erde) nicht unendlich weit entfernt ist.
Anwendungen: Energie- und Ladungsspeicher, frequenzabhängiger Widerstand, Wandler, Informationsspeicher, Sensoren:
* Eine typische Anwendung in der Leistungselektronik bilden Zwischenkreiskondensatoren in Schaltnetzteilen und Umrichtern.
* Hier übernimmt eine Schaltung (zum Beispiel Gleichrichter, Vierquadrantensteller) die Gleichrichtung von Wechselstrom, dieser Schaltungsteil agiert als Stromquelle.
* Ein zweiter Schaltungsteil agiert als Senke (zum Beispiel Wechselrichter).
* Der Zwischenkreiskondensator hat die Aufgabe, den pulsierenden Strom aus dem Gleichrichter aufzunehmen und dem Wechselrichter eine ausreichend konstante Spannung zuzuführen.
* Je größer seine Kapazität desto kleiner die Spannungsänderung durch die Stromentnahme zwischen den Ladepulsen.
* Die gleiche Funktion haben auch die Glättungskondensatoren am Ausgang von Gleichspannungswandlern und in Gleichspannungsnetzteilen, sie halten deren Brummspannung möglichst klein.
* In ähnlicher Weise können Kondensatoren zeitlich begrenzt hohe Leistung bereitstellen.
* Sie werden auf eine bestimmte Spannung aufgeladen und können dann Verbraucher mit hohem kurzzeitigem Leistungsbedarf antreiben.
* Beispiele dafür sind die Hochspannungs-Kondensatorzündung bei Verbrennungsmotoren und in der Waffentechnik der „exploding-bridgewire detonator“.
* Eine typische Anwendung findet man in Blitzlichtgeräten.
* Ein Kondensator wird mit Hilfe eines Spannungswandlers innerhalb von einigen Sekunden aus einer Batterie bis etwa 400 V aufgeladen.
* Nach Zündung der Blitzröhre entlädt sich der Kondensator innerhalb einiger Mikrosekunden und liefert dabei eine Leistung von einigen Kilowatt.
* Die Batterie selbst kann wegen ihres hohen Innenwiderstandes unmöglich so viel Leistung zur Verfügung stellen.
* Stützkondensatoren dienen zur Stabilisierung der Versorgungsspannung in hochfrequenten und komplexen digitalen Schaltungen.
* Hier werden zu jedem Integrierter Schaltkreis oder Schaltungsabschnitt ein oder mehrere Kondensatoren parallel zur Versorgungsspannung geschaltet, die als Spannungs- oder Energiequelle in Momenten hohen Strom- bzw. Leistungsbedarfs wirken.
* In der Energietechnik werden spezielle Leistungskondensatoren dazu genutzt, um die Phasenlage zwischen Strom und Spannung eines Wechselstromes zu ändern.
* Werden in mittleren und großen Industrie- und Werksanlagen viele leistungsstarke Elektromotoren, Leuchtstoffröhrendrosseln und Transformatoren betrieben, kommt es aufgrund von deren Gesamtinduktivität zu einem erheblichen induktiven Blindstrom, der bei Nichtkompensation die Energierechnung drastisch erhöhen und außerdem größere Leitungsquerschnitte der Stromleitungen innerhalb der Energieverteilung des Werkes bis hin zum Elektrizitätswerk erzwingen würde.
* Eine weitere Anwendung findet der Kondensator in einem Kondensatormotor, bei dem er zusammen mit einer Feldspule des Motors die Phasenlage des Wechselstroms verschiebt, wodurch letztendlich ein magnetisches Drehfeld erzeugt wird.
* Die Frequenzabhängigkeit des Wechselstromwiderstands wird benutzt, um Wechselspannungen frequenzabhängig anzuheben oder abzusenken, zu „filtern“.
* Eine einfache Schaltung ist das RC-Glied, das je nach Schaltung als Hoch- oder Tiefpass wirkt.
* Die sich an einem Kondensator aufbauende Spannung ist proportional dem Integral des Ladestromes über die Zeit.
* Auf diese Weise werden Kondensatoren zur Festlegung von Schaltzeiten genutzt, zum Beispiel bestimmt ein Kondensator die Schaltzeiten einer astabilen Kippstufe.
* Dazu wird ein Kondensator über eine Stromquelle geladen; seine Spannung nimmt proportional zur verstrichenen Zeit zu.
* Sobald die Spannung einen bestimmten Wert überschreitet, erfolgt ein Zustandswechsel der Schaltung.
* Der Ladungszustand eines Kondensators kann Information in digitaler oder analoger Form repräsentieren.
* Analoge Informationsspeicherung mittels eines Kondensators findet beispielsweise in der Abtast-Halte-Schaltung statt.
* Während der Abtastphase wird ein Kondensator mit einer Eingangs-Signalspannung verbunden, von welcher er während der Haltephase getrennt wird.
* Der Spannungswert steht dann zur Weiterverarbeitung, typischerweise einer Analog-Digital-Wandlung (ADC), konstant zur Verfügung.

### Kennlinie

* Eine Kennlinie ist eine graphische Darstellung von zwei voneinander abhängigen physikalischen Größen, die für ein Bauteil, eine Baugruppe oder ein Gerät kennzeichnend ist.
* Die Kennlinie wird als Linie in einem zweidimensionalen Koordinatensystem dargestellt.
* Das Kennlinienfeld oder kurz Kennfeld stellt mehrere Kennlinien in Abhängigkeit von weiteren Eingangsgrößen (Parameter) in Form mehrerer Kennlinien oder in einem dreidimensionalen Koordinatensystem dar.
* Ein Beispiel für eine Kennlinie ist die Abhängigkeit des durch eine Diode fließenden elektrischen Stroms von der elektrischen Spannung.
* Wird zusätzlich die Temperatur der Diode als Parameter hinzugenommen, wird daraus ein Kennlinienfeld, das aus mehreren, bestimmten Temperaturen zugeordneten Strom-Spannungs-Kennlinien besteht.
* In der Regelungstechnik beschreibt die Kennlinie das statische Verhalten eines Systems.
* Kennlinien dienen in der Praxis u. a. zur Festlegung des Arbeitspunktes, zur Bestimmung einer linearen Näherung in einem bestimmten Punkt der Kennlinie (Anstieg, Steigung).
* Weiterhin kann sie zur Bestimmung der Verlustleistung eines Bauteiles oder zur Korrektur des von einem Sensor ausgegebenen Signals dienen.
* Besonders wichtig sind Kennlinien bei nichtlinearen Bauteilen und Systemen.
* Kennlinien können durch mathematische Funktionen angenähert werden, um sie analytisch darstellen zu können.
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