Kapitel 1 Kapitel 2 Kapitel 3 Kapitel 4 Kapitel 5 Kapitel 6 Kapitel 7 Kapitel 8 Kapitel 9 Kapitel 10 Kapitel 11 Kapitel 12 Kapitel 13 Kapitel 14

Spezielle Themen

Messtechnik Operationsverst. Schrittmotor

Inhaltsverzeichnis

Das Buch besteht aus mehr als 1000 Seiten. Da sich die meisten Leser nicht für alle Themen interessieren dürften, habe ich es in fünf Teile mit verwandten Inhalten gegliedert.

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Teil 1/5

1 VON DER REALITÄT ZUR SIMULATION	14
1.1 DIE SIMULATIONS-VORAUSSETZUNGEN	15
1.1.1 Bauplan und Struktur	16
1.1.2 Analogien	18
1.2 SCHNELLEINSTIEG IN SIMAPP	19
1.2.1 Das Zeichnungs-Fenster	20
1.2.2 Signal-Wandler	24
1.2.3 Eine Struktur zeichnen	27
1.2.4 Fehlerquellen	32
1.2.5 Simulationen im Zeit-Bereich	34
1.2.6 Parameter-Variation	38
1.2.7 Simulationen im Frequenz-Bereich	38
1.2.8 Block-Bildung	44
1.3 FORMELN BERECHNEN	49
1.3.1 Träger auf zwei Lagern	49
1.3.2 Mittelwerte	51
1.3.3 Die Sinus-Schwingung	52
1.3.4 Effektiv-Werte	55
1.4 SIMULATION VON GLEICHRICHTER-SCHALTUNGEN	59
1.4.1 Die Diode als Gleichrichter	63
1.4.2 Gleichrichter-Schaltungen	66

2 SIGNAL-VERARBEITUNG - STATISCH	72
2.1 ZWEIPOLE	74
2.1.1 Lineare und Nicht-Lineare Systeme	75
2.1.2 Spannungs- und Stromquellen	76
2.1.3 Mit- und Gegenkopplung	78
2.1.4 Der Schmitt-Trigger	82
2.1.5 Ein Rechteck-Oszillator	84
2.2 SERIEN- UND PARALLELSCHALTUNGEN	85
2.2.1 Serien-Schaltungen	85
2.2.2 Parallel-Schaltungen	87
2.2.3 Verlegung von Verzweigungs- und Summierstellen (Entflechtung)	89
2.3 VIERPOLE	93
2.3.1 Der Spannungs-Teiler	95
2.3.2 Das Überlagerungs-Prinzip	98
2.4 DER ELEKTRO-MOTOR	100
2.4.1 Der ideale Motor und Generator	101
2.4.2 Tacho-Generatoren	102
2.4.3 Der reale Elektro-Motor und -Generator	106
2.4.4 Drehzahl-Steuerung	112
2.5 EINFÜHRUNG IN DIE REGELUNGS-TECHNIK	118
2.5.1 Kompensation	118
2.5.2 Drehzahl-Regelung	124
2.5.3 Statische Berechnung von Regelkreisen	125
2.5.4 Die Optimierung eines P-Reglers	129

3 SIGNALVERARBEITUNG – DYNAMISCH	138
3.1 KINEMATIK UND KINETIK	140
3.1.1 Testsignale	141
3.1.2 Das Dreieck	143
3.1.3 Der Sprung (Schritt)	144
3.1.4 Der Sinus	144
3.2 DIFFERENZIERUNG (=ABLEITUNG)	146
3.2.1 Differenzierung einer Sinus-Schwingung	148
3.2.2 Differenzierer mit einstellbarer Zeitkonstante	150
3.3 INTEGRATION	151
3.3.1 Integration einer Sinus-Schwingung	155
3.3.2 Integration mit einstellbarer Zeitkonstante	157
3.4 KOMPLEXE RECHNUNG	159
3.4.1 Komplexe Zahlen	159
3.4.2 Differenzierung und Integration im Zeit- und Frequenz-Bereich	161
3.4.3 Zusammenfassung von Frequenzgängen	163
3.4.4 Der normalisierte Frequenzgang	165
3.4.5 Das Bode-Diagramm	168
3.4.6 Das dezi-Bel (dB)	169
3.4.7 Die Basis-Systeme P, I und D	172
3.5 ELEKTRISCHE SYSTEME 1.ORDNUNG	173
3.5.1 Aktive Systeme 1.Ordnung	173
3.5.2 Passive Systeme 1. Ordnung	174
3.5.3 Differenzierer oder Integrator?	182
3.5.4 Frequenzgang und Sprungantwort eines Systems 1.Ordnung	183
3.6 ELEKTRISCHE SYSTEME 2.ORDNUNG	186
3.6.1 Frequenzgang und Sprungantwort eines Systems 2.Ordnung	193
3.6.2 Dämpfung und Überschwingen	195
3.6.3 Elektrische Zeitkonstanten	200
3.6.4 Trägheitsnavigation	201

Teil 2/5

4 ELEKTRIZITÄT	9
4.0.1 Elektrische und magnetische Felder	12
4.1 DAS ELEKTRISCHE STRÖMUNGSFELD	15
4.1.1 Der elektrische Widerstand	15
4.1.2 Temperatur-abhängige Widerstände	21
4.2 DAS ELEKTROSTATISCHE FELD	24
4.2.1 Der Kondensator	26
4.2.2 Der Kondensator als statischer Speicher	28
4.2.3 Die elektrostatische Energie	31
4.2.4 Der ladungs- und der spannungs-gesteuerte Kondensator	32
4.3 ELEKTRO-MAGNETISMUS	36
4.3.1 Magnetische Felder	36
4.3.2 Funkenlöschung	40
4.3.3 Das Durchflutungs-Gesetz	42
4.3.4 Magnetische Leitwerte	46
4.3.5 Magnetische Widerstände	49
4.3.6 Die Induktivität	53
4.3.7 Dia-Magnetismus	61
4.3.8 Ferro-Magnetismus	65
4.3.9 Messung des magnetischen Flusses	75
4.3.10 Generator und Transformator	88
4.4 MAGNETISCHE KRÄFTE	90
4.4.1 Elektro-magnetische Energie	90
4.4.2 Die magnetische Polstärke	93
4.4.3 Die Lorentzkraft	94
4.4.4 Relais	97
4.4.5 Elektro-magnetische Drehmomente	100
4.4.6 Wirbelströme	113

5 ELEKTRISCHE MASCHINEN	118
5.0.1 Motor und Generator	120
5.1 DER GENERATOR-BETRIEB	122
5.1.1 Der Generator als Vierpol	124
5.2 DER STROMGESTEUERTE MOTOR	126
5.2.1 Simulation des Strom-gesteuerten Motors	128
5.2.2 Der stromgesteuerte Motor als Vierpol	129
5.2.3 Die Frequenzgänge des Strom-gesteuerten Motors	129
5.3 DER SPANNUNGSGESTEUERTE MOTOR	132
5.3.1 Der spannungsgesteuerte Motor als Vierpol	134
5.3.2 Die Frequenzgänge des Spannungs-gesteuerten Motors	135
5.3.3 Motor- und Generator-Parameter	138
5.3.4 Der Motor als Anwender-Block	139
5.3.5 Drehzahlsteuerung mit Lastmoment-Aufschaltung	143
5.3.6 Motor mit Haftreibung	144
5.4 WINDKRAFT-ANLAGEN (WKA’S)	149
5.4.1 Groß-WKA‘s	149
5.4.2 Klein-WKA‘s	152
5.4.3 Die Technik einer WKA	155
5.4.4 Die Berechnungs-Grundlagen für WKA’s	159
5.4.5 Der Propeller	161
5.4.6 Simulation einer WKA	166
5.5 SCHRITTMOTOR-STEUERUNG (GEPLANT)	179

6 TRANSFORMATOREN UND ÜBERTRAGER	180
6.1 Strom- und Spannungs-Transformation	182
6.2 Netz-Transformatoren	185
6.3 Der Transformator als Vierpol	194
6.4 Netz-Trafo-Analyse	202
6.5 Dimensionierung von M-Kern Transformatoren	210
6.6 Dimensionierung von Ringkern-Transformatoren	217
6.7 Audio-Übertrager	224
6.8 Übertrager-Simulation	226
6.9 Übertrager-Frequenzgänge	230

Teil 3/5

7 ELEKTRONIK	9
7.1 DIODEN	11
7.1.1 Aufbau und Funktion von Dioden	12
7.1.2 Dioden-Simulation	17
7.1.3 Dioden-Ersatzschaltung und Ersatz-Struktur	22
7.1.4 Dioden-Stabilisierung	26
7.1.5 Temperatur-Durchgriff und Temperatur-Koeffizient	29
7.1.6 Messung der Dioden-Parameter	32
7.1.7 Leucht-Dioden (LED’s)	37
7.1.8 Z-Dioden	39
7.2 FELDEFFEKT-TRANSISTOREN (FET’S)	50
7.2.1 Der Fet als Stromquelle	51
7.2.2 Simulation eines Sperrschicht-Fet	52
7.2.3 Der Fet als Spannungs-Verstärker	54
7.3 DER MOS-FET	56
7.3.1 Der MOS-Fet als Schalter	57
7.3.2 Simulation eines MOS-Fet	58
7.4 BIPOLARE TRANSISTOREN	60
7.4.1 Die Ausgangskennlinien eines bipolaren Transistors	62
7.4.2 Vereinfachte Ersatzstruktur des Transistors	63
7.4.3 Der bipolare Transistor als Schalter	64
7.4.4 Der Transistor als Vierpol	66
7.5 TRANSISTOR GRUNDSCHALTUNGEN	72
7.5.1 Die Basisschaltung	75
7.5.2 Die Kollektorschaltung	77
7.5.3 Darlington-Transistoren	79
7.5.4 Emitterschaltung	80
7.5.5 Einstellbare Potenzial-Schwelle	83
7.5.6 Emitterschaltung mit Spannungs-Gegenkopplung	84
7.5.7 Vergleich der Transistor-Grundschaltungen	94
7.5.8 Der Stromspiegel	97
7.5.9 Diskret aufgebauter Differenz-Verstärker	98
7.6 OPERATIONSVERSTÄRKER	100
7.6.1 Der offene OP	100
7.6.2 Der Impedanz-Wandler	102
7.6.3 Der Nicht-invertierende OpAmp	102
7.6.4 Der invertierende OpAmp	104
7.6.5 Differenzverstärker	106
7.6.6 Nullpunktsfehler und Drift	110
7.6.7 Klein- und Großsignal-Verstärkung	113
7.6.8 Der Frequenzgang eines proportional-beschalteten OP’s	115
7.6.9 OpAmp für große Ausgangsströme	118
7.7 SCHALTUNGSTECHNIK	119
7.7.1 Der Netztrafo und seine Ersatzschaltung	119
7.7.2 Ein unstabilisiertes Netzteil	120
7.7.3 Stabilisiertes Netzteil	123
7.7.4 Spannungs-Regler	125
7.7.5 Der Synchron-Gleichrichter	126
7.7.6 RC-Oszillator	129
7.7.7 Der Pulsbreiten-Modulator	130
7.8 THYRISTOREN UND TRIACS	132
7.8.1 Der Thyristor	132
7.8.2 Der Triac	134
7.8.3 Triac-Simulation	135
7.8.4 Trigger-Thyristor und Diac	136
7.9 DIE VOLLWELLEN-STEUERUNG VWS	136
7.9.1 Das elektronische Lastrelais ELR	137
7.10 DIE PHASENANSCHNITT-STEUERUNG PAS	138

8 REGELUNGSTECHNIK	143
8.1 ZWEI- UND DREIPUNKT -REGELUNGEN	146
8.1.1 Die Zweipunkt-Regelung	147
8.1.2 Zweipunkt-Regler mit Rückführung	149
8.1.3 Die Dreipunkt-Regelung	150
8.1.4 Dreipunkt-Positions-Regelung	153
8.2 QUASI-STETIGE REGELUNGEN	154
8.2.1 Regelungen mit elektronischen Schaltern	154
8.2.2 Temperatur-Regelung mit elektronischem Lastrelais (ELR)	156
8.2.3 Beleuchtungs-Regelung mit Phasenanschnitt-Steuerung	157
8.3 STABILITÄT IM REGELKREIS	158
8.3.1 Optimale Dynamik	158
8.3.2 Das Instabilitäts-Kriterium	159
8.3.3 Dimensionierung eines P-Reglers	161
8.4 STETIGE REGELUNGEN	162
8.4.1 P-Regelung einer Verzögerung 2.Ordnung	162
8.4.2 P-Regelung einer integrierenden Regelstrecke	167
8.4.3 Die Integral-Regelung	170
8.5 DIE PHASEN-REGELUNG (PLL)	172
8.5.1 Frequenz-Teiler	174
8.5.2 Frequenz-Multiplizierer	176
8.5.3 Der Spannungs-gesteuerte Oszillator (VCO)	177
8.5.4 Phasen-Messung	183
8.5.5 Frequenz-Regelung mit PLL	193
8.6 PID-REGELUNGEN	198
8.6.1 Entwurf einer PID-Regelung	200
8.6.2 Elektronische PID-Regler	202
8.6.3 Regler-Auswahl und Optimierung	205
8.6.4 Praktische Regler-Optimierung	205
8.7 AUSREGELUNG VON STÖRSPEKTREN	209
8.7.1 Spektrum und Effektivwert	210
8.7.2 Bestimmung der Rauschparameter	210
8.7.3 Rauschbefreiung durch Modulation	214

9 MECHANIK	217
9.1 WAS IST ENERGIE?	218
9.1.1 Kleine Kosmologie	219
9.1.2 Dynamische Grundbegriffe	221
9.1.3 Kinetik	224
9.2 MECHANISCHE BAUELEMENTE	226
9.2.1 Massen und Federn (Speicher)	226
9.2.2 Dämpfer (Energie-Verbraucher)	227
9.2.3 Haftreibung	228
9.2.4 Material-Konstanten	233
9.3 ANALYSE MECHANISCHER SYSTEME	234
9.3.1 Freie und erzwungene Schwingungen	234
9.3.2 Feder mit Dämpfer (statischer Speicher)	236
9.3.3 Dämpfer mit Masse (dynamische Speicher)	239
9.3.4 Mechanischer Oszillator	241
9.3.5 Rotation	244
9.3.6 Das Massenträgheitsmoment	245
9.4 KREISEL	249
9.4.1 Die Trägheit eines Kreisels	250
9.4.2 Der freie Kreisel	252
9.4.3 Winkelmessung mit Resolver	253
9.4.4 Der Wendekreisel	255
9.4.5 Möglichkeiten der Kreisel-Aufstellung	259
9.4.6 Regelkreis für inertiale Winkel-Geschwindigkeiten	259
9.4.7 Die Frequenzgänge des Wendekreisels	264
9.4.8 Der Kurskreisel (Kreiselkompass)	270

Teil 4/5

10 SENSORIK	7
10.1 DIE MESSUNG VON STRÖMUNGS-GESCHWINDIGKEITEN	8
10.2 DER HALL-EFFEKT	11
10.2.1 Die Hall-Spannung	11
10.2.2 Induktiver Strömungs-Messer	14
10.2.3 Die Ladungsträger-Beweglichkeit	18
10.2.4 Die Dotierung von Halbleitern	20
10.2.5 Simulation eines Hall-Sensors	22
10.2.6 Messung des Erdmagnetfeldes	26
10.2.7 Ein Hallspannungs-Verstärker	28
10.2.8 Der Magneto-resistive Effekt	30
10.3 PHOTOMETRIE	32
10.3.1 Die Physik des Lichts	34
10.3.2 Photometrische Grundlagen	47
10.3.3 Visuelle Photometrie	57
10.3.4 Spektrale Photometrie	73
10.3.5 Photo-Elektronik	115
10.3.6 Photo-Voltaik	129
10.4 TEMPERATUR-MESSUNG	150
10.4.1 Der Temperatur-Koeffizient (TK)	151
10.4.2 Temperatur-Wächter mit PTC	152
10.4.3 Temperatur-Messer mit NTC-Teiler	153
10.4.4 Temperaturmesser mit einem Pt100	155
10.4.5 Thermo-Elemente	158
10.4.6 Thermo-elektrischer Motor und Generator	160

11 AKTORIK	162
11.1 PELTIER-ELEMENTE	162
11.1.1 Der Peltier-Effekt	164
11.1.2 Nebelkammern	167
11.1.3 Die Kühlung einer Nebelkammer mit PE	174
11.1.4 Konstanten-Bestimmung für Peltier-Elemente	177
11.1.5 Entwurf einer Kältekammer mit Peltier-Elementen	181
11.1.6 Elektronik-Konzept für eine Peltier-Kühlung	187
11.2 PIEZOS	190
11.2.1 Der direkte und der inverse Piezo-Effekt	192
11.2.2 Der Piezo-Resistor	193
11.2.3 Die Piezo-Konstanten	193
11.2.4 Der Piezo als Generator	196
11.2.5 Der Piezo als Motor	199
11.2.6 Piezo-Dynamik	200
11.2.7 Der Piezo als Vierpol	204
11.3 AKUSTIK	206
11.3.1 Schall-Wandlung	208
11.3.2 Schall-Übertragung	212
11.3.3 Das dynamische Mikrofon	215
11.3.4 Simulation des dynamischen Mikrofons	221
11.3.5 Der komplexe Frequenzgang eines Mikrofons	222
11.3.6 Der dynamische Lautsprecher	226
11.3.7 Lautsprecher-Simulation	234
11.3.8 Der komplexe Frequenzgang eines Lautsprechers	242

Teil 5/5

12 PNEUMATIK/HYDRAULIK	8
12.1 HYDRAULISCHE UND PNEUMATISCHE SYSTEME	10
12.1.1 Hydraulische und pneumatische Definitionen	12
12.2 PNEUMATISCHE UND HYDRAULISCHE GRUNDLAGEN	15
12.2.1 Der Gewichts-Druck	15
12.2.2 Das Kontinuitäts-Gesetz	17
12.2.3 Gas-Druck und -Temperatur	18
12.2.4 Das Gesetz von Bernoulli	22
12.2.5 Der Ölmotor	29
12.2.6 Der Kompressor	32
12.3 PNEUMATISCHE DYNAMIK	35
12.3.1 Pneumatische Kapazität	36
12.3.2 Die pneumatische Induktivität	37
12.3.3 Laminarität und Turbulenz	38
12.3.4 Laminare und turbulente Zeitkonstanten	40
12.3.5 Ein pneumatischer Schwingkreis	43
12.4 LAMINARE STRÖMUNG	45
12.4.1 Der laminare Volumenstrom nach Hagen-Poiseuille	45
12.4.2 Der laminare Massenstrom	48
12.4.3 Laminare Widerstände	49
12.4.4 Gasbehälter laminar befüllen	53
12.5 TURBULENTE STRÖMUNG	55
12.5.1 Simulation einer Blende	55
12.5.2 Strömung bei Turbulenz	56
12.5.3 Gasbehälter turbulent befüllen	57
12.5.4 Gemischt laminare und turbulente Strömung	58
12.5.5 Gasbehälter gemischt befüllen	60
12.6 PARAMETRISCHE STRÖMUNGS-BERECHNUNG	62
12.6.1 Der Druckabfall bei beliebiger Strömung	63
12.6.2 Die Reynoldszahl Re	64
12.6.3 Die Widerstandszahl xi	65
12.6.4 Parameterisierte Berechnung des Druckabfalls über einem Rohr	69
12.6.5 Parameterisierte Berechnung des Massenstroms	70
12.6.6 Parameterisierte Simulation einer Speicherfüllung	73
12.7 VENTIL-SIMULATION	79
12.7.1 Der Ventil-Parameter k.VS	81
12.7.2 Grenzgeschwindigkeit und Grenzdruck	82
12.7.3 Einstellbare Ventile	82
12.7.4 Die Ventil-Zeitkonstante	83
12.8 MEMBRAN-ANTRIEBE	84
12.8.1 Der Faltbalg	85
12.8.2 Die Membran-Dynamik	87
12.9 PNEUMATISCHE VERSTÄRKER	89
12.9.1 Pneumatischer Leistungs-Verstärker	89
12.9.2 Steuerbarer Druckteiler (Düse-Prallplatte)	90
12.9.3 Druckverstärkung	96
12.9.4 Pneumatischer Differenz-Verstärker ohne Gegenkopplung	99
12.9.5 Pneumatischer Operations-Verstärker	107
12.10 DRUCK-REGELUNGEN	109
12.10.1 Eine pneumatische Regelstrecke	110
12.10.2 Pneumatische Proportional-Regelung	111
12.10.3 Pneumatischer P-Regler	111
12.10.4 Pneumatische P-Regelung mit Regler-Block	115
12.10.5 Pneumatische PID-Regelung	116

13 WÄRME-TECHNIK	120
13.1 WÄRMELEITUNG	123
13.1.1 Thermische Leitwerte und -Widerstände	124
13.1.2 Heizleistungs-Berechnung	125
13.1.3 Die Heizkosten eines Einfamilien-Hauses	129
13.1.4 Heizanlagen-Effektivitäts-Messung	131
13.1.5 Die Amortisations-Zeit einer Energiespar-Maßnahme	136
13.1.6 Thermische Parallel- und Reihen-Schaltungen	139
13.1.7 Kühlkörper-Berechnung	140
13.1.8 Die Konvektions-Kühlung	141
13.2 WÄRMESPEICHERUNG	145
13.2.1 Die thermische Kapazität	146
13.2.2 Die thermische Zeitkonstante	146
13.2.3 Ein Brauchwasser-Speicher	148
13.2.4 Simulation des Brauchwasser-Speichers	150
13.3 WÄRMESTRAHLUNG	152
13.3.1 Thermische Solar-Kollektoren	153
13.3.2 Messung der Kollektor-Leistung	154
13.3.3 Berechnung der Strahlungs-Leistung	155
13.3.4 Der Glashaus-Effekt	157
13.3.5 Simulation eines Solar-Kollektors	159
13.4 BRAUCHWASSERHEIZUNG MIT SOLAR-KOLLEKTOREN	162
13.4.1 Eine Brauchwasser-Zusatzheizung	163
13.4.2 Steuerung der Brauchwasser-Heizanlage	164
13.4.3 Simulation der Brauchwasser-Solarheizung	166

14 KÄLTE-TECHNIK (GEPLANT)	172
14.1 DAS LINDE-VERFAHREN	172
14.2 DAMPFDRUCK-KURVEN	172
14.3 DER KONDENSATOR	172
14.4 DAS EXPANSIONS-VENTIL	172
14.5 DER VERDAMPFER	172
14.6 SIMULATION EINER LINDE-KÜHLUNG	172
14.7 TEMPERATUR-REGELUNG	172
14.8 DRUCK-REGELUNG	172

15 ANHANG	174
15.1 LITERATUR-HINWEISE	174
15.2 ENDE GUT – ALLES GUT?	175