1 Elektrischer Strom 17
1.1 Der Aufbau der Materie 17
1.1.1 Stoffe 17
1.1.1.1 Stoffgemische 18
1.1.1.2 Reinstoffe 18
1.1.1.3 Verbindung 18
1.1.1.4 Molekül 18
1.1.1.5 Element 18
1.1.1.6 Atom 18
1.1.2 Zusammenfassung: Stoffe 19
1.1.3 Beispiel zur Zerlegung der Materie 19
1.1.4 Denkmodell für Atom und Molekül 20
1.1.5 Der Atombau 21
1.1.5.1 Das Bohrsche Atommodell 21
1.1.5.2 Beispiele für Atome 23
1.1.6 Zusammenfassung: Der Atombau 24
1.2 Der elektrische Strom 24
1.2.1 Elektrische Ladung 24
1.2.2 Elektrischer Strom 25
1.2.3 Nichtleiter, Leiter und Halbleiter 27
1.2.4 Widerstand und Leitfähigkeit 27
1.2.5 Elektrische Spannung 28
1.2.6 Zusammenfassung: Der elektrische Strom 30
1.2.7 Halbleiter 30
1.2.7.1 Elektrizitätsleitung in festen Stoffen (Wiederholung) 30
1.2.7.2 Elektrizitätsleitung in reinen Halbleitern (Eigenleitung) 31
1.2.7.3 Elektrizitätsleitung in dotierten Halbleitern (Störstellenleitung) 34
1.2.8 Zusammenfassung: Halbleiter 35

2 Der unverzweigte Gleichstromkreis 37
2.1 Größen im Gleichstromkreis 37
2.1.1 Allgemeines zu physikalischen Größen und Einheiten 37
2.1.2 Die Größe für den elektrischen Strom 39
2.1.3 Die Größe für die elektrische Spannung 40
2.1.4 Die Größe für den elektrischen Widerstand 41
2.1.5 Zusammenfassung: Größen im Gleichstromkreis 42
2.2 Das OHMsche Gesetz 42
2.2.1 Aussage des Ohmschen Gesetzes 42
2.2.2 Rechnen mit dem Ohmschen Gesetz 44
2.2.3 Grafische Darstellung des Ohmschen Gesetzes 45
2.2.4 Zusammenfassung: Das OHMsche Gesetz 45
2.3 Definitionen 46
2.3.1 Gleichstrom, Gleichspannung, Wechselstrom, Wechselspannung 46
2.3.2 Verbraucher 47
2.3.3 Reihenschaltung 47
2.3.4 Parallelschaltung 47
2.3.5 Unverzweigter und verzweigter Stromkreis 47
2.3.6 Schaltzeichen und Schaltbild 48
2.3.7 Werte von Strömen und Spannungen in Schaltbildern 50
2.3.7.1 Angabe der Spannungen unter Bezug auf Masse (als Potential) 50
2.3.7.2 Angabe der Spannungen mit Zählpfeilen 51
2.3.7.3 Angabe von Strömen in Schaltbildern 52
2.3.7.4 Erzeuger- und Verbraucher- Zählpfeilsystem 52
2.3.8 Kurzschluß 53
2.3.9 Passive Bauelemente 54
2.3.10 Aktive Elemente 54
2.3.11 Zusammenfassung: Definitionen 54
2.4 Arbeit und Leistung 55
2.4.1 Elektrische Arbeit 55
2.4.2 Elektrische Leistung 55
2.5 Wirkungsgrad 57

3 Lineare Bauelemente im Gleichstrom kreis 59
3.1 Definition des Begriffes "linear" 59
3.2 Der ohmsche Widerstand 60
3.2.1 Wirkungsweise des Widerstandes 60
3.2.2 Spezifischer Widerstand 61
3.2.3 Verwendungszweck von Widerständen 65
3.2.3.1 Strombegrenzung durch einen Vorwiderstand 65
3.2.3.2 Aufteilung einer Spannung 66
3.2.3.3 Aufteilung des Stromes 66
3.2.4 Widerstand als Bauelement 66
3.2.4.1 Festwiderstände 67
3.2.4.2 Veränderbare Widerstände 72
3.2.4.3 Spezielle Widerstände 74
3.2.5 Zusammenfassung: Der ohmsche Widerstand 75
3.3 Der Kondensator 75
3.3.1 Wirkungsweise des Kondensators 75
3.3.2 Größe für die Kapazität 76
3.3.3 Plattenkondensator 77
3.3.4 Dielektrikum 79
3.3.5 Verwendungszweck von Kondensatoren 82
3.3.5.1 Stützen von Spannungen 82
3.3.5.2 Glättung von Spannungen 84
3.3.5.3 Trennen von Gleich- und Wechselspannung 84
3.3.5.4 Entstörung mittels Kondensatoren 85
3.3.6 Kondensator als Bauelement 85
3.3.6.1 Festkondensatoren 85
3.3.6.2 Veränderbare Kondensatoren 87
3.3.7 Kenngrößen von Kondensatoren 87
3.3.7.1 Nennspannung 87
3.3.7.2 Kapazitätstoleranz 87
3.3.7.3 Kapazitätsänderung 88
3.3.7.4 Ersatzschaltbild 88
3.3.8 Zusammenfassung: Der Kondensator 88
3.4 Die Spule 88
3.4.1 Grundlagen des Magnetismus 88
3.4.2 Zusammenfassung: Grundlagen des Magnetismus 91
3.4.3 Elektromagnetismus 91
3.4.4 Wirkungsweise der Spule 92
3.4.4.1 Magnetwirkung des Stromes 92
3.4.4.2 Induktion 96
3.4.4.3 Kraft auf stromdurchflossene Leiter 99
3.4.4.4 Selbstinduktion 99
3.4.4.5 Induktivität 100
3.4.4.6 Induktive Kopplung 100
3.4.4.7 Induktiver Widerstand 102
3.4.5 Aufbau der Spule 102
3.4.5.1 Luftspule 102
3.4.5.2 Spule mit Kern 103
3.4.6 Verwendungszweck von Spulen 104
3.4.6.1 Verwendung von Spulen im Gleichstromkreis 104
3.4.6.2 Verwendung von Spulen im Wechselstromkreis 104
3.4.7 Spule als Bauelement 104
3.4.7.1 Feste Induktivität 104
3.4.7.2 Veränderliche Induktivität 105
3.4.8 Kenngrößen von Spulen 105
3.5 Zusammenfassung: Die Spule 105

4 Gleichspannungsquellen 107
4.1 Primärelemente (galvanische Elemente, Batterien) 107
4.1.1 Wirkungsweise des galvanischen Elements 107
4.1.2 Batterien 108
4.2 Sekundärelemente (Akkumulatoren) 109
4.2.1 Der Bleiakkumulator 109
4.2.2 Nickel-Cadmium-Akkumulatoren 110
4.2.3 Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren 110
4.2.4 Technische Eigenschaften von Akkumulatoren 110
4.3 Netzgeräte 111
4.4 Störungsfreie Versorgung mit Gleichspannung 112
4.5 Die belastete Gleichspannungsquelle 113
4.5.1 Ersatzspannungsquelle 113
4.5.2 Ermittlung des Innenwiderstandes 115
4.5.3 Kurzschlußstrom 115
4.5.4 Leerlauf 116
4.5.5 Anpassungen 116
4.5.5.1 Spannungsanpassung 116
4.5.5.2 Stromanpassung 117
4.5.5.3 Leistungsanpassung 117
4.6 Ersatzstromquelle 117
4.7 Zusammenfassung: Gleichspannungsquellen 118

5 Berechnungen im unverzweigten Gleichstromkreis 121
5.1 Reihen- und Parallelschaltung von Zweipolen 121
5.2 Reihenschaltung von ohmschen Widerständen 122
5.3 Reihenschaltung von Kondensatoren 126
5.4 Reihenschaltung von Spulen 127
5.5 Reihenschaltung von Gleichspannungsquellen 128
5.6 Reihenschaltung von Widerständen, Kondensatoren und Spulen 128
5.6.1 Zusammenfassung von Bauelementen 128
5.6.2 Reihenschaltung von Kondensator und R oder L 129
5.6.3 Reihenschaltung einer Spule mit R oder C 129
5.7 Reihenschaltung in der Praxis 129
5.7.1 Ersatz von Bauteilen 129
5.7.2 Vorwiderstand 130
5.7.3 Spannungsabfall an Leitungen 131
5.7.4 Spannungsteiler 131
5.8 Zusammenfassung: Berechnungen im unverzweigten Gleichstromkreis 131

6 Messung von Spannung und Strom 133
6.1 Voltmeter und Amperemeter 133
6.2 Erweiterung des Meßbereiches eines Voltmeters 136
6.3 Indirekte Messung von Widerstand und Leistung 137

7 Schaltvorgänge im unverzweigten Gleichstrom kreis 139
7.1 Schaltvorgang beim ohmschen Widerstand 139
7.1.1 Widerstand einschalten 139
7.1.2 Widerstand ausschalten 139
7.2 Schaltvorgang beim Kondensator 140
7.2.1 Kondensator laden (einschalten) 140
7.2.2 Kondensator ausschalten 142
7.2.3 Kondensator entladen 142
7.2.4 Exponentialfunktion von Spannung und Strom 143
7.3 Schaltvorgang bei der Spule 147
7.3.1 Spule einschalten 147
7.3.2 Spule ausschalten (mit Abschalt-Induktionsstromkreis) 148
7.3.3 Spule ausschalten (ohne Abschalt-Induktionsstromkreis) 149
7.3.4 Zeitverlauf von Spannung und Strom 151
7.4 Zusammenfassung: Schaltvorgänge im unverzweigten Gleichstromkreis 152

8 Der verzweigte Gleichstromkreis 153
8.1 Die Kirchhoffschen Gesetze 153
8.1.1 Die Knotenregel (1. Kirchhoffsches Gesetz) 153
8.1.2 Die Maschenregel (2. Kirchhoffsches Gesetz) 154
8.2 Berechnung von Parallelschaltungen 155
8.2.1 Parallelschaltung von ohmschen Widerständen 155
8.2.2 Parallelschaltung von Kondensatoren 157
8.2.3 Parallelschaltung von Spulen 157
8.2.4 Parallelschaltung von Gleichspannungsquellen 158
8.3 Parallelschaltung in der Praxis 159
8.3.1 Ersatz von Bauteilen 159
8.3.2 Erweiterung des Meßbereiches eines Amperemeters 159
8.3.3 Der belastete Spannungsteiler 161
8.3.3.1 Berechnung des belasteten Spannungsteilers 161
8.4 Gemischte Schaltungen 163
8.5 Stern-Dreieck- und Dreieck-Stern-Umwandlung 164
8.6 Umwandlung von Quellen 167
8.7 Analyse von Netzwerken 168
8.7.1 Die Maschenanalyse 169
8.7.2 Die Knotenanalyse 174
8.7.3 Der Überlagerungssatz 177
8.7.4 Der Satz von der Ersatzspannungsquelle 179
8.8 Vierpole 184
8.9 Zusammenfassung: Der verzweigte Gleichstromkreis 185

9 Wechselspannung und Wechselstrom 187
9.1 Grundlegende Betrachtungen 187
9.2 Entstehung der Sinuskurve 190
9.3 Kennwerte von Wechselgrößen 191
9.3.1 Periodendauer 191
9.3.2 Frequenz 191
9.3.3 Kreisfrequenz 192
9.3.4 Wellenlänge 192
9.3.5 Amplitude 193
9.3.6 Spitze-Spitze-Wert 193
9.3.7 Effektivwert 193
9.3.8 Gleichrichtwert (M) 196
9.3.9 Phase 198
9.4 Zusammenfassung: Kennwerte von Wechselgrößen 199
9.5 Zeigerdarstellung von Sinusgrößen 200
9.6 Zusammensetzung von Wechselspannungen 202
9.7 Oberschwingungen 204
9.7.1 Fourierreihen (M) 205
9.7.2 Beispiel zur Fourier-Analyse (M) 207
9.7.3 Bedeutung der Fourier-Analyse 210
9.7.3.1 Störungen 210
9.7.3.2 Nichtsinusförmige Vorgänge in linearen Schaltungen 211
9.7.4 Klirrfaktor 211

10 Komplexe Darstellung von Sinusgrößen 213
10.1 Grundbegriffe der komplexen Rechnung 213
10.1.1 Rechenregeln für imaginäre Zahlen 214
10.1.2 Rechenregeln für komplexe Zahlen 215
10.1.3 Vorteil komplexer Zahlen 217
10.1.4 Sinusförmige Wechselspannung in komplexer Darstellung 220
10.1.5 Der komplexe Widerstand 221
10.2 Zusammenfassung: Komplexe Darstellung von Sinusgrößen 221

11 Einfache Wechselstromkreise 223
11.1 Ohmscher Widerstand im Wechselstromkreis 223
11.2 Spule im Wechselstromkreis 225
11.3 Kondensator im Wechselstromkreis 227
11.4 Reihenschaltung aus ohmschen Widerstand und Spule 230
11.4.1 Komplexe Frequenz "s" 230
11.4.2 Anwendung von s bei der RL-Reihenschaltung 231
11.5 Reihenschaltung aus ohmschem Widerstand und Kondensator 236
11.6 RC-Reihenschaltung in der Praxis 238
11.6.1 Die Übertragungsfunktion 238
11.6.2 Pegel 242
11.6.3 Bodediagramm 243
11.6.4 Dämpfung 244
11.6.5 Grenzfrequenz 244
11.6.6 Normierte Übertragungsfunktion 244
11.6.7 Der RC-Tiefpaß 245
11.6.8 Bodediagramme mit Mathcad 249
11.6.9 Filterung eines gestörten Sinussignals 252
11.6.10 Der RC-Hochpaß 253
11.7 Reihenschaltung aus Spule, Widerstand und Kondensator 255
11.8 Parallelschaltung aus Widerstand und Spule 256
11.9 Parallelschaltung aus Widerstand und Kondensator 257
11.10 Zusammenfassung: Einfache Wechselstromkreise 258

12 Ersatzschaltungen für Bauelemente 259
12.1 Die elektrische Leitung 259
12.2 Widerstand mit Eigenkapazität und Eigeninduktivität 260
12.3 Verluste in Spulen 261
12.3.1 Wicklungsverluste 261
12.3.2 Verluste durch den Skineffekt 262
12.3.3 Hystereseverluste 263
12.3.4 Wirbelstromverluste 263
12.4 Verluste im Kondensator 263
12.5 Zusammenfassung: Ersatzschaltungen für Bauelemente 264

13 Leistung im Wechselstromkreis 265
13.1 Reine Wirkleistung 265
13.2 Reine Blindleistung 266
13.3 Wirk- und Blindleistung 267
13.4 Scheinleistung 268
13.5 Blindleistungskompensation 269
13.6 Zusammenfassung: Leistung im Wechselstromkreis 271

14 Transformatoren (Übertrager) 273
14.1 Grundprinzip 273
14.2 Transformator mit Eisenkern 274
14.3 Der verlustlose streufreie Transformator 275
14.3.1 Transformation der Spannungen 276
14.3.2 Transformation der Stromstärken 276
14.3.3 Transformation des Widerstandes 277
14.4 Der verlustlose Übertrager mit Streuung 278
14.5 Der reale Transformator 280
14.6 Übertrager zwischen ohmschen Widerständen 281
14.7 Spezielle Ausführungen von Transformatoren 285
14.8 Zusammenfassung: Transformatoren (Übertrager) 285

15 Schwingkreise 287
15.1 Reihenschwingkreis ohne Verluste 287
15.2 Reihenschwingkreis mit Verlusten 289
15.3 Parallelschwingkreis ohne Verluste 299
15.4 Parallelschwingkreis mit Verlusten 301
15.5 Zeitverhalten elektrischer Schwingkreise 308
15.6 Grundsätzliche Kopplungsarten 309
15.6.1 Galvanische Kopplung 309
15.6.2 Induktive Kopplung 309
15.6.3 Kapazitive Kopplung 310
15.6.4 Fußpunktkopplung 310
15.7 Bandfilter 310
15.8 Kopplungsarten bei Bandfiltern 312
15.8.1 Transformatorische Kopplung 312
15.8.2 Induktive Kopplung mit Koppelspule 312
15.8.3 Kapazitive Kopfpunktkopplung 313
15.8.4 Kapazitive Fußpunktkopplung 314
15.9 Zusammenschaltung von Schwingkreisen 314
15.9.1 LC-Bandpaß 314
15.9.2 LC-Bandsperre 315
15.10 Zusammenfassung: Schwingkreise 316

16 Mehrphasensysteme 317
16.1 Erzeugung von Drehstrom 317
16.1.1 Sternschaltung des Generators 318
16.1.2 Dreieckschaltung des Generators 319
16.2 Verbraucher im Drehstromsystem 320
16.2.1 Sternschaltung des Verbrauchers mit Mittelleiter 320
16.2.2 Sternschaltung des Verbrauchers ohne Mittelleiter 321
16.2.3 Dreieckschaltung des Verbrauchers 324
16.3 Leistung bei Drehstrom 326
16.4 Zusammenfassung: Mehrphasensysteme 327

17 Analyse allgemeiner Wechselstromnetze 329

18 Halbleiterdioden 341
18.1 Der PN-Übergang ohne äußere Spannung 341
18.2 Der PN-Übergang mit äußerer Spannung 343
18.2.1 Äußere Spannung in Durchlaßrichtung 343
18.2.2 Äußere Spannung in Sperrichtung 344
18.2.3 Vollständige Kennlinie eines PN-Überganges 347
18.3 Eigenschaften von Dioden 348
18.3.1 Die ideale Diode 348
18.3.2 Die reale Diode 348
18.3.2.1 Ersatzschaltungen der Diode 348
18.3.2.2 Kennwerte von Dioden 350
18.3.2.3 Temperaturabhängigkeit der Diodenkennlinie 353
18.4 Diode und Verlustleistung 355
18.5 Arten von Dioden 359
18.5.1 Universaldioden 359
18.5.2 Spezialdioden 360
18.5.2.1 Schottkydiode (hot carrier-Diode) 360
18.5.2.2 Gunndiode 360
18.5.2.3 PIN-Diode 360
18.5.2.4 Kapazitätsvariationsdiode 360
18.5.2.5 Tunneldiode 362
18.5.2.6 Photodiode 363
18.5.2.7 Lumineszenzdiode 363
18.5.2.8 Z-Diode (Zener-Diode) 364
18.5.2.9 Suppressor-Dioden 370
18.6 Arbeitspunkt und Widerstandsgerade 370
18.7 Anwendungen von Dioden 376
18.7.1 Gleichrichtung von Wechselspannungen 376
18.7.2 Schutzdiode 379
18.7.3 Eingangsschutzschaltung 380
18.7.4 Dioden in der Digitaltechnik 381
18.7.5 Begrenzung einer Wechselspannung 383
18.7.6 Stabilisierung kleiner Gleichspannungen 384
18.8 Zusammenfassung: Halbleiterdioden 385

19 Bipolare Transistoren 387
19.1 Definition und Klassifizierung von Transistoren 387
19.2 Aufbau des Transistors 388
19.3 Richtung von Strömen und Spannungen beim Transistor 389
19.4 Wirkungsweise 390
19.5 Die drei Grundschaltungen des Transistors 394
19.6 Betriebsarten 395
19.7 Kennlinien des Transistors 398
19.7.1 Eingangskennlinie 398
19.7.2 Ausgangskennlinie 399
19.7.3 Steuerkennlinie 400
19.7.4 Vierquadranten-Kennlinienfeld, Arbeitspunkt, Lastgerade 403
19.8 Die Stromverstärkung a, ß und y 405
19.9 Abhängigkeiten der Stromverstärkung 406
19.10 Wahl des Arbeitspunktes 408
19.11 Die Grundschaltungen im Detail 411
19.11.1 Die Emitterschaltung 411
19.11.1.1 Eingangsimpedanz 411
19.11.1.2 Ausgangsimpedanz 412
19.11.1.3 Wechselspannungsverstärkung 412
19.11.1.4 Leistungsverstärkung 413
19.11.1.5 Verhalten bei hohen Frequenzen 415
19.11.2 Die Basisschaltung 416
19.11.2.1 Eingangsimpedanz 416
19.11.2.2 Ausgangsimpedanz 416
19.11.2.3 Wechselspannungsverstärkung 416
19.11.2.4 Leistungsverstärkung 417
19.11.2.5 Verhalten bei hohen Frequenzen 417
19.11.3 Die Kollektorschaltung 417
19.11.3.1 Eingangsimpedanz 417
19.11.3.2 Ausgangsimpedanz 418
19.11.3.3 Wechselspannungsverstärkung 419
19.11.3.4 Leistungsverstärkung 419
19.11.3.5 Verhalten bei hohen Frequenzen 419
19.12 Rückkopplung 420
19.13 Emitterstufe mit Gegenkopplung 425
19.14 Ersatzschaltungen des Transistors 427
19.14.1 Die formale Ersatzschaltung 428
19.14.2 Die physikalische Ersatzschaltung 431
19.15 Spezielle Schaltungen mit Bipolartransistoren 437
19.15.1 Darlington-Schaltung 437
19.15.2 Bootstrap-Schaltung 437
19.15.3 Kaskodeschaltung 438
19.15.4 Konstantstromquelle 439
19.15.5 Differenzverstärker 440
19.15.6 Selektiwerstärker 443
19.15.7 Oszillatoren 443
19.16 Der Transistor als Schalter 444
19.16.1 Schalttransistor im Sperrzustand 445
19.16.2 Schalttransistor im Durchlaßzustand 446
19.16.3 Dynamisches Schaltverhalten 446
19.16.4 Verkürzung der Schaltzeiten 447
19.16.5 Beispiele für die Anwendung von Schalttransistoren 448
19.16.5.1 Schalten einer Last 448
19.16.5.2 Astabile Kippschaltung (Multivibrator) 450
19.16.5.3 Monostabile Kippschaltung (Univibrator, Monoflop) 451
19.16.5.4 Bistabile Kippschaltung (Flipflop) 452
19.16.5.5 Schmitt-Trigger 453
19.17 Transistoren in der Digitaltechnik 454
19.17.1 Kodes, Logische Funktionen, Schaltalgebra 454
19.17.2 Schaltungstechnische Realisierung der logischen Grundfunktionen 459
19.18 Zusammenfassung: Bipolare Transistoren 465

20 Feldeffekt-Transistoren 469
20.1 Bezeichnungen und Klassifizierung 469
20.2 Sperrschicht-FET mit N-Kanal 472
20.2.1 Aufbau und Arbeitsweise 472
20.2.2 Kennlinien und Arbeitsbereiche 473
20.3 Schaltungstechnik mit FETs (Beispiele) 475
20.3.1 Verstärkerbetrieb 476
20.3.1.1 Sourceschaltung 476
20.3.1.2 Gateschaltung 476
20.3.1.3 Drainschaltung 476
20.3.1.4 Verstärkung mit Gegenkopplung 477
20.3.2 Betrieb als steuerbarer Widerstand 477
20.3.3 Konstantstromquelle mit FET 478
20.3.4 Der FET als Schalter 478
20.4 Zusammenfassung: Feldeffekt-Transistoren 481

21 Operationsverstärker 483
21.1 Interner Aufbau von Operationsverstärkern 483
21.2 Eigenschaften des Operationsverstärkers 484
21.2.1 Leerlaufverstärkung 484
21.2.2 Übertragungskennlinie 485
21.2.3 Gleichtaktaussteuerung 486
21.2.4 Offsetspannung 486
21.2.5 Frequenzverhalten 487
21.2.6 Sprungverhalten 487
21.3 Betriebsarten 488
21.4 Grundschaltungen, Anwendungsbeispiele 489
21.4.1 Nichtinvertierender Verstärker 489
21.4.2 Invertierender Verstärker 490
21.4.3 Impedanzwandler (Spannungsfolger) 491
21.4.4 Differenzverstärker (Subtrahierer) 491
21.4.5 Addierer (Summierer) 492
21.4.6 Aktive Filter 492
21.5 Zusammenfassung: Operationsverstärker 493

22 Literaturverzeichnis 495

Sachverzeichnis 497