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Prüfungstrainer Elektrotechnik

Das Buch

Inhalt


Elektrodynamik: 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.

Passive Bauelemente: Die elektrischen und magnetischen Eigenschaften der Materie und deren Behandlung im Rahmen der Maxwellschen Gleichungen bilden die Grundlage der Konstruktion von Bauelementen, die heute passiv genannt werden. Ausgehend von den Materialeigenschaften werden Kondensatoren, Spulen und Widerstände beschrieben. Es folgen die Beschreibungen von Parasitärelementen, deren Modellierung, Quantifizierung durch Güten und Verlustwinkel, sowie deren Einfluss auf das Frequenzverhalten.

Aktive Bauelemente: In diesem Kapitel werden Halbleiter-Materialien, ihre Eigenschaften und deren Modifizierung durch das Dotieren beschrieben. Daurauf aufbauend werden die Funktionen von Dioden, Bipolar-Transistoren und MOS-Transistoren vorgestellt. Dazu gehören die Entwicklung und Interpretation der Kennlinien. Zusätzlich werden Modelle für vereinfachte Schaltungsberechnungen vorgestellt und diskutiert. Mit Hilfe dieser Modelle werden Tests auf die jeweiligen Betriebszustände entwickelt.

Netzwerke: Eine systematischen Beschreibung linearer elektrischer Netze und ihrer Elemente ist die Basis. Reale Strom- und Spannungsquellen, Energieflüsse und Anpassung werden diskutiert. Die Kirchhoff'schen Gesetze werden als Konsequenz physikalischer Erhaltungssätze vorgestellt. Denn diese bilden die Grundlage für das Knotenpotenzial-Verfahren, das Maschenstrom-Verfahren und das Überlagerungsverfahren.

Wechselstromnetze: 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 Anpassung. Die Transformatorgleichungen und deren Eigenschaften werden hergeleitet. Deren Modifikation durch Verluste werden ebenfalls behandelt. Die Eigenschaften des Drei-Phasen-Wechselstromes werden analysiert und damit Hausnetze erklärt.

Filter: Hier wird beschrieben, wie durch Schwingkreise Frequenzbereiche ausgewählt oder abgeblockt werden, wie RC-Filter funktionieren und wie dies durch Ortskurven und Bode-Diagramme darstellbar ist. Im Rahmen der Vierpoltheorie werden Methoden gezeigt, die es erlauben, komplexere Filter zu konstruieren. Die Telegrafengleichungen werden als Spezielfall hergeleitet. So können Quellen und Verbraucher an Kabel angepasst werden.

Transistorschaltungen: In diesem Kapitel werden die Eigenschaften elementarer Transistorschaltungen aus den Eigenschaften der aktiven Bauelemente abgeleitet. Techniken zum Entwurf und zur Berechnung von Bipolar-Transistorschaltungen und von CMOS-Schaltungen werden ebenso behandelt wie Methoden zur sicheren Entwicklung von Kleinsignal-Ersatzschaltbildern. Außerdem werden Wege zur Stabilisierung der Schaltungen gegen Temperatur- und Parameterschwankungen aufgezeigt.

Operationsverstärker: 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 Diffe-renz-, 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 dann auf die Schaltungen mit realen Operationsverstärkern verallgemeinert. Dabei werden die Slew Rate, Verzögerungszeiten, Offset-Spannung und endliche Verstärkung berücksichtigt.

Zu allen Themen werden nach Schwierigkeitsgrad geordnete Übungsaufgaben mit ausführlichen Lösungen bereitgestellt.

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Nützliches zur Vorbereitung


Testen Sie Ihr Wissen!

Für den Anfang hilft das Quiz für die Grundlagen der Elektrotechnik . Ein voller Erfolg?

Dann können Sie das Quiz für alle interaktiv versuchen, oder Sie können sich eine druckbare pdf Version im Design des Prüfungstrainers holen.

Schließen Sie Lücken!

Hier einige Tipps, wie man...
... Belastete Spannungsteiler berechnet
... Vierpol Wellenparameter benutzt und warum,
... Vierpole zur Anpassung bringt,
... Betriebszustände von Bipolar Transistoren bestimmt,
... die Emitter-Schaltung so verändert, dass sie stabil funktioniert,
... Betriebszustände von MOS Transistoren bestimmt,
... Schaltungen mit idealen OPs berechnet,
... OP Lehrbuch-Schaltungen so verändert, dass sie auch funktionieren.

Erweitern Sie Ihr Wissen!

Hier finden Sie eine Vorlesung, in der die elektromagnetischen Felder erklärt werden. Und Sie erfahren, warum nur zwei Felder bis in die Nanotechnologie hinein verwendbar sind. Danach können Sie Teil 2 und Teil 3 ansehen. Oder Sie drucken sich den Artikel aus, der beim General Meeting der IEC in Frankfurt 2016 verteilt wurde.

Faszinierendes und Erstaunliches


Wussten Sie...

... wie man sofort alle Vorzeichen von Bauelemente-Gleichungen richtig hinbekommt? (S. 147)

... dass idealer und verlustloser Transformator nicht identisch sind? (S. 193)

... wie man Magnetkreise ohne den üblichen pseudo-theoretischen Wasserkopf berechnet? (S. 57)

... wann die Maschenregel nicht gilt? (S. 153)

... warum der MOS Kanallängenmodulationsfaktor λ seinen Namen zu Unrecht trägt? (S. 115)

... woher die Formel E = mc2 kommt? (S. 351)

... warum unterhalb von 1 nm E und B, nicht aber H, M, P und D verwendbar sind? (S. 27)

Dann freuen Sie sich auf einige Anwendungsbeispiele...

... in denen Sie lernen, wo es bei Gewitter im Flugzeug am sichersten ist,

... wie ein Zündtransformator von 12 auf 30000 Volt kommt,

... wie ein Quarz-Oszillator funktioniert,

... wie aus den Vierpolgleichungen auf das Verhalten einer Leitung geschlossen werden kann,

... oder wie man im Labor die Güte eines Bauteils bestimmt.

Vorwort


Sie sollen die nächste Prüfung bestehen. Mit diesem Ziel wurde der „Prüfungstrainer Elektrotechnik“ geschrieben. Er enthält 160 ausführlich beantwortete Fragen aus mündlichen Prüfungen, mehr als 200 bis zur vollständigen Lösung durchgearbeitete Klausuraufgaben, und zu jedem Kapitel einen kurzen Theorieteil mit Beispielen aus der Praxis. Über 300 elektronische Lern-Karteikarten, beim Springer „Flash Cards“ genannt, gehören in dieser vierten Auflage zum Buch. Letztere dienen dem Festigen der Grundkenntnisse. Sie brauchen nur ein Handy, ein Tablet und etwas Ruhe um diese Fundament zu legen und zu sichern. Am besten beginnen Sie das Lernen mit dem Durcharbeiten der Flash

Keine Panik!

Stellen Sie sich vor: Eine Prüfung beginnt mit einer Frage oder einer Aufgabe, die Sie schon kennen und deren Antwort Sie verstanden haben. Wir haben Skripte und Prüfungsunterlagen der ersten sechs Semester von 34 Hochschulen in Deutschland, Österreich und der Schweiz analysiert. Dabei hat sich gezeigt, dass es einen gemeinsamen Kern von Kenntnissen und Fähigkeiten gibt. Genau dieser Kern wird auf den folgenden Seiten behandelt. Sie finden in diesem Buch Fragen, Aufgaben und Antworten, die denen in tatsächlichen Prüfungen zwar nicht genau gleichen, aber ähnlich sind.

Dieses Buch soll die Teilnahme an Vorlesungen und Übungen Ihrer Hochschule ergänzen. Ein aktives Studium vor Ort kann aber durch nichts ersetzt werden auch nicht durch die Lektüre dieses Buches. [...]

Verstehen heißt: Lernen für die Langstrecke

Auf Dauer behalten wir nur, was wir auch verstanden haben, was also auf einen kleinen Kern von Annahmen zurückgeführt werden kann. Deshalb stehen die vier Gesetze der Elektrodynamik ganz am Anfang dieses Buches. Wo immer möglich, werden elektrotechnische Sachverhalte auf deren physikalische Begründung zurückgeführt. Sie werden feststellen: Die Anzahl von (k-1) Knotengleichungen der Netzwerktheorie sind leichter zu merken, wenn Sie verstehen, wie die Ladungserhaltung die k-te Gleichung verschwinden lässt; die Nicht-Messbarkeit der Halbleiter-Temperaturspannung wird zur Selbstverständlichkeit, wenn sie als Aspekt der Energieerhaltung erkannt wird, die... sehen Sie selbst! Wenn Sie den Mut haben, vom sturen Auswendiglernen Abschied zu nehmen und sich auf eine analytische Herangehensweise einlassen, werden Sie belohnt werden. Ihr Wissen wird Ihnen dauerhaft erhalten bleiben, und Sie werden die Souveränität erlangen, die man braucht, um bei unerwarteten Aufgabenstellungen Lösungswege zu finden. Letztlich werden Sie Arbeit sparen. Und wenn Sie die im Anhang aufgeführten Tipps beherzigen, dann lernen Sie so effektiv, dass auch noch etwas Freizeit übrig bleibt.

Ihre Zukunft kennt weniger Schranken als die Ihrer Vorgänger

Die Elektrotechnik steht mitten in einer Zeitenwende. Mit der Massenproduktion von EEPROMs und dem Aufkommen der Nanotechnologie dringt die Elektrotechnik in Bereiche vor, die bis zur Jahrhundertwende der Forschung vorbehalten waren: Der Tunneleffekt wird ebenso Gegenstand von Entwurfsüberlegungen wie einzelne Atome. Damit geht die Zeit der klassischen, auf sich alleine konzentrierten Elektrotechnik unwiederbringlich vorbei.

Es ist in Ihrem Interesse als Teil einer neuen Generation von Ingenieuren auf die Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern anderer Fakultäten vorbereitet zu sein. In diesem Buch wird daher eine Sprache verwandt, die mit der Begriffswelt von Physikern, Chemikern und Maschinenbauern kompatibel ist. Veraltete, aber dennoch bis heute benutzte Fachbegriffe werden genannt, erklärt, aber nicht mehr verwendet. Sie werden erstaunt sein, wie viel einfacher zu verstehen die theoretische Basis der Elektrotechnik dadurch wird.

So geht's:

Zunächst stellen Sie bitte mit Hilfe der Flash Cards sicher, dass Ihnen alle wichtigen Begriffe geläufig sind. Der nächste Schritt zum Erfolg ist dann eine von keiner Illusion getrübte Selbsterkenntnis. Zu jedem Kapitel dieses Buches gibt es daher einen Satz von Fragen und Antworten, mit deren Hilfe Sie Ihr Vorwissen testen können. Die Fragen sind in drei Schwierigkeitsgrade aufgeteilt. Wenn Sie die leichten Fragen beantworten können, kennen Sie die wichtigsten Begriffe, und Sie wissen, worum es geht. Die mittelschweren Fragen und Aufgaben wenden sich an die Studierenden von Fachhochschulen. Die schweren Fragen sind für Studierende an Universitäten und all diejenigen gedacht, die ein weiterführendes Studium (in der Regel das Masterstudium) anstreben. Versuchen Sie bitte zunächst, alle Fragen zu beantworten und alle Aufgaben zu lösen. Können Sie alles, brauchen Sie den Theorieteil nicht zu lesen. Vergleichen Sie Ihren Lösungsweg mit dem hier gezeigten: Welcher ist kürzer, welcher ist geradliniger? Nichts ist lehrreicher als das Vergleichen eigener Lösungswege mit anderen. Wer aber in eine Klausur nicht nur mit Fachwissen, sondern auch mit selbst erprobten Lösungsstrategien hineingeht, der weiß, dass er rechtzeitig fertig werden wird.
Das Buch
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Der Autor


Martin Poppe, Jahrgang 1956, promovierte 1981 in Physik an der University of Oxford und habilitierte sich 1986 über das Thema "Exclusive Hadron Production in Photon Photon Collisions" an der Universität Hamburg. Über die Stationen CERN und Robert Bosch GmbH gelangte er an die Fachhochschule Münster, wo er von 1994 bis 2022 Elektrotechnik lehrte. Seine Entwicklungsarbeiten wurden mit mehreren Innovationspreisen geehrt. Er war Gutachter für den DAAD, das deutsch-französiche Hochschulkolleg sowie die Bundesstifung Umwelt; ferner von 2007 bis 2009 Vorsitzender des VDE Rhein-Ruhr e.V..

Die im 'International Journal of Modern Physics A' 1986 erschienene Habilitationsschrift Exclusive Hadron Production in Two-Photon Reactions wird bis heute regelmäßig zitiert.

Zum Buch Maschinenbau - Ein Lehrbuch für das ganze Bachelor-Studium wurde der Elektrotechnik-Teil auch zur 2. Auflage 2018 beigesteuert.

Im 2020 erschienen Buch Grundkurs Theoretische Elektrotechnik wurde gezeigt, wie sich die Elektrodynamik vereinfacht, und wie sie damit verständlicher wird, wenn die Erkenntnisse der Grundlagenforschung konsequent berüchsichtigt werden.

Zum 2021 in 2. Auflage erschienen Buch Springer Handbook of Mechanical Engineering wurde ebenfalls der Elektrotchnik-Teil beigesteuert.

Der Prüfungstrainer Elektrotechnik erschien zunächst 2012 und in 4. Auflage 2022.

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