Schaltungen der Elektrotechnik und Elektronik - verstehen und lösen mit NI Multisim

Ein Übungs- und Arbeitsbuch
 
 
Hanser, Carl (Verlag)
  • 5. Auflage
  • |
  • erschienen am 10. Juli 2017
  • |
  • 424 Seiten
 
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978-3-446-45467-5 (ISBN)
 
Einfacher und praxisnaher Einstieg in NI Multisim

Dieses Übungs- und Arbeitsbuch bietet einen einfachen Einstieg in die Software und zeigt, wie durch die Arbeit mit Multisim nach kurzer Einarbeitungszeit elektrotechnische Gesetzmäßigkeiten besser erkennbar und elektronische Schaltungen leichter verständlich werden.
In fast 350 Aufgaben untersuchen und lösen Sie elektrische und elektronische Schaltungen selbstständig. Hierbei helfen kurze Einführungen in die einzelnen Fachthemen und Zusammenstellungen wichtiger Formeln.
Die 5. Auflage wurde komplett durchgesehen, aktualisiert und der neuen Version 14.0.1 angepasst.
Die Studentenversion des Programms liegt diesem Buch auf DVD bei. Die Schaltungen zur 5. Auflage sowie ein PDF zur Anleitung finden Sie auf der Homepage des Hanser Verlags.

Das Buch ist für die Technikerausbildung konzipiert, richtet sich aber ebenso an Berufsschüler und Studierende im Grundstudium. Es eignet sich ebenfalls hervorragend für das Selbststudium.
5., neu bearbeitete Auflage
  • Deutsch
  • München
  • |
  • Deutschland
  • 35,22 MB
978-3-446-45467-5 (9783446454675)
3446454675 (3446454675)
weitere Ausgaben werden ermittelt
1 - Vorwort [Seite 6]
2 - Vorwort zur 5. Auflage [Seite 7]
3 - Geleitwort [Seite 8]
4 - Inhalt [Seite 12]
5 - 1. Einführung in die Simulationssoftware MULTISIM [Seite 16]
5.1 - 1.1Was ist und was kann MULTISIM? [Seite 16]
5.2 - 1.2Installation [Seite 18]
5.3 - 1.3Hilfe und Support [Seite 20]
5.3.1 - 1.3.1Benutzeroberfläche [Seite 21]
5.3.2 - 1.3.2Tastatur-Befehle [Seite 27]
5.3.3 - 1.3.3Arbeit mit der Maus-Taste [Seite 28]
5.3.4 - 1.3.4Erklärung ausgewählter Menü-Befehle [Seite 30]
5.4 - 1.4Übersicht der Übungsbeispiele [Seite 84]
6 - 2. Gleichstromkreis [Seite 85]
6.1 - 2.1Grundstromkreis [Seite 85]
6.2 - 2.2Reihenschaltung von Widerständen [Seite 91]
6.3 - 2.3Parallelschaltung von Widerständen [Seite 96]
6.4 - 2.4Gemischte Widerstandsschaltungen [Seite 98]
6.5 - 2.5Brückenschaltungen [Seite 104]
6.6 - 2.6Betriebszustände des Grundstromkreises [Seite 117]
6.7 - 2.7Netzwerke [Seite 124]
7 - 3.Schaltvorgänge am Kondensator [Seite 131]
8 - 4.Schaltvorgänge an der Spule [Seite 137]
9 - 5.Wechselstromkreis [Seite 139]
9.1 - 5.1Grundlagen des Wechselstromes [Seite 139]
9.2 - 5.2Widerstand, Kondensator und Spule an einer Wechselspannung [Seite 144]
9.3 - 5.3Reihenschaltung von Widerstand, Kondensator und Spule [Seite 150]
9.4 - 5.4Parallelschaltung von Widerstand, Kondensator und Spule [Seite 153]
9.5 - 5.5Ausgewählte Wechselstromschaltungen [Seite 156]
9.5.1 - 5.5.1Reihen- und Parallelresonanz [Seite 156]
9.5.2 - 5.5.2Kompensation [Seite 162]
9.5.3 - 5.5.3Strombegrenzung und komplexer Spannungsteiler [Seite 163]
9.5.4 - 5.5.4Vierpole und passive Filter [Seite 166]
9.5.4.1 - 5.5.4.1Vierpole [Seite 166]
9.5.4.2 - 5.5.4.2Passive Filter [Seite 171]
9.5.5 - 5.5.5Phasendrehglieder [Seite 178]
9.5.6 - 5.5.6Wechselstrombrücken [Seite 179]
10 - 6.Drehstromsysteme [Seite 183]
10.1 - 6.1Entstehung von Drehstrom und Verkettung von Wechselspannungen [Seite 183]
10.2 - 6.2Drehstromleistung [Seite 187]
10.3 - 6.3Kompensation in Drehstromnetzen [Seite 192]
11 - 7.Analoge Schaltungen der Elektronik [Seite 195]
11.1 - 7.1Halbleiterdioden [Seite 195]
11.1.1 - 7.1.1Kennwerte [Seite 195]
11.1.2 - 7.1.2Arbeitspunkteinstellung [Seite 197]
11.1.3 - 7.1.3Anwendungsschaltungen [Seite 198]
11.2 - 7.2Z-Dioden [Seite 212]
11.3 - 7.3Transistoren [Seite 216]
11.3.1 - 7.3.1Bipolare Transistoren [Seite 216]
11.3.1.1 - 7.3.1.1Grundschaltungen und Arbeitspunkteinstellung [Seite 216]
11.3.1.2 - 7.3.1.2Verstärkerschaltungen mit bipolaren Transistoren [Seite 223]
11.3.2 - 7.3.2Feldeffekttransistoren [Seite 246]
11.3.2.1 - 7.3.2.1Verstärker mit Sperrschicht-FET [Seite 246]
11.3.2.2 - 7.3.2.2Verstärker mit MOSFET [Seite 250]
11.3.2.3 - 7.3.2.3Zweistufige Verstärker mit FET und bipolaren Transistoren [Seite 251]
11.3.2.4 - 7.3.2.4Leistungsverstärker [Seite 252]
12 - 8.Operationsverstärker (OPV) [Seite 262]
12.1 - 8.1Grundschaltungen des OPV [Seite 262]
12.1.1 - 8.1.1Grundlagen und idealer OPV [Seite 262]
12.1.2 - 8.1.2Invertierender OPV [Seite 266]
12.1.3 - 8.1.3Dynamisches Verhalten eines OPV [Seite 267]
12.1.4 - 8.1.4Nichtinvertierender OPV [Seite 268]
12.1.5 - 8.1.5OPV als Differenzverstärker [Seite 270]
12.2 - 8.2Ausgewählte Anwendungsbeispiele mit OPV [Seite 272]
13 - 9.Oszillatoren [Seite 280]
14 - 10. Digitale Schaltungen der Elektronik [Seite 286]
14.1 - 10.1Schaltungen logischer Grundfunktionen [Seite 286]
14.1.1 - 10.1.1Transistor als Schalter [Seite 286]
14.1.2 - 10.1.2TTL- und CMOS-Schaltkreise [Seite 294]
14.2 - 10.2Kombinatorische Schaltungen [Seite 309]
14.3 - 10.3Sequentielle Schaltungen [Seite 324]
14.3.1 - 10.3.1Kippschaltungen [Seite 324]
14.3.1.1 - 10.3.1.1Astabile Kippschaltung (astabiler Multivibrator, Rechteck-Generator) [Seite 324]
14.3.1.2 - 10.3.1.2Monostabile Kippschaltung (Univibrator, Monoflop) [Seite 328]
14.3.1.3 - 10.3.1.3Bistabile Kippstufe (Flip-Flop) [Seite 331]
14.3.1.4 - 10.3.1.4Schwellwertschalter, Schmitt-Trigger [Seite 336]
14.3.2 - 10.3.2Zähler und Frequenzteiler [Seite 341]
14.3.3 - 10.3.3Register, Schieberegister [Seite 359]
14.3.4 - 10.3.4Analog/Digital- und Digital/Analog-Umsetzer [Seite 373]
14.3.4.1 - 10.3.4.1Analog/Digital-Umsetzer (ADU) [Seite 373]
14.3.4.2 - 10.3.4.2Digital/Analog-Umsetzer (DAU) [Seite 379]
15 - 11. Leistungselektronik [Seite 386]
16 - Literatur [Seite 410]
17 - Index [Seite 412]
18 - Installationshinweis [Seite 425]
2 Gleichstromkreis 2.1 Grundstromkreis

Ein elektrischer Grundstromkreis besteht aus

  • dem aktiven Zweipol (der Spannungsquelle) und

  • dem passiven Zweipol (dem Verbraucher).

Im aktiven Zweipol wird nichtelektrische in elektrische Energie und im passiven Zweipol elektrische in nichtelektrische Energie gewandelt.

Die Kenngrößen des Grundstromkreises sind:

  • Quellenspannung Uo

  • Klemmenspannung U

  • Stromstärke I

  • Innenwiderstand Ri

  • Außenwiderstand Ra

? Hinweis: Bei vielen Schaltungen, so auch bei Schaltungsuntersuchungen mit MULTISIM, wird der Innenwiderstand vernachlässigt. Dann sind Quellen- und Klemmenspannung gleich groß.

Spannung und Stromstärke sind vorzeichenbehaftete, skalare Größen, die durch Richtungspfeile dargestellt werden. Es ist festgelegt:

Eine Spannung ist positiv, wenn sie vom positiveren zum negativeren Potenzial gerichtet ist. Die Stromstärke ist positiv, wenn der Strom vom positiveren zum negativeren Potenzial fließt.

Der Zusammenhang zwischen der Spannung, der Stromstärke und dem Widerstand wird durch das ohmsche Gesetz beschrieben:

In unserem ersten Übungsbeispiel wollen wir in dem Programm MULTISIM die Grundlagen zum Erstellen und zur Überprüfung einer Schaltung kennen lernen.

Übungsbeispiel 2.1: Erstellen und Überprüfen einer Schaltung

Bauen Sie einen Grundstromkreis mit einer Quellenspannung von 100?V, einem Innenwiderstand von 20?O und einem Außenwiderstand von 80?O auf. Weisen Sie die Spannungs- und Stromrichtung nach. Der Aufbau der Schaltung soll mit idealen Bauelementen erfolgen. Diese werden bei MULTISIM als "virtuelle Bauelemente" bezeichnet.

Schritt 1: Eine neue Schaltung beginnen

Öffnen Sie das Programm MULTISIM. Nach dem Öffnen wird die leere Datei SCHALTUNG 1 ausgegeben. Ich möchte nochmals darauf verweisen, dass ich auf der Grundlage der Programmversion MULTISIM EDUCATION arbeite. Trotzdem sind fast alle dargestellten Handlungen und auch fast alle Programme mit der Studentenversion realisierbar.

 

Bild 2.1 Die Arbeitsoberfläche von MULTISIM

Richten Sie die Arbeitsoberfläche entsprechend Ihren Bedürfnissen ein. Dazu rufen Sie das Menü optionen auf. Im Menüpunkt allgemeine einstellungen können Sie im Register pfade den Speicherort ihrer Schaltungsdateien festlegen. Zweckmäßig ist die Aktivierung einer automatischen Sicherung während des Arbeitens und die Speicherung von Simulationsergebnissen. Das nehmen Sie im Register speichern vor. Wichtig ist es noch, im Register bauelemente, die DIN-Schaltzeichennorm zu aktivieren. Die gewünschten Seiteneigenschaften, wie Größe der Arbeitsoberfläche, Rastereinblendung, Farben der Schaltungsteile oder Sichtbarkeit von Schaltungskennzeichnungen werden unter dem Menüpunkt seiteneigenschaften festgelegt.

 

Bild 2.2 Festlegung der Seiteneigenschaften

Weitere Einstellmöglichkeiten für eine zweckmäßige Arbeitsoberfläche finden Sie auch im Menü ansicht. Der geeignete Inhalt der Symbolleiste hilft besonders bei der Arbeit.

Schritt 2: Auswahl der Bauelemente

Nachdem Sie die notwendigen Voreinstellungen abgeschlossen haben, beginnt die eigentliche Arbeit mit dem Erstellen der Schaltung. Dazu gehört die Auswahl der erforderlichen Bauelemente. MULTISIM bietet mehrere Varianten zum Einfügen von Bauelementen an. Sie können über das Menü einfügen/bauelemente gehen, diese aus der Symbolleiste wählen oder mit einem Klick der rechten Maustaste ein Kontextmenü aufrufen bzw. auch den Tastatur-Befehl Strg + W nutzen. Im Bild 2.3 sehen Sie diese Varianten. Oft ist ein Drehen der Bauelemente notwendig. Wählen Sie dazu mit einem Doppelklick das Bauelement aus. Dann können Sie über das Menü bearbeiten/anzeigerichtung mit dem Aufrufen des Kontextmenüs über die rechte Maustaste oder wieder über einen Tastatur-Befehl das Bauelement in die gewünschte Richtung drehen.

 

Bild 2.3 Auswahl der Bauelemente

? Hinweis: Für die Simulation benötigt MULTISIM einen Bezugspunkt. Dazu schließen Sie an den Minuspol der Spannungsquelle die Masse an (Toolbar Stromquellen-Familie). Da das Masse-Symbol in jeder Schaltung benötigt wird, ist es effektiv, das Masse-Symbol über ein Tastenkürzel, wie im Abschnitt 1.3.1 erklärt wird, festzulegen.

Schritt 3: Dimensionierung und Bezeichnung der Bauelemente

Ein Doppelklick auf das jeweilige Bauelement öffnet das Fenster basic virtuell.

 

Bild 2.4 Dimensionierung und Bezeichnung der Bauelemente

Im Register wert geben wir den gewünschten Widerstandswert ein und bestätigen mit OK. Wir wechseln nun zum Register etikette und ändern dort die Widerstandsbezeichnung in Ri bzw. Ra um.

Schritt 4: Verbinden der Bauelemente

Nachdem wir alle Bauelemente platziert haben, verbinden wir sie. Dabei können wir zwischen der automatischen und der manuellen Verbindung wählen. Bei der automatischen Verbindung gehen Sie mit der Maus an einen Anschlusspunkt des Bauelementes. Nach einem Mausklick wandelt sich der Mauszeiger in ein Fadenkreuz. Ziehen Sie bei gedrückter Maus-Taste das Fadenkreuz direkt zum nächsten gewünschten Anschlusspunkt. Lassen Sie nun die Maus-Taste los. Die Leiterbahnen bauen sich selbständig auf und verlaufen in einer bestimmten vertikalen oder horizontalen Richtung.

Beim manuellen Verbindungsaufbau klicken Sie ebenfalls den ersten Anschlusspunkt an, führen aber jetzt die gedrückte Maus entlang des gewünschten Leitungsweges in horizontaler oder vertikaler Richtung. Soll die Richtung geändert werden, muss ein Mausklick erfolgen und dann mit der gedrückten Maus-Taste in die neue Richtung geführt werden. Die Lage eines bestehenden Leiterzuges lässt sich ändern, wenn Sie den Mauszeiger an eine Leiterbahn führen. Dann ändert er sich in einen Doppelpfeil, den Sie in die angezeigten Richtungen verschieben können. Bei der Verbindung sind Leitungskreuzungen möglich. Eine Verbindung an einer Kreuzung entsteht nur, wenn ein Knotenpunkt gesetzt wird. In einen bestehenden Leiterzug kann ein Bauteil (Bauelement oder Messinstrument) direkt eingebunden werden, indem wir das Bauteil in den Leiterzug verschieben. Dazu klicken wir das Bauteil an und ziehen es bei gedrückter linker Maus-Taste in den Leiterzug. Wenn wir die Maus-Taste lösen, ist das Bauteil eingebunden.

 

Bild 2.5 Verbinden der Bauelemente

Für die Leitungen kann eine Netznummerierung angezeigt werden. Dazu müssen wir unter optionen, blatteigenschaften das Register schaltung öffnen und dort bei netzname den Schalter alles anzeigen aktivieren.

Schritt 5: Einbau der Messinstrumente

Die für eine Schaltungsuntersuchung erforderlichen Messmittel legen Sie über ansicht/symbolleisten in der Symbolleiste ab. messbausteine sind dabei Strom- und Spannungsmesser sowie Tastköpfe. Tastköpfe signalisieren das Erreichen eines einstellbaren Spannungswertes und sind besonders in der Digitaltechnik sinnvoll. Unter instrumente sind weitere Messmittel, wie Multimeter, Leistungsmesser oder Oszilloskop, zu finden. Diese können auch über simulieren/instrumente aufgerufen werden.

 

Bild 2.6 Einbau der Messinstrumente

Die Instrumente können entsprechend der benötigten Zahl beliebig kopiert werden. Achten Sie beim Anschluss auf die Einstellung der richtigen Spannungsart (Modus) und auf die Polung.

Schritt 6: Simulation der Schaltung

Für die Schaltungssimulation betätigen Sie den Schalter, der sich rechts oben in der Menüleiste befindet, oder Sie gehen über simulation, start. In der Statusleiste wird die laufende Simulation erkennbar.

 

Bild 2.7 Simulation

Überprüfen Sie durch eine Berechnung die angezeigten Ergebnisse.

? Hinweis: Beenden Sie nach dem Anzeigen der Werte die Simulation wieder. Sie ersparen Ihrem PC fortlaufende Rechenarbeit. 

 

Aufgabe 2.1

Ein Verbraucher mit einem Widerstand von 30?O benötigt eine negative Spannung, die von einer Spannungsquelle mit einer Quellenspannung von 10?V und einem Innenwiderstand von 0,5?O geliefert werden soll. Entwickeln Sie die Schaltung und...

Mit diesem Übungs- und Arbeitsbuch lernen Sie, Aufgaben der Elektrotechnik und Elektronik mithilfe des Simulationsprogramms NI Multisim zu lösen. Das von National Instruments entwickelte Programm stellt Anwendern ausgereifte Werkzeuge zur intuitiven Schaltplaneingabe sowie leistungsstarke Analysen und interaktive virtuelle Messgeräte zur Verfügung. Durch die Arbeit mit Multisim lassen sich nach kurzer Einarbeitungszeit elektrotechnische Gesetzmäßigkeiten besser erkennen und elektronische Schaltungen leichter verstehen. Die Studentenversion des Programms liegt diesem Buch auf DVD bei.
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