IT-Systemkaufmann/-frau: Systemtechnik (1. Lehrjahr)

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LK / CM, Kurs vom 01.11.1999 - 31.08.2000

Systemtechnik (Teil 1): Elektrotechnische Grundkenntnisse und Informationsverarbeitung (Allgemeines, Strom und Spannung, Der elektrische Widerstand, Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen, Elektromagnetische Störungen, Netzsysteme, Schutzmaßnahmen), Einfache IT-Systeme (Peripheriegeräte im Überblick, Speicher, Das Bussystem), Grundlagen der Telekommunikationstechnik (Analogtechnik, Analoge Telefonverbindung, Analoge Zweidrahtschnittstelle a/b, Digitaltechnik, Digitale Telefonverbindung, ISDN (Integrated Services Digital Network), Mehrfrequenzverfahren).

  1. Elektrotechnische Grundkenntnisse und Informationsverarbeitung
  2. Einfache IT-Systeme
  3. Grundlagen der Telekommunikationstechnik

Elektrotechnische Grundkenntnisse und Informationsverarbeitung

Allgemeines

Ein Stromkreis besteht grundsätzlich aus einer Stromquelle und einem Verbraucher. Ist der Stromkreis geschlossen, fließt Strom durch den Verbraucher, z.B. eine Glühlampe. Dabei wird elektrische Energie in Licht- und Wärmeenergie umgewandelt.

Strom, Spannung und der elektrische Widerstand sind wesentliche Größen eines Stromkreises.

In 230-V-Netzen werden die Verbraucher (Widerstände) parallel an die Stromquelle angeschlossen. Dabei verringert sich mit jedem zusätzlich angeschlossenen Verbraucher der Gesamtwiderstand. Wegen der damit verbundenen Erhöhung des Gesamtstroms besteht die Gefahr, den Stromkreis zu überlasten.

Im Unterschied zu den bewegten Ladungen, die den elektrischen Strom bilden, handelt es sich bei elektrostatischen Ladungen um ruhende Ladungen.

Für alle elektrischen Ladungen gilt:

Um sie herum bestehen elektrische Felder. Diese üben auf elektrische Ladungen innerhalb der elektrischen Felder Kräfte aus.

Die Ladungstrennungen erfolgen - gewünscht - in Kondensatoren, die in elektronischen Schaltungen als Energiespeicher wirken oder - gewünscht - z.B. durch einen Menschen, der über einen nichtleitenden Teppich geht.

Elektrostatische Aufladungen von Menschen oder Geräten können bis zu mehreren 10.000 V betragen. Erheblich niedrigere Aufladungen genügen, um empfindliche elektronische Bauteile z.B. durch eine leichte Berührung mit einem Finger zu zerstören.

Durch die Verwendung leitfähiger Materialien, z.B. leitfähiger Kunststoffböden, werden elektrische Ladungen abgeleitet und damit elektrostatische Aufladungen verhindert.

Strom und Spannung

Stromkreis:

Stromquellen sind Geräte, die in einem geschlossenen Stromkreis einen Strom hervorrufen (z.B. Batterien, Netzgeräte und Generatoren). Die Bauteile und Geräte, die mit einer Stromquelle betrieben werden können, bezeichnet man als Verbraucher.

Elektrischer Strom:

Der elektrische Strom ist die gerichtete Bewegung freier Ladungsträger. In einem geschlossenen Stromkreis bewegen sich Elektronen (freie Ladungsträger) vom negativen Pol zum positiven Pol der Stromquelle.

Stromstärke:

Die elektrische Stromstärke I ist die Ladungsmenge, die je Sekunde einen Leiterquerschnitt passiert (Anzahl der Elektronen, die pro Zeiteinheit durch den Leiter bewegt werden). Die Einheit für die elektrische Stromstärke ist Ampere (A).

Stromrichtung:

Das Bewegen der Elektronen vom Minuspol (Elektronenüberschuss) zum Pluspol (Elektronenmagel) bezeichnet man als Elektronenflussrichtung oder physikalische Stromrichtung.

Die früher angenommene Stromrichtung vom Plus- zum Minuspol wird heute als technische Stromrichtung bezeichnet.

Stromarten:

Fließt der Strom mit gleiche Stromstärke ständig in dieselbe Richtung, so spricht man von Gleichstrom (DC: Direct Current). Wechselt der Strom die Richtung und ändert sich die Stromstärke, so wird dies als Wechselstrom (AC: Alternating Current) bezeichnet (ständiges Hin- und Her-Pendeln der Elektronen). Die Überlagerung von Gleich- und Wechselstrom bildet einen Mischstrom.

Leiter und Nichtleiter:

Stoffe mit einer hohen Anzahl freier Ladungsträger bezeichnet man als Leiter (z.B. Elektronen in Metallen). Stehen die Elektronen nicht als freie Elektronen zur Verfügung, so sind es Nichtleiter (z.B. Luft, Kunststoffe, Keramik und Glas).

Als Halbleiter werden diejenigen Stoffe bezeichnet, die bei Raumtemperatur sehr schlecht leiten, bei denen sich dann aber bei zunehmender Temperatur die freien Ladungsträger und damit die elektrische Leitfähigkeit erhöhen (z.B. Silizium und Germanium).

Die elektrische Spannung:

Die elektrische Spannung U ist der Antrieb, der auf die Ladungsträger wirkt. Elektrische Spannung entsteht, wenn ungleichnamige Ladungen getrennt werden. Die Einheit ist Volt (V).

Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige Ladungen ziehen sich an.

Also muss zum Trennen ungleichnamiger Ladungen Energie aufgewendet werden. Und je mehr Ladungen getrennt werden, umso höher ist die aufzuwendende Energie und die dadurch erzielte Spannung.

Spannungen und Ströme werden in Stromlaufplänen durch Pfeile dargestellt. Spannungspfeile sind so gerichtet, dass die Pfeilspitze auf den negativen Pol zeigt. Strompfeile geben die technische Stromrichtung an und weisen somit in dieselbe Richtung wie der Spannungspfeil am Verbraucher.

Der elektrische Widerstand

Die Behinderung des Elektronenstroms wird als elektrischer Widerstand R bezeichnet. Je größer der elektrische Widerstand R ist, umso kleiner ist der Strom I. Die Einheit ist Ohm (Ω).

Das Ohm'sche Gesetz:

Zwischen der Spannung, der Stromstärke und dem elektrischen Widerstand besteht ein gesetzmäßiger Zusammenhang, den man als Ohm'sches Gesetz bezeichnet.

Bei konstantem Widerstand R nimmt die Stromstärke I mit steigender Spannung U linear zu. I verhält sich proportional zu U (I ∼ U). Bei konstanter Spannung U nimmt die Stromstärke I mit zunehmendem Widerstand R ab. I verhält sich umgekehrt proportional zu R ( (I ∼ 1/R).

Die Einflüsse von Strom, Spannung und Widerstand lassen sich in einer Gleichung zusammenfassen:

I = U ÷ R

Der Leiterwiderstand:

Der Widerstand eines Leiters verhält sich direkt proportional zur Leiterlänge l: R ∼ l. Das heißt also, dass bei einem langen Leiter die Behinderung der Elektronen insgesamt größer ist als bei einem kurzen Leiter.

Der Widerstand eines Leiters verhält sich umgekehrt proportional zum Leiterquerschnitt: R ∼ 1/A. Das heißt also, dass der Widerstand mit kleiner werdendem Querschnitt steigt.

Die dritte Abhängigkeitsgröße ist das Leitermaterial. Der spezifische elektrische Widerstand ρ (Rho) ist der Widerstand eines Leiters von 1 m Länge und 1 mm2 Querschnitt bei einer Temperatur von 20 °C. Die Einheit ist Ω × mm2/m.

R = (ρ × l) ÷ A

Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen

Reihenschaltung:

In der Reihenschaltung ist die Summe der Teilspannungen gleich der Gesamtspannung (Zweiter Kirchhoff'scher Satz).

Die Stromstärke ist an allen Stellen der Reihenschaltung gleich groß:

I = I1 = I2 = I3 = ... = In

Die Summe der Teilspannungen ist gleich der Gesamtspannung:

U = U1 + U2 + U3 + ... + Un

Die Summe der Teilwiderstände ist gleich dem Gesamtwiderstand:

R = R1 + R2 + R3 + ... + Rn

Parallelschaltung:

In der Parallelschaltung ist die Summe der Teilströme gleich dem Gesamtstrom (Erster Kirchhoff'scher Satz).

Die Summe der Teilströme ist gleich dem Gesamtstrom:

I = I1 + I2 + I3 + ... + In

Die Spannung ist an allen Widerständen gleich groß:

U = U1 = U2 = U3 = ... = Un

Die Summe der Kehrwerte der Teilwiderstände ist gleich dem Kehrwert des Gesamtwiderstandes:

R = 1 ÷ R1 + 1 ÷ R2 + 1 ÷ R3 + ... + 1 ÷ Rn

Elektromagnetische Störungen

Im EMV-Gesetz ist festgelegt, dass ein Gerät in der elektromagnetischen Umwelt zufrieden stellend arbeiten muss, ohne dabei selbst elektromagnetische Störungen zu verursachen. Alle elektrischen Geräte, die im Prinzip gegen Störungen empfindlich sein können oder Störungen hervorrufen können, müssen mit dem CE-Kennzeichen versehen werden.

Elektromagnetische Störungen entstehen z.B. beim Schalten von Spannungen oder beim Erzeugen hochfrequenter Spannungen. Die Ausbreitung dieser Störungen kann über Leitungen oder durch Strahlung erfolgen.

Die Entstörung erfolgt z.B. mithilfe spezieller Entstörkondensatoren oder durch Abschirmung. Vorzugsweise wird die Entstörung an der Störquelle vorgenommen, da auf diese Weise weniger Störspannung durch Strahlung übertragen wird.

Netzsysteme

Die elektrische Energieversorgung der Haushalte und Betriebe erfolgt über das 230 V/400 V-Wechselstromnetz. Das in Deutschland am weitesten verbreitete Netz ist das TN-C-S-System.

Beim TN-C-S-System handelt es sich bis in die Häuser (Haushalte) und in die meisten Betriebe hinein um ein Vierleitersystem (TN-C-System). Es besteht aus den Außenleitern L1, L2, L3 und dem Neutralleiter mit Schutzfunktion. Innerhalb des Hauses (Hausanschlusskasten) wird der Leiter in den Neutralleiter N und den Schutzleiter PE aufgeteilt, es besteht somit ein Fünfleitersystem (TN-S-System).

Weitere Netzsysteme sind das Terre-Terre-System, das z.B. auf Baustellen angewendet wird, und das IT-System, das z.B. in Operationsräumen vorgeschrieben ist.

Installationsschaltungen, wie z.B. Lampenschaltungen, werden je nach Verwendungszweck mithilfe von Installationsplänen, Übersichtsschaltplänen oder Stromlaufplänen in zusammenhängender oder aufgelöster Darstellung geplant und dokumentiert.

Wichtige Lampenschaltungen sind die Ausschaltung, die Serienschaltung, die Wechselschaltung und die Stromstoßschaltung.

Die Leitungen für Installationen müssen entsprechend ihrer Verwendung ausgewählt werden. Besonders zu beachten ist dabei, dass der grün-gelb gekennzeichnete Leiter nur als Schutzleiter PE oder als Neutralleiter mit Schutzfunktion verwendet werden darf. Ebenfalls zu beachten ist, dass z.B. für Verlegungen in nassen Räumen oder im Erdbereich die jeweils richtigen Leitungen bzw. die richtigen Kabel gewählt werden und dass die Strombelastbarkeit der Leitungen bzw. Kabel nicht überschritten wird.

Schutzmaßnahmen

Zum Schutz der Leitungen vor Überlast und Kurzschluss dienen Überstromschutzorgane in der Ausführung als Schmelzsicherungssysteme oder Leitungsschutzschalter.

Berührungen mit elektrisch leitenden Teilen können zu bleibenden Schäden oder gar zum Tod führen. Die höchste, für den Menschen noch ungefährliche Berührungsspannung beträgt 50 V.

Um Menschen und Tiere davor zu schützen, mit betriebsmäßig spannungsführenden (aktiven) Teilen elektrischer Betriebsmittel direkt in Verbindung zu kommen, sind folgende Maßnahmen zum Schutz gegen direktes Berühren (Schutz unter normalen Bedingungen) vorgeschrieben:

Arbeiten an Teilen, die unter Spannung stehen, sind verboten. So muss z.B. vor dem Auswechseln einer Steckdose der zugehörige Stromkreis gemäß den fünf Sicherheitsregeln abgeschaltet und gegen Wiedereinschalten gesichert werden. Anschließend muss die Spannungsfreiheit der Steckdose überprüft werden usw.

Durch Fehler in Anlagen und Geräten können Teile, die normalerweise nicht unter Spannung stehen, eine leitende Verbindung zu aktiven Teilen erhalten und somit ebenfalls unter Spannung stehen.

Um bei einer Berührung einen elektrischen Schlag zu vermeiden, dienen folgende Maßnahmen bei indirektem Berühren (Schutz unter Fehlerbedingungen):

Bei Verwendung von Schutzkleinspannungen (max. 50 V Wechselspannung oder 120 V Gleichspannung) ist eine gefährliche Berührungsspannung nicht gegeben. Daher gewährleistet diese Maßnahme sowohl einen Schutz gegen direktes Berühren als auch einen Schutz bei indirektem Berühren.

Kommt es trotzdem zu einem Elektrounfall, müssen sofort Maßnahmen ergriffen werden. Dazu gehören u.a., dass der den Unfall verursachende Stromkreis sofort abgeschaltet, erste Hilfe geleistet und ein Arzt gerufen wird.

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Einfache IT-Systeme

Peripheriegeräte im Überblick

  1. Eingabegeräte
    • Tastatur (DIN 2137)
    • Maus
    • Grafiktablett
    • Scanner (Handscanner, Flachbett-Scanner)
  2. Ausgabegeräte
    • Bildschirm (Monitor)
    • Drucker (Impact-Drucker, Non-Impact-Drucker)
    • Plotter
  3. Externe Speichergeräte
    • Diskettenlaufwerk (Standardlaufwerk, zip-Laufwerk)
    • Festplattenlaufwerk (Harddisk-Laufwerk)
    • Wechselplattenlaufwerke
    • Magnetbandspeicher
    • Optische Speicher (CD-ROM-Laufwerk, WORM-Laufwerk, MOD-Laufwerk)

Magnetische Datenträger:

Beschriftete Datenträger:

Optische Datenträger:

Speicher

Speicher: Bezeichnung, Bedeutung und Löschmöglichkeit
Bezeichnung Bedeutung Löschen
ROM Read Only Memory
(Nur-Lese-Speicher) 		nicht möglich
PROM Programmable Read Only Memory
(Programmierbarer Nur-Lese-Speicher)
EPROM Electrical Programmable Read Only Memory
(Löschbarer und programmierbarer Nur-Lese-Speicher) 		UV-Licht; gesamter Speicher
EEPROM Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory
(Elektrisch löschbarer und programmierbarer Nur-Lese-Speicher) 		elektrisch; bit-, byteweise oder insgesamt
FEEPROM Flash Electrical Erasable and Programmable Read Only Memory
("Blitzschnell" elektrisch löschbarer und programmierbarer Nur-Lese-Speicher) 		elektrisch

Das Bussystem

Leitungssystem, über das die Kommunikation zwischen CPU und anderen Funktionseinheiten im PC erfolgt.

Die Übertragung der zu verarbeitenden Daten erfolgt auf dem Datenbus. Der Adressbus ist für die Adressierung der Speicherplätze zuständig. Gesteuert werden die Zugriffe über den Steuerbus.

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Grundlagen der Telekommunikationstechnik

Sprach-, Daten-, Text-, Bild- oder Multimediakommunikation.

Basis der Kommunikation ist der Austausch von Informationen zwischen der Informationsquelle (Sender) und der Informationssenke (Empfänger) über ein Vermittlungsnetz, das die Informationen in Form elektrischer Signale oder als höherfrequente elektromagnetische Wellen weiterleitet.

Wesentlich ist, dass die zu übertragenden Informationen (Töne, Bilder usw.) oder Daten in elektrische Signale umgewandelt werden.

Analogtechnik

Die analoge Übertragung sieht die Umwandlung der vom Menschen erzeugten Schallwellen (Sender) in analoge elektrische Signale vor. Diese werden als elektronische Schwingungen über die Vermittlungsleitung an den Empfänger übermittelt und dort wieder in Schallwellen umgewandelt.

Je größer die Frequenzbandbreite (allgemein: 0,3 bis 3,4 kHz) ist, um so unverfälschter können die Sendesignale am Empfangsort wieder in Schallwellen umgewandelt werden.

Die Sprachinformation wird bei einer Telefonverbindung - vom Sender zum Empfänger - in einer international festgelegten Frequenzbandbreite von 3,1 kHz übertragen.

Analoge Telefonverbindung

Telekommunikationsnetz:

  1. analoges Endgerät
  2. Leitungsnetz
  3. Netzknoten
  4. analoge Übertragungstechnik (Niederfrequenz/Trägerfrequenz)
  5. Netzknoten
  6. Leitungsnetz
  7. analoges Endgerät

Die Netzknoten werden über Telekommunikationsnetze, die mit elektrischen Leitern (Kupfer- oder Koaxkabel), Lichtwellenleitern oder Funkstrecken aufgebaut sind, miteinander vernetzt.

Übertragungsgeschwindigkeit: 30 bis 40 Kbit/s (nach dem "Shannonschen Gesetz")

Analoge Zweidrahtschnittstelle a/b

Für die Anschaltung von Endgeräten an das Leitungsnetz wurden Schnittstellen sowohl beim Benutzer (User) als auch beim Netz definiert:

Das Leitungsnetz und die Inhouseverkabelung müssen durch einen analogen Netztrennabschluss (NTA = Network Termination für Analoganschluss) abgeschlossen sein.

Die 1. TAE-Dose (TAE = Telekommunikations-Anschluss-Einheit) stellt diesen NTA dar und ist die analoge Zweidrahtschnittstelle a/b, an die die Endgeräte und Zusatzgeräte sowie weitere TAE-Dosen angeschaltet werden können.

Mit dem Impulswahlverfahren (IWV) werden die vermittlungstechnischen Einrichtungen im analogen Netzknoten eingestellt:

Digitaltechnik

Die digitale Telekommunikationstechnik übernimmt die elektronische Übertragung, Speicherung und Verarbeitung von Informationen jeglicher Art.

Es gilt das Prinzip der Darstellung von Zeichen durch Ziffern (digit = Ziffer). Diese werden binär codiert, d.h. in die von Computern lesbaren Zahlenfolgen aus den Werten logisch 1 bzw. H (high) oder logisch 0 bzw. L (low) umgesetzt. Da immer nur zwei Zustände (Strom/kein Strom, Licht/kein Licht usw.) übertragen werden müssen, ist die Fehlerrate wesentlich geringer als bei der Analogtechnik.

Digitale Telefonverbindung

Der Digitalanschluss endet am Netztrennabschluss (NT = Network Termination). Der NT stellt als Benutzerschnittstelle die digitale Vierdrahtschnittstelle S0 dar. Die Wahlinformationen werden mittels Mehrfrequenzverfahren an den digitalen Netzknoten weitergegeben. Für den Auf- und Abbau von Verbindungen wird ein eigener Steuerkanal (D-Kanal) verwendet.

ISDN (Integrated Services Digital Network)

An die digitalen Netzknoten können sowohl analoge (a/b-Schnittstelle) als auch digitale Endeinrichtungen (S0-Schnittstelle) angeschlossen werden.

Die Wahlinformationen werden beim digitalen Netzknoten zuerst vollständig gespeichert, und erst danach wird der optimale Verbindungsweg ausgewählt (indirekte Wahl = Mehrfrequenzverfahren).

Mehrfrequenzverfahren

Beim Betätigen einer Taste werden jeweils zwei unterschiedliche Signalfrequenzen erzeugt, die innerhalb des Sprachfrequenzbereichs liegen ("Tonwahl").

Digitalisierung der TK-Anlage:

Vorteile eines Digitalanschlusses: