Messen in Reihenschaltungen

Messen in Reihenschaltungen
1. Strom und Spannung
Skizziere das Schaltbild einer Reihenschaltung mit
zwei Widerständen. Zeichne die Messgeräte ein, die
du benötigst um vorhandene Ströme zu messen.
Skizziere das Schaltbild einer Reihenschaltung mit
zwei Widerständen. Zeichne die Messgeräte ein, die
du benötigst um vorhandene Spannungen zu messen.
Die Spannungen an einzelnen Bauteilen einer Reihenschaltung nennt man
Teilspannungen U1, U2, ….
Gesamtspannung Uges.
Zusammengenommen ergeben sie die
Beim Messen der Stromstärke wird deutlich, dass jeder Teilwiderstand im Stromkreis vom
Gesamtstrom Iges durchflossen
wird.
2. Berechne, was die Messgeräte 1 und 2 anzeigen.
1: Iges = Uges : Rges = 9 V : 242 Ω = 0,037 A = 37 mA
2: U2 = R2 ∙ Iges = 220 Ω ∙ 0,037 A = 8,14 V
3. Berechne alle unbekannten Strom-, Spannungs- und Widerstandswerte der Schaltung. Verwende hierbei die
vorgegebene Tabelle.
Berechnungen:
Widerstand
Relais
Motor
Gesamt
U
2,4 V
4,4 V
5,2 V
12 V
R
12 Ω
22 Ω
26 Ω
60 Ω
I
0,2 A
0,2 A
0,2 A
0,2 A
Iges = I1 = I2 = I3 = 0,2 A
R1 = U1 : I = 2,4 V : 0,2 A = 12 Ω
U2 = R2 ∙ I = 22 Ω ∙ 0,2 A = 4,4 V
U3 = Uges – U1 – U2 = 12 V – 2,4 V – 4,4 V = 5,2 V
R3 = U3 : I = 5,2 V : 0,2 A = 26 Ω
Rges = R1 + R2 + R3 = 12 Ω + 22 Ω + 26 Ω = 60 Ω
Name:
© Als Kopiervorlage freigegeben. Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2009
Klasse:
Datum:
Messen in Parallelschaltungen
1. Strom und Spannung
Skizziere das Schaltbild einer Parallelschaltung mit
zwei Widerständen. Zeichne alle Messgeräte ein, die
du benötigst um vorhandene Spannungen zu messen.
Skizziere das Schaltbild einer Parallelschaltung mit
zwei Widerständen. Zeichne alle Messgeräte ein, die
du benötigst um vorhandene Ströme zu messen.
Die Ströme der einzelnen Stromkreise der Parallelschaltung nennt man
Teilströme I1, I2, ….
den Gesamtstrom Iges.
Zusammengenommen ergeben diese Ströme
Beim Messen der Teilspannungen wird deutlich, dass jeder Teilwiderstand unmittelbar mit der
Spannungsquelle
verbunden ist. So sind Gesamtspannung und Teilspannungen gleich groß.
2. Berechne, was die Messgeräte 1 und 2 anzeigen.
1: I = U : R = 9 V : 60 Ω = 0,15 A
2: U = Uges = 9 V
3. Berechne alle unbekannten Strom-, Spannungs- und Widerstandswerte der Schaltung. Verwende zur
Zusammenstellung der Ergebnisse die vorgegebene Tabelle.
Bauteil 1
Bauteil 2
Bauteil 3
gesamt
U
12 V
12 V
12 V
12 V
R
12 Ω
10 Ω
40 Ω
4,8 Ω
I
1A
1,2 A
0,3 A
2,5 A
Berechnungen:
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© Als Kopiervorlage freigegeben. Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2009
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Datum:
Berechnungen in Schaltungen
1. Ein 470-Ω-Widerstand und eine gelbe LED (UF = 2,1 V) sind in Reihe geschaltet. Berechne den Gesamtwiderstand und die Spannung der Spannungsquelle, wenn Iges = 21 mA beträgt. Welchen Widerstandswert
hat die LED? Zeichne einen möglichen Schaltplan.
Schaltplan:
Berechnungen:
Iges = I1 = ILED = 0,021 A
U1 = I1 ∙ R1 = 0,021 A ∙ 470 Ω = 9,87 V
Uges = U1 + UF = 9,87 V + 2,1 V = 11,97 V ≈ 12 V
Rges = Uges : Iges = 11,97 V : 0,021 A = 570 Ω
Rges = R1 + RLED
RLED = Rges – R1 = 570 Ω – 470 Ω = 100 Ω
2. Berechne, was das Messgerät anzeigt.
Rges = R1 + R2 = 56 Ω + 120 Ω = 176 Ω
I = Uges : Rges = 9 V : 176 Ω = 0,051 A = 51 mA
3. Zähle je drei Anwendungen für eine Parallelschaltung bzw. eine Reihenschaltung auf.
Parallelschaltung
Reihenschaltung
1
LED-Fahrradrückstrahler
Batterien beim Fahrradlicht
2
Straßenlaternen
Zellen der Autobatterie
3
Autobeleuchtung
Sicherung und Steckdose
4. Wie hoch ist die Gesamtspannung der Schaltung?
R2
R3
12 V
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parallel
gesch.
U
9V
9V
9V
9V
R
11 Ω
9Ω
18 Ω
3,88 Ω
I
0,82 A
1A
0,5 A
2,32 A
R1
Uges =
R4
Rpar
Gesamt
U
3V
9V
12 V
R
1,3 Ω
3,88 Ω
5,18 Ω
I
2,32 A
2,32 A
2,32 A
Klasse:
Datum:
Widerstände
Man unterscheidet Festwiderstände und regelbare Widerstände. Zur ersten Sorte gehören z. B. die bekannten
Schichtwiderstände mit Farbringen. Mit regelbaren Widerständen (Poti) kann man die Ohmwerte einstellen.
1. Wie kann der Widerstandswert bestimmt werden?
– durch Messen
– durch den Farbcode des Widerstands
– in einer Schaltung durch Berechnen
2. Festwiderstände sind mit Farben codiert. Bestimme den Widerstandswert und die Toleranz.
1. Ring
2. Ring
3. Ring
4. Ring
5. Ring
Ergebnis
gelb
violett
orange
gold
–
47 kΩ ± 5 %
grün
blau
schwarz
silber
–
56 Ω ± 10 %
rot
violett
schwarz
braun
braun
2,7 kΩ ± 1 %
blau
grau
schwarz
schwarz
rot
680 Ω ± 2 %
3. Nenne Unterschiede zwischen Metallschicht- und Kohleschichtwiderständen.
Metallschichtwiderstände haben einen geringeren Toleranzbereich, sind teurer und haben einen
Farbcodering mehr.
4. Die höchstzulässige Leistungsaufnahme eines Widerstandes kann von der Baugröße des Gehäuses
abgelesen werden. Recherchiere im Internet oder mithilfe eines Elektronikversandkatalogs die Maße
der folgenden Kohleschichtwiderstände.
0,1 Watt
0,25 Watt
0,5 Watt
1,0 Watt
Länge
3,5 mm
6,8 mm
10 mm
16 mm
Durchmesser
1,85 mm
2,5 mm
3,5 mm
5,5 mm
5. Bei welcher Drehrichtung zeigt das Messgerät einen kleineren Widerstandwert? Kreuze an.
6. Verbinde den Trimmer so, dass mit ihm die Helligkeit der LED gesteuert werden kann:
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Sensoren
Größen wie Temperatur, Druck, Helligkeit, Feuchtigkeit, Magnetstärke, Lautstärke oder Kraft können in der
Technik mit Sensoren erfasst werden. Sie sind die „Fühler“ der Technik.
1. Wir Menschen nehmen unsere Umwelt größtenteils visuell über unsere Augen wahr. Nenne einige
elektronische Optosensoren.
Fotowiderstand (LDR), Fototransistor, Solarzelle, Sensorschicht einer Video- oder Digitalkamera
2. Ordne diese Sensortypen den passenden Diagrammen zu : LDR, NTC, PTC, Solarzelle, Elektretmikrofon.
NTC (Heißleiter)
LDR (Fotowiderstand)
Solarzelle
PTC (Kaltleiter)
Elektretmikrofon
3. Hall-Sensoren sind Magnetfeldsensoren. Nenne mögliche Anwendungsgebiete von Hall-Sensoren.
in bürstenlosen Motoren, zur Zündzeitpunkteinstellung bei Verbrennungsmotoren, bei Gurtschlössern
4. Welcher in den Diagrammen aufgeführte Sensortyp ist ein aktiver Sensor, kommt also ohne Hilfsstrom aus?
Die Solarzelle: sie erzeugt direkt Spannung und Strom.
5. Schließe jeweils einen Fotowiderstand (LDR) und einen Fototransistor an ein Ohmmeter an. Verdunkle beide Sensoren z. B.
durch eine kleine Pappschachtel und achte auf die Schnelligkeit der Widerstandsänderung bei der Anzeige.
a) Welchen Unterschied stellst du fest?
Der LDR benötigt deutlich länger, bis er bei Dunkelheit seinen
größten Widerstand erreicht.
b) Wie unterscheiden sich die Sensorflächen der Bauteile?
Der LDR hat eine größere Lichtfläche und damit einen größeren Öffnungswinkel für Licht.
c) Wofür ist der LDR nicht geeignet?
Der LDR ist träge und für eine gute Tonübertragung ungeeignet. Der Fototransistor hat eine hohe
Schaltfrequenz (bis z. B. 150 kHz).
6. Erkläre, warum Kaltleiter wie Glühlampen oder PTCs als Überstromsicherungen eingesetzt werden können.
Wenn z. B. ein Motor blockiert oder zu viel Strom aufnimmt und dadurch
überhitzt werden kann, steigt auch im PTC die Stromstärke.
Dabei wird der PTC heiß und sein Widerstand steigt stark an, wodurch
ein Überstrom verhindert wird.
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Datum:
Relais
Relais sind elektromagnetische Schalter, bei denen mit einem kleinen Steuerstrom ein großer Arbeitsstrom
gesteuert werden kann.
1. Beschrifte das Relais mit folgenden
Begriffen:
Spule, Anker, Kontaktfeder,
Eisenkern, mittlere Kontaktzunge,
Schließerkontakt, Öffnerkontakt.
Eisenkern
Anker
Kontaktfeder
Spule
2. Skizziere das Schaltzeichen für ein
Relais mit zwei Wechslern (2 x UM).
Öffnerkontakt
Schließerkontakt
mittlere Kontaktzunge
3. Betrachte ein Wechsler-Relais (2 x UM) von der Bodenseite und finde mithilfe eines Widerstandsmessgeräts
die Anschlussbelegung heraus. Zeichne die Anschlussbelegung auf und notiere den gemessenen
Spulenwiderstand.
4. Baue die dargestellte Schaltung auf und finde heraus, warum sie Selbsthalteschaltung genannt wird.
a) Tippe auf den EIN-Taster T1. Schreibe deine
Beobachtung auf und erkläre sie.
Wird T1 gedrückt, dann klickt es. Das Relais zieht
an und beide Relaiskontakte werden geschlossen.
Die Lampe leuchtet dauernd.
b) Zeichne in den Schaltplan einen weiteren Taster (T2)
ein, um die Lampe durch Knopfdruck wieder auszuschalten. Muss dies ein Öffner oder ein Schließer
sein? Begründe deine Antwort.
Wenn der Öffner T2 gedrückt wird, dann erhält das
Relais keinen Strom mehr. Kontakt K1,2 (Selbsthaltekontakt) und der Kontakt K3,4 öffnen sich.
Die Lampe erlischt.
c) Färbe den Steuerstrom im Schaltbild der Selbsthalteschaltung mit roter und den Arbeitsstrom mit
blauer Farbe.
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Kondensatoren
1. Notiere die aufgedruckten Werte der Kondensatoren und markiere den Plusanschluss.
Kapazität
1000 µF
0,68 µF
0,1 F (Goldcap)
63 V
250 V
5,5 V
Spannungsfestigkeit
2. Warum ist die Kenntnis der Spannungsfestigkeit und der Lage des Pluspols für die Anwendung von
Kondensatoren wichtig?
Die Spannungsfestigkeit bestimmt die maximale Spannung, an die der Kondensator angeschlossen werden
darf (Explosionsgefahr!). Gepolte Kondensatoren dürfen in einen Gleichstromkreis nur entsprechend ihrer
Polung eingebaut werden. Für Wechselstrom sind sie ungeeignet (Explosionsgefahr!).
3. Wie kann die Aufladungszeit des Kondensators
in der nebenstehenden
Schaltung verändert
werden?
– einen Kondensator mit anderer Kapazität verwenden
4. Wie verhält sich die
nebenstehende Schaltung
bei Beleuchtung des LDR?
Je mehr der lichtabhängige Widerstand beleuchtet wird, desto
– den Vorwiderstand verändern
– die Betriebsspannung verändern
geringer ist sein Widerstand. Je geringer der Widerstand,
desto schneller wird der Kondensator geladen.
5. Finde die sieben Anwendungen oder
Geräte, in denen der Kondensator
„versteckt“ ist und markiere die Zeilen
oder Spalten.
Tipp: Die Begriffe können auch
rückwärts geschrieben sein.
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Klasse:
Datum:
Dioden
Dioden sind elektronische Halbleiterbauelemente, die den Strom nur in eine Richtung durchlassen und in der
anderen Richtung sperren. Dadurch verhalten sie sich wie elektrische Ventile.
1. Ergänze die beiden rechten Spalten.
Diodentyp
Funktion, Anwendungen und Besonderheiten
Durchlassspannung
Siliziumdiode
Verpolungsschutz, Wechselstrom-Gleichrichtung
ca. 0,7 V
Schottkydiode
geringere Verlustleistung als Normaldiode, HF-Gleichrichtung
ca. 0,4 V
Leuchtdiode
Signalfunktion, Spannungsstabilisierung, 20 mA Betriebsstrom
1,6 V für rote LED
Zenerdiode
Überspannungsschutz, Spannungsstabilisierung
z. B. 2,7 … 16 V
2. Eine Z-Diode mit 6,2 V und 1,3 Watt soll zur Spannungsstabilisierung eingesetzt werden. Welcher maximale
Durchlassstrom ist erlaubt und was musst du beim Einbau der Z-Diode beachten?
I = 1,3 W : UZ = 1,3 W : 6,2 V ≈ 0,21 A = 210 mA; damit die Diode nicht überhitzt die Hälfte, also ca. 105 mA.
Zenerdioden werden andersherum geschaltet als normale Dioden.
3. Einfache Steckerladegeräte bestehen aus einem kleinen Trafo mit einer Sekundärspannung von z. B. 6 V,
einer Feinsicherung und einer Siliziumdiode. Welche Aufgaben haben diese Teile?
Der Netztrafo
erzeugt eine Kleinspannung, meist 6 ... 15 V~.
Die Sicherung schützt alle Teile vor Überstrom wie Kurzschluss.
Die Diode
erzeugt einen pulsierenden Gleichstrom.
4. Betrachte das Oszilloskopschaubild der Ausgangsspannung.
a) Welche Nachteile ergeben sich, wenn zur Gleichrichtung
nur eine Diode eingesetzt wird?
Die Sinuskurve des Wechselstroms ist „halbiert“ – der Gleichstrom
„pulsiert“.
b) Warum berührt die Spannungswelle nicht die Zeitachse?
wegen der Durchlassspannung (0,7 V) der Diode
5. Welchen Vorteil hat der Brückengleichrichter gegenüber einer einzelnen Diode? Erkläre dabei auch die
Kurven A und B.
Der Brückengleichrichter bringt die doppelte Leistung einer Einzeldiode (durch z. B. „Heraufklappen“ der unten
abgeschnittenen Wellenanteile – Kurve A). Ein Ladekondensator ergibt eine geringere Welligkeit (Kurve B).
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© Als Kopiervorlage freigegeben. Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2009
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Datum: