Fragen zu Kapitel 1 - Ruhr

1 Fragen zu elektrotechnischen Grundlagen
1.1 Stromversorgungen für Schaltungen
Spannungs/Strom-Quellen für elektrische Schaltungen werden auch Stromversorgungen genannt.
Batterien
1. Betrachtet man jede der beiden Elektroden einer Batterie für sich getrennt, so
sorgt ein bestimmter Effekt an jeder für eine stabile Ladungstrennung. Sie sollen
diesen Effekt am Vorlesungsbeispiel mit einem Satz beschreiben.
2. Der Ladungsunterschied zwischen den beiden Elektroden einer Batterie erzeugt
eine Spannung. Beschreiben Sie das am Vorlesungsbeispiel.
3. Angenommen, Sie belasten die Batterie mit der eingeprägten Spannung U0, indem
Sie einen Widerstand R zwischen die Pole der Batterie schalten. Wie groß ist die
Spannung an den Polen? Wie groß ist der Strom im Stromkreis? Gesucht sind die
Formeln, die die Größen berechnen.
4. Geben Sie den Stromkreis zu 3 mit den üblichen Schaltsymbolen an.
Kennzeichnen Sie die Polarität der Pole der Spannungsquelle. Geben Sie die
positiven Spannungs- und Strompfeile an.
5. Angenommen, man schaltet zwei identische Batterien in Reihe. Geben Sie die
Stromkreise für die beiden Schaltalternativen an (positive Spannungs- und
Strompfeile und Werte der Größen).
Netzteile für Computer
6. Die Stromversorgung eines Personal Computers erzeugt aus der üblichen
Wechselspannung von 230 V mehrere Gleichspannungen. Welche elektrische
Komponente sorgt dafür, dass der Wechselstromkreis und die Gleichstromkreise
keine elektrisch leitende Verbindung miteinander haben?
7. Geben Sie den prinzipiellen zeitlichen Verlauf einer Wechselspannung und die
Funktion an, die diesen Verlauf mathematisch festlegt.
8. Liefert ein Transformator eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung?
9. Beschreiben Sie den prinzipiellen Aufbau eines Transformators und die Ursache
für die Kopplung zwischen der primären und der sekundären Seite.
10. Es gibt ein elektrisches Element, mit dem man die negative Hälfte einer
Wechselspannung zu einer positiven machen kann, so dass der Spannungsverlauf
nur noch positive „Halbwellen“ enthält. Wie sieht dann der Spannungsverlauf aus und
wie heißt das Element?
Jede Einzelspannung, die das Netzteil liefert, soll sich nicht ändern, wenn die Quelle Strom
liefert, d.h. belastet wird. Das erreicht man dadurch, dass man die Spannungen so regelt,
dass sie ihren konstanten Nennwert halten. In der heutigen Netzteil-Technologie wird das mit
einem getakteten Schaltelement und einem Energiespeicher realisiert, die die „grobe“
Gleichspannung entsprechend aufbereiten (getaktete Netzteile).
1
11. Die Einzelspannungen, die ein Computer-Netzteil liefert, werden alle auf einen
gemeinsamen Pol bezogen. Geben Sie das übliche Schaltsymbol für diesen Pol an.
Angenommen, das Netzteil liefert folgende Spannungen an einem Netzteilstecker:
+5Vdc
-5Vdc
+12Vdc
-12Vdc
+3,3Vdc
Ergänzen Sie dieses Schaltsymbol und die (positiv gezählten) Spannungspfeile und
Strompfeile.
12. Sobald der Computer eingeschaltet wird, erzeugt das Netzteil die (auf die
angegebenen Nennwerte) geregelten Gleichspannungen. Die gedruckten Karten, die
damit versorgt werden, beziehen einen bestimmten Strom aus dem Netzteil. Das
nennt man eine „Belastung“ der Spannungsquelle. Die Höhe der Belastung wird
durch den Belastungswiderstand ausgedrückt, den alle gedruckten Karten
zusammen erzeugen, die Strom beziehen. Dieser Gesamtwiderstand, der die
Wirkung aller Einzelwiderstände zusammenfasst, heißt auch Ersatzwiderstand.
Muss man außer diesem Ersatzwiderstand noch (wie bei einer Stromversorgung
durch eine Batterie) den Innenwiderstand der Spannungsquelle berücksichtigen, um
den Strom zu bestimmen? Begründen Sie Ihre Antwort.
13. Im deutschen technischen Sprachgebrauch ist für den Bezugspol die
Bezeichnung Masse üblich. Das hat einen schaltungstechnischen Sinn. Welchen?
1.2 Ladungszustand der Erde
Das Teilgebiet der Physik, das sich mit ruhenden elektrischen Ladungen und Ihren
Gesetzen beschäftigt, wird Elektrostatik genannt.
14. Welche Bedingung müssen die elektrischen Ladungen eines Gegenstandes
erfüllen, damit er nach außen elektrisch neutral ist?
Kann man in einem ausgewählten Erdbereich ausschließen, dass erzwungene Ströme
hindurchfließen, dann ist dieser Bereich im neutralen Ladungszustand.
Man sagt: Ein Gegenstand im neutralen Ladungszustand hat kein Potential oder er hat NullPotential.
Das Erdpotential ist ein Null-Potential.
15. Geben Sie das Symbol für die Erde mit Erdpotential an.
16. Ein Gegenstand soll im neutralen Ladungszustand sein. Welchen Wert hat dann
die Spannung zwischen dem Gegenstand und der Erde?
Was geschieht mit dieser Spannung, wenn Sie dem Gegenstand Elektronen
entzogen haben?
Was geschieht mit dieser Spannung, wenn Sie dem Gegenstand Elektronen hinzugefügt haben?
2
1.3 Änderung des Ladungszustandes von Gegenständen
1.3.1 Aufladung bzw. Entladung durch Reibung von Gegenständen aus
nicht leitenden Stoffen
Die Differenz der elektrischen Ladung gegenüber dem neutralen Ladungszustand
eines Gegenstandes ist für den Wert der Spannung gegenüber der Erde maßgeblich.
Das ist aus Beispielen für Aufladung bekannt, die man im Alltag antrifft.
17. Sie gehen mit gummibesohlten Schuhen mit etwas „schlürfendem“ Gang über
einen Kunststoff-Teppichboden und fassen danach eine metallische Klinke an.
Welcher Effekt kann eintreten?
18. Sie gehen nach dem gleichen Gang, ohne die Klinke anzufassen, direkt an Ihren
Elektronik-Arbeitsplatz und fassen die Leitenbahnen einer fertig bestückten Platine
an. Was kann geschehen? Wie kann man das verhindern?
19. Über diesen Teppichboden sind viele mit gummibesohlten Schuhen gegangen.
Welche elektrische Eigenschaft bekommt der Teppichboden gegenüber der
neutralen Erde, mit der er keine leitende Verbindung hat?
Reibung zwischen zwei nicht leitenden Gegenständen (Isolatoren) erzeugt bei bestimmten
Stoffkombinationen eine Ladungstrennung. Darüber, bei welchem Gegenstand Elektronen
weggenommen werden und bei welchem sie hinzugefügt werden und wie viele es sind,
entscheidet die so genannte triboelektrische Reihe
sehr trockene Hand
Leder
Glas
Haare
Wolle
Fell
Seide
Papier
Baumwolle
Hartgummi
Polyester
PVC
positiv (Geringe Elektronenaffinität)
negativ (hohe Elektronenaffinität)
In einer Kombination von zwei Stoffen lädt sich der weiter unten in der Reihe
stehende mit Elektronen auf, der andere verliert sie und wird positiv.
3
1.3.2 Ladungsverschiebung durch Influenz
20. Wenn ein Gewitter aufzieht, laden sich Wolken auf (ein sehr komplexer Prozess,
der hier nicht zur Debatte steht).
Bildquelle: http://home.eduhi.at/member/nature/met/blitz/gewitter.htm#Entstehung
Was bedeutet diese Situation für die
elektrische Ladung auf der Erdoberfläche?
Den physikalischen Effekt, bei dem ein
Gegenstand mit einer stabilen elektrischen
Ladung über den freien Raum eine
Ladungsverschiebung in einem elektrischen
Leiter bewirkt, nennt man Influenz
(electrostatic induction).
Ladungsverschiebung fügt einem Gegenstand keine Ladungen zu oder nimmt sie
von ihm weg, sondern sie ändert nur die Verteilung der Ladungen in dem
Gegenstand.
1.3.3 Auf- und Entladung durch Influenz und Leitung
21. Angenommen, Sie haben einen Hartgummi-Stab mit Papier gerieben und Sie
halten den Stab in sehr geringem Abstand zu einer Metallkugel, die zur Erde isoliert
aufgestellt ist. Beschreiben Sie die Effekte auf den Ladungszustand mit Hilfe
folgender schematischer Skizze.
Stab
Metallkugel
Isolator
Erde
22. Nun stellen Sie für kurze Zeit eine leitende Verbindung zwischen der Kugel und
der Erde her, wobei die Lage des Stabes unverändert bleibt, bis Sie die Verbindung
wieder auflösen. Was geschieht mit dem Ladungszustand der Kugel?
4
23. Prüfen Sie Ihr Verständnis an
folgendem Szenario:
Die metallischen Teile eines Fahrzeugs bilden
eine Einheit, die man als Masse bezeichnet. Ist
diese Masse bei einem Auto gut oder schlecht
isoliert gegen Erde?
Angenommen, Sie fahren mit Ihrem Auto unter die Wolkenbasis eines aufziehenden
Gewitters und die Straße bzw. die Reifen sind völlig trocken. Was geschieht mit der
Ladungsverteilung in der Masse des Autos?
Sie sind ein guter Leiter, wenn Sie barfuß auf der Erde stehen und einen Gegenstand
anfassen. Angenommen, Sie halten unter der Wolkenbasis an und fassen, barfuß auf der
Erde stehend, die Masse des Autos an. Was bedeutet das für den Ladungszustand der
Masse?
Sie fahren danach aus der Gewitterzone heraus, ohne dass die Reifen feucht werden.
Ändert sich etwas am elektrischen Ladungszustand der Masse?
Sie halten wieder und berühren, barfuß auf der Erde stehend, die Masse des Autos. Was
bedeutet das für die elektrische Ladung auf der Masse?
Tun Sie nie das, was hier hypothetisch angenommen wird! Verlassen Sie nie Ihr Auto in
einem aufziehenden oder aktiven Gewitter. Im Auto sind Sie sicher, draußen nicht.
Warum Sie im Auto sicher sind, ist natürlich auch eine interessante Frage.
Das Gewitter zieht ab. Was geschieht mit der Ladungsverteilung in der Erdoberfläche an
dem Ort, wo es vorher war?
1.3.4 Auf- und Entladung von ladungspeichernden Elementen durch
Leitung
24. Der Kondensator ist das wichtigste ladungspeichernde Element. Geben Sie ein
Schnittschema mit den maßgeblichen Merkmalen an.
25. Geben Sie einen Stromkreis an, in dem eine positive Spannung eines PCNetzteiles über einen Widerstand einen nicht geladenen Kondensator auflädt, und
erklären Sie den Aufladevorgang.
Geben Sie einen Stromkreis an, mit dem ein geladener Kondensator entladen wird,
und erklären Sie den Entladevorgang.
1.4 Stromversorgungen und ihre Masse- bzw. Erdverbindung
26. Als Anwendungsbeispiel aus dem Alltag soll eine Kunststoff-ummantelte AutoBatterie dienen. Der Kunststoff-Mantel isoliert das Innere der Batterie vom Äußeren.
Batterien, die sich wieder aufladen lassen, werden Akkumulatoren genannt. Bei
Autobatterien handelt es sich eigentlich um Akkumulatoren, bei denen die Elektroden
überwiegend aus Blei bestehen, während als Elektrolyt Schwefelsäure benutzt wird.
Dieser Aufbau führt zur Bezeichnung Bleiakku.
5
Das Innere ist eine Anordnung von elektrisch gut leitenden Stoffen. Es gibt keinen
Grund dafür, dass sich das Innere beim Herstellen gegen Erde auflädt; denn es
werden neutrale Stoffe benutzt und keiner der oben genannten Effekte, die eine
Aufladung hervorrufen könnten, wird aktiviert.
Welche Spannung erwarten Sie zwischen einem beliebigen Punkt auf den Polen und
der Erde?
Erfahrene haben schon einmal festgestellt, dass sie gut leitend stehen können und dabei
entweder den einen oder den anderen Pol einer nicht angeschlossenen Batterie anfassen
können - natürlich nie beide gleichzeitig! - und keinerlei Stromeffekte bemerken.
27. Die Spannung gegenüber der Erde hängt vom Unterschied des Ladungszustands
auf der Erde und dem im Innern der Batterie ab. Da das Innere nach der Herstellung
insgesamt neutral ist, stellt man auch keine Spannung zwischen einem Punkt im
Innern und der Erde fest.
Dagegen liegen im Innern der Batterie durch die charakteristische Verteilung der
Ladung zwischen zwei Punkten entsprechende Spannungen vor, wobei die nutzbare
Spannung die zwischen den Polen ist.
Der Minus-Pol heißt also nicht deswegen so, weil er gegenüber dem neutralen
Zustand der Erde einen Elektronen-Überschuss hat, und der Plus-Pol heißt nicht
deswegen so, weil er einen entsprechenden Mangel an Elektronen hat,
sondern weil ???
28. Wählt man nun einen der Pole der Batterie und schließt ihn an Masse bzw. diese
auch an Erde an, dann verbindet man das gesamte Innere mit der Masse und der
Erde, so dass sich in der Gesamtheit der gut leitfähigen Stoffe der neutrale
Ladungszustand einstellen kann. Der andere Pol stellt dann die entsprechende
Spannung gegenüber dieser „ladungsausgleichenden Großmasse“ bereit.
Wählt man den anderen Pol, entsteht die zur vorhergehenden entgegengesetzte
Spannung.
Eine Batterie ist ein Beispiel für eine zweipolige Stromversorgung, die man durch
Verschaltung der Masse wahlweise entweder als Plus- oder als MinusSpannungsquelle nutzen kann.
Bei Stromversorgungen mit einheitlichem Bezugspol Masse ist der eine Pol immer
die Masse. Wie viele Pole hat eine solche Stromversorgung, um wahlweise eine
positive und negative Spannung gleichen Betrages frei wählbar bereitzustellen?
In diesem Fall spricht man von zwei Spannungen, die zur Masse symmetrisch sind.
6
29. Um symmetrische Spannungen mit Batterien zu erzeugen, braucht man zwei
davon. Ergänzen Sie das folgende Schaltbild mit positiven Spannungspfeilen und
dem Masse-Symbol so, dass die Schaltung zur Masse symmetrische Spannungen
liefert.
+
Das Schaltprinzip können Sie natürlich auch auf Spannungsquellen anderen Typs
anwenden, die ihre Pol-Spannungen wie Batterien anbieten.
Mit Batterien werden in aller Regel Spannungsquellen mit asymmetrischer Spannung
realisiert, also entweder eine positive oder eine negative Spannung gegen Masse.
30. Am Beispiel der Autoelektrik kann man einen Vorteil der asymmetrischen
Spannungsversorgung mit Masse erkennen.
Der Glühfaden einer Lampe stellt einen (ohmschen) Widerstand dar. Geben Sie
dafür den Stromkreis in einem Auto an und erklären Sie, warum die Verkabelung
durch den Masseanschluss eines Batterie-Pols günstiger wird.
31. Die Pole einer Autobatterie sind eigentlich für den Masseanschluss gleichwertig.
Es hat sich aber in der Autoelektrik durchgesetzt, den negativen Pol mit Masse zu
verbinden.
Sie finden in der Beschreibung für den Einbau der Autobatterie folgende Anleitung:
„Zuerst klemmt man das Massekabel der alten Batterie ab und dann den Pluspol,
nach dem Auswechseln der Batterie und dem erfolgten Festschrauben der neuen
klemmt man zuerst den Pluspol und dann den Masseanschluss an.“
Ausbaufall: Angenommen, Sie lösen den Anschluss am Plus-Pol und das
Massekabel zwischen Minus-Pol und Chassis ist intakt. Beim Aufsetzen am PlusPols berührt der metallische Schlüssel gleichzeitig auch das Chassis. Erklären Sie
mit der Angabe eines Stromkreises, was passiert.
Übertragen Sie das auf den Einbaufall.
7
32. Sie haben die Batterie ordnungsgemäß eingebaut, alles ist sonst in Ordnung und
Sie fahren bei einem Wetter mit sehr geringer Luft- und Bodenfeuchtigkeit. Welcher
physikalische Effekt sorgt dafür, dass die Masse des Autos eine Spannung
gegenüber der neutralen Erde bekommen kann? Beschreiben Sie den Vorgang.
Was geschieht, wenn Sie selbst ein guter Leiter gegen Erde sind und die Masse
berühren?
1.5 Sichern von elektrisch betriebenen Geräten durch eine Verbindung
zur Erde
33. Geräte, die mit lebensgefährlichen Spannungen arbeiten, müssen besondere
Schutzmaßnahmen enthalten, die ein Berühren von Geräteteilen mit gefährlichen
Spannungen verhindern.
Als Grenzwerte für Spannungen, die beim Berühren noch zulässig sind, gelten für
Wechselspannungen 25 V und für Gleichspannungen 60 V.
Eine der Maßnahmen ist, alle berührbaren metallischen Teile über das
Anschlusskabel mit dem Schutzkontakt im Anschlussstecker zu verbinden. Dadurch
erhält das Gerät im Betrieb über den Schutzkontakt in der Steckdose und das
Schutzleitersystem eine elektrisch leitende Verbindung zur Erde.
Sobald also beim Betrieb des Gerätes eine (durch einen Gerätefehler provozierte)
leitende Verbindung zwischen einer gefährlichen Spannung und dem Metall entsteht,
fließt ein hoher Kurzschlussstrom von der betroffenen Wechselspannungs-Phase
durch den sichernden Automaten zur Erde und löst diesen aus. Damit wird die Phase
sicher von den berührbaren metallischen Teilen ferngehalten.
Die metallischen Gehäuse der Netzteile der PCs sind zusammen mit dem evt.
vorhandenen metallischen PC-Gehäuse mit Sicherheit geerdet.
Man erdet auch das Leitungssystem, das im PC die Masse realisiert. Es geht um
eine möglichst einfache Realisierung der Verbindung. Wo wird man die Verbindung
herstellen?
Das ist der Grund, weshalb man im englischen technischen Sprachgebrauch einen
anderen Begriff für Masse verwendet. Welchen?
1.6 Elemente zum Schalten von Strom
34. Für das Auf- und Entladen eines Kondensators braucht man einen Schalter.
Welches nicht elektromechanische Schaltelement eignet sich? Diskutieren Sie seine
Funktion am Beispiel der Aufladung des DRAM-Kondensators einer BitSpeicherzelle.
35. Erklären Sie die prinzipielle Funktion des elektromechanischen Schaltelementes
Relais.
8