Cv = 0553F Icv = 1,74A IA=2,45A UL=980V UA=9,5kV P=1,8kW n
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MINISTERIUM FÜR KULTUS, JUGEND UND SPORT BADEN-WÜRTTEMBERG Hauptprüfung 2005/2006 1.5.1 Berufliches Gymnasium (TG) Technik (Elektrotechnik) Teil 2 (Pflichtbereich) Aufgabe 3 (3 Seiten) Punkte Elektronisches Mini-Roulette-Spiel Die vorliegende Schaltung simuliert ein vereinfachtes Roulette-Spiel. Die kreisförmig angeordneten LEDs L2 L0 bis L11 (Abbildung 1) werden bei Spielbeginn (= Tastendruck) zunächst in rascher zeitlicher Folge einzeln nacheinander angesteuert, was dem Spieler den L3 Eindruck einer schnell umlaufenden Kugel vermittelt. Nach dem Loslassen des Tasters Ta nimmt die L4 „Umlaufgeschwindigkeit“ kontinuierlich ab, bis die „Kugel schließlich liegen bleibt“, d. h. bis nur noch eine LED leuchtet. L0 L1 L11 L10 L9 L8 L5 L6 L7 Abbildung 1 Das Blockschaltbild der Schaltung zeigt Abbildung 2. Durch Betätigen des Tasters Ta wird der Taktgenerator mit einer Taktfrequenz von 120 Hz gestartet. Die Ausgänge des Dekoders werden nacheinander High. Die Schaltverstärker schalten nacheinander jeweils eine LED. Ta Taktgenerator 0 bis 120 Hz Zähler 0...11DEZ C A (20) Dekoder Q0 Q1 . 1 . B (2 ) 2 C (2 ) D (23) Schaltverstärker . . . . . . Q10 Q11 L0 . . . . . . . . . . L11 Abbildung 2 1 Synchroner Zähler Der Zähler mit den Ausgangssignalen A, B, C, D ist als Synchronzähler mit der Zählfolge 0, 1, 2, ... 10, 11, 0 ... zu entwerfen. Zur Verfügung stehen D-Flipflops oder JK-Flipflops. 1.1 Erklären Sie kurz, warum die gegebene Zählfolge für die Funktion der Schaltung geeignet ist. Begründen Sie, dass noch weitere geeignete Zählfolgen existieren. 2 1.2 Ergänzen Sie die Funktionstabelle des Synchronzählers auf dem Arbeitsblatt. 3 1.3 Ermitteln Sie möglichst einfache Schaltfunktionen für die Vorbereitungseingänge der Flipflops mit Hilfe der KV-Diagramme auf dem Arbeitsblatt. 1.4 Skizzieren Sie die Schaltung des Synchronzählers. 2 4,5 2 Dekoder Aus den Ausgangssignalen A, B, C und D des Zählers erzeugt der Dekoder die Ansteuersignale Q0 bis Q11 für die Schaltverstärker der Leuchtdioden L0 bis L11. Beim Zählerzustand 0dez (0000) soll Q0 = 1 sein, beim Zählerzustand 1dez (0001) soll Q1 = 1 sein usw. Beim Zählerzustand 11dez schließlich ist Q11 = 1. 2.1 Stellen Sie die Funktionstabelle des Dekoders auf. 2.2 Ermitteln Sie für den Ausgang Q11 eine möglichst einfache Schaltfunktion. 2.3 Skizzieren Sie die Schaltung für den Ausgang Q11 unter ausschließlicher Verwendung von NAND- Elementen mit 2 Eingängen. -1- 3 1,5 1 MINISTERIUM FÜR KULTUS, JUGEND UND SPORT BADEN-WÜRTTEMBERG Hauptprüfung 2005/2006 1.5.1 Berufliches Gymnasium (TG) Technik (Elektrotechnik) Teil 2 (Pflichtbereich) Aufgabe 3 (3 Seiten) Punkte 3 RC Schaltverstärker + 10 V Abbildung 3 zeigt die Schaltverstärkerschaltung für die Ausgänge Q0 bis Q2, die Ausgänge Q3 bis Q11 sind entsprechend geschaltet. Q0 Q1 Dekoder Daten: UF = 1,65 V IF = 20 mA Transistoren: B = 120 UCErest = 0,1 V UBE = 0,7 V Dekoderausgang: UQHigh = 3,6 V L1 RB1 LED: . . . . . . . . L2 RB2 L3 RB3 Q10 Q11 UQ 0V Abbildung 3 3.1 Begründen Sie, warum man in der Schaltung mit nur einem gemeinsamen Kollektorwiderstand RC auskommt. 1 3.2 Berechnen Sie die Werte des gemeinsamen Kollektorwiderstandes RC und der Basisvorwiderstände RB, wenn der Übersteuerungsfaktor der Transistoren ü = 2 betragen soll. 4 3.3 Durch einen Fehler liefern alle Ausgänge Q0 bis Q11 gleichzeitig High-Signal. Welche Auswirkungen hat dieser Fehler auf die Transistoren und die Leuchtdioden? 2 4 Taktgenerator mit veränderlicher Taktfrequenz +10 V R1 100 Ω f in Hz Taktgenerator 120 Ta E C 4,7 µF R2 UE 680 kΩ 0V 0 Abbildung 4 10 UE in V Abbildung 5 Der Taktgenerator ist ein spannungsgesteuerter Rechteckgenerator. (Abbildung 4). Die Taktfrequenz hängt linear von der Spannung UE am Eingang E ab (Abbildung 5). Der Kondensator ist zunächst ungeladen. 4.1 Erklären Sie, warum sich bei gedrücktem Taster Ta die Taktfrequenz 120Hz einstellt. 4.2 4.3 2 Der Taster Ta wird nach einigen Sekunden losgelassen. Erläutern Sie, warum die Frequenz des Generators kleiner wird. 2 Skizzieren Sie den zeitlichen Verlauf der Spannung UE . Welche Auswirkung hat eine Verkleinerung der Kapazität? 2 30 -2- MINISTERIUM FÜR KULTUS, JUGEND UND SPORT BADEN-WÜRTTEMBERG Schulnummer Schülernummer Zu- und Vorname: Hauptprüfung 2005/2006 1.5.1 Technik (Elektrotechnik) ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Schulnummer Schülernummer Hauptprüfung 2005/2006 1.5.1 Technik (Elektrotechnik) Arbeitsblatt Teil 2 Aufgabe 3 (Pflichtbereich) Punkte Zu 1. Synchronzähler: 1.2 Funktionstabelle D C B A D C B A 1.3 KV-Diagramme und Funktionsgleichungen -3- MINISTERIUM FÜR KULTUS, JUGEND UND SPORT BADEN-WÜRTTEMBERG Hauptprüfung 2005/2006 1.5.1 Berufliches Gymnasium (TG) Technik (Elektrotechnik) Teil 2 (Pflichtbereich) Aufgabe 4 (2 Seiten) Punkte Zahlenspiel Die unten angegebene Schaltung soll folgende(n) Funktionen (Ablauf) erfüllen: Der Zähler läuft ununterbrochen. Schritt 1: Æ Q0…Q2 werden in SPA gespeichert (Zählerstand 1). Schritt 2: Æ Q0…Q2 werden in SPB gespeichert (Zählerstand 2). Wenn beide Zahlen gleich sind, wechselt eine Anzeige von rot auf grün. Schritt 3: Æ SPA und SPB werden gelöscht. - ein Schritt =ˆ 1x Taster-Betätigung Schritt 4 =ˆ Schritt 1 (Wiederholung / Neustart) der Takt startet automatisch die Speicherausgänge Qn sind nach dem Einschalten Null (Startwert =ˆ 0) - die grüne Lampe leuchtet 1. Zähler 3 - 4 - 1... Ein Synchronzähler erzeugt die Zahlenfolge 3-4-1-6-5-2-3… im BCD-Code und wird mit hoher Frequenz angesteuert, damit durch die Tasterbetätigungen quasi zufällige Treffer entstehen. 1.1 Wie viele Speicherelemente (Flipflops) sind mindestens notwendig, um die 6 unterschiedlichen Zustände zu kodieren? Geben Sie eine Begründung an! 1 1.2 Zeichnen Sie das Zustandsdiagramm des Zählers mit Angabe der Ausgangsgrößen. 3 1.3 Ermitteln Sie die minimierten Gleichungen für die Vorbereitungseingänge der Flipflops. 5 1.4 Zeichnen Sie die Schaltung und überprüfen Sie, welcher Folgezustand entsteht, wenn durch irgendeine Ursache der Zähler den Wert 7 annimmt. 5 -1- MINISTERIUM FÜR KULTUS, JUGEND UND SPORT BADEN-WÜRTTEMBERG Hauptprüfung 2005/2006 1.5.1 Berufliches Gymnasium (TG) Technik (Elektrotechnik) Teil 2 (Pflichtbereich) Aufgabe 4 (2 Seiten) Punkte 2. Zahlenspeicherung Zwei 3-Bit-Speicher (SPA und SPB) werden so angesteuert, dass sie nacheinander zwei Zahlen des Synchronzählers speichern. Ein synchron getaktetes Schaltwerk (Steuerung) stellt die Steuersignale S0, S1und S2 so zur Verfügung, dass die Schritte 1 bis 3 erfüllt werden. R 1 0 0 CS x 0 1 Funktion löschen keine Änderung speichern Funktion der Steuerleitungen für die Speicher SPA und SPB 2.1 Zeichnen Sie die Impulsfolge (Impulsdiagramm) für die Signale S0, S1 und S2 in Abhängigkeit von den Tasterbetätigungen (TB). 2 2.2 Entwickeln Sie eine Steuerschaltung. (Ein funktionsfähiger Schaltplan ist ausreichend). 5 3. Zahlenanzeige a Die Speicherinhalte sollen mit Hilfe des Codewandlers an einer 7-Segmentanzeige als Ziffern dargestellt werden. f g b Q0A 3.1 3.2 Ermitteln Sie die minimierte Schaltfunktion für den Leuchtbalken d. e Q1A d c 3 Q2A Zeichnen Sie die Schaltung. 2 4. Komparator für zwei 3-Bit-Zahlen Die beiden Zahlen werden verglichen. Es stehen 1-Bit-Komparatoren zur Verfügung. A B A<B A=B A>B A 0 0 1 1 X Y Z X 0 1 0 0 Y 1 0 0 1 Z 0 0 1 0 Funktionstabelle eines 1-Bit-Komparators Im vorliegenden Fall ist es „nur“ wichtig, Gleichheit – oder Ungleichheit zweier 3-BitZahlen festzustellen. 4.1 B 0 1 0 1 Zeichnen Sie eine Schaltung, die sich aus 1-Bit-Komparatoren (s. oben stehendes Schaltzeichen) und weiteren Grundbausteinen (AND; NOR; NOT…) zusammensetzt und bei Zahlengleichheit eine grüne – ansonsten eine rote Signallampe ansteuert. 4 30 -2- MINISTERIUM FÜR KULTUS, JUGEND UND SPORT BADEN-WÜRTTEMBERG Hauptprüfung 2005/2006 1.5.1 Berufliches Gymnasium (TG) Technik (Elektrotechnik) Teil 3 (Wahlbereich) Aufgabe 6 (1 Seite) Punkte 1. Filter A I1 U 1.1 U L IC 1 C 1 Daten U1 = 10 V fres= 100 kHz L = 1,592 mH R2 = 1 kΩ I2 L U R 2 2 1 Zeichnen Sie für die Reihenschaltung aus L und R2 das Zeigerdiagramm 2 der Widerstände. Welcher Phasenwinkel ϕ=∡(R2,ZLR2) ergibt sich bei Resonanzfrequenz? Maßstab: 1 cm ≙ 200Ω 1.2 Wandeln Sie diese Reihenschaltung in eine äquivalente Parallelschaltung bei fres um, berechnen Sie XLp und R2p und zeichnen Sie die sich ergebende Gesamtschaltung. 2 1.3 Ermitteln Sie XC1, C1 und Z des Parallelschwingkreises bei fres=100 kHz. 3 1.4 Welches Spannungsverhältnis U2/U1 ergibt sich bei der oben abgebildeten Schaltung? 2 1.5 Der Widerstand R2 wird kurzgeschlossen. Welche Resonanzfrequenz ergibt sich jetzt (Annahme: C1 = 796 pF)? 2 2. Filter B U I1 L IC 1 C U L 1 1 Daten U2 = 10 V fres = 100 kHz C2 = 1,59 nF R2 = 1 kΩ I2 IL IC 2 C 2 U 2 R 2 2.1 Berechnen Sie die Ströme I2, IC2 und IL 1,5 2.2 Zeichnen Sie das Zeigerdiagramm mit U2, I2, IC2, IL 2,5 und bestimmen Sie den Phasenwinkel ϕ =∡( IL, U2). Maßstab: 1 cm ≙ 1 V, 1 cm ≙ 2 mA 2.3 Ermitteln Sie die Spannung UL für den Fall, dass U1 U2 um 90° vorauseilt. Erweitern Sie dazu ihr Zeigerdiagramm aus 2.2. 4 2.4 Bestimmen Sie für diesen Fall XL und L 2 2.5 Berechnen Sie Ic1 (C1=C2). Ergänzen Sie das Zeigerdiagramm von Aufgabe 2.3 mit diesem Stromzeiger. 2 3 Maßstab: 1 cm ≙ 2 mA 2.6 Welche Phasenlage hat der Strom I1 im Vergleich zu IC2 und U1? 2 2.7 Berechnen Sie den Gesamtwiderstand der Schaltung und vergleichen Sie diesen mit dem Widerstand R2. 2 30 Abi 2006/2007 Elektrotechnik Pflicht 3.1 Aufgabe 3 (1 Seite) Punkte Filterschaltungen Ein RC-Tiefpass mit R = 1 k hat die Grenzfrequenz 1590 Hz. Der Effektivwert der sinusförmigen Eingangsspannung beträgt 5,0 V. 3.1.1 Skizzieren Sie die Schaltung und zeichnen Sie die Spannungspfeile der Eingangsspannung Ue und der Ausgangsspannung Ua ein. Berechnen Sie den Spitzenwert ûe und die Kapazität C. 3 3.1.2 Am Ausgang der Tiefpass-Schaltung wird parallel zum Kondensator ein Lastwiderstand Ra = 1 kΩ angeschlossen. Bestimmen Sie die Spannung Ua bei der Frequenz f = 0 Hz und die Spannung Ua bei der Frequenz f = 3,2 kHz. 6 3.1.3 Am Ausgang der Tiefpass-Schaltung aus 3.1.1 wird parallel zum Kondensator eine Spule angeschlossen. Skizzieren Sie für den Fall XL < XC ein nicht maßstäbliches Zeigerdiagramm aller Spannungen und Ströme. Welches Verhalten zeigt die Schaltung bei XL = XC? 4 3.2 Kompensation An den Anschlüssen eines Elektro-motors wurden die zeitlichen Verläufe der Spannung und des Stromes entsprechend dem Diagramm ermittelt: 3 3.2.1 Berechnen Sie die Schein-, Wirkund Blindleistung des Motors und die abgegebene mechanische Leistung bei einem Wirkungsgrad η = 0,82. 3.2.2 Zeichnen Sie das Reihenersatzschaltbild des Motors und berechnen Sie die zugehörigen Widerstände R und XL. 3 3.2.3 Um den Leistungsfaktor auf cos φ2 = 0,95 zu verbessern, wird dem Motor ein Kondensator parallel geschaltet. (Annahme: R = 55 Ω, XL = 40 Ω) Bestimmen den Gesamtstrom I’ und die erforderliche Kapazität C des Kondensators. 6 3.3 Verbraucher am Drehstromnetz Versorgungsnetz: 400V / 230V / 50Hz, 3.3.1 Bestimmen Sie die Gesamtleistung der nebenstehenden Drehstromschaltung. 3.3.2 Wie ändert sich die Gesamtleistung, wenn bei x in der Zuleitung L1 eine Unterbrechung auftritt? (Begründung oder Rechnung) L1 L2 L3 R = 100Ω X 2 R U12 3 R R U23 U31 30 Abi 2006/2007 Elektrotechnik Pflicht Aufgabe 4 (1 Seite) Leuchtstofflampe Gegeben ist die nebenstehend abgebildete Leuchtstofflampenschaltung. Sie besteht aus einer unbekannten, realen Spule (Vorschaltgerät VG) und der Lampe, die im Nennbetrieb als reiner Wirkwiderstand aufzufassen ist. 4.1 Punkte Vorschaltgerät Vorschaltgerät (VG) Wenn man nur das Vorschaltgerät an einer Gleichspannung von U_ = 12 V betreibt, fließt ein Strom von I_ = 133 mA. 4.1.1 Berechnen Sie Rsp. 4.2 3 Gegebene Schaltung im Nennbetrieb Im Nennbetrieb (U~ = 230 V / 50 Hz ) kann die Leuchtstofflampe als ohmscher Verbraucher mit RLa = 160 Ω betrachtet werden. An der Nennspannung ergibt sich ein Strom von I~ = 518 mA. Das Kraftwerk schreibt einen cosϕ ϕ > 0,9 vor. 4.2.1 Berechnen Sie die Wirkleistung PLa und bei RSp=90Ω die Induktivität LSp des VG. 5 4.2.2 Zeichnen Sie ein Zeigerdiagramm der Spannungen ULSp , URSp , URLa , U~ und des Stroms I~. Maßstab: 1 cm ≙ 20 V; 1 cm ≙ 50 mA. 5 4.2.3 Verdeutlichen Sie, warum die Lampe nach der Vorschrift des Kraftwerks in der Schaltung so nicht betrieben werden darf. 2 4.3 Parallelkompensation Um den Betrieb der Lampe zu ermöglichen, wird ein Kondensator mit der Kapazität C = 4,7 µF parallel zur abgebildeten Schaltung geschaltet. 4.3.1 Begründen Sie, wie dadurch die Leistung PLa der Lampe beeinflusst wird. 3 4.3.2 Ermitteln Sie die sich neu einstellende Gesamtstromstärke I' und den neuen Phasenwinkel ϕ' und beurteilen Sie, ob die Lampe nun betrieben werden darf. 7 4.4 Betrieb mehrerer Lampen an Drehstrom Mehrere dieser kompensierten Lampen sollen nun im Drehstromnetz 400/230V betrieben werden, wobei der Strom IN im Neutralleiter möglichst klein bleiben soll. 4.4.1 Skizzieren Sie unter dieser Bedingung eine Schaltung für 4 Lampen. Stellen Sie die jeweilige Lampenschaltung vereinfacht als Z dar. 2 4.4.2 Ermitteln Sie mit Hilfe des Zeigerdiagramms für diesen Fall die Stromstärke IN im Neutralleiter. 2 4.4.3 Beschreiben Sie allgemein für n gleichartige Verbraucher die Abhängigkeit von INmin vom Strom des einzelnen Verbrauchers. 1 30 Abi 2006 / 2007 Elektrotechnik Aufgabe 6 (3 Seiten) Wahl Punkte Drehzahlsteuerung eines Elektromotors Mit der vorliegenden Schaltung soll die Einstellung der Drehzahl eines Gleichstrommotors realisiert werden. Die unterschiedlichen Drehzahlen werden dadurch möglich, dass das Signal M unterschiedliche Impulslängen ti aufweist, während die Periodendauer T konstant bleibt. Die Taster C und R sind entprellt. HIGH C CTRDIV6 CLK R dn up 0 A0 Zähler 1 R = 1 =ˆ geschlossen R = 0 =ˆ offen Mux 1 aus 6 G A1 R C 0 5 2 A2 Verstärker M → Rückwärts → Clock M wird für den Motor verstärkt. 0...4 (zyklisch) CTRDIV5 G CLK Kodierer Q0 Q1 Zähler 2 Q2 M M0 M1 M2 M3 M4 M5 Je größer das Tastverhältnis ti /T ist, desto schneller dreht sich der Motor. Beschreibung der Schaltung Die Ausgangskombinationen Q2, Q1, Q0 am Zähler 2 werden vom Kodierer in Signale M5... M0 mit unterschiedlichem Tastverhältnis ti /T umgewandelt. M0 Signal ti /T M5 1 M4 4/5 M3 3/5 M2 2/5 M1 1/5 M0 0 Bei M5 liegt am Motor Dauer-Gleichspannung an, bei M0 ist der Motor abgeschaltet. M1 M2 M3 M4 M5 Der Multiplexer schaltet jeweils eines dieser Signale zum Ausgang M durch. Von dort wird es verstärkt zum Motor geschaltet. Die Auswahl des Motorsignals erfolgt über die Adresseingänge des Multiplexers. Die Adresskombinationen werden vom Zähler 1 erzeugt, indem man den Taster C betätigt. T ti z.B. M1 T -1- Abi 2006 / 2007 Wahl Elektrotechnik Aufgabe 6 (3 Seiten) Punkte Aufgaben 6.1 Kodierer Q0 6.1.1 M0 M1 M2 M3 M4 M5 Kodierer Q1 Stellen Sie die Wahrheitstabelle des Kodierers auf. Q2 3 6.1.2 Ermitteln Sie alle Schaltfunktionen Mi = f(Q2,Q1,Q0) des Kodierers 6.2 4 Multiplexer Geben Sie die Schaltfunktion M = f(Mi,A2,A1,A0) an oder zeichnen Sie die Schaltung des MUX mit Hilfe von Grundelementen (AND / OR / NOT). 6.3 Zähler 1 3 HIGH C Bei offenem Schalter R zählt der Zähler 1 die Impulse am CLK-Eingang hoch, bis er den Zustand mit der höchsten Drehzahl erreicht. Weitere Impulse in Vorwärtsrichtung ändern seinen Zustand nicht mehr. R = 1 =ˆ geschlossen (rückwärts) R = 0 =ˆ offen CTRDIV6 CLK R dn up A0 Zähler 1 A1 A2 Bei geschlossenem Schalter R zählt er rückwärts bis der Motor stehen bleibt. Diesen Zustand kann er nur in Vorwärtsrichtung wieder verlassen. 6.3.1 Zeichnen Sie das Zustandsdiagramm des Zählers 1 2 6.3.2 Entscheiden Sie sich für geeignete FlipFlops und erstellen Sie eine Tabelle aus der die Gleichungen für die Vorbereitungseingänge dieser Speicher abgeleitet werden können. 6 6.3.3 Geben Sie für den Speicher mit dem Ausgang A0 die minimierte(n) Gleichung(en) des Vorbereitungseingangs (der Vorbereitungseingänge) an und zeichnen Sie die entsprechende Schaltung. 2 -2- Abi 2006 / 2007 Elektrotechnik Aufgabe 6 (3 Seiten) Wahl Punkte 6.4 Zähler 2 Für den Zähler 2, der im Normalfall zyklisch von 0 ... 4 zählt, wird nachstehende Schaltung vorgeschlagen. 6.4.1 Ermitteln Sie die Folgeszustände, wenn der Zähler 2 durch Störungen in einen der folgenden (nicht vorgesehenen) Zustände gelangt. Q2 Q1 Q0 D0 & Q0 1D C1 D1 =1 ZX ZY ZZ 101 110 111 3 Q1 1D Anleitung: C1 D2 & Ermitteln Sie die Schaltfunktionen der Vorbereitungssignale und setzen Sie diese Zustände ein. Q2 1D G C1 6.5 6.4.2 Zeichnen Sie das vollständige Zustandsdiagramm (auch ZX, ZY und ZZ) mit allen Übergängen 2 Verstärker Für den Verstärker wird die dargestellte Schaltung vorgeschlagen. Eingangssignal: +24V M UMLOW UMHIGH = 0V ... 1V = 4V ... 5V 24V/6W Transistor: RB UM UBE = 0,7V UCEsat = 0V B = 200...250 1k Ω 6.5.1 Warum ist es sinnvoll eine Diode vorzusehen? 1 6.5.2 Untersuchen Sie, ob der angegebene Wert von RB korrekt ist, wenn der Verstärker mit mindestens 3-facher Übersteuerung betrieben werden soll? 4 30 -3- MINISTERIUM FÜR KULTUS, JUGEND UND SPORT BADEN-WÜRTTEMBERG Hauptprüfung 2007/2008 1.5.1 3 Berufliches Gymnasium (TG) Technik (Elektrotechnik) Teil 2 (Pflichtbereich) Aufgabe 3 (3 Seiten) Punkte Lauflichtpfeil Schaltung Start S Stop R Q G EN Takt Anzeige Synchrone FlipflopSchaltung (Schaltwerk) C C Treiber (Transistorschalter) C’ B B’ A A’ Darstellung des Lauflichtpfeils LED dunkel LED leuchtet alle dunkel • • • • • A=1 B=1 C=1 Die Schaltung zeigt die Fahrtrichtung in einem Aufzug mit einem Lauflichtpfeil an. Zu Beginn steht der Aufzug, das SR-Flipflop ist rückgesetzt, das Signal EN (Enable = Freigabe) ist logisch 0 und alle LEDs der Anzeige sind dunkel. Setzt sich der Fahrstuhl in Bewegung, so ist das SR-Flipflop gesetzt, EN ist logisch 1, die Anzeige zeigt einen nach oben wandernden Pfeil. Die dargestellten Abbildungen werden dann mehrere Male periodisch von links nach rechts durchlaufen. Sobald der Aufzug sein Ziel erreicht hat, wird das SR-Flipflop zurückgesetzt und EN wird wieder logisch 0. Wenn gerade A=1 oder B=1 oder C=1 ist, läuft der Pfeil weiter, bis wieder alle LEDs dunkel sind. Anschließend bleiben die LEDs dunkel, solange EN=0 ist. Je 3 LEDs sind durch Leitungen fest verbunden und leuchten daher immer gleichzeitig. 3.1 SR-Flipflop 3.2 Zustandsdiagramm 2,5 E1 Q Untersuchen Sie durch Angabe der Funktionstabelle, ≥1 E2 ob die rechtsstehende Schaltung als SR-Flipflop & verwendet werden kann. Begründen Sie, welcher Eingang der Setz-Eingang ist! Beschriften Sie die Zeilen Ihrer Funktionstabelle mit „Setzen“, „Rücksetzen“ und „Speichern“. Skizzieren Sie das Zustandsdiagramm der synchronen Flipflopschaltung. Geben Sie die Zustandscodierungen an. 3.3 2 Zeitablaufdiagramm (Impulsdiagramm) - Arbeitsblatt Ergänzen Sie das Zeit-Ablaufdiagramm der Signale Takt, EN, A, B, C mit den folgenden Bedingungen: • • Zu Beginn sind alle LEDs dunkel und das Signal EN ist für 2 Takte logisch 0. Dann wird EN für 4 Takte logisch 1, anschließend ist EN 4 Takte lang logisch 0. -1- 3 MINISTERIUM FÜR KULTUS, JUGEND UND SPORT BADEN-WÜRTTEMBERG Hauptprüfung 2007/2008 1.5.1 3.4 Berufliches Gymnasium (TG) Technik (Elektrotechnik) Teil 2 (Pflichtbereich) Aufgabe 3 (3 Seiten) Entwurf der synchronen Flipflop-Schaltung 3.4.1 Geben Sie die Zustandsfolgetabelle (Funktionstabelle) der synchronen Flipflop-Schaltung in der nebenstehenden Form an. EN C B A C B A 6 3.4.2 Erklären Sie, warum in der Funktionstabelle Zeilen mit „Don’t-Care“ auftreten. 1,5 3.4.3 Geben Sie die minimierten Funktionsgleichungen der FF-Vorbereitungseingänge an. (Flipflop-Art beliebig) 4,5 3.4.4 Zeichnen Sie die synchrone Flipflop-Schaltung. 1,5 3.5 Zähler Alternative Schaltung mit Zähler und Codierer EN Die synchrone Flipflopschaltung soll alternativ aus einem Zähler und einem Codierer (Codeumsetzer) aufgebaut werden. C Codierer C n B A 3.5.1 Begründen Sie, wieviele Flipflops notwendig sind! 1 3.5.2 Geben Sie aufeinander abgestimmte Funktionstabellen des Zählers und Codierers an! Hinweis: Berücksichtigen Sie den EN-Eingang. 3 3.6 Transistorschalter UBatt= 5V UBatt= 5V Daten einer LED: ULED = 1,8 V A ILED = 20 mA IB B RC RB IB RB RC 3.6.1 Begründen Sie, welche der beiden Transitorschaltungen als Treiber verwendet werden muß. 1,5 3.6.2 Erklären Sie die Aufgabe des Kollektorwiderstandes. 1,5 3.6.3 Wie groß muß der Stromverstärkungsfaktor B des Transistors mindestens sein, wenn • die Digitalschaltung einen maximalen Basistrom von IBmax = 0,2 mA liefern kann und • der Übersteuerungsfaktor mindestens 2 betragen soll? 2 30 -2- MINISTERIUM FÜR KULTUS, JUGEND UND SPORT BADEN-WÜRTTEMBERG Schulnummer Schülernummer Zu- und Vorname: Hauptprüfung 2007/2008 Technik (Elektrotechnik) 1.5.1 Arbeitsblatt Teil2 (Pflichtbereich) Aufgabe 3 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Schulnummer Schülernummer Hauptprüfung 2007/2008 Technik (Elektrotechnik) 1.5.1 Arbeitsblatt Teil 2 Aufgabe 3 (Pflichtbereich) 3 Seiten Punkte Aufgabe 3.3 3.3; 3 Zeitablaufdiagramm Takt EN C B A -3- MINISTERIUM FÜR KULTUS, JUGEND UND SPORT BADEN-WÜRTTEMBERG Hauptprüfung 2007/2008 1.5.1 Berufliches Gymnasium (TG) Technik (Elektrotechnik) Teil 2 (Pflichtbereich) Aufgabe 4 (2 Seiten) Punkte 4. Säulenanzeige (Technologieschema / Blockschaltbild) SW CTRDIV8 UD Takt SN1 Anzeige LED 7 LED 6 Q0 Q1 Q2 2Hz LED 0 Umkehrschaltung Ein Taktgenerator steuert einen Zähler (Schaltwerk =ˆ SW), der im Dualcode je nach Ansteuerung vorwärts (UD=1) oder rückwärts (UD=0) zählt. Das Schaltnetz 1 (SN1) wird durch Q2 Q1 Q0 nebenstehende Funktionstabelle 0 0 0 beschrieben. 0 0 1 0 1 0 Die Umkehrschaltung sorgt dafür, 0 1 1 dass, das Schaltwerk (SW) 1 0 0 zyklisch alle Zustände 1 0 1 (000 … 111 … 000 …) in beide 1 1 0 „Richtungen“ durchläuft. 1 1 1 4.1 L0 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 Frequenzteiler Der Takt (2Hz) soll mit Hilfe eines Frequenzteilers aus einem vorhandenen Systemtakt gewonnen werden. 4.1.1 Beschreiben Sie stichwortartig den Unterschied zwischen einem Frequenzteiler und einem Zähler. 2 4.1.2 Eine Teilung von 20:1 soll erreicht werden! Wie viele Speicher (FFs) sind mindestens erforderlich? Begründen Sie Ihre Angabe und skizzieren Sie anhand eines Blockschaltbildes einen Lösungsvorschlag für den Frequenzteiler 3 4.2 Synchronzähler (SW) 4.2.1 Zeichnen Sie ein Zustandsdiagramm, welches das o.a. Schaltwerk (SW) beschreibt. 3 4.2.2 Erstellen Sie die Zustandsfolgetabelle (Funktionstabelle) für den geforderten Sychronzähler. 4 4.2.3 Ermitteln Sie die minimierten Gleichungen für die Vorbereitungseingänge der von Ihnen verwendeten Speicher (FFs). -1- 4 MINISTERIUM FÜR KULTUS, JUGEND UND SPORT BADEN-WÜRTTEMBERG Hauptprüfung 2007/2008 1.5.1 Berufliches Gymnasium (TG) Technik (Elektrotechnik) Teil 2 (Pflichtbereich) Aufgabe 4 (2 Seiten) Punkte 4.3 Umkehrschaltung 4.3.1 Handelt es sich bei dieser Schaltung um ein Schaltwerk (Speicherverhalten) oder um ein Schaltnetz (Schaltung ohne Speicherelemente)? Begründen Sie Ihre Antwort! 2 4.3.2 Beschreiben und skizzieren Sie einen konkreten Schaltungsvorschlag. 2 4.4 Alternativer Lösungsansatz 4.4.1 Zeichnen Sie das Impulsdiagramm der folgenden Schaltung (im Bereich von 5 Takten). Beim Start sind alle Flipflopausgänge auf null (t=0 Q0=Q1=Q2=Q3=0). 3 + 5V D Q CLK Q0 D Q Q1 CLK D CLK Q Q2 D Q Q3 CLK Takt 2Hz 4.4.2 Wie kann man auf der Grundlage eines universellen Schieberegisters die o.a. Säulendarstellung realisieren? Zeichnen Sie ein Blockschaltbild Ihres Lösungsvorschlags und beschreiben Sie stichwortartig die erforderlichen Änderungen. 4.5 5 LED - Arbeitspunkt Wenn der Strom maximal 15mA beträgt, können die Leuchtdioden direkt (ohne Verstärker) angeschlossen werden. U Für die LED’s gilt die abgebildete Kennlinie. Die Spannung an den Ausgängen der Schaltung beträgt 4,5V. 4.5.1 Berechnen Sie den notwendigen Vorwiderstand. 2 - ULED -2- 30 MINISTERIUM FÜR KULTUS, JUGEND UND SPORT BADEN-WÜRTTEMBERG Hauptprüfung 2007/2008 1.5.1 Berufliches Gymnasium (TG) Technik (Elektrotechnik) Teil 2 (Wahlbereich) Aufgabe 6 (2 Seiten) Punkte 6. Motoren am Drehstromnetz Am 400V/230V/50Hz Drehstromnetz sollen verschiedene Lastfälle untersucht werden. Als Verbraucher sind ein Einphasen-Wechselstrommotor M1 und ein Drehstrommotor M2 mit symmetrischen Wicklungen vorgesehen. Der Motor M1 und die Stränge des Motors M2 können als RL-Reihenschaltungen betrachtet werden. IL1 L1 L2 L3 N IM1 UL1N ISTR1 M1 M2 Motor M1: P1,zu = 1,1 kW η1 = 95% cos φ1 = 0,82 Motor M2: für Stern- und Dreieckschaltung gilt: η2 = 90% cos φ2 = 0,65 für Sternschaltung gilt: P2,ab ges = 3,5 kW 6.1 Motor M1 6.1.1 Berechnen Sie die Scheinleistung S1, den Strom IM1 und die an der Welle zur Verfügung stehende Leistung P1,ab 6.1.2 Berechnen Sie den Wirkwiderstand R1 und die Induktivität L1 des Motors M1. 6.2 2 3 Motor M2 6.2.1 Warum muss bei Motor M2 der N-Leiter nicht angeschlossen werden? Begründung! 2 6.2.2 Berechnen Sie den Strangstrom ISTR1 und den Scheinwiderstand ZSTR eines Strangs bei Betrieb in Sternschaltung. 4 6.3 Gesamtschaltung Die Motoren M1 und M2 (Sternschaltung) sind gleichzeitig in Betrieb. 6.3.1 Zeichnen Sie ein Zeigerdiagramm ausschließlich mit der Spannung UL1N und den Strömen IM1 und ISTR1. Ermitteln Sie den Außenleiterstrom IL1. 3 Beginnen Sie das Zeigerdiagramm mit dem Zeiger UL1N in waagrechter Lage in 5 cm Entfernung vom linken Blattrand. (Hinweis: IM1 = 5,83 A; ISTR1 = 8,7 A) Maßstab: 1 cm ≙ 50 V ; 1 cm ≙ 1 A 6.3.2 Ermitteln Sie den Phasenwinkel φL1 = ∡ (UL1N, IL1). 6.4 1 Drehstrommotor M2 in Dreieckschaltung 6.4.1 Skizzieren Sie das Ersatzschaltbild des Motors M2 am Drehstromnetz in Dreieckschaltung. 2 6.4.2 Berechnen Sie den Strangstrom ISTR∆ und den Außenleiterstrom IL∆ bei Betrieb des Drehstrommotors M2 in Dreieckschaltung. 2 1 MINISTERIUM FÜR KULTUS, JUGEND UND SPORT BADEN-WÜRTTEMBERG Hauptprüfung 2007/2008 1.5.1 Berufliches Gymnasium (TG) Technik (Elektrotechnik) Teil 2 (Wahlbereich) Aufgabe 6 (2 Seiten) Punkte 6.5 Kompensation des Motors M2 Der Motor M2 soll bei Betrieb in Dreieckschaltung vollständig kompensiert werden (cos φK = 1). Dazu wird jedem Strang ein Kompensationskondensator C parallel geschaltet. Die Kompensation soll an dem Motorstrang, der an der Außenleiterspannung U12 liegt, untersucht werden. Ig ISTR∆ R2 L2 UR2 UL2 IC C U12 Es gelten folgende Strangwerte: R2 = 17,2 Ω L2 = 63,9 mH 6.5.1 Berechnen Sie die Spannungen UR2 und UL2. 6.5.2 Zeichnen Sie ein Zeigerdiagramm des Stromes ISTR∆ sowie der Spannungen UR2, UL2 und U12. 2 2 (Maßstab: 1 cm ≙ 50 V ; 1 cm ≙ 1 A) 6.5.3 Ermitteln Sie die Ströme IC und Ig, indem Sie das Zeigerdiagramm aus 6.5.2 für vollständige Kompensation des Stranges von Motor M2 ergänzen. 3 6.5.4 Berechnen Sie die Kapazität C des Kompensationskondensators. 1 6.5.5 Für welche maximale Spitzenspannung muss der Kondensator C mindestens ausgelegt sein? 1 6.5.6 Wie groß ist der Leistungsfaktor cos φ mit dem berechneten Kompensationskondensator, wenn der Motor M2 nicht in Dreieckschaltung, sondern in Sternschaltung betrieben wird? (Begründung!) 2 30 2 Abiturprüfung TG 08/09 3 Technik (Elektrotechnik) Aufgabe 3 Seite 1 von 2 Punkte Countdown-Timer für 1 Minute Schaltungsbeschreibung: Die Schaltung zeigt einen Rückwärtszähler mit folgender Zählweise: 59, 58, 57 ... 02, 01, 00 Nach Tastendruck auf „Start“ zählt die Schaltung im Sekundentakt rückwärts bis zur 00 und bleibt dann stehen. G 50Hz CTR DIV 10 Einerstelle 1Hz H „Start“ Q 1C EN1 0..9 SW Q0e Q1e Q2e Q3e Logik1 SW = Schaltwerk Funktion der Zähler: Frequenzteiler 50 : 1 CTR DIV 6 7SEG Zehnerstelle 1C Logik2 EN1 EN1 ist high: Zähler zählt mit ansteigender Flanke am 1C - Eingang rückwärts. 0..5 Q0z Q1z Q2z 7SEG EN1 ist low: Zähler bleibt stehen. (EN = Enable = Zähler-Freigabe) 3.1 a Codeumsetzer 0..5 / 7Seg f Entwerfen Sie die Funktionstabelle des Codeumsetzers 0..5 / 7Seg. Beachten Sie, dass am Ausgang des Zählers CTR DIV 6 nur die Dualzahlen 0 bis 5 vorkommen können. 3.2 e g d b dp Logikschaltungen Logik 1 liefert 1, wenn beide Zähler 0 sind. Logik 2 liefert 1, wenn die Einerstelle 0 und der Ausgang des Schaltwerks (SW) Q = 1 ist. Geben Sie mögliche Funktionsgleichungen von Logik1 (L1 = ) und Logik2 (L2 = ) an. 3.3 3 c 2 Synchroner Rückwärts-Zähler 5 bis 0 (CTR DIV 6) Der Zähler der Zehnerstelle soll rückwärts von 5 bis 0 zählen und dann wieder bei 5 beginnen. Beachten Sie, dass der Zähler nur bei EN1 = 1 zählen darf ! (Hinweis: Überlegen Sie, welche Funktion der Zähler ausführen muss, wenn EN1 = 0 ist und eine ansteigende Flanke an 1C – auftritt.) 3.3.1 Skizzieren Sie das Zustandsdiagramm der synchronen Zählschaltung. Geben Sie die Zustandskodierungen an. 3.3.2 Entwerfen Sie die Zustandsfolgetabelle (Funktionstabelle) der synchronen Zählschaltung aus D-FFs oder JK-FFs. 5 3.3.3 Geben Sie die vereinfachten Funktionsgleichungen der FF-Vorbereitungseingänge an. 4 09-A3 Countdown-Timer.odt 3 Abiturprüfung TG 08/09 3.4 Technik (Elektrotechnik) Aufgabe 3 Seite 2 von 2 Schaltwerk SW Es soll untersucht werden, ob ein SR-Flipflop mit der Funktionsgleichung Q=S∨R∧Q als Schaltwerk SW verwendet werden kann. 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.5 Skizzieren Sie die Schaltung der Funktionsgleichung, aufgebaut aus Grundelementen (Und, Oder, Nicht). (Hinweis zur Skizze: Eingänge S und R links; Ausgang Q rechts. Eingang S mit „Start“ und Eingang R mit „Logik 1“ verbinden). 1 Geben Sie die Funktionstabelle dieses Flipflops an. Wie verhält sich das Flipflop, wenn beide Zähler Null sind und gleichzeitig der StartTaster gedrückt wird? Begründen Sie Ihre Aussage! (Hinweis: S=R=1 ist erlaubt.) 2,5 1 Wie lange muss man den Start-Taster drücken, damit der Rückwärtszähler in jedem Fall gestartet wird? Begründen Sie Ihre Antwort! Frequenzteiler Aus einem 50Hz-Takt soll ein 1 Hz-Takt mit dem Impuls-Pausen-Verhältnis 1:1 (Impulsdauer ti = Pausendauer tp) gewonnen werden. Dazu sind ein Frequenzteiler 25:1 und ein Frequenzteiler 2:1 hintereinander zu schalten. Es stehen beliebige Flipflops mit Rücksetz-Eingang zur Verfügung. 3.5.1 Wie viele Flipflops sind insgesamt notwendig? 3.5.2 Skizzieren Sie die Schaltung. 3.6 1 3 Transistorschaltung mit Relais und LED An den Ausgang Q des Schaltwerks SW wird die nebenstehende Schaltung angeschlossen. Das Relais R schaltet einen Verbraucher für eine Minute ein. Daten V1: UF = 2V, IF = 2 mA Daten V3: B = 500, UCesat = 0,3V, UBE = 0,7V ü=3, UQ = 3V +12V R RV V2 V1 RB V3 100Ω Verbraucher UQ Betrachten Sie das Relais R bei der Berechnung als ohmschen Widerstand von R=100Ω. V2 ist für die Berechnung ohne Bedeutung. 3.6.1 Berechnen Sie RV und RB 3.6.2 Warum werden Transistoren im Schalterbetrieb übersteuert? 3.6.3 Welche Aufgabe hat die Diode V2? 3 1 0,5 30 09-A3 Countdown-Timer.odt Abiturprüfung TG 08/09 Technik (Elektrotechnik) Aufgabe 4 Seite 1 von 2 Punkte 4 Klanggenerator Die Schaltung dient dazu, eine Tonfolge aus drei verschiedenen Frequenzen über Verstärker und Lautsprecher in fest eingestellter Folge hörbar zu machen. Mit Druck auf den Taster Ta wird im Monoflop MF ein Impuls ti gestartet, der den Takt 1 für den Zähler freigibt. Zähler und Umschaltlogik erzeugen fortlaufend verschiedene Steuersignale S0 und S1, die an den Adresseingängen des Multiplexers MUX eine der drei Frequenzen f1, f2 oder f3 auswählen und dem Lautsprecher zuführen. Die drei Tonfrequenzen werden von der hohen Taktfrequenz des Taktgenerators Takt 2 durch den Frequenzteiler abgeleitet. 4.1 Monoflop Der Zeitimpuls ti wird durch eine negative Flanke am Eingang „Trigger“ des Monoflops gestartet, wobei der Eingang E den Kondensator C zur Aufladung frei gibt. Die Impulsdauer ti entspricht der Zeit, die der Kondensator braucht, um vom ungeladenen Zustand UC = 0 V auf 2/3 der Betriebsspannung UB aufgeladen zu werden. 4.1.1 Berechnen Sie die Impulsdauer ti. 4.1.2 Die Taste Ta wird betätigt und triggert das Monoflop. Der Ladevorgang des Kondensators C über den Widerstand R1 beginnt. Solange das Monoflop nicht getriggert ist, ist der Anschluss E auf 0 V. Skizzieren Sie den zeitlichen Verlauf der Spannung UC in Abhängigkeit von der Zeit t für die Impulsdauer ti. 4.1.3 Erklären Sie die Funktion des Widerstandes R2. 09-A4 Klanggenerator.odt 4 2 2 Abiturprüfung TG 08/09 4.2 4.2.1 4.3 Technik (Elektrotechnik) Aufgabe 4 Seite 2 von 2 Umschaltlogik Zeichnen Sie mit Hilfe von logischen Grundbausteinen und einem RS-Flipflop die Umschaltlogik für die Umschaltung der Zählrichtung. Der Ausgang des Flipflops dient als Richtungssignal D für den Zähler. Das Flipflop soll beim Zählerstand 0 (S1 = S0 = 0) gesetzt und beim Zählerstand 3 (S1 = S0 = 1) zurückgesetzt werden. 3 Synchronzähler Der Zähler erzeugt die Steuersignale S1 und S0 gemäß dem folgendem Zustandsdiagramm. Das Richtungssignal D gibt an, ob der Zähler vorwärts oder rückwärts zählt. Zählrichtung vorwärts: up → D = 1 ; Zählrichtung rückwärts: dn → D = 0 4.3.1 Entwerfen Sie die Zustandsübergangstabelle des Synchronzählers mit den Ausgangssignalen S1 und S0 aus D-FFs oder JK-FFs. 4.3.2 Ermitteln Sie die minimierten Funktionsgleichungen der Vorbereitungseingänge. 4.3.3 Zeichnen Sie die Schaltung des Synchronzählers. 4.4 2 3 2 Frequenzteilerlogik Die drei Tonfrequenzen f1, f2 und f3 werden aus der höheren Frequenz fTakt2 = 2664 Hz durch einen Frequenzteiler abgeleitet. Alle drei Tonfrequenzen entsprechen symmetrischen Rechtecksignalen, dies bedeutet, Impulsdauer und Pausendauer sind jeweils gleich groß, Tastgrad g = 0,5. 4.4.1 Ermitteln Sie mit Hilfe des Signal-Zeit-Diagrammes die Periodendauern Tf1, Tf2 und Tf3 sowie die Tonfrequenzen f1, f2 und f3. 3 4.4.2 Berechnen Sie die Frequenz-Teilerverhältnisse fTakt2/f1, fTakt2/f1 und fTakt2/f1. Die Taktfrequenz fTakt2 ist jeweils ein ganzzahliges Vielfaches der Tonfrequenzen f1, f2 und f3. 1 4.4.3 Entwickeln und zeichnen Sie die Frequenzteiler für 666 Hz, 333 Hz, 444 Hz 5 4.5 Multiplexer Nach dem Drücken der Taste Ta erzeugt der Zähler Steuersignale entsprechend dem Zustandsdiagramm. Der Multiplexer soll vom Zähler gesteuert folgenden Klangablauf an den Lautsprechen ausgeben: kein Ton (Startzustand) => f3 => f2 => f1 => f2 => f3 => kein Ton (Startzustand). Skizzieren Sie die Schaltung des Multiplexers. 09-A4 Klanggenerator.odt 3 30 Abiturprüfung TG 08/09 Technik (Elektrotechnik) Aufgabe 6 Seite 1 von 2 Punkte 6 Windkraftanlage Ein Aussiedlerhof möchte seine Milchaufbereitungsanlage, bestehend aus Heizung (RH) und Rührmotor (RM / LM), mit moderner erneuerbarer Energie betreiben. Eine für den Betrieb ausreichende Windkraft steht auf einer ca. 200 m entfernten Anhöhe zur Verfügung. Vom Hof zum Windgenerator wird deshalb eine Leitung mit einem Widerstandswert von RL = 3,0 Ω verwendet. Der Windgenerator liefert eine konstante Wechselspannung von UGEff = 230V mit einer Frequenz von f = 50 Hz. U RL Heizung Rührmotor RL G 1∼ UG RM UM LM U LM UKL RH Leitung Fall1 Fall2 Maßstab für zeichnerische Lösungen, außer Aufgabe 6.6: 1 cm ≙ 20V; 1 cm ≙ 0,5 A; 1cm ≙ 100 VA, W, var 6.1 Berechnen Sie den Scheitelwert ûGS der Generatorspannung. 6.2 Last-Fall 1: Nur die Heizung wird mit einem Strom von IH = 4 A betrieben. 6.2.1 Bestimmen Sie UKL der Heizung. 6.2.2 Bestimmen Sie den prozentualen Verlust pL, der von der erzeugten Leistung PG des Generators in der Leitung verloren geht. 6.3 1 2 2,5 Last-Fall 2: Nur der Rührmotor für die Milchaufbereitung wird betrieben. Der Rührmotor mit dem Leistungsfaktor cos φ1 = 0,8 nimmt an der Anschlussspannung UKL = 218 V einen Strom von IM = 4 A auf. UKL wird für den gesamten Aufgabenteil 6.3 als konstant betrachtet. Der Leistungsfaktor des Rührmotors soll durch Parallelschaltung eines Kondensators CP auf cos ϕ 2 = 0,95 verbessert werden. 6.3.1 Zeichnen Sie die Gesamtschaltung unter Berücksichtigung von RL.. 6.3.2 Bestimmen Sie die Kapazität des Kondensators. 09-A6 Windkraftanalage.odt 0,5 5 Abiturprüfung TG 08/09 Technik (Elektrotechnik) Aufgabe 6 Seite 2 von 2 3 6.3.3 Bestimmen Sie RM und XLM des Rührmotors 6.3.4 Zeichnen Sie das Zeigerdiagramm der Gesamtschaltung (6.3.1) mit allen Spannungen und Strömen. 7 Bestimmen Sie den sich ergebenden Gesamtstrom sowie ϕ 2 = ∢( UG, IG). 6.4 Rührmotoren am Drehstromnetz Weil die Windkraftanlage nicht ausreicht, werden drei Rührmotoren Z1 bis Z3 (gleicher Motortyp wie bei Aufgabe 6.3, RM = 43,6 Ω, XL = 32,7 Ω), unabhängig von der Windkraftanlage, unkompensiert, an das 400/230V Vierleiter-Drehstromnetz nach der unten abgebildeten Schaltung angeschlossen. L1 L2 L3 U1 I1 I2 I3 U2 U3 Z1 N 6.4.1 6.5 Z2 Z3 IN Bestimmen Sie den Strom IN und die gesamte Wirkleistung Pges der 3 Motoren. 3 Aufgrund von Alterserscheinungen ändert sich der Wirkwiderstand des Rührmotors Z3 auf RM3 = 100 Ω, XL3 bleibt unverändert. 6.5.1 Berechnen Sie cos ϕ3 (cos ϕ1 = cos ϕ2 = 0 ,8). 1 6.5.2 Erstellen Sie für die sich ergebenden Ströme ein maßstäbliches Zeigerdiagramm und bestimmen Sie die neue Stromstärke IN im Neutralleiter. 5 Maßstab: 1 cm ≙ 1 A 30 09-A6 Windkraftanalage.odt Abiturprüfung TG 09/10 Technik (Elektrotechnik) Aufgabe 3 Seite 1 von 2 Punkte 3 Motoren am Drehstromnetz Am 400V/230V Drehstromnetz werden die beiden Motoren M1 und M2 betrieben. IL1 L1 L2 L3 Der Motor M2 ist ein symmetrisch aufgebauter Drehstrommotor mit folgenden Daten: N PSTR = 1,25 kW ISTR = 7 A IM1 ISTR ISTR ISTR R1 R2 R2 R2 L1 L2 L2 L2 UM1 Motor M1 3.1 Motor M2 Wechselstrommotor M1 Die Werte für R1 und L1 werden mit Hilfe einer Gleichspannungsmessung und einer Wechselspannungsmessung bestimmt. Bei einer Gleichspannung von UM1 = 10 V wird der Strom IM1 = 333 mA gemessen. Bei einer Wechselspannung von UM1 = 230 V / 50 Hz fließt ein Strom von IM1 = 6,39 A. 3.1.1 Berechnen Sie die Werte für R1 und L1 des Motors M1. 3 3.1.2 Zeichnen Sie das Zeigerdiagramm der Spannungen UR1, UL1, UM1 sowie des Stromes IM1 für den Fall der Wechselspannungsmessung und ermitteln Sie die Phasenverschiebung φM1 = ∡ (UM1, IM1). 3 Maßstab: 1 cm ≙ 25 V ; 1 cm ≙ 1 A 3.2 Kompensation des Wechselstrommotors M1 Der Leistungsfaktor des Motors M1 soll durch Parallelschalten eines Kompensationskondensators CK von cos φM1 = 0,833 auf cos φK1 = 0,95 (induktiv) verbessert werden. 3.2.1 Zeichnen Sie das Zeigerdiagramm sämtlicher Leistungen (PM1, QL1, QCK, Svor, Snach) des Wechselstrommotors M1 vor und nach der Kompensation. Maßstab: 1 cm ≙ 200 W (var, VA) 3 3.2.2. Ermitteln Sie die kapazitive Blindleistung QCK und dimensionieren Sie die erforderliche Kapazität CK des Kompensationskondensators. 3 3.3 Drehstrommotor M2 3.3.1 Ermitteln Sie die aus dem Netz entnommenen Leistungen SM2, PM2, QM2 sowie den Leistungsfaktor cos φM2. 4 3.3.2 Berechnen Sie die Werte für R2 und L2 eines Stranges. 3 10_A3_Motoren-Drehstromnetz.odt Abiturprüfung TG 09/10 Technik (Elektrotechnik) Aufgabe 3 Seite 2 von 2 Punkte 3.4 Belastung am Außenleiter L1 Nun wird die Schaltung aus dem kompensierten Wechselstrommotor M1 und dem Drehstrommotor M2 am Außenleiter L1 betrachtet. IL1 L1 IM1 R1 UL1N L1 ICK CK ISTR R2 L2 N Dabei gelten folgende Werte: Widerstände der Schaltung: R1 = 30 Ω, XL1 = 19,9 Ω, XCK = 129 Ω, R2 = 25,5 Ω, XL2 = 20,7 Ω Ströme und Phasenverschiebungen φ = ∡ (UL1N, I): IM1 = 6,39 A, φM1 = -33,6°, ICK = 1,78 A, φCK = +90°, ISTR = 7 A, φM2 = -39° Ermitteln Sie den Außenleiterstrom IL1 und den Scheinwiderstand ZL1 für die Belastung am Außenleiter L1 sowie den Phasenwinkel φL1 = ∡ (UL1N, IL1). 7 Wenn Sie den Strom IL1 mit Hilfe eines Zeigerdiagramms ermitteln, verwenden Sie folgenden Maßstab: 1 cm ≙ 25 V ; 1 cm ≙ 1 A 3.5 Gesamtschaltung Ermitteln Sie den im Neutralleiter fließenden Strom IN der Gesamtschaltung. 4 Wenn Sie den Strom IN mit Hilfe eines Zeigerdiagramms ermitteln, verwenden Sie folgenden Maßstab: 1 cm ≙ 40 V ; 1 cm ≙ 2 A (Hinweis: IL1 = 12,4 A, φL1 = -30°) 30 10_A3_Motoren-Drehstromnetz.odt Abiturprüfung TG 09/10 4 Technik (Elektrotechnik) Aufgabe 4 Seite 1 von 2 Punkte Klangregler Ein Verstärker enthält einen Klangregler für die hohen Töne mit folgender Schaltung: R1 ist ein Potenziometer (Widerstand mit verschiebbarer Mittenanzapfung) R2 C1 C1 = C2 (Nähere Angaben sind für den Aufgabenteil 4.1 nicht erforderlich) R2 = R3 = 10 kΩ oben UE R1 unten Die Eingangsspannung UE beträgt für die gesamte Aufgabe 10V. Die Frequenz ist einstellbar. 4.1 Betrachtung von UA in Abhängigkeit von f 4.1.1 Stellung „Potenziometer oben“ C2 UA R3 Die nebenstehende Schaltung entsteht bei Potenziometerstellung „oben“. C1 Ermitteln Sie, welche Ausgangsspannung UA sich jeweils einstellt und begründen Sie Ihre Angaben: UE R1 R3 UA 4.1.1.1 bei sehr kleiner Frequenz 2 4.1.1.2 bei sehr großer Frequenz 4.1.2 2 C2 (R gegenüber XC vernachlässigbar) Stellung „Potenziometer unten“ Die nebenstehende Schaltung entsteht bei Potenziometerstellung „unten“. C1 Ermitteln Sie, welche Ausgangsspannung UA sich jetzt jeweils einstellt und begründen Sie Ihre Angaben: UE R1 R2 2 4.1.2.1 bei sehr kleiner Frequenz (R gegenüber XC vernachlässigbar) 4.1.2.2 bei sehr großer Frequenz 4.1.3 C2 UA Skizzieren Sie mit Ihren Ergebnissen aus 4.1.1 und 4.1.2 zwei Kurven in ein gemeinsames Diagramm das den Verlauf der Ausgangsspannung UA bei den Schleiferstellungen „oben“ und „unten“ jeweils in Abhängigkeit von der Frequenz aufzeigt. Kennzeichnen Sie die Kurven. 10_A4_Klangregler.odt 2 4 Abiturprüfung TG 09/10 Technik (Elektrotechnik) Aufgabe 4 Seite 2 von 2 Punkte 4.2 Berechnung der Ausgangsspannung UA bei f = 1,66 kHz; UE = 10 V Die Bauteile haben für diesen Aufgabenteil folgende Werte: C1 = C2 = 15 nF; 4.2.1 R1 = 100 kΩ; R2 = R3 = 10 kΩ; Potenziometer in Stellung „oben“ 4.2.1.1 Berechnen Sie die Ausgangsspannung UA der Schaltung 4.2.1.2 Zeichnen Sie ein maßstäbliches Zeigerdiagramm aller Spannungen und ermitteln Sie die Phasenverschiebung φ=(UA,UE) Geben Sie an, ob UA oder UE voreilt. (Maßstab 1 cm ≙ 1V). 4.2.2 3 4 Potenziometer in Stellung „unten“ 4.2.2.1 Bestimmen Sie die Ausgangsspannung UA der Schaltung 2 4.2.2.2 Zeichnen Sie ein maßstäbliches Zeigerdiagramm aller Spannungen und ermitteln Sie die Phasenverschiebung φ=(UA,UE) Geben Sie an, ob UA oder UE voreilt. (Maßstab 1 cm ≙ 1V). 2 4.2.3 Potenziometer in Stellung „Mitte“ Das Potenziometer ist jetzt so eingestellt, dass sich der Schleifer exakt in der Mitte befindet, d.h. der Widerstand oberhalb des Schleifers und der Widerstand unterhalb des Schleifers haben beide einen Wert von je 50 kΩ. 4.2.3.1 Zeichnen Sie das Ersatzschaltbild der Schaltung. Verwenden Sie dort anstatt des Potenziometers zwei 50 kΩ- Widerstände. 1 4.2.3.2 Weisen Sie nach, dass UA =½UE beträgt. 2 4.2.3.3 Zeichnen Sie ein maßstäbliches Zeigerdiagramm aller Spannungen (Maßstab 1 cm ≙ 1V). 3 4.2.3.4 Bewerten Sie folgende Aussage: bei der Potenziometer-Stellung „Mitte“ stellt sich bei allen Frequenzen die 1 Spannung UA =1/2 UE ein. 30 10_A4_Klangregler.odt Abiturprüfung TG 09/10 6.1 Technik (Elektrotechnik) Aufgabe 6 Seite1 von 2 RC-Schaltung Punkte Beim Einschalten der Versorgungsspannung ist der Kondensator entladen. Das NAND-Gatter wertet Eingangssignale im Bereich von 0V ... 1,2V als log. <0> und Werte zwischen 2,4V und 5V als log <1> +5V 6.1.1 Zeichnen Sie den Verlauf der Spannung am Kondensator innerhalb von 2 Sekunden nach dem Einschalten. Wählen Sie einen geeigneten Maßstab. 3 R=68k 6.1.2 Skizzieren Sie den Verlauf der Spannung am Ausgang des NAND-Gatters. 2 & UC U2 C=10µF 6.2 Spannungsmessung Der Wert einer Spannung Ux soll im Bereich 0...9 mit einer 7-Segmentanzeige dargestellt werden. Im folgenden Blockschaltbild liefert das Bauelement XY eine Impulslänge die proportional zur Eingangsspannung Ux ist. Der Impuls wird durch eine positive Taktflanke ausgelöst. Der Rechteckgenerator liefert eine symmetrische Rechteckspannung mit einer Frequenz von 10Hz. XY Ux Impulszähler CTR DIV10 0...1s Q1 SN1 Rechteckgenerator C SN2 Q0 Y Q2 10Hz Impulslänge = f(Ux) Takt T CLK R Frequenzteiler Q3 A B C D DPY a b c d e f g a f g b c e d dp Monoflop 1µs 12:1 (symmetrisch) Blockschaltbild 6.2.1 Schaltnetz 1 (SN1) sorgt dafür, dass der Impulszähler nur dann mit Taktsignalen versorgt wird, wenn das Element XY am Ausgang Y den Wert <1> liefert. Welches Element eignet sich für diesen Zweck. 10_A6_Spannungsmessung.odt 1 Abiturprüfung TG 09/10 6.3 Technik (Elektrotechnik) Aufgabe 6 Seite2 von 2 Impulszähler (BCD-Zähler) Der Impulszähler ist als synchroner BCD-Zähler zu entwerfen. Zur Verfügung stehen dynamische FFs mit einem asynchronen Reset-Eingang. 6.3.1 Erstellen Sie die minimierten Funktionsgleichungen für die Vorbereitungseingänge der FFs. Anmerkung: Das Resetsignal ist in der Tabelle nicht zu berücksichtigen. 6 6.3.2 Zeichnen Sie die Schaltung für den Vorbereitungseingang des FFs mit dem Ausgang Q3 (... für beide Vorbereitungseingänge bei Verwendung von JK-FFs). 1 6.4 Zeichnen Sie das Zeitablaufdiagramm mit den Signalen Takt, C, Y, T, Q0, Q1, Q2 und Q3 für den Fall, dass das Element XY einen Impuls der Dauer 0,7 Sekunden liefert im Bereich der ersten 15 Taktimpulse. Beginnen Sie mit einer positiven Taktflanke am Ausgang des symmetrischen Frequenzteilers (12:1). 3 6.5 Entwurf ohne Eingriff in die Taktleitung Nun soll ein Zähler entwickelt werden, der nur dann zählt, wenn eine Steuerleitung "CE" den Wert <1> hat (bei "CE" = <0> stoppt der Zähler auch dann, wenn weiterhin Taktflanken an den Takteingängen der FFs ankommen). 6.5.1 Zeichnen Sie das Zustandsdiagramm. Impulszähler Q0 CE Q1 Q2 CLK Q3 3 R 6.5.2 Erstellen Sie die codierte Zustandsübergangstabelle. Es genügt, wenn Sie die Kopfzeile der Tabelle und 4 beliebige Zeilen angeben (mindestens zwei Zeilen müssen sich bezüglich CE unterscheiden) 6.6 3 SN2 (Decoder) 6.6.1 Entwickeln Sie die minimierte Schaltung für das Segment <a> der 7-SegmentAnzeige. 3 6.6.2 Zeichnen Sie die Schaltung unter ausschließlicher Verwendung von NAND-Gattern. 1 6.7 4 Datenspeicherung In regelmäßigem Abstand wird der Zähler zurückgesetzt und ein neuer Zählvorgang gestartet - die Anzeige läuft mit. Durch zusätzliche Maßnahmen soll nun dieses "Mitlaufen" verhindert werden. Die Anzeige soll immer nur den zuletzt erreichten Höchstwert anzeigen. Beschreiben Sie mit wenigen Stichworten und einer Skizze einen Lösungsansatz. 30 10_A6_Spannungsmessung.odt
