GK TC 13/II Klausur 27.02.2008 1. Aufgabe Digitaltechnik Die

GK TC 13/II
Klausur
27.02.2008
1. Aufgabe Digitaltechnik
Die Beladung von LKWs mit Kies in einer Kiesgrube soll nach mehreren Fehlern abgesichert
werden. Die Öffnung des Kiesauslasses aus einem Hochbehälter zum Abfüllen in die
Ladeflächen der LKW soll erst dann möglich sein, wenn 2 Lichtschranken (LS1, LS2) im
Abstand von 4m unterbrochen sind. Damit wird gewährleistet, dass das Führerhaus des LKW
in LS1 steht und das Heck in LS2. Die Schütte für den Kies befindet sich dann in der Mitte der
Ladefläche. Erst dann soll der Kiesauslass durch einen Tastendruck T1 im Abfertigungsgebäude oder einen Tastendruck T2 am Außenbedienfeld für 15s freigegeben werden.
Zur Realisierung stehen folgende Elemente zur Verfügung:
verschiedene logische Grundbausteine UND, ODER, NICHT;
Speicherbauelemente JK-Flipflop, RS-Flipflop und D-Flipflop;
Zählerelemente vom Typ 7493 (4-BIT-Binärzähler);
1 Taktgenerator mit f = 1Hz;
1 elektrischer Kiesauslass mit 1-aktivem Eingang
2 Taster (1-aktiv);
2 Lichtschranken (unterbrochen: 1-Signal, nicht unterbrochen: 0-Signal)
Aufgabenstellung:
a) Digitaltechnische Lösung für die Freigabe des Kiesauslasses:
Entwickeln Sie eine Schaltung, die mit Hilfe von digitaltechnischen Bauelementen die
Freigabe des Kiesauslasses steuert. Hierbei soll die 15s-Freigabe unberücksichtigt bleiben.
Geben Sie die erforderlichen Ein- und Ausgangsgrößen an und erstellen Sie die Wertetabelle.
Vereinfachen Sie diese mit Hilfe des KV-Diagramms, ermitteln Sie hieraus die minimierte
Funktionsgleichung und setzen Sie diese in einem Symbolschaltplan um.
b) Digitaltechnische Lösung für das Speichern der Freigabe:
Entwickeln Sie eine Schaltung, die es Ihnen erlaubt das erzeugte Freigabesignal beliebig
lange zu speichern und bei Bedarf manuell zurückzusetzen. Begründen Sie Ihre
Entscheidungen. Die Elemente der Freigabeschaltung müssen nicht erneut gezeichnet
werden, sondern können als Funktionsblock F dargestellt werden.
c) Digitaltechnische Lösung für das Rücksetzen der Freigabe nach 15 Sekunden:
Konstruieren Sie eine Schaltung mit der das gespeicherte Freigabesignal automatisch nach
15s gelöscht wird. Erläutern Sie Ihren Aufbau. Erläutern Sie, wie der Zähler gestartet werden
soll.
d) Lösung mit SIEMENS-LOGO!:
Entwickeln Sie für die SIEMENS-LOGO! eine Programmsequenz, welche den Kiesauslass mit
Einhaltung der Freigabezeit automatisch regelt. Erläutern Sie Ihre Vorgehensweise. Als
Anlage liegen Übersichten über die Funktionseinheiten der SIEMENS-LOGO! bei. Erläutern
Sie ebenso, wie Sie bei einer praktischen Umsetzung des Programms die Anschlüsse der
Logo! belegen.
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Klausur
27.02.2008
2. Aufgabe Wasserstofftechnologie
Mit Hilfe von Brennstoffzellen soll ein Laptop mit den Leistungsanforderungen U=12 V und
P=50 W betrieben werden. Für den Betrieb der Brennstoffzellen wird auf photoelektrischem
Weg Wasserstoff erzeugt.
a) Erläutern Sie den grundsätzlichen Aufbau und die physikalisch-chemische Funktionsweise
von PEM-Brennstoffzellen. Erläutern und skizzieren Sie dazu auch die Reaktionsabläufe an
Anode und Kathode.
b) Vergleichen Sie diese Vorgänge in der Brennstoffzelle mit der Elektrolyse von Wasser.
Berechnen Sie das theoretisch mögliche Wasserstoffvolumen, das beim Elektrolysieren von
Wasser mit einer Stromstärke von I = 20A in t= 12 Std. gewonnen werden kann. Welche
Spannung muss zum Erreichen dieses Volumens angelegt werden, wenn der Elektrolyseur
einen energetischen Wirkungsgrad von 70% aufweist?
c) In der u.a. Kennlinie wird der Betrieb einer Wasserstoff-Brennstoffzelle mit Luft bzw. mit
reinem Sauerstoff gegenüber gestellt. Vergleichen Sie die beiden Betriebsarten. Wie viel
Zellen in beiden Betriebsarten müssen jeweils als „Stack“ zusammengeschaltet werden, um
die Leistungsdaten für den Betrieb am Laptop zu erhalten? (Betrieb im Leistungsmaximum)
Kennlinien von Brennstoffzellen mit Luft bzw. Sauerstoffbetrieb:
Daten:
Molares Volumen: VM = 24 l/mol
Faradaykonstante: F = 96484 C/mol = 96484 As/mol
Brennwert von Wasserstoff: Ho = 11920 kJ/m³
Heizwert von Wasserstoff: Hu=9900 kJ/m³
VH2,theor=VM*I*t/(F*z), z entspricht der Anzahl „überschüssiger“ Elektronen
Elektrolyse:energ=VH2, theor*Ho/(U*I*t )
Brennstoffzelle:energ= U*I*t /(VH2, theor*Hu)
Anlagen
RS-Flipflop
Setzen: H-Pegel an S setzt Ausgang Q auf H-Pegel
Speichern: Führt S einen L-Pegel, so bleibt Ausgang Q unverändert
Rücksetzen: H-Pegel am R-Eingang setzt Ausgang Q auf L-Pegel
H-Pegel an S und R führt zu nicht speicherbarem Zustand