Spannung - der Handwerkskammer für Oberfranken
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Berufsbildungs- und Technologiezentren Oberfranken Fachkundiger für Arbeiten an HV-eigensicheren Systemen Interaktive Lehrgangsunterlagen Vorwort Dieses pdf soll Ihnen helfen, ihr Wissen im Bereich der Elektronik aufzufrischen. Der Inhalt nimmt Bezug auf die verschiedenen Bauteile, Elektrischen Größen, Messgeräte, Physikalischen Gesetzmäßigkeiten und Spannungssignale. Um Ihnen das erfolgreiche Bestehen des webbasierten Vortestes zu erleichtern finden Sie neben dem Inhaltsverzeichnis auch eine Aufgabenübersicht, in dieser können Sie die für die jeweiligen Aufgaben relevanten Inhalte finden. Wir wünschen allen Teilnehmern an der Schulung viel Erfolg und eine praxisgerechte Umsetzung in den Handwerksbetrieben. Johanna Erlbacher Projektleiterin Kfz-Service-Engineering Inhalt Vorwort 2 Bauteile7 Aufgabenübersicht5 Spule8 ▪▪ ▪▪ ▪▪ ▪▪ ▪▪ ▪▪ ▪▪ ▪▪ ▪▪ ▪▪ ▪▪ ▪▪ ▪▪ ▪▪ Bildmaterial Spule 9 Widerstand10 Bildmaterial Widerstand 11 Lampe12 Bildmaterial Lampe 13 Kondensator14 Batterie15 Schalter16 Relais18 Zündspule20 Dioden22 Generatoren24 Inverter26 Elektrische Größen 27 Messgeräte37 Spannung - U in V 28 Multimeter38 Spannung - Gleichspannung 29 Spannung - Wechselspannung 30 ▪▪ ▪▪ ▪▪ ▪▪ ▪▪ ▪▪ ▪▪ ▪▪ ▪▪ Spannung Dreiphasen-Wechselspannung31 Kapazität - C in F 32 Widerstand33 Leistung - P in W 34 Stromstärke - I in A 35 Ladung - Q in C 36 ▪▪ ▪▪ ▪▪ Oszilloskop39 Bildmaterial Oszilloskop 40 Physikalische Gesetzmäßigkeiten41 ▪▪ ▪▪ ▪▪ ▪▪ Das ohmsche Gesetz 42 Reihenschaltung43 Parallelschaltung45 Induktion47 Spannungssignale48 ▪▪ ▪▪ ▪▪ ▪▪ Rechteckspannung49 Sinusspannung50 Dreiecksspannung51 PWM-Spannung52 Impressum53 ▪▪ ▪▪ Besuchen Sie uns! 54 Bildnachweis55 Aufgabenübersicht Die folgende Übersicht zeigt die Kapitel an, auf die sich die Aufgaben in der Eingangsprüfung beziehen. Aufgabe 1 Aufgabe 3 ▪▪Spule ▪▪Widerstand ▪▪Lampe ▪▪Kondensator ▪▪Batterie ▪▪Schalter ▪▪Multimeter Aufgabe 4 ▪▪Das Ohmsche Gesetz ▪▪Strom Aufgabe 5 Aufgabe 2 ▪▪Reihenschaltung ▪▪Spannung ▪▪Kapazität ▪▪Widerstand ▪▪Leistung ▪▪Strom ▪▪Ladung Aufgabe 6 ▪▪Parallelschaltung Aufgabe 7 ▪▪Reihenschaltung Aufgabe 8 Aufgabe 14 Aufgabe 19 ▪▪Spannung ▪▪Widerstand ▪▪Stromstärke ▪▪Zündspule ▪▪Oszilloskop Aufgabe 15 Aufgabe 20 ▪▪Diode ▪▪Inverter Aufgabe 16 Aufgabe 21 ▪▪Diode ▪▪Generator Aufgabe 17 Aufgabe 22 ▪▪Spannung ▪▪Gleichspannung ▪▪Wechselspannung ▪▪Dreiphasenwechselspannung ▪▪Spannungssignale ▪▪Rechteckspannung ▪▪Sinusspannung ▪▪Dreieckspannung ▪▪PWM-Spannung Aufgabe 9 ▪▪Kondensator Aufgabe 10 ▪▪Kondensator Aufgabe 11 ▪▪Kondensator Aufgabe 12 ▪▪ Relais Aufgabe 13 ▪▪Spule Aufgabe 18 ▪▪Generator ▪▪Induktion Bauteile Seite: 7 von 56 Bauteile Bauteile Bauteile Seite: 8 von 56 Spule Spule Die Spule ist ein wichtiges elektrisches Schaltelement, das man durch Wicklung eines isolierten dünnen Leiters großer Länge auf einen meist zylindrischen Körper erhält. alt Eine stromdurchflossene Spule besitzt ein magnetisches Feld. Das Abschalten der Gleichspannungsquelle in einem Stromkreis mit einer Spule, der ein Widerstand R parallel geschalten ist, führt nicht sofort zur Unterbrechung des Stroms. Nach Entfernung der Stromquelle fließt noch ein zeitabhängiger Strom I, welcher aus dem Magnetfeld der Spule stammt. Spulen werden wegen des Phänomens der Induktion oft auch Induktivitäten genannt. Sie sind dabei Teil eines elektrischen Bauelementes oder Gerätes, wie beispielsweise eines Transformators, Relais, Elektromotors oder Lautsprechers. Andererseits sind separate Spulen induktive passive Bauelemente, deren wesentliche Eigenschaft eine definierte Induktivität ist. Sie werden überwiegend im Bereich der Signalverarbeitung für frequenzbestimmende Kreise, z. B. in LC-Schwingkreisen, Tiefpässen, Hochpässen, Bandpässen, zur Signalphasengangkorrektur, zur Störungsunterdrückung, zur Stromflussglättung oder als Energiespeicher in Schaltnetzteilen sowie vielen weiteren elektrischen und elektronischen Geräten eingesetzt. Die folgenden Aufgaben beziehen sich zum Teil auf dieses Kapitel. Aufgabe 1 Bitte beachten Sie auch folgende Kapitel : Relais Schaltzeichen Spule Spule neu Bauteile Seite: 9 von 56 Bildmaterial Spule Bildmaterial Spule Verschiedene Spulen Spule mit 300 Wicklungen (N = 300) Spule in einem Relais Spule in einem Relais (Rückseite) Bauteile Seite: 10 von 56 Widerstand Widerstand Die Stromstärke in einem Stromkreis hängt nicht nur von der Spannung zwischen den Polen der Energiequelle ab. Ganz entscheidend ist auch, welches elektrische Bauteil an die Energiequelle angeschlossen ist. Die Stromstärke wird durch den elektrischen Widerstand des Bauteils begrenzt. Bei vielen Bauteilen ist der elektrische Widerstand nicht konstant, sondern hängt von äußeren Einflüssen ab. Bei gleicher Spannung lassen sie je nach Temperatur, Beleuchtung… unterschiedlich große Stromstärken zu. Man kann sie deshalb als Sensoren für die Temperatur, Helligkeit… verwenden. In vielen elektronischen Schaltungen braucht man allerdings Bauteile, deren Widerstände sich nicht verändern. Diese werden als Festwiderstände bezeichnet. Die Baugröße eines Widerstandes hängt von der jeweiligen Wärmeleistung ab, das heißt wie viel Wärme er abführen kann, ohne zerstört zu werden. Jeder elektrische Verbraucher ist ein elektrischer Widerstand. Die folgenden Aufgaben beziehen sich zum Teil auf dieses Kapitel. Aufgabe 1 Aufgabe 2 Schaltzeichen Widerstand Einfacher Widerstand Bauteile Seite: 11 von 56 Bildmaterial Widerstand Bildmaterial Widerstand Diverse Widerstände Drehwiderstand Drehwiderstand Widerstand in der Energietechnik ©henryn0580 - Fotolia.com Bauteile Seite: 12 von 56 Lampe Lampe Eine Lampe ist ein Leuchtmittel und somit der Teil einer Leuchte, der durch Energieumwandlung Licht erzeugt und der Beleuchtung dient. Auf jeder Glühlampe ist außer der vorgesehenen Betriebsspannung von z.B. 12 V oder 24 V auch eine Angabe über die elektrische Leistung z.B. 21 W, die die Lampe aufnimmt, aufgedruckt oder eingeprägt. Im Kraftfahrzeug finden Glühlampen, Gasentladungslampen und Leuchtdioden Verwendung. Hinweise für praktische Arbeiten mit Scheinwerferlampen: Den Glaskolben einer Halogenlampe nicht mit den Händen berühren. Fingerabdrücke brennen ein und hinterlassen Trübungen auf der Glühlampe! Das elektronische Vorschaltgerät einer Gasentladungslampe ist vor dem Lampenwechsel immer von der Versorgungsspannung zu trennen. Das Vorschaltgerät darf niemals ohne Lampe betrieben werden. Dies führt zu gefährlichen Überschlägen der Hochspannung an der Lampenfassung. Die folgenden Aufgaben beziehen sich zum Teil auf dieses Kapitel. Aufgabe 1 Schaltzeichen Lampe Einfache Glühlampe Bauteile Seite: Bildmaterial Lampe Bildmaterial Lampe Diverse Leuchtmittel im Kfz Halogenleuchtmittel Einfaches Leuchtmittel Diverse Lampen fürs Kfz 13 von 56 Bauteile Seite: 14 von 56 Kondensator Kondensator Der Kondensator ist ein System mit zwei voneinander isolierten elektrischen Leitern. Wird der Kondensator z.B. durch das Anlegen einer Spannung U geladen, so bildet sich zwischen den Leitern ein elektrisches Feld aus. Füllt man den Zwischenraum eines Kondensators mit verschiedenen Isolatoren, so misst man unterschiedliche Kapazitäten. Einen solchen Isolator nennt man Dielektrikum. Ein Kondensator (von lateinisch condensare ‚verdichten‘) ist ein passives elektrisches Bauelement mit der Fähigkeit, elektrische Ladung und damit zusammenhängend Energie zu speichern. Die Fähigkeit, Ladung zu speichern, wird als elektrische Kapazität C bezeichnet und in der Einheit Farad gemessen. Kondensatoren wirken Spannungsänderungen aufgrund ihrer Ladungsspeicherfähigkeit entgegen, während eine Spule Stromänderungen entgegenwirkt. Merksatz: „Kondensator: Strom eilt vor. Induktivitäten: Ströme sich verspäten.“ Die folgenden Aufgaben beziehen sich zum Teil auf dieses Kapitel. Aufgabe 1 Aufgabe 9 Aufgabe 10 Aufgabe 11 Schaltzeichen Kondensator Diverse Kondensatoren Bauteile Seite: 15 von 56 Batterie Batterie Mit dem Begriff der elektrischen Batterie wird eine Zusammenschaltung mehrerer gleichartiger galvanischer Zellen bzw. Elemente bezeichnet. Mit der Entwicklung wirtschaftlich einsetzbarer wieder aufladbarer „Akkumulatoren“, auch „Sekundärzellen“ bzw. „Sekundärelemente“, z.B. des Bleiakkumulators um 1850 bis 1886, wurde die Benutzung des Begriffs „Batterie“ auch auf die Zusammenschaltung mehrerer solcher Zellen erweitert, z. B. in den späteren Starterbatterien von Kraftfahrzeugen. Starterbatterien sind Reihenschaltungen vorzugsweise von Bleiakkumulator-Zellen, die jeweils eine Nennspannung von 2,12 V aufweisen. Um eine Nennspannung von 12 V zu erreichen bedarf es der Reihenschaltung von 6 Zellen in einer Batterie. Die folgenden Aufgaben beziehen sich zum Teil auf dieses Kapitel. Aufgabe 1 Diverse Batterien Schaltzeichen Batterie 12 V Kfz-Batterie Bauteile Seite: 16 von 56 Schalter Schalter Schalter sind eine Baugruppe, die mittels zweier elektrisch leitender Materialien oder eines Halbleiterbauelements eine elektrisch leitende Verbindung herstellt oder trennt. Idealerweise arbeitet er nach dem Alles-oder-nichts-Prinzip; das heißt, eine Betätigung führt immer eindeutig zu einem Schaltzustand „offen“ oder „geschlossen“. Eine einfache Form von Sensoren sind Schalter. Diese können mechanisch, z.B. Drosselklappenschalter, pneumatisch, hydraulisch, z.B. Öldruckschalter, thermisch, z.B. Thermoschalter oder elektrisch, z.B. Relais, betätigt werden. Schalter können dem Steuergerät durch einen Spannungsabfall am Schalter zwei Zustände mitteilen, zum einen Schalter geöffnet und zum anderen Schalter geschlossen. Die folgenden Aufgaben beziehen sich zum Teil auf dieses Kapitel. Aufgabe 1 Bitte beachten Sie auch folgende Kapitel : Relais Schaltzeichen Tasterschalter - Ein Schaltzeichen Tasterschalter - Aus Bauteile Seite: 17 von 56 Schalter Hauptschalter, Batterie Honda Schaltzeichen Rasterschalter - Öffner Schaltzeichen Rasterschalter - Schliesser Bauteile Seite: 18 von 56 Relais Relais Ein Relais (elektrisch) ist ein durch elektrischen Strom betriebener, meist elektromagnetisch wirkender, fernbetätigter Schalter mit in der Regel zwei Schaltstellungen. Das Relais wird über einen Steuerstromkreis aktiviert und kann weitere Stromkreise schalten. Ein mechanisches Relais arbeitet meist nach dem Prinzip des Elektromagneten. Ein Strom in der Erregerspule erzeugt einen magnetischen Fluss durch den ferromagnetischen Kern und einen daran befindlichen, beweglich gelagerten, ebenfalls ferromagnetischen Anker. An einem Luftspalt kommt es zur Krafteinwirkung auf den Anker, wodurch dieser einen oder mehrere Kontakte schaltet. Der Anker wird durch Federkraft in die Ausgangslage zurückversetzt, sobald die Spule nicht mehr erregt ist. Relais werden z.B. dazu benutzt, um mit relativ geringen Strömen in einem Steuerkreis Schaltkreise für einen hohen Strom (Arbeitsstromkreis) zu öffnen und zu schleißen. In modernen Kraftfahrzeugen sind Relais vielfach von Transistoren abgelöst worden. Diese reagieren zwar schneller als Relais und benötigen weniger Raum, sie sind aber gegen Temperaturschwankungen weitaus anfälliger. Schaltzeichen Relais Relais Bauteile Seite: 19 von 56 Relais Schematischer Aufbau Als Beispiel ist hier ein Klappanker-Relais mit einem Schließer abgebildet. Das rechte obere Bild zeigt das Relais in Ruhestellung; die Spule ist spannungslos, der Arbeitskontakt geöffnet. Auf dem rechten unteren Bild liegt an der Spule eine Spannung an, wodurch der Anker vom Eisenkern der Spule angezogen und der Arbeitskontakt geschlossen wird. Begriffe Ein Kontakt wird als Schließer oder Arbeitskontakt bezeichnet, wenn er bei abgefallenem Anker bzw. stromloser Erregerspule offen und bei angezogenem Anker bzw. stromdurchflossener Spule geschlossen ist. Als Ruhekontakt oder Öffner wird ein Kontakt bezeichnet, wenn er in angezogenem Zustand des Relais den Stromkreis unterbricht. Eine Kombination aus Öffner und Schließer wird als Wechsler oder Umschaltkontakt bezeichnet. Ein Relais kann einen oder mehrere solcher Kontakte haben. Ein Relais heißt „Ruhestromrelais“, wenn es im Ruhezustand vom Strom durchflossen und angezogen ist, beispielsweise zur Überwachung von Netzausfall oder Drahtbruch. Im anderen und überwiegenden Fall, bei dem es im Ruhezustand stromlos ist, wird es als „Arbeitsstromrelais“ bezeichnet. Im Schaltplan werden Relais grundsätzlich im abgefallenen Zustand gezeichnet, auch wenn sie als Ruhestromrelais arbeiten. Die folgenden Aufgaben beziehen sich zum Teil auf dieses Kapitel. Aufgabe 12 Anker Spule Arbeitskontakte (offen) Anschluss für Steuerspannung Relais - Schemazeichnung: Relais offen Relais - Schemazeichnung: Relais geschlossen Anker Spule Anschluss für Steuerspannung Arbeitskontakte (geschlossen) Bauteile Seite: 20 von 56 Zündspule Zündspule Zündspulen arbeiten wie ein Funkeninduktor. Bei eingeschalteter Zündung wird die Primärwicklung der Zündspule von Strom durchflossen, wodurch sich ein Magnetfeld um die Spule bildet. Dieses Magnetfeld wird durch den gemeinsamen Eisenkern beider Wicklungen auch auf die Sekundärwicklung übertragen. Das Öffnen des Unterbrechers im Primärkreis der Zündspule induziert im Sekundärkreis einen Hochspannungsimpuls, da das Magnetfeld rasch zusammenbricht. Die Hochspannung gelangt durch das Zündkabel zur Funkenstrecke einer Zündkerze, um zum Beispiel das Kraftstoff/Luft-Gemisch im Zylinder eines Ottomotors zum richtigen Zeitpunkt zu entzünden. Sie dient beim Ottomotor dazu, zusammen mit dem Unterbrecher (heute meist elektronisch) und dem zum Unterbrecher parallel geschalteten Kondensator, aus der bordeigenen 12 V-Spannung eine Hochspannung von ca. 15.000 bis 30.000 V zu erzeugen. Der Kondensator parallel zum Kontakt soll einerseits die Funkenbildung an den Unterbrecherkontakten (erhöhter Abbrand) verringern und andererseits mit der Primärspule einen Schwingkreis bilden, der die gleiche Resonanzfrequenz wie die Sekundärspule hat. Auf diese Weise wird die Energieübertragung vom Primär- auf den Sekundärkreis optimiert. Bei gebräuchlichen Zündspulen liegt das Optimum oft bei 0,22 µF. 15 4 1 Schaltzeichen Zündspule Zündspule Bauteile Seite: 21 von 56 Zündspule Kfz-Zündspulen haben drei Anschlüsse: Der Primärstromkreis erhält vom Zündschloss Spannung an Klemme 15 (DIN 72572) der Zündspule, verläuft über die Primärwicklung und den an Klemme 1 angeschlossenen Zündunterbrecher (Zündkontakt) nach Masse. Die an Klemme 4 abgenommene Hochspannung des Sekundärstromkreises wird über den Zündverteiler zu den Zündkerzen geleitet, die über die Funkenstrecke wieder die Verbindung mit Masse herstellen. Vereinzelt finden auch Zündspulen mit 4 Anschlüssen Verwendung: Neben Klemme 1 und 15 für die Primärwicklung wird die Masse der Sekundärwicklung an Klemme 4a separat angeschlossen. Um eine unerwünschte Fehlzündung durch das Einschalten des Magnetfeldes zu verhindern (Einzelfunkenspule), wird sekundärseitig eine Reihenschaltung von Kaskadendioden verbaut. Diese erreichen zusammen eine Sperrspannung von ca. 2000 - 5000 Volt. Diese Schaltung macht allerdings eine Widerstandsprüfung sekundärseitig mit handelsüblichen Messgeräten unmöglich (Messergebnis: offene Leitung). In neueren Fahrzeugen wird meist die Vollelektronische Zündung (VEZ) mit ihrer „ruhenden Zündverteilung“ verwendet: Über jeder Zündkerze sitzt ein Zündmodul mit einer eigenen Zündspule. Dadurch wird die Ausfallsicherheit erhöht, da bei einem Fehler nur ein Zylinder ausfällt. Der aufwändige Zündverteiler mit seiner Mechanik entfällt ebenso wie die anfälligen Hochspannungskabel. Da nur noch in der Zündkerze ein Funkenüberschlag entsteht, sind auch die Funkstörungen auf ein Minimum beschränkt. Die folgenden Aufgaben beziehen sich zum Teil auf dieses Kapitel. Aufgabe 14 Kfz-Zündspulen Kfz-Zündspulen Bauteile Seite: 22 von 56 Dioden Dioden Eine Diode ist ein elektrisches Bauelement, das Strom nur in einer Richtung passieren lässt und in der anderen Richtung als Isolator wirkt. Daher wird von Durchlassrichtung und Sperrrichtung gesprochen. Bei Wechselstrom bewirkt die Diode aufgrund dieser Eigenschaft eine Gleichrichtung, also eine Umwandlung in Gleichstrom. Leuchtdiode Eine Leuchtdiode (kurz LED von englisch light-emitting diode, dt. Licht-emittierende Diode) ist ein Licht emittierendes Halbleiter-Bauelement, dessen elektrische Eigenschaften einer Diode entsprechen. Fließt durch die Diode elektrischer Strom in Durchlassrichtung, so strahlt sie Licht, Infrarotstrahlung oder auch Ultraviolettstrahlung mit einer vom Halbleitermaterial und der Dotierung abhängigen Wellenlänge ab. Zenerdiode Eine Zenerdiode, oder auch Z-Diode, ist eine besonders dotierte Silicium-Diode mit geringer Sperrschichtdicke, die nach dem amerikanischen Physiker Clarence Melvin Zener, dem Entdecker des Zener-Effekts, benannt ist. Die Charakteristik von Z-Dioden erlaubt es, dass sie in zahlreichen Schaltungen zur Stabilisierung und Begrenzung von elektrischen Spannungen eingesetzt werden. In Durchlassrichtung verhalten sie sich wie normale Dioden. In Sperrrichtung verringert sich oberhalb einer bestimmten Sperrspannung, der so genannten Durchbruchspannung, der differentielle Widerstand erheblich. Dann steigt die Spannung kaum weiter an, auch wenn der Strom zunimmt. Das kann zur thermischen Überlastung führen. Schaltzeichen Diode Schaltzeichen Leuchtdiode (LED) Bauteile Seite: 23 von 56 Dioden Photodiode Eine Photodiode oder auch Fotodiode ist eine Halbleiter-Diode, die sichtbares Licht – in manchen Ausführungen auch IR-, UV- oder Röntgenstrahlen – an einem pn-Übergang oder pin-Übergang durch den inneren Photoeffekt in einen elektrischen Strom umwandelt. Sie wird unter anderem verwendet, um Licht in eine elektrische Spannung oder einen elektrischen Strom umzusetzen oder um mit Licht übertragene Informationen zu empfangen. Schaltzeichen Schaltzeichen einer Diode und Abbildungen üblicher Gehäuse mit Markierung der Kathode. Kennzeichnung der positiven (+) und negativen (−) Seite bei Beschaltung in Durchlassrichtung. Die folgenden Aufgaben beziehen sich zum Teil auf dieses Kapitel. Aufgabe 15 Aufgabe 16 Schaltzeichen Z-Diode Diverse Dioden (LED`s) Bauteile Seite: 24 von 56 Generatoren Generatoren Generatoren arbeiten nach dem elektromagnetische Induktions-Prinzip. G Unter elektromagnetischer Induktion (auch Faradaysche Induktion, nach Michael Faraday, kurz: Induktion) versteht man das Entstehen eines elektrischen Feldes durch Änderung der magnetischen Flussdichte. In vielen Fällen lässt sich das elektrische Feld durch Messung einer elektrischen Spannung direkt nachweisen. Ein typisches Beispiel hierfür zeigt das nebenstehende Bild: Durch die Bewegung des Magneten wird eine elektrische Spannung induziert, die an den Klemmen der Spule messbar ist und für weitere Anwendungen bereitsteht. Die elektromagnetische Induktion wurde 1831 von Michael Faraday bei dem Bemühen entdeckt, die Funktionsweise eines Elektromagneten („Strom erzeugt Magnetfeld“) umzukehren („Magnetfeld erzeugt Strom“). Der Zusammenhang ist eine der vier Maxwellschen Gleichungen. Die Induktionswirkung wird technisch vor allem bei elektrischen Maschinen wie Generatoren, Elektromotoren und Transformatoren genutzt. Bei diesen Anwendungen treten stets Wechselspannungen auf. Ein bewegter Permanentmagnet erzeugt an den Klemmen einer Spule eine elektrische Spannung. Dreiphasig: Werden in einem Drehstromgenerator drei Spulen im Kreis um jeweils 120° versetzt angeordnet, entstehen bei einem dazu zentrisch rotierenden Drehfeld drei zeitlich ebenso versetzte Wechselspannungen. Im einfachsten Fall geschieht dies durch einen rotierenden Dauermagneten. Schaltzeichen Diode Generator © JackF - Fotolia.com Bauteile Seite: 25 von 56 Generatoren Generatoraufbau: N - Generator mit rotierendem Magneten, Spule und Messgerät (symbolisch) Je näher der Magnet an der Spule ist, desto höher der Stromfluss. Dieser hat den Verlauf einer Sinuskurve (vgl. Spannungssignale). Die Generatorwicklungen sind innen verteilt in mehreren Nuten des hohlzylinderförmigen Stator-Blechpaketes untergebracht. Die mit den Wicklungen gefüllten Nuten verengen sich nach innen hin wieder und bilden ebenfalls Polschuhe. Der äußere Mantel des Blechpaketes enthält keine Wicklungen, er dient als Joch oder magnetischer Rückschluss, um das magnetische Wechselfeld in den Wicklungen zu konzentrieren. Aufgabe 18 Aufgabe 21 S N Die folgenden Aufgaben beziehen sich zum Teil auf dieses Kapitel. + VOLT S Um im Wechselstrom- oder Drehstrom-Synchrongenerator eine sinusförmige Spannung zu erzeugen, muss der Rotor ein möglichst homogenes Magnetfeld erzeugen. Er trägt hierzu neben der Feldspule Polschuhe mit pilzförmigem Querschnitt, die das Magnetfeld verteilen. Die Anzahl der Pole (mindestens zwei, weitere geradzahlige Anzahlen möglich) entscheidet über die Frequenz der abgegebenen Spannung bei gegebener Drehzahl. Die Feldwicklung muss sehr gut befestigt sein, damit sie die hohen Fliehkräfte übersteht. Ein zu vermeidender Betriebs­zustand ist der Lastabwurf, der ohne den Eingriff eines Reglers den Generator zerstören würde, weil die steigende Drehzahl der antreibenden Dampf- oder Gasturbine zu übermäßigen Fliehkräften in den Ankerwicklungen führt. Der Rotor bei Kurzschlussläufer- oder Asynchron-Generatoren benötigt keine Stromzuführung, bei Synchrongeneratoren erfolgt die Stromzuführung über Schleifringe. Durch Hilfsgeneratoren auf der gleichen Welle kann bei Synchrongeneratoren auf Schleifringe verzichtet werden. - + VOLT Bauteile Seite: 26 von 56 Inverter Inverter Gleichrichter werden in der Elektrotechnik und Elektronik zur Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung verwendet. Sie bilden, neben Wechselrichtern und Umrichtern, eine Untergruppe der Stromrichter. Um Wechselanteile zu dämpfen, wird eine gleichgerichtete Spannung üblicherweise geglättet. E Eine Gleichrichtung dient zum Beispiel Versorgung gleichstrombetriebener elektrischer Verbraucher ▪▪ zur aus dem Wechselstromnetz; Verbindung weit entfernter Stromnetze oder der Kopplung nicht ▪▪ zur synchroner Stromnetze über Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung; ▪▪ zu Messzwecken oder Anwendungen in der ▪▪ für zum Beispiel zur Hüllkurvendemodulation. Inverter Prius (Toyota) Nachrichtentechnik, Die Gleichrichtung erfolgt meist ungesteuert durch Halbleiterdioden bei einem Wirkungsgrad bis zu 95 %. Aktive elektronische Bauteile, wie Thyristoren, erlauben durch Phasenanschnittsteuerung eine gesteuerte Gleichrichtung. Feldeffekttransistoren (MOSFETs) werden bei Synchrongleichrichtern verwendet – insbesondere bei der Gleichrichtung kleiner Spannungen und großer Ströme – und gestatten aufgrund der geringeren Durchlassspannung eine höhere Effizienz, als mit Halbleiterdioden möglich wäre. Die folgenden Aufgaben beziehen sich zum Teil auf dieses Kapitel. Aufgabe 20 Schaltzeichen Inverter A Elektrische Größen Seite: 27 von 56 Elektrische Größen Elektrische Größen Elektrische Größen Seite: 28 von 56 Spannung - U in V Spannung - U in V Die elektrische Spannung ist eine physikalische Größe, die angibt, wie viel Arbeit oder Energie nötig ist, um ein Objekt mit einer elektrischen Ladung innerhalb eines elektrischen Feldes zu bewegen. Spannung ist also das spezifische Arbeitsvermögen des Feldes an einer Ladung. Sie ist eine Feldgröße, die in einem weiten Größenordnungsbereich auftritt. Das Formelzeichen der Spannung ist das U. Sie wird im internationalen Einheitensystem in der Einheit Volt (Einheitenzeichen: V) angegeben, benannt nach Alessandro Volta. Zur Kennzeichnung einer Zeitabhängigkeit verwendet man den Kleinbuchstaben u für den Augenblickswert der Spannung. Auf „natürliche“ Weise entsteht elektrische Spannung zum Beispiel durch Reibung, bei Gewittern und bei Redoxreaktionen. Zur technischen Nutzung werden Spannungen meistens durch elektromagnetische Induktion sowie durch Elektrochemie erzeugt. Die folgenden Aufgaben beziehen sich zum Teil auf dieses Kapitel. Aufgabe 2 Aufgabe 17 Alessandro Volta früher Elektrotechniker und Namensgeber der Einheit der Spannung © nickolae - Fotolia.com Elektrische Größen Seite: 29 von 56 Spannung - Gleichspannung Spannung - Gleichspannung Eine Gleichspannung ist eine elektrische Spannung, die sich über einen längeren Betrachtungszeitraum nicht ändert. Sie hat zu jedem Zeitpunkt dasselbe Vorzeichen und denselben Betrag. In manchen Anwendungen wird auch dann von Gleichspannung gesprochen, wenn die Spannung lediglich – im Gegensatz zur Wechselspannung – nicht die Polarität wechselt. Eine Gleichspannung ist die Voraussetzung dafür, dass in einem linearen Verbraucher (z. B. ohmscher Widerstand) ein Gleichstrom fließen kann. Die folgenden Aufgaben beziehen sich zum Teil auf dieses Kapitel. Aufgabe 17 Gleichspannung gemessen mit FSA 740 Elektrische Größen Seite: 30 von 56 Spannung - Wechselspannung Spannung - Wechselspannung Wechselspannung nennt man eine elektrische Spannung, deren Polarität in regelmäßiger Wiederholung wechselt. Die Kurvenform der Spannung ist dabei unerheblich und keineswegs an den Sinusverlauf gebunden. Die folgenden Aufgaben beziehen sich zum Teil auf dieses Kapitel. Aufgabe 17 Wechselspannung gemessen mit FSA 740 Elektrische Größen Seite: 31 von 56 Spannung - Dreiphasen-Wechselspannung Spannung Dreiphasen-Wechselspannung Als Dreiphasenwechselspannung, Kraftstrom, Baustrom, Starkstrom oder kurz als Drehstrom bezeichnet – wird in der Elektrotechnik eine Form von Mehrphasenwechselstrom benannt, die aus drei einzelnen Wechselströmen oder Wechselspannung gleicher Frequenz besteht, welche zueinander eine feste Phasenverschiebung von 120° aufweisen. Anwendung findet das Dreiphasensystem vor allem im Bereich der elektrischen Energietechnik für Transport und Verteilung von elektrischer Energie in Stromnetzen. Beispiele dafür sind die überregionalen Drehstrom-Hochspannungs-Übertragungsnetze, Niederspannungsnetze im Bereich der lokalen Stromversorgung oder Drehstrommaschinen, die als Antrieb von Aufzügen oder in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen eingesetzt werden. Gegenüber einem einzelnen einphasigen Wechselstromsystem halbiert sich bei einem symmetrischen Dreiphasensystem der Materialaufwand für elektrische Leitungen einer gleich großen elektrischen Leistung. Weiterhin lassen sich Dreiphasenwechselstrom-Transformatoren mit geringerem Kernquerschnitt als gleich leistungsstarke einphasige Transformatoren herstellen. Der Einsatz des Dreiphasensystems ist ab einigen Kilowatt wirtschaftlich sinnvoll und begründet die Bedeutung im Bereich der elektrischen Energietechnik. Die folgenden Aufgaben beziehen sich zum Teil auf dieses Kapitel. Aufgabe 17 Dreiphasen-Wechselspannung Elektrische Größen Seite: 32 von 56 Kapazität - C in F Kapazität - C in F Die elektrische Kapazität (Formelzeichen C, von lateinisch capacitas = Fassungsvermögen; Adjektiv capacitas) ist eine physikalische Größe aus dem Bereich der Elektrostatik, Elektronik und Elektrotechnik. Die elektrische Kapazität zwischen zwei voneinander isolierten elektrisch leitenden Körpern ist gleich dem Verhältnis der Ladungsmenge Q die auf diesen Leitern gespeichert ist und der an ihnen anliegenden elektrischen Spannung U : C= Q/U Bei Akkumulatoren sowie Batterien benutzt man den Begriff „Kapazität“ für die maximale Ladungsmenge Q, welche in ihnen gespeichert werden kann. Sie wird in Amperestunden (Ah) angegeben. Ampere­ stunden drücken allerdings die elektrische Ladung aus und nicht die hier dargestellte elektrische Kapazität. Die folgenden Aufgaben beziehen sich zum Teil auf dieses Kapitel. Aufgabe 2 Symbolbild Kapazität © doncarlo - Fotolia.com Elektrische Größen Seite: 33 von 56 Widerstand Widerstand Der elektrische Widerstand ist in der Elektrotechnik ein Maß dafür, welche elektrische Spannung erforderlich ist, um eine bestimmte elektrische Stromstärke durch einen elektrischen Leiter (Widerstand) fließen zu lassen. Als Formelzeichen für den elektrischen Widerstand wird in der Regel R – abgeleitet vom Lateinischen resistere für „widerstehen“ – verwendet. Der Widerstand hat die SI-Einheit Ohm, ihr Einheitenzeichen ist das große Omega (Ω). Bei vielen Bauteilen ist der elektrische Widerstand nicht konstant, sondern hängt von äußeren Einflüssen ab. Bei gleicher Spannung lassen sich je nach Temperatur, Beleuchtung… unterschiedlich große Stromstärken zu. Man kann sie deshalb als Sensoren für die Temperatur, Helligkeit… verwenden. In vielen elektronischen Schaltungen werden allerdings Bauteile benötigt, deren Widerstände sich nicht verändern. Diese bezeichnet man als Festwiderstände. Die folgenden Aufgaben beziehen sich zum Teil auf dieses Kapitel. Aufgabe 2 Industriewiderstände in der Energietechnik © henryn0580 - Fotolia.com Elektrische Größen Seite: 34 von 56 Leistung - P in W Leistung - P in W Fließt in einem homogen elektrischen Leiter unter der Einwirkung eines konstanten elektrischen Feldes ein Gleichstrom der Stromstärke I, so übt das elektrische Feld auf die den Strom bildenden Ladungsträgern die Kraft F aus. Es verrichtet dabei gegen die vom Leitermaterial auf die Ladungsträger ausgeübten und den elektrischen Widerstand bewirkenden „Reibungskräfte“ mechanische Arbeit. Daraus ergibt sich die elektrische Leistung. Die physikalische Größe Leistung steht für Energie pro Zeit und wird dann als elektrische Leistung bezeichnet, wenn die bezogene oder gelieferte Energie eine elektrische Energie ist. Merkhilfe für die Formel der elektrischen Leistung P mit dem Akronym PUI: Horizontal: Multiplikation, Vertikal: Division (Bruch) Akronym PUI P=U*I Die folgenden Aufgaben beziehen sich zum Teil auf dieses Kapitel. Aufgabe 2 P U I Elektrische Größen Seite: 35 von 56 Stromstärke - I in A Stromstärke - I in A Der elektrische Strom ist die Bewegung von Ladungsträgern. Im verallgemeinerten Sinn bezieht sich elektrischer Strom auch auf den Verschiebungsstrom, bei dem sich keine Ladungsträger bewegen sondern sich der elektrische Fluss verändert. Dann wird unter dem elektrischem Strom die Gesamtheit der elektrischen Erscheinungen, die Ursache eines Magnetfeldes sind, verstanden. Fließende Ladungsträger sind typischerweise Elektronen in einem Metall oder im Vakuum oder auch Ionen, z. B. in einem Elektrolyten oder einer Gasentladungslampe. Zu den Wirkungen des Stromes zählen magnetische, thermische und chemische Wirkungen sowie Leuchterscheinungen in Gasen. Symbolischer Stromkreis mit einer Salzlösung als Strombrücke In der Fachsprache wird mit „Strom“ oft dessen Stärke bezeichnet, also die physikalische Größe Stromstärke mit dem Formelzeichen I und der Einheit Ampere, in der Umgangssprache wird meist die Übertragung von elektrischer Energie gemeint. Die folgenden Aufgaben beziehen sich zum Teil auf dieses Kapitel. Aufgabe 2 Batterie Salzlösung mit neg. und pos. Ionen Elektronenstrom elektricher Strom Elektrische Größen Seite: 36 von 56 Ladung - Q in C Ladung - Q in C Die elektrische Ladung oder Elektrizitätsmenge ist eine der grundlegenden Größen der Physik. Sie wird im internationalen Einheitensystem in der Einheit Coulomb angegeben und mit dem vom lateinischen Wort ‚quantum‘ abgeleiteten Formelzeichen Q oder q ausgedrückt. Die elektrische Ladung ist eine mit den elementaren Materiebausteinen verbundene Eigenschaft. Elektrisch geladene Teilchen unterliegen der elektromagnetischen Wechselwirkung, die zu den vier Grundkräften der Physik zählt. Die Kräfte zwischen elektrischen Ladungen bewirken den Zusammenhalt der Atome, Moleküle und Festkörper sowie den elektrischen Strom und sie erzeugen Phänomene wie Gewitter und das Knistern beim Haarekämmen. Die Gesamtladung eines physikalischen Systems ist gleich der Summe der Ladungen seiner Teile. Es gibt positive und negative Ladungen. Ist in einem System die Summe der positiven Ladungen gleich der Summe der negativen Ladungen, dann ist die Gesamtladung Null und das System elektrisch neutral. In einem abgeschlossenen System ist die Gesamtladung wegen der Ladungserhaltung unveränderlich. Physikalische Systeme können keine beliebigen Ladungsmengen, sondern nur ganzzahlige Vielfache der Elementarladung e tragen. Sich bewegende elektrische Ladung bedeutet elektrischen Strom, der wiederum mit dem Phänomen des Magnetismus verbunden ist. Die folgenden Aufgaben beziehen sich zum Teil auf dieses Kapitel. Aufgabe 2 Aufgabe 17 Skizze zum Atomaufbau © snapgalleria - Fotolia.com Messgeräte Seite: 37 von 56 Messgeräte Messgeräte Messgeräte Seite: 38 von 56 Multimeter Multimeter Ein Multimeter (von lat. multus „viel“ sowie altgriechisch μέτρον métron „Werkzeug zum Messen“), auch Vielfachmessgerät genannt, ist ein elektrotechnisches Messgerät, das für mehrere Messgrößen und in mehreren Messbereichen einsetzbar ist. Zur Grundausstattung eines Multimeters gehört seine Verwendbarkeit als Spannungsmessgerät und Strommessgerät. In der Regel ist ein Multimeter zwischen Gleich- und Wechselgrößenmessungen umschaltbar. Üblicherweise ist auch die Ausstattung als Widerstandsmessgerät vorhanden. Das Multimeter als Spannungsmesser, auch Voltmeter genannt, wird immer parallel geschaltet, weil der Spannungsmesser nur die „Kräfte“ zwischen den zwei Messpunkten abtastet. Er zeigt den Potential-Unterschied an. Durch ihn fließt „kein“ Strom. Daher muss der Spannungsmesser einen sehr hohen Widerstand haben. Das Multimeter als Strommesser, auch Amperemeter genannt, wird immer in Reihe geschaltet, weil durch ihn alle Elektronen hindurchfließen müssen. Der Strommesser darf den Stromfluss nicht behindern, daher muss sein Widerstand gegen „Null“ gehen. Die folgenden Aufgaben beziehen sich zum Teil auf dieses Kapitel. Aufgabe 3 FSA 050 Hybridtester Messgeräte Seite: 39 von 56 Oszilloskop Oszilloskop Ein Oszilloskop ist ein elektronisches Messgerät zur optischen Darstellung einer oder mehrerer elektrischer Spannungen und deren zeitlichen Verlauf auf einem Bildschirm. Das Oszilloskop stellt dabei einen Verlaufsgraphen in einem zweidimensionalen Koordinatensystem dar, wobei üblicherweise die (horizontale) X-Achse (Abszisse) die Zeitachse ist und die anzuzeigenden Spannungen auf der (vertikalen) Y-Achse (Ordinate) abgebildet werden. Das so entstehende Bild wird als Oszillogramm bezeichnet. Es gibt analoge und digitale Oszilloskope, wobei analoge Geräte eine Kathodenstrahlröhre zur Anzeige benutzen (Kathodenstrahloszilloskop). Sie sind von digitalen Geräten fast vollständig vom Markt verdrängt worden. Das Oszilloskop ist neben dem Multimeter eines der wichtigsten Mess- und Diagnosewerkzeuge in der Elektronik und der Elektrotechnik. Mit Oszilloskopen können zum Beispiel die hochfrequenten elektrischen Signale in Radios, Fernsehern oder auch in der Elektronik von Computern sichtbar gemacht und gemessen werden. Die folgenden Aufgaben beziehen sich zum Teil auf dieses Kapitel. Aufgabe 19 V Schaltzeichen Spannungsmessung Schaltzeichen Strommessung A Messgeräte Seite: 40 von 56 Bildmaterial Oszilloskop Bildmaterial Oszilloskop Analoges Oszilloskop Analoges Oszilloskop - Ausschnitt Digitales Oszilloskop Digitales Oszilloskop - Ausschnitt Physikalische Gesetzmäßigkeiten Seite: 41 von 56 Physikalische Gesetzmäßigkeiten Hintergrundbild: © Ivan Kopylov - Fotolia.com Physikalische Gesetzmäßigkeiten Physikalische Gesetzmäßigkeiten Seite: 42 von 56 Das ohmsche Gesetz Das ohmsche Gesetz Das ohmsche Gesetz postuliert folgenden Zusammenhang: Wird an ein Objekt eine elektrische Spannung angelegt, so verändert sich der hindurchfließende elektrische Strom in seiner Stärke proportional zur Spannung. Tatsächlich gilt das Gesetz nur in engem Rahmen und nur für einige Stoffe. Dennoch ist es die Basis für das Verständnis der Zusammenhänge zwischen Stromstärke und Spannung in elektrischen Stromkreisen. Die Bezeichnung des Gesetzes ehrt Georg Simon Ohm, der diesen Zusammenhang für einige einfache elektrische Leiter als erster schlüssig nachweisen konnte. Akronym URI Merkhilfe für den Zweisatz; anwendbar auf die drei Schreibweisen des ohmschen Gesetzes mit dem Akronym URI: Horizontal: Multiplikation, Vertikal: Division (Bruch). U=R*I R= U/I I= U/R Die folgenden Aufgaben beziehen sich zum Teil auf dieses Kapitel. Aufgabe 4 U R I Physikalische Gesetzmäßigkeiten Seite: 43 von 56 Reihenschaltung Reihenschaltung Die Reihenschaltung (je nach Anwendung auch Spannungsteiler Schaltung genannt) beschreibt in der Elektrotechnik und Elektronik die Hintereinanderschaltung zweier oder mehrerer Bestandteile in einer Schaltung. Zwei Schaltelemente sind in Reihe geschaltet, wenn deren Verbindung keine Abzweigung aufweist. Durch jeden beliebigen Querschnitt des Stromkreises fließt dabei in der gleichen Zeit ∆t die gleiche Ladung Q. Die Stromstärke I ist daher überall gleich groß. Die Reihenschaltung kann auch als Hintereinanderschaltung bezeichnet werden. Die Anzahl der in Reihe geschalteten Elemente ist beliebig. Gesetzmäßigkeiten der Reihenschaltung Widerstand Bei Gleichspannung bzw. bei ohmschen Widerständen gilt das Ohmsche Gesetz: U=R*I dabei ist U die Spannung in Volt, R der Widerstand in Ohm und I die Stromstärke in Ampere. Reihenschaltung von drei Widerständen Physikalische Gesetzmäßigkeiten Seite: 44 von 56 Reihenschaltung Der Gesamtwiderstand einer Reihenschaltung nimmt mit jedem weiteren Verbraucher zu. Der Gesamtwiderstand ist also stets größer als der größte Einzelwiderstand. Ausnahme ist ein Reihenschwingkreis an Wechselspannung. Rges= R1+R2+ R3 Strom Der Strom I, manchmal auch als I0 oder Ig bezeichnet, ist für alle Verbraucher in der Frequenz, Phase und Amplitude identisch. Iges= I1=I2= I3 Spannung Die Spannung verteilt sich nach der Kirchhoffschen Maschenregel auf die einzelnen Verbraucher. Die Summe der Teilspannungen ist bei Gleichspannung bzw. bei ohmschen Verbrauchern gleich der Gesamtspannung Uges, manchmal auch als U0 oder einfach nur U bezeichnet. Uges= U1+U2+ U3 Die folgenden Aufgaben beziehen sich zum Teil auf dieses Kapitel. Aufgabe 5 Aufgabe 7 Reihenschaltung von drei Widerständen Physikalische Gesetzmäßigkeiten Seite: 45 von 56 Parallelschaltung Parallelschaltung Bei der Parallelschaltung stehen der Ladung mehrere parallele „Wege“ offen. Sie fließt entweder durch das eine Bauteil oder durch das andere. Die Ladung Q, die in der Zeit ∆t in die Verzweigungsstelle hineinströmt, fließt in dieser Zeit auch wieder heraus – verteilt auf die „Zweige“. Die Summe der Teilströme ist gleich der Gesamtstromstärke. Gesetzmäßigkeiten der Parallelschaltung Widerstand Bei Gleichspannung beziehungsweise bei ohmschen Verbrauchern an Wechselspannung gilt das ohmsche Gesetz: U=R*I dabei ist U die Spannung in Volt, R der Widerstand in Ohm und I die Stromstärke in Ampere. Der Gesamtwiderstand einer Parallelschaltung nimmt mit jedem weiteren Verbraucher ab. Der Gesamtwiderstand ist also stets kleiner als der kleinste Einzelwiderstand. Parallelschaltung von drei Widerständen Physikalische Gesetzmäßigkeiten Seite: 46 von 56 Parallelschaltung Spannung Die Spannung ‚U‘, manchmal auch als U0 bezeichnet, ist für alle Teilzweige in der Frequenz, Phase und Amplitude identisch. Uges= U1=U2= U3 Strom Bei der Parallelschaltung verteilt sich der Gesamtstrom I nach der Kirchhoffschen Knotenregel auf die einzelnen Zweige. Die Summe der Teilströme ist gleich dem Gesamtstrom. Iges= I1+I2+ I3 Die folgenden Aufgaben beziehen sich zum Teil auf dieses Kapitel. Aufgabe 6 Parallelschaltung von drei Widerständen Physikalische Gesetzmäßigkeiten Seite: 47 von 56 Induktion Induktion Unter Induktion versteht man die Erzeugung von elektrischer Spannung durch Ändern des magnetischen Flusses, der eine Leiterschleife oder Spule durchsetzt. Wird ein Dauermagnet in einer Spule hin- und herbewegt, so entsteht in der Spule Wechselspannung. Dieser Vorgang der Spannungserzeugung wird als Induktion der Bewegung bezeichnet. Eine Spannung wird dabei nur so lange induziert, wie sich der magnetische Fluss in der Spule ändert. Unter dem magnetischen Fluss versteht man die Gesamtzahl der magnetischen Feldlinien, die von der Spule umfasst werden. Die Höhe der induzierten Spannung ist gleich dem Verhältnis der Änderungsgeschwindigkeit des von der Spule umfassten magnetischen Flusses und der Windungszahl. Die Richtung der induzierten Spannung hängt von der Richtung der Bewegung und von der Richtung des Magnetfeldes ab. Die folgenden Aufgaben beziehen sich zum Teil auf dieses Kapitel. Aufgabe 18 Bitte sehen Sie sich auch folgende Kapitel an. Bauteile - Generator Induktion (am Bsp. Elektromotor) © Dmitry Naumov - Fotolia.com Spannungssignale Seite: 48 von 56 PULSWEITENMODULATIONSSIGNAL (PWM) SIGNALQUELLE 1 Spannungssignale 0 1 0 Spannungssignale ZEIT Spannungssignale Seite: Rechteckspannung Rechteckspannung Das Rechtecksignal bzw. die Rechteckschwingung bezeichnet ein periodisches Signal, das zwischen zwei Werten hin und her schaltet und in einem Diagramm über der Zeit einen rechteckigen Verlauf aufweist. Es kann unipolar oder bipolar auftreten. Das Rechtecksignal gehört bei der Klangerzeugung in Synthesizern zu den Grundformen und weist einen „hohlen“ Klangcharakter auf, weil allein ungerade ganzzahlige Vielfache einer Grundfrequenz erzeugt werden, die man Harmonische nennt, weshalb es häufig als Basis zur Nachahmung von Flöten und Blechblasinstrumenten dient. Signale mit ideal rechteckigem Verlauf existieren nur theoretisch. Die Flanken können nicht senkrecht ansteigen und somit einen unendlich steilen Sprung ausführen; den stattdessen realen Sprung beschreiben die Anstiegsund Abfallzeiten. Unter anderem wegen des kapazitiven und induktiven Verhaltens der Übertragungsleitungen weist ein Rechtecksignal häufig auch ein Unter- und Überschwingen auf. Bei Rechtecksignalen gibt es einige Grundbegriffe. Die Impulsdauer ist die Zeit, die ein Impuls dauert. Zwischen zwei Impulsen liegt die Impulspause. Das Verhältnis zwischen Impulsdauer und Impulspause wird Tastverhältnis genannt. Die folgenden Aufgaben beziehen sich zum Teil auf dieses Kapitel. Aufgabe 22 Rechteck - Gleichspannung 49 von 56 Spannungssignale Seite: Sinusspannung Sinusspannung Ein Strom bzw. eine Spannung die ständig ihre Polarität und ihre Höhe wechselt wird Wechselstrom bzw. Wechselspannung genannt. Diese Art des Wechselstroms nennt man Sinusspannung, weil der Verlauf dem einer Sinusfunktion gleicht. Die folgenden Aufgaben beziehen sich zum Teil auf dieses Kapitel. Aufgabe 22 Sinusspannung 50 von 56 Spannungssignale Seite: Dreiecksspannung Dreiecksspannung Bei der Dreieckspannung steigt die Spannung mit konstanter Steigung an, bis sie den positiven Scheitelwert erreicht. Dann sinkt sie mit konstantem Gefälle bis zum negativen Scheitelwert, wo erneut ein Polaritätswechsel erfolgt. Während des Spannungsanstiegs mit konstantem Gradienten passiert folgendes: Es fließt eine immer gleichbleibende Anzahl von Elektronen pro Zeiteinheit von der oberen zur unteren Platte des Kondensators, das heißt der Strom ist konstant. Sinkt die Spannung, kehrt sich der Stromfluss um, das heißt es fließt nun ein konstanter negativer Strom. In dem Moment, in dem die Richtung der Spannungsänderung umschaltet, kehrt sich der Stromfluss augenblicklich um. Die Folge ist, dass der Strom einen rechteckförmigen Verlauf hat. Die folgenden Aufgaben beziehen sich zum Teil auf dieses Kapitel. Aufgabe 22 Dreiecksspannung 51 von 56 Spannungssignale Seite: PWM-Spannung PWM-Spannung Signale mit ideal rechteckigem Verlauf existieren nur theoretisch. Die Flanken können nicht senkrecht ansteigen und somit einen unendlich steilen Sprung ausführen; den stattdessen realen Sprung beschreiben die Anstiegs- und Abfallzeiten. Unter anderem wegen des kapazitiven und induktiven Verhaltens der Übertragungsleitungen weist ein Rechtecksignal häufig auch ein Unter- und Überschwingen auf. Bei Rechtecksignalen gibt es einige Grundbegriffe. Die Impulsdauer ist die Zeit, die ein Impuls dauert. Zwischen zwei Impulsen liegt die Impulspause. Das Verhältnis zwischen Impulsdauer und Impulspause wird Tastverhältnis genannt. Signal 1: Darstellung eines Spannungsimpulses (100 %) PWM-Spannung - Signal 1 Signal 2: Darstellung zweier Spannungsimpulse; Impulsdauer: 3 ms, Impulspause: 7 ms; Tastverhältnis 30 % PWM-Spannung - Signal 2 Die folgenden Aufgaben beziehen sich zum Teil auf dieses Kapitel. Aufgabe 22 52 von 56 Impressum Handwerkskammer für Oberfranken Kerschensteinerstraße 7 -10 95448 Bayreuth Redaktionsanschrift: Ansprechpartner: Handwerkskammer für Oberfranken www.hwk-oberfranken.de Manfred Nöttling Präsident: Herr Thomas Zimmer Hauptabteilungsleiter Berufsbildung, Technologien, Technologiezentren Johanna Erlbacher Projektleiterin Kfz-Service-Engineering Kerschensteinerstraße 8 95448 Bayreuth Hauptgeschäftsführer: Herr Thomas Koller Äußere Badstraße 24 95448 Bayreuth Telefon 0921 910 -202 Telefax 0921 910-290 [email protected] Telefon 0921 910-281 Telefax 0921 91045-281 [email protected] Technische Umsetzung: Idee, Design und Gestaltung: Doris Wunner, Handwerkskammer für Oberfranken; Oliver Töppel, computer&graphixs; Fachinhalte: Stephan Löffler, Gerhard Schmökel, Johanna Erlbacher, Handwerkskammer für Oberfranken Schulungsort: Bayreuth Nord Roter Main Bayreuther Festspielhaus B 85 Richtung Kulmbach ße Stra fer Ho Hofgarten rR he B 22 Richtung Hollfeld/Bamberg B2 Äußere Badstraße Wielan d- e Äußere Badstraße 24 95448 Bayreuth Achteck e traße rer-S -Dü cht e r Alb E ber t-S tr. lsb ac in g ert ich-Eb tr. Friedr B 22 Str aß r nbu nde Bra Wag ner-St r. Königsa llee Telefon: 0921 910-208 Lage der Handwerkskammer in Bayreuth Markierung: Kammer und Internat © Google - Google Maps A9 Richtung München B 22 g B22 Richtung Weiden Bayreuth Süd 500m A9 Richtung Berlin Kerschensteinerstr. . i c h- er ar ng nri ler ol nz he Ho ße rckstra Bisma itt W Berufsbildung- und Technologiezentrum der Handwerkskammer für Oberfranken in Bayreuth e Friedr B8 5 l A9 / E 51 ße EKZ RotmainCenter Klinikum Bayreuth Kontakte: nd en bu rg str a M DB a fen ra kg Grünewa ld s Handwerkskammer für Oberfranken Kerschensteinerstraße 7 - 10 95448 Bayreuth Hi Bürg erre utherstr. Klinikum Herzogenhöhe M ing rdr No r. rst ge n i rs te e is le Besuchen Sie uns! Ludw ig-Th oma -Str . Handwerkskammer für Oberfranken Kerschensteinerstraße 8 95448 Bayreuth Bindlach Hohe Warte Universität Bildnachweis 12 V Kfz-Batterie 15 Drehwiderstand11 Inverter Prius (Toyota) Akronym PUI 34 Dreiecksspannung51 Kfz-Zündspulen21 Akronym URI 42 Dreiphasen-Wechselspannung31 Kfz-Zündspulen21 Alessandro Volta Namensgeber der Einheit der Spannung 28 Einfache Glühlampe 12 Analoges Oszilloskop 40 Einfacher Widerstand 10 Lage der Handwerkskammer in Bayreuth Markierung: Kammer und Internat 54 Analoges Oszilloskop - Ausschnitt 40 Einfaches Leuchtmittel 13 Digitales Oszilloskop 40 FSA 050 Hybridtester 38 Digitales Oszilloskop - Ausschnitt 40 Diverse Batterien 15 Diverse Dioden (LED`s) 23 Diverse Kondensatoren 14 Diverse Lampen fürs Kfz 13 Diverse Leuchtmittel im Kfz 13 Diverse Widerstände 11 Drehwiderstand11 Generator24 Generator mit rotierendem Magneten, Spule und Messgerät (symbolisch) 25 Gleichspannung gemessen mit FSA 740 29 Halogenleuchtmittel13 Hauptschalter, Batterie Honda 17 Induktion (am Bsp. Elektromotor) 47 Industriewiderstände in der Energietechnik33 26 Parallelschaltung von drei Widerständen 45 Parallelschaltung von drei Widerständen 46 PWM-Spannung - Signal 1 52 PWM-Spannung - Signal 2 52 Rechteck - Gleichspannung 49 Reihenschaltung von drei Widerständen 43 Reihenschaltung von drei Widerständen 44 Relais18 Schaltzeichen Widerstand 10 Relais - Schemazeichnung: Relais geschlossen 19 Schaltzeichen Z-Diode 23 Relais - Schemazeichnung: Relais offen Schaltzeichen Zündspule 20 19 Schaltzeichen Batterie 15 Schaltzeichen Diode 22 Schaltzeichen Diode 24 Schaltzeichen Inverter 26 Schaltzeichen Kondensator 14 Schaltzeichen Lampe 12 Schaltzeichen Leuchtdiode (LED) 22 Schaltzeichen Rasterschalter - Öffner 17 Schaltzeichen Rasterschalter - Schliesser 17 Schaltzeichen Relais 18 Schaltzeichen Spannungsmessung 39 Schaltzeichen Spule 8 Schaltzeichen Strommessung 39 Schaltzeichen Tasterschalter - Aus 16 Schaltzeichen Tasterschalter - Ein 16 Sinusspannung50 Skizze zum Atomaufbau 36 Spule8 Spule in einem Relais 9 Spule in einem Relais (Rückseite) 9 Spule mit 300 Wicklungen (N = 300) 9 Symbolbild Kapazität 32 Symbolischer Stromkreis mit einer Salzlösung als Strombrücke 35 Verschiedene Spulen 9 Wechselspannung gemessen mit FSA 740 30 Widerstand in der Energietechnik 11 Zündspule20
