Übungsaufgaben Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik 1 1) Eine Spule aus Aluminiumdraht wird an eine Spannungsquelle mit U = 220 V angeschlossen. Zu Beginn der Messung fließt bei einer Spulentemperatur von ϑ1 = 20 oC der Strom I1 = 5,0 A. Am Ende der Messung ist der Strom bei gleicher Spannung auf I2 = 4,0 A gesunken (Temperaturkoeffizient: α20 = 3,8⋅10−3 1/K). Welche mittlere Temperatur ϑ2 hat sich in der Spule eingestellt? 2) Ein Gleichstrommotor nimmt bei der Spannung U = 110 V den Strom I = 15 A auf und gibt dabei (mechanisch) die Leistung P = 1350 W ab. a) Wie groß ist der Wirkungsgrad η des Motors? b) Wie hoch sind die Energiekosten, wenn der Motor t = 5 h in Betrieb ist und 0,30 €/kWh berechnet werden? 3) Ein elektrisches Heizgerät soll über eine zweiadrige Leitung (Leitungsadern aus Kupfer) der Länge l = 50 m an eine Spannungsquelle angeschlossen werden. Das Heizgerät nimmt bei der anliegenden Spannung U = 110 V die Leistung P = 2,0 kW auf. Jede Leitungsader hat den Querschnitt A = 4,0 mm2. Der spezifische Widerstand des Leitermaterials beträgt ρ = 17,6⋅10−9 Ωm. Welche Spannung U’ muss am Leitungsanfang herrschen, damit das Heizgerät an U = 110 V liegt? I2 R2 I5 4) Die angegebene Schaltung mit den Widerständen R1 = R3 = 3,0 Ω und R2 = R4 = 6,0 Ω liegt an der Spannung U = 24 V. Die Ströme I1 bis I5 sind zu berechnen. I1 R1 U 5) In der angegebenen Schaltung mit den Widerständen R1 = R4 = 2,0 Ω und R2 = R3 = 4,0 Ω liefert die Spannungsquelle die Spannung U = 10 V. Wie groß ist die Spannung Ux? 6) Die angegebene Schaltung enthält die Widerstände R1 = 20 Ω, R2 = 40 Ω, R3 = 60 Ω, R4 = 70 Ω und R5 = 30 Ω. Die vorhandene Spannungsquelle liefert die Spannung U = 48 V. Wie groß ist die Spannung Ux ? 7) Der angegebene Spannungsteiler enthält die Widerstände R1 = 60 Ω und R2 = 50 Ω. Um wie viel Prozent ändert sich die Spannung U2, wenn ein Lastwiderstand von R = 100 Ω angeschlossen wird? (U = konstant) I4 I3 R3 R1 R4 R2 Ux R3 U R4 R1 R2 U R4 R3 Ux R5 R1 U R2 U2 8) Wird eine reale Spannungsquelle (Spannungsquelle mit Innenwiderstand) durch den Widerstand R1 = 20 Ω belastet, so beträgt die Klemmenspannung U1 = 20 V. Belastet man die gleiche Spannungsquelle durch den Widerstand R2 = 12 Ω, so beträgt die Klemmenspannung U2 = 18 V. Der Innenwiderstand Ri und die Quellenspannung Uq der Spannungsquelle sind zu bestimmen. R Übungsaufgaben Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik 2 9) Eine reale Spannungsquelle (Spannungsquelle mit Innenwiderstand) liefert im Leerlauf die Spannung Uq = 12 V. Wird die Spannungsquelle durch den Widerstand R = 10 Ω belastet, so beträgt die Klemmenspannung U = 10 V. Die Spannungsquelle soll durch einen äußeren Widerstand so belastet werden, dass Leistungsanpassung besteht und somit die maximal mögliche Leistung abgegeben wird. Wie groß ist diese Leistung P, die die Spannungsquelle maximal abgeben kann? 10) Ein Plattenkondensator mit der Plattenfläche A = 0,1 m2 und dem Plattenabstand d = 2 mm ist auf die Spannung U = 1000 V aufgeladen (Dielektrikum: Glimmer, Permittivitätszahl: εr = 7). Gesucht sind a) die im Plattenraum vorhandene elektrische Feldstärke E, b) die im Plattenraum vorhandene elektrische Flussdichte D, c) der Betrag der auf jeder Platte vorhandenen Ladung Q, d) die Kapazität C des Kondensators. 11) In einem Plattenkondensator sind nach Skizze d1 = 1,0 mm und d2 = 1,5 mm starke Isolierstoffplatten untergebracht. Deren Permittivitätszahlen sind εr1 = 2,5 und εr2 = 4,5. Die Fläche einer Platte beträgt A = 900 cm2. Im Kondensator ist die Ladung Q = 1,5⋅10−6 As gespeichert. Gesucht sind a) die in den Isolierstoffplatten vorhandenen elektrischen Flussdichten D1 und D2, b) die zugehörigen elektrischen Feldstärken E1 und E2, c) die Teilspannungen U1 und U2 , mit denen die Isolierstoffplatten beansprucht werden, d) die am Kondensator liegende Spannung U, e) die Kapazität C des Kondensators. d2 d1 ε r1 ε r2 12) Ein Plattenkondensator mit dem Plattenabstand d1 = 0,5 mm (Dielektrikum: Luft) wird kurzzeitig mit einer Spannungsquelle verbunden und dadurch auf U1 = 100 V aufgeladen. Welche Spannung U2 liegt am Kondensator, wenn der Plattenabstand auf d2 = 0,8 mm vergrößert wird? 13) In einem Plattenkondensator mit der Plattenfläche A = 0,15 m2 und dem Plattenabstand d1 = 0,5 mm befindet sich eine Isolierstoffplatte mit der Permittivitätszahl εr = 4,5. Der Kondensator wird kurzzeitig mit einer Spannungsquelle verbunden und dadurch auf U1 = 100 V aufgeladen. Anschließend wird der Plattenabstand auf d2 = 0,8 mm vergrößert, wobei die Stärke der Isolierstoffplatte unverändert d1 = 0,5 mm beträgt. a) Welche Spannung U2 liegt jetzt am Kondensator? b) Welche Energie W ist jetzt im Kondensator gespeichert? 14) Ein nicht aufgeladener Kondensator mit der Kapazität C = 3,0 µF wird über einen Widerstand R = 20 kΩ mit einer Spannungsquelle verbunden und dadurch aufgeladen. Die Spannungsquelle liefert U = 400 V. Der Einschaltzeitpunkt entspricht dem Zeitpunkt t = 0. a) Wie groß ist die Kondensatorspannung uC im Zeitpunkt t1 = 20 ms? b) In welchem Zeitpunkt t2 ist der Kondensator auf 99 % des Endwertes der Spannung aufgeladen? t=0 U R uC C Übungsaufgaben Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik 3 15) In einem langen geraden Leiter mit kreisförmigem Querschnitt fließt der Strom I. a) Wie groß ist die magnetische Feldstärke H außerhalb des Leiters im Abstand r von der Mittellinie (in allgemeiner Form)? b) Wie groß sind die magnetische Feldstärke H und die magnetische Flussdichte B im Abstand r = 10 cm von der Mittellinie, wenn I = 10 A beträgt (Permeabilitätszahl µr = 1)? 16) Auf einem Keramikring sind N = 500 Windungen gleichmäßig am Umfang verteilt aufgebracht. Der mittlere Ringdurchmesser beträgt D = 50 mm, der mittlere Windungsdurch- messer d = 6 mm. In der Spule fließt der Strom I = 1,5 A (Permeabilitätszahl: µr = 1). a) Wie groß ist die magnetische Feldstärke H in der Mittellinie des Ringes? b) Wie groß ist die magnetische Flussdichte B in der Mittellinie des Ringes? c) Wie groß ist der von der Spule erzeugte magnetische Fluss Φ? d) Wie groß ist die Induktivität L der Spule? 17) Auf einem Kunststoffring sind N = 1000 Windungen gleichmäßig am Umfang verteilt aufgebracht. Der mittlere Ringumfang beträgt l = 0,25 m, die mittlere Windungsfläche A = 40 mm2. In dem Ring soll der magnetische Fluss Φ = 0,4⋅10─6 Wb erzeugt werden. a) Welcher Strom I muss in der Spule fließen? b) Wie groß ist die Induktivität L der Spule? l α I h 18) In einem homogenen Magnetfeld der Flussdichte B ist entsprechend Skizze eine vom Strom I durchflossene Spule drehbar angeordnet. Die Spule hat die Höhe h, die Länge l und die WindungsZahl N. Es ist das auf die Spule ausgeübte Drehmoment M in Abhängigkeit vom Winkel α in allgemeiner Form anzugeben. B B 19) Auf einem Ringkern aus legiertem Blech mit dem mittleren Ringumfang l = 25 cm (Magnetisierungskennlinie siehe Seite 4) ist eine Spule mit N = 500 Windungen aufgebracht. Welcher Strom I muss in der Spule fließen, damit im Kern eine magnetische Flussdichte von B = 1,0 T herrscht? 20) Ein Ringkern aus legiertem Blech (Magnetisierungskennlinie siehe Seite 4) mit einem mittleren Ringumfang von l = 40 cm besitzt einen Eisenquerschnitt A = 3,0 cm2. Auf dem Kern sind zwei Spulen mit den Windungszahlen N1 = 250 und N2 = 400 aufgebracht, die von den Strömen I1 = 1,0 A und I2 = 0,5 A durchflossen werden. a) Welcher magnetische Fluss Φ wird im Eisenkern erzeugt, wenn der Umlaufsinn beider Spulenströme übereinstimmt? b) Wie groß ist der magnetische Fluss Φ, wenn der Umlaufsinn beider Ströme verschieden ist? Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik 21) Bei dem dargestellten Elektromagneten aus Stahlguss mit der unten angegebenen Magnetisierungskennlinie sollen sich beide Teile mit der Kraft F = 3900 N anziehen. Die Windungszahl der Spule beträgt N = 300. Welcher Strom I muss in der Spule fließen? (Für die Berechnung kann die Luftspaltfläche gleich der unteren Eisenfläche gesetzt werden.) I 4 N 70 80 70 50 100 50 0,4 70 50 50 60 0,4 40 Übungsaufgaben Maße in mm B T Stahlguss Legiertes Blech 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 200 400 600 800 1000 1400 1200 1600 H A/m Magnetisierungskennlinien 22) Ein Eisenkern enthält zwei Wicklungen. Die linke Wicklung ist mit einer Stromquelle verbunden, die einen Strom i liefert. Dieser möge sich zeitlich so ändern, dass der im Kern erzeugte magnetische Fluss Φ den dargestellten Verlauf hat. Die rechte Wicklung besitzt eine Windungszahl von N = 150. Welchen zeitlichen Verlauf hat die in der rechten Wicklung induzierte Spannung u? (Das Ergebnis ist grafisch darzustellen.) Φ Φ 10 4 Wb i N u 6 4 2 0 0 2 4 6 t ms 20 40 60 80 Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik 23) Die angegebene Spule mit der Höhe h = 30 mm und der Länge l = 50 mm sowie der Windungszahl N = 100 dreht sich mit n = 3000 1/min in einem Magnetfeld der Flussdichte B = 0,1 T. Es ist die in der Spule induzierte Spannung u in Abhängigkeit von der Zeit t anzugeben. (Im Zeitpunkt t = 0 möge die Spule waagerecht liegen, so dass hier ωt = 0 ist; ω = 2 π n.) ω 5 l ωt h Übungsaufgaben u B B 24) Die Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes R = 50 Ω und einer Spule mit der Induktivität L = 0,20 H liegt an einer Wechselspannung von U = 230 V, f = 50 Hz. a) Wie groß ist der Scheinwiderstand Z der Reihenschaltung? b) Welcher Strom I fließt durch die Reihenschaltung? I c) Welcher Phasenverschiebungswinkel ϕ besteht zwischen R UR Spannung und Strom? U d) Welche Teilspannung UR liegt am Widerstand R? L UL e) Welche Teilspannung UL liegt an der Spule? f) Stellen Sie das Zeigerdiagramm des Stromes I und der Spannungen UR, UL und U dar. 25) Die Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes R = 20 Ω und eines Kondensators mit der Kapazität C = 8,0 µF liegt an einer Wechselspannung von U = 10 V, f = 1 kHz. a) Wie groß ist der Scheinwiderstand Z der Reihenschaltung? b) Welcher Strom I fließt durch die Schaltung? I c) Welcher Phasenverschiebungswinkel ϕ besteht R UR zwischen Spannung und Strom? U d) Welche Teilspannung UR liegt am Widerstand R? C UC e) Welche Teilspannung UC liegt am Kondensator C? f) Stellen Sie das Zeigerdiagramm des Stromes I und der Spannungen UR, UC und U dar. 26) Eine Glühlampe nimmt bei der Spannung U = 230 V die Leistung P = 60 W auf. Die Glühlampe soll über einen Kondensator an eine Wechselspannungsquelle mit der Spannung U‘ = 400 V (f = 50 Hz) angeschlossen werden. Wie groß muss die Kapazität C des Kondensators sein, damit die Glühlampe an U = 230 V liegt? (Anmerkung: Die Glühlampe kann als reiner Wirkwiderstand angesehen werden.) 27) Zwei ohmsch-induktive Verbraucher für U = 230 V mit den Daten P1 = 2,0 kW, cos ϕ1 = 0,90, P2 = 1,2 kW, cos ϕ2 = 0,50 liegen parallel an U = 230 V. a) Wie groß ist der Gesamtstrom I? b) Wie groß ist der Gesamtleistungsfaktor cos ϕ? I U P1 cos ϕ1 P2 cos ϕ 2 Übungsaufgaben Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik 28) Ein ohmsch-induktiver Verbraucher mit der Wirkleistungsaufnahme P = 400 W und dem Leistungsfaktor cos ϕ = 0,50 ist parallel zu einer R-L-Reihenschaltung (R = 30 Ω, L = 35 mH) geschaltet. Die Anordnung liegt an der Spannung U = 230 V, f = 50 Hz. a) Welcher Strom I wird von der Spannungsquelle geliefert? b) Wie groß ist der Gesamtleistungsfaktor cos ϕges? 6 I R P cos ϕ U L 29) Ein Elektromotor nimmt bei der Spannung U = 230 V und dem Leistungsfaktor cos ϕ = 0,72 die Wirkleistung P = 2,0 kW auf. Der Motor soll über eine zweiadrige Leitung an eine Wechselspannung U’ gelegt werden. Jede der beiden Leitungsader hat den Widerstand R = 1,2 Ω. Welche Spannung U’ muss am Leitungsanfang herrschen, damit die Motorspannung U = 230 V beträgt? 30) Ein Transformator soll eine Wechselspannung von U1 = 400 V in eine Wechselspannung von U2 = 230 V umwandeln. Sekundärseitig soll der Transformator einen Verbraucher versorgen, der bei der Spannung U2 = 230 V und dem Leistungsfaktor cos ϕ = 0,85 die Wirkleistung P = 2,0 kW aufnimmt. a) Welches Übersetzungsverhältnis (Windungsverhältnis) N1/N2 ist erforderlich? b) Welche Ströme I1 und I2 treten auf? (Bei der Berechnung der Werte kann von einem „idealen Transformator“ ausgegangen werden.) I1 U1 N1 N 2 U2 L1 31) Ein Vierleiter-Drehstromnetz mit der Außenleiterspannung U = 400 V ist entsprechend der angegebenen Schaltung belastet. Die Daten der Verbraucher sind: P2 = 600 W, cos ϕ2 = 0,70 (induktiv), P3 = 500 W, cos ϕ3 = 0,84 (kapazitiv). Es sind die Leiterströme I2 , I3 und IN zu bestimmen. 32) Ein Drehstromnetz mit der Außenleiterspannung U = 400 V (f = 50 Hz) ist durch eine symmetrische Sternschaltung belastet (R = 50 Ω, C = 50 µF). a) Welcher Strom I fließt in jedem Außenleiter? b) Welche Wirkleistung P nimmt der Verbraucher auf, und wie groß ist der Leistungsfaktor cos ϕ ? I2 L2 L3 N I2 I3 IN P3 P2 cos ϕ 2 cos ϕ 3 L1 L2 L3 R C R C R C P cos ϕ Übungsaufgaben Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik 33) Eine Gleichrichter-Brückenschaltung liegt an einer Wechselspannung mit dem Effektivwert U = 230 V und der Frequenz f = 50 Hz. Der Lastwiderstand hat den Wert R = 500 Ω. Es sind in Abhängigkeit von ωt a) der Verlauf des Stromes id , b) der Verlauf der Spannungen u und ud zu ermitteln und grafisch darzustellen. (Der an den Dioden auftretende Durchlassspannungsabfall kann vernachlässigt werden.) 7 id u 34) Eine Gleichrichter-Brückenschaltung liegt an einer Wechselspannung u. Zur Glättung der erzeugten Gleichspannung liegt parallel zum Lastwiderstand R ein Kondensator C. Es sind prinzipiell der Verlauf der Spannungen u und ud (in Abhängigkeit von ωt) grafisch darzustellen. (Der an den Dioden auftretende Durchlassspannungsabfall kann vernachlässigt werden.) ud u R C R 35) Die dargestellte Spannungs-Stabilisierungsschaltung enthält eine Z-Diode mit der angegebenen Strom-Spannungs-Kennlinie. Der Lastwiderstand hat den Wert RL = 300 Ω. Der vorhandene Vorwiderstand beträgt RV = 1000 Ω. Die Spannung U sei nicht konstant. a) Welchen Wert Umax darf die Eingangsspannung maximal annehmen, damit der in der Z-Diode fließende Strom den zulässigen Wert von IZ max = 40 mA nicht übersteigt? b) Welchen Wert Umin muss die Eingangsspannung mindestens haben, damit der in der Z-Diode fließende Strom den Wert IZ min = 3 mA nicht unterschreitet und somit die Spannungsstabilisierung gewährleistet ist? IZ mA 40 RV 30 IZ U 20 UZ RL 10 0 0 1 2 3 4 5 6 7 UZ V ud Übungsaufgaben Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik 8 36) Die dargestellte Spannungs-Stabilisierungsschaltung enthält eine Z-Diode mit der angegebenen Strom-Spannungs-Kennlinie. Die Eingangsspannung beträgt U = 24 V. Der Lastwiderstand RL sei − oberhalb eines bestimmten (zulässigen) Wertes − beliebig variabel. Die Schaltung ist so auszulegen, dass der in der Z-Diode fließende Strom IZ − zur Vermeidung einer Überlastung − den Wert IZ max = 40 mA nicht übersteigt. Zur Gewährleistung der Spannungsstabilität darf der Strom IZ den Wert IZ min = 3 mA nicht unterschreiten. a) Wie groß muss der Vorwiderstand RV sein? b) Welchen Wert RL min muss der Lastwiderstand mindestens haben? c) Wie groß ist die Ausgangsspannung UZ = UZ max , wenn der Lastwiderstand RL abgetrennt ist? d) Wie groß ist die Ausgangsspannung UZ = UZ min , wenn ein Lastwiderstand von RL = RL min angeschlossen und die Schaltung somit maximal belastet wird? IZ mA 40 RV 30 IZ 20 UZ U RL 10 0 0 1 3 2 4 5 6 UZ V 7 37) In der dargestellten Emitterschaltung (Spannungs-Verstärkerschaltung) ist von dem vorhandenen Transistor das angegebene Ausgangskennlinienfeld bekannt. Die Schaltung soll so ausgelegt werden, dass bei einer Versorgungsspannung von UB = 14 V die KollektorEmitter-Spannung UCE = 7 V beträgt und hierbei ein Kollektorstrom von IC = 100 mA fließt. Die Basis-Emitter-Spannung kann als UBE = 0,6 V angenommen werden. Weiterhin ist R2 = 120 Ω. a) Welchen Wert muss der Widerstände RC haben? b) Wie groß muss der Widerstand R1 sein? IC mA RC R1 IC UCE R2 UBE IB = 2,0 mA 200 IB = 1,5 mA 150 UB IB = 1,0 mA 100 IB = 0,5 mA 50 0 0 2 4 6 8 10 12 14 UCE V Übungsaufgaben Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik 38) Eine Verstärkerschaltung mit einem selbstsperrenden Isolierschicht-Feldeffekttransistor mit dem Widerstand R1 = 200 kΩ wird mit der Spannung UB = 24 V versorgt. Die Widerstände RD und R2 sollen zur Arbeitpunkteinstellung so gewählt werden, dass die am Transistor liegenden Spannungen bei einem Strom von ID = 80 mA die Werte UGS = 4,0 V und UDS = 12 V haben. Welche Werte sind für RD und R2 erforderlich? 39) Die einem Widerstand R zugeführte Leistung soll mit Hilfe der dargestellten Schaltung (durch Verändern des Steuerwinkels α) verstellt werden. Die verwendete (sinusförmige) Wechselspannung u hat einen Effektivwert von U = 230 V. Der Lastwiderstand beträgt R = 50 Ω. Skizzieren Sie den zeitlichen Verlauf der Spannung u und des Stromes i (in Abhängigkeit von ωt) bei einem Steuerwinkel von α = 90°. (Tragen Sie dabei auch die Lage der Steuerimpulse iG mit ein.) (Der am Triac auftretende Durchlassspannungsabfall kann vernachlässigt werden.) 40) Ein Operationsverstärker ist entsprechend Skizze so beschaltet, dass er einen invertierenden Verstärker darstellt. Die Widerstände betragen R1 = 2,0 kΩ und R2 = 5,0 kΩ. a) Wie groß ist die Spannungsverstärkung vU = uA/uE ? b) Eingangsseitig wird eine sinusförmige Spannung uE mit dem Effektivwert UE = 2,0 V angelegt wird. Skizzieren Sie (in Abhängigvon ωt) den Verlauf von uE und uA . 41) Ein Operationsverstärker ist entsprechend Skizze so beschaltet, dass er einen nichtinvertierenden Verstärker darstellt. Die Widerstände betragen R1 = 2,0 kΩ und R2 = 5,0 kΩ. a) Wie groß ist die Spannungsverstärkung vU = uA/uE ? b) Eingangsseitig wird eine sinusförmige Spannung uE mit dem Effektivwert UE = 4,0 V angelegt wird. Skizzieren Sie (in Abhängigvon ωt) den Verlauf von uE und uA . 9 RD R1 ID UB U DS R2 UGS L N i iG u R Steuerschaltung R2 R1 uE uA R2 uE R1 uA Übungsaufgaben Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik 42) Ein Operationsverstärker ist entsprechend Skizze so beschaltet, dass er einen Impedanzwandler darstellt. Die Schaltung wird durch den Lastwiderstand R = 500 Ω belastet. Eingangsseitig wird eine sinusförmige Spannung uE mit dem Effektivwert UE = 2,0 V angelegt. Skizzieren Sie (in Abhängigkeit von ωt) den Verlauf von uE und i. i R R uE1 40 60 80 6 4 2 0 0 2 4 6 t ms u E2 uA 40 20 60 80 t ms 44) Bei einem Komparator hat die Eingangsspannung uE den unten dargestellten Verlauf. Die Referenzspannung beträgt URef = 20 mV. Die Ausgangsspannung uA des Operationsverstärkers ist auf (± 15 V) begrenzt. Es ist der zeitliche Verlauf der Ausgangsspannung uA zu ermitteln und grafisch darzustellen. uE mV 60 uE 40 20 u Ref uE uA 0 20 40 60 R R uE2 V uE1 V 20 uA uE 43) Ein Operationsverstärker ist entsprechend Skizze so beschaltet, dass er einen Summierer ergibt. Die eingangsseitig angelegten Spannungen uE1 und uE2 haben den unten dargestellten Verlauf. Skizzieren Sie den Verlauf der Ausgangsspannung uA. 6 4 2 0 0 2 4 6 10 0 2 4 6 8 10 t ms