Grundlagen Gleichstromtechnik

Grundlagen
Gleichstromtechnik
Arbeitsbuch
24
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Mit CD-ROM
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Festo Didactic
567207 DE
Bestell-Nr.:
Stand:
Autor:
Grafik:
Layout:
567207
10/2010
Christine Löffler
Thomas Ocker, Doris Schwarzenberger
10/2010, Beatrice Huber
© Festo Didactic GmbH & Co. KG, 73770 Denkendorf, 2010
Internet: www.festo-didactic.com
E-Mail: [email protected]
Weitergabe sowie Vervielfältigung dieses Dokuments, Verwertung und Mitteilung seines Inhalts verboten,
soweit nicht ausdrücklich gestattet. Zuwiderhandlungen verpflichten zu Schadenersatz. Alle Rechte
vorbehalten, insbesondere das Recht, Patent-, Gebrauchsmuster oder Geschmacksmusteranmeldungen
durchzuführen.
Hinweis
Soweit in dieser Broschüre nur von Lehrer, Schüler etc. die Rede ist, sind selbstverständlich auch
Lehrerinnen, Schülerinnen etc. gemeint. Die Verwendung nur einer Geschlechtsform soll keine
geschlechtsspezifische Benachteiligung sein, sondern dient nur der besseren Lesbarkeit und dem
besseren Verständnis der Formulierungen.
Inhalt
Bestimmungsgemäße Verwendung __________________________________________________________ IV
Vorwort _________________________________________________________________________________ V
Einleitung ______________________________________________________________________________ VII
Arbeits- und Sicherheitshinweise __________________________________________________________ VIII
Trainingspaket Grundlagen Gleichstromtechnik (TP 1011) ______________________________________ IX
Lernziele – Grundlagen Gleichstromtechnik _____________________________________________________X
Zuordnung von Lernzielen und Aufgaben – Grundlagen Gleichstromtechnik __________________________ XI
Gerätesatz _____________________________________________________________________________ XIII
Zuordnung von Komponenten und Aufgaben – Grundlagen Gleichstromtechnik_____________________ XVII
Hinweise für den Lehrer/Ausbilder __________________________________________________________ XIX
Struktur der Aufgaben ____________________________________________________________________ XX
Bezeichnung der Komponenten ____________________________________________________________ XX
Inhalte der CD-ROM ______________________________________________________________________ XXI
Aufgaben und Lösungen
Aufgabe 1:
Aufgabe 2:
Aufgabe 3:
Aufgabe 4:
Aufgabe 5:
Aufgabe 6:
Aufgabe 7:
Aufgabe 8:
Aufgabe 9:
Aufgabe 10:
Analysieren elektrischer Stromkreise und feststellen von Gesetzmäßigkeiten _____________1
Analysieren von Widerständen _________________________________________________ 21
Bestimmen des Vorwiderstandes für eine Leuchtdiode _____________________________ 29
Erweitern einer Schaltung um einen elektrischen Verbraucher _______________________ 41
Ermitteln der elektrischen Leistung für zwei Schaltungsvarianten _____________________ 55
Auswählen von Messschaltungen ______________________________________________ 67
Entwickeln einer Schaltung für einen Spannungsteiler ______________________________ 77
Entwickeln von Schutzschaltungen für eine Bohrmaschine __________________________ 91
Aufbauen einer Gleichspannungsquelle ________________________________________ 107
Auswählen eines Kondensators mit kurzer Ladezeit _______________________________ 123
Aufgaben und Arbeitsblätter
Aufgabe 1:
Aufgabe 2:
Aufgabe 3:
Aufgabe 4:
Aufgabe 5:
Aufgabe 6:
Aufgabe 7:
Aufgabe 8:
Aufgabe 9:
Aufgabe 10:
Analysieren elektrischer Stromkreise und feststellen von Gesetzmäßigkeiten _____________1
Analysieren von Widerständen _________________________________________________ 21
Bestimmen des Vorwiderstandes für eine Leuchtdiode _____________________________ 29
Erweitern einer Schaltung um einen elektrischen Verbraucher _______________________ 41
Ermitteln der elektrischen Leistung für zwei Schaltungsvarianten _____________________ 55
Auswählen von Messschaltungen ______________________________________________ 67
Entwickeln einer Schaltung für einen Spannungsteiler ______________________________ 77
Entwickeln von Schutzschaltungen für eine Bohrmaschine __________________________ 91
Aufbauen einer Gleichspannungsquelle ________________________________________ 107
Auswählen eines Kondensators mit kurzer Ladezeit _______________________________ 123
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III
Bestimmungsgemäße Verwendung
Das Trainingspaket Grundlagen Elektrotechnik/Elektronik ist nur zu benutzen:
• für die bestimmungsgemäße Verwendung im Lehr- und Ausbildungsbetrieb
• in sicherheitstechnisch einwandfreiem Zustand
Die Komponenten des Trainingspakets sind nach dem heutigen Stand der Technik und den anerkannten
sicherheitstechnischen Regeln gebaut. Dennoch können bei unsachgemäßer Verwendung Gefahren für Leib
und Leben des Benutzers oder Dritter und Beeinträchtigungen der Komponenten entstehen.
Das Lernsystem von Festo Didactic ist ausschließlich für die Aus- und Weiterbildung im Bereich
Automatisierung und Technik entwickelt und hergestellt. Das Ausbildungsunternehmen und/oder die
Ausbildenden hat/haben dafür Sorge zu tragen, dass die Auszubildenden die Sicherheitsvorkehrungen, die
in diesem Arbeitsbuch beschrieben sind, beachten.
Festo Didactic schließt hiermit jegliche Haftung für Schäden des Auszubildenden, des
Ausbildungsunternehmens und/oder sonstiger Dritter aus, die bei Gebrauch/Einsatz dieses Gerätesatzes
außerhalb einer reinen Ausbildungssituation auftreten; es sei denn Festo Didactic hat solche Schäden
vorsätzlich oder grob fahrlässig verursacht.
IV
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Vorwort
Das Lernsystem Automatisierung und Technik von Festo Didactic orientiert sich an unterschiedlichen
Bildungsvoraussetzungen und beruflichen Anforderungen. Abgeleitet hieraus ergibt sich die Gliederung des
Lernsystems:
• Technologieorientierte Trainingspakete
• Mechatronik und Fabrikautomation
• Prozessautomation und Regelungstechnik
• Mobile Robotik
• Hybride Lernfabriken
Parallel zu den Entwicklungen im Bildungsbereich und in der beruflichen Praxis wird das Lernsystem
Automatisierung und Technik laufend aktualisiert und erweitert.
Die technologieorientierten Trainingspakete befassen sich mit den Technologien Pneumatik,
Elektropneumatik, Hydraulik, Elektrohydraulik, Proportionalhydraulik, Speicherprogrammierbare
Steuerungen, Sensorik, Elektrotechnik, Elektronik und elektrischen Antrieben.
Der modulare Aufbau des Lernsystems ermöglicht Anwendungen, die über die Grenzen der einzelnen
Trainingspakete hinausgehen. Beispielsweise sind SPS-Ansteuerungen von pneumatischen, hydraulischen
und elektrischen Antrieben möglich.
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V
Alle Trainingspakete setzen sich aus den folgenden Elementen zusammen:
• Hardware
• Medien
• Seminare
Hardware
Die Hardware der Trainingspakete besteht aus didaktisch aufbereiteten Industriekomponenten und
Systemen. Die Komponentenauswahl und Ausführung in den Trainingspaketen ist speziell an die Projekte
der begleitenden Medien angepasst.
Medien
Die Medien zu den einzelnen Themengebieten sind den Bereichen Teachware und Software zugeordnet. Die
praxisorientierte Teachware umfasst:
• Fach- und Lehrbücher (Standardwerke zur Vermittlung fundamentaler Kenntnisse)
• Arbeitsbücher (praktische Aufgaben mit ergänzenden Hinweisen und Musterlösungen)
• Lexika, Handbücher, Fachbücher (bieten Fachinformationen zu vertiefenden Themenbereichen)
• Foliensammlungen und Videos (zur anschaulichen und lebendigen Unterrichtsgestaltung)
• Poster (für die übersichtliche Darstellung von Sachverhalten)
Aus dem Bereich Software werden Programme für die folgenden Anwendungen bereitgestellt:
• Digitale Lernprogramme (didaktisch und medial aufbereitete Lerninhalte)
• Simulationssoftware
• Visualisierungssoftware
• Software zur Messdatenerfassung
• Projektierungs- und Konstruktionssoftware
• Programmiersoftware für Speicherprogrammierbare Steuerungen
Die Lehr- und Lernmedien sind in mehreren Sprachen verfügbar. Sie sind für den Einsatz im Unterricht
konzipiert, aber auch für ein Selbststudium geeignet.
Seminare
Ein umfassendes Seminarangebot zu den Inhalten der Trainingspakete rundet das Angebot in Aus- und
Weiterbildung ab.
Haben Sie Anregungen oder Kritikpunkte zu diesem Buch?
Dann senden Sie eine E-Mail an: [email protected]
Die Autoren und Festo Didactic freuen sich auf Ihre Rückmeldung.
VI
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Einleitung
Das vorliegende Arbeitsbuch ist ein Element aus dem Lernsystem Automatisierung und Technik der Firma
Festo Didactic GmbH & Co. KG. Das System bildet eine solide Grundlage für eine praxisorientierte Aus- und
Weiterbildung. Das Trainingspaket Grundlagen der Elektrotechnik/Elektronik TP 1011 behandelt die
folgenden Themen:
• Grundlagen Gleichstromtechnik
• Grundlagen Wechselstromtechnik
• Grundlagen Halbleiter
• Grundschaltungen der Elektronik
Das Arbeitsbuch Grundlagen Gleichstromtechnik liefert die Einführung in das Thema
Elektrotechnik/Elektronik. Im Vordergrund steht dabei die Vermittlung der elektrischen Grundgrößen. Zu
den behandelten Größen gehören unter anderem Spannung, Strom, Widerstand und Leitwert sowie Arbeit
und Leistung. Das Ohm‘sche Gesetz wird umfassend erläutert. Besonderer Wert wird auch auf den Einsatz
von Messgeräten gelegt.
Voraussetzung für den Aufbau und das Auswerten der Schaltungen ist ein Laborarbeitsplatz, ausgestattet
mit einer abgesicherten Netzspannungsversorgung, zwei Digital-Multimetern, einem Speicher-Oszilloskop
und Sicherheits-Laborleitungen.
Mit dem Gerätesatz TP 1011 werden die kompletten Schaltungen der 10 Aufgabenstellungen zum Thema
Grundlagen Gleichstromtechnik aufgebaut. Die theoretischen Grundlagen für das Verständnis dieser
Aufgaben enthalten die Lehrbücher
• Fachkunde Elektroberufe, Bestell-Nr. 567297 und
• Elektrotechnik, Bestell-Nr. 567298.
Des Weiteren stehen Datenblätter der einzelnen Komponenten (lineare und nichtlineare Widerstände,
Kondensatoren, Messgeräte usw.) zur Verfügung.
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VII
Arbeits- und Sicherheitshinweise
Allgemein
• Die Auszubildenden dürfen nur unter Aufsicht einer Ausbilderin/eines Ausbilders an den Schaltungen
arbeiten.
• Beachten Sie die Angaben der Datenblätter zu den einzelnen Komponenten, insbesondere auch alle
Hinweise zur Sicherheit!
• Störungen, die die Sicherheit beeinträchtigen können, dürfen beim Schulungsbetrieb nicht erzeugt
werden und sind umgehend zu beseitigen.
Elektrik
• Lebensgefahr bei unterbrochenem Schutzleiter!
– Der Schutzleiter (gelb/grün) darf weder außerhalb noch innerhalb des Geräts
unterbrochen werden.
– Die Isolierung des Schutzleiters darf weder beschädigt noch entfernt werden.
• In gewerblichen Einrichtungen sind die Berufsgenossenschaftlichen Vorschriften BGV A3 "Elektrische
Anlagen und Betriebsmittel" zu beachten.
• In Schulen und Ausbildungseinrichtungen ist das Betreiben von Netzgeräten durch geschultes Personal
verantwortlich zu überwachen.
• Vorsicht!
Kondensatoren im Gerät können noch geladen sein, selbst wenn das Gerät von allen Spannungsquellen
getrennt wurde.
• Beim Ersetzen von Sicherungen: Verwenden Sie nur vorgeschriebene Sicherungen mit der richtigen
Nennstromstärke.
• Schalten Sie Ihr Netzgerät niemals sofort ein, wenn es von einem kalten in einen warmen Raum
gebracht wird. Das dabei entstehende Kondenswasser kann unter ungünstigen Umständen Ihr Gerät
zerstören. Lassen Sie das Gerät ausgeschaltet, bis es Zimmertemperatur erreicht hat.
• Verwenden Sie als Betriebsspannung für die Schaltungen der einzelnen Aufgaben nur Spannungen von
maximal 60 V DC und 25 V AC. Beachten Sie zusätzlich die Angaben zur maximalen Betriebsspannung
der eingesetzten Komponenten.
• Stellen Sie elektrische Anschlüsse nur in spannungslosem Zustand her!
• Bauen Sie elektrische Anschlüsse nur in spannungslosem Zustand ab!
• Verwenden Sie für die elektrischen Anschlüsse nur Verbindungsleitungen mit Sicherheitssteckern.
• Ziehen Sie beim Abbauen der Verbindungsleitungen nur an den Sicherheitssteckern, nicht an den
Leitungen.
• Schließen Sie das Speicher-Oszilloskop immer über einen Trenntransformator an die
Netzspannungsversorgung an.
VIII
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Trainingspaket Grundlagen Gleichstromtechnik (TP 1011)
Das Trainingspaket TP 1011 besteht aus einer Vielzahl von einzelnen Ausbildungsmitteln. Gegenstand
dieses Teils des Trainingspaketes TP 1011 sind die Grundlagen Gleichstromtechnik. Einzelne Komponenten
aus dem Trainingspaket TP 1011 können auch Bestandteil anderer Pakete sein.
Wichtige Komponenten des TP 1011
• Fester Arbeitsplatz mit Universal-Steckfeld EduTrainer®
• Bauteilsatz Elektrotechnik/Elektronik mit Brückensteckern und Sicherheits-Laborleitungen
• Grundlagen-Netzteil EduTrainer®
• Komplette Laboreinrichtungen
Medien
Die Teachware zum Trainingspaket TP 1011 besteht aus Fach- und Tabellenbüchern und Arbeitsbüchern. Die
Fachbücher vermitteln anschaulich und übersichtlich die Grundlagen zu Gleichstromtechnik. Die
Arbeitsbücher enthalten zu jeder Aufgabe die Aufgabenblätter, die Lösungen zu jedem einzelnen
Arbeitsblatt und eine CD-ROM. Ein Satz gebrauchsfertiger Aufgaben- und Arbeitsblätter zu jeder Aufgabe
wird mit jedem Arbeitsbuch geliefert.
Datenblätter zu den Hardware-Komponenten werden mit dem Trainingspaket und auf der CD-ROM zur
Verfügung gestellt.
Medien
Fachbücher
Fachkunde Elektroberufe
Elektrotechnik
Tabellenbuch
Elektrotechnik/Elektronik
Arbeitsbücher
Grundlagen Gleichstromtechnik
Grundlagen Wechselstromtechnik
Grundlagen Halbleiter
Grundschaltungen der Elektronik
Digitale Lernprogramme
WBT Elektrik 1 – Grundlagen der Elektrotechnik
WBT Elektrik 2 – Gleich- und Wechselstromschaltkreise
WBT Elektronik 1 –Grundlagen der Halbleitertechnik
WBT Elektronik 2 –Integrierte Schaltkreise
WBT Elektrische Schutzmaßnahmen
Übersicht der Medien zum Trainingspaket TP 1011
Als Software zum Trainingspaket TP 1011 stehen die digitalen Lernprogramme Elektrik 1, Elektrik 2,
Elektronik 1, Elektronik 2 und Elektrische Schutzmaßnahmen zur Verfügung. Diese Lernprogramme
beschäftigen sich ausführlich mit den Grundlagen der Elektrik/Elektronik. Die Lerninhalte sind sowohl
fachsystematisch als auch anwendungsbezogen an praxisnahen Fallbeispielen dargestellt.
Die Medien werden in mehreren Sprachen angeboten. Weitere Ausbildungsmittel ersehen Sie aus unseren
Katalogen und im Internet.
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IX
Lernziele – Grundlagen Gleichstromtechnik
•
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•
•
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•
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•
•
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•
X
Bauteile Widerstand und Kondensator
Sie kennen den Zusammenhang zwischen Widerstandswert und Leitwert eines Widerstandes.
Sie kennen charakteristische Merkmale und wichtige Bauarten von Widerständen.
Sie können die IEC-Normreihen zur Kennzeichnung von Widerständen anwenden
Sie kennen Schaltzeichen und Funktionsweise der nichtlinearen Widerstände NTC, PTC, VDR, LDR.
Sie können Kennlinien von nichtlinearen Widerständen aufnehmen und interpretieren.
Sie können nichtlineare Widerstände abhängig von den technischen Anforderungen auswählen und
einsetzen.
Sie kennen Aufbau, Einsatz und Kenngrößen eines Kondensators.
Sie können den Lade- und Entladevorgang eines Kondensators im Gleichstromkreis messen und
auswerten.
Grundschaltungen und Beispielschaltungen
Sie können die elektrischen Grundgrößen Spannung, Strom und Widerstand interpretieren und mit
diesen Größen Berechnungen durchführen.
Sie kennen das Ohm'sche Gesetz und können den Zusammenhang messtechnisch ermitteln und
grafisch darstellen.
Sie können elektrische Grundgrößen messtechnisch erfassen und bewerten.
Sie können geeignete Messgeräte zur Durchführung von Messungen einsetzen.
Sie können die elektrischen Grundgrößen Arbeit und Leistung anwenden.
Sie können elektrische Grundschaltungen messtechnisch untersuchen und Gesetzmäßigkeiten aus den
ermittelten Messgrößen ableiten.
Sie können elektrische Grundschaltungen wie die Reihenschaltung dimensionieren und berechnen.
Sie können die Funktion elektrischer Schaltungen und Betriebsmittel prüfen.
Sie können elektrische Grundschaltungen wie die Parallelschaltung dimensionieren und berechnen.
Sie können gemischte Schaltungen dimensionieren und berechnen.
Sie können geeignete Messschaltungen zur Durchführung von Messungen einsetzen.
Sie kennen den Spannungsteiler als Anwendung der gemischten Schaltungen.
Sie können die Ausgangsspannung für einen unbelasteten und für einen belasteten Spannungsteiler
berechnen.
Sie können den belasteten Spannungsteiler dimensionieren.
Spannungsquellen
Sie können die Kenngrößen einer Spannungsquelle berechnen und anwenden.
Sie können die Arbeitskennlinie einer Spannungsquelle aufnehmen und interpretieren.
Sie kennen die Anwendungsfälle Leistungsanpassung und Spannungsanpassung für eine
Spannungsquelle.
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Zuordnung von Lernzielen und Aufgaben – Grundlagen Gleichstromtechnik
Aufgabe
1
2
3
4
5
•
•
•
•
•
6
7
8
9
10
Lernziel
Sie können die elektrischen Grundgrößen Spannung, Strom
und Widerstand interpretieren und mit diesen Größen
Berechnungen durchführen
•
Sie kennen das Ohm'sche Gesetz und können den
Zusammenhang messtechnisch ermitteln und grafisch
darstellen
Sie können elektrische Grundgrößen messtechnisch erfassen
und bewerten
Sie können geeignete Messgeräte zur Durchführung von
Messungen einsetzen
•
•
•
Sie kennen den Zusammenhang zwischen Widerstandswert und
Leitwert eines Widerstandes
•
Sie kennen charakteristische Merkmale und wichtige Bauarten
von Widerständen
•
Sie können die IEC-Normreihen zur Kennzeichnung von
Widerständen anwenden
Sie können die elektrischen Grundgrößen Arbeit und Leistung
anwenden
•
Sie können elektrische Grundschaltungen messtechnisch
untersuchen und Gesetzmäßigkeiten aus den ermittelten
Messgrößen ableiten
Sie können elektrische Grundschaltungen wie die
Reihenschaltung dimensionieren und berechnen
Sie können die Funktion elektrischer Schaltungen und
Betriebsmittel prüfen
Sie können elektrische Grundschaltungen wie die
Parallelschaltung dimensionieren und berechnen
Sie können gemischte Schaltungen dimensionieren und
berechnen
Sie können geeignete Messschaltungen zur Durchführung von
Messungen einsetzen
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•
•
•
•
•
XI
Aufgabe
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Lernziel
Sie kennen den Spannungsteiler als Anwendung der
gemischten Schaltungen
•
Sie können die Ausgangsspannung für einen unbelasteten und
für einen belasteten Spannungsteiler berechnen
•
Sie können den belasteten Spannungsteiler dimensionieren
•
Sie kennen Schaltzeichen und Funktionsweise der nichtlinearen
Widerstände NTC, PTC, VDR, LDR
•
Sie können Kennlinien von nichtlinearen Widerständen
aufnehmen und interpretieren
•
Sie können nichtlineare Widerstände abhängig von den
technischen Anforderungen auswählen und einsetzen
Sie können die Kenngrößen einer Spannungsquelle berechnen
und anwenden
•
Sie können die Arbeitskennlinie einer Spannungsquelle
aufnehmen und interpretieren
•
Sie kennen die Anwendungsfälle Leistungsanpassung und
Spannungsanpassung für eine Spannungsquelle
XII
•
•
Sie kennen Aufbau, Einsatz und Kenngrößen eines
Kondensators
•
Sie können den Lade- und Entladevorgang eines Kondensators
im Gleichstromkreis messen und auswerten
•
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Gerätesatz
Das Arbeitsbuch Grundlagen Gleichstromtechnik vermittelt Kenntnisse über den Aufbau und die Funktion
der Bauelemente Widerstand und Kondensator sowie über das Verhalten der Bauelemente in
Grundschaltungen und einfachen Anwendungsschaltungen.
Der Gerätesatz Grundlagen der Elektrotechnik/Elektronik TP 1011 enthält alle Komponenten, die für die
Erarbeitung der vorgegebenen Lernziele erforderlich sind. Zum Aufbau und zur Auswertung funktionsfähiger
Schaltungen werden zusätzlich zwei Digital-Multimeter und Sicherheits-Laborleitungen benötigt.
Gerätesatz Grundlagen der Elektrotechnik/Elektronik, Bestell-Nr. 571780
Komponente
Bestell-Nr.
Menge
567321
1
567322
1
Bauteilesatz Elektrotechnik/Elektronik
567306
1
Satz Brückenstecker, 19 mm, grau-schwarz
571809
1
Grundlagen-Netzteil EduTrainer®
Universal-Steckfeld EduTrainer
®
Übersicht Bauteilesatz Elektrotechnik/Elektronik, Bestell-Nr. 567306
Komponente
Menge
Widerstand, 10 Ω/2 W
1
Widerstand, 22 Ω/2 W
2
Widerstand, 33 Ω/2 W
1
Widerstand, 100 Ω/2 W
2
Widerstand, 220 Ω/2 W
1
Widerstand, 330 Ω/2 W
1
Widerstand, 470 Ω/2 W
2
Widerstand, 680 Ω/2 W
1
Widerstand, 1 kΩ/2 W
3
Widerstand, 2,2 kΩ/2 W
2
Widerstand, 4,7 kΩ/2 W
2
Widerstand, 10 kΩ/2 W
3
Widerstand, 22 kΩ/2 W
3
Widerstand, 47 kΩ/2 W
2
Widerstand, 100 kΩ/2 W
2
Widerstand, 1 MΩ/2 W
1
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XIII
XIV
Komponente
Menge
Potentiometer, 1 kΩ/0,5 W
1
Potentiometer, 10 kΩ/0,5 W
1
Widerstand, temperaturabhängig (NTC), 4,7 kΩ/0,45 W
1
Widerstand, lichtabhängig (LDR), 100 V/0,2 W
1
Widerstand, spannungsabhängig (VDR), 14 V/0,05 W
1
Kondensator, 100 pF/100 V
1
Kondensator, 10 nF/100 V
2
Kondensator, 47 nF/100 V
1
Kondensator, 0,1 μF/100 V
2
Kondensator, 0,22 μF/100 V
1
Kondensator, 0,47 μF/100 V
2
Kondensator, 1,0 μF/100 V
2
Kondensator, 10 μF/250 V, gepolt
2
Kondensator, 100 μF/63 V, gepolt
1
Kondensator, 470 μF/50 V, gepolt
1
Spule, 100 mH/50 mA
1
Diode, AA118
1
Diode, 1N4007
6
Z-Diode, ZPD 3,3
1
Z-Diode, ZPD 10
1
Diac, 33 V/1 mA
1
NPN-Transistor, BC140, 40 V/1 A
2
NPN-Transistor, BC547, 50 V/100 mA
1
PNP-Transistor, BC160, 40 V/1 A
1
P-Kanal-JFET-Transistor, 2N3820, 20 V/10 mA
1
N-Kanal-JFET-Transistor, 2N3819, 25 V/50 mA
1
UNIJUNCTION-Transistor, 2N2647, 35 V/50 mA
1
P-Kanal-MOSFET-Transistor, BS250, 60 V/180 mA
1
Thyristor, TIC 106, 400 V/5 A
1
Triac, TIC206, 400 V/4 A
1
Transformatorspule, N = 200
1
Transformatorspule, N = 600
2
Transformatoreisenkern mit Halter
1
Leuchtmelder, 12 V/62 mA
1
Leuchtdiode (LED), 20 mA, blau
1
Leuchtdiode (LED), 20 mA, rot oder grün
1
Wechsler
1
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Grafische Symbole des Gerätesatzes
Komponente
Grafisches Symbol
Komponente
Widerstand
Z-Diode
Potentiometer
Diac
Widerstand,
temperaturabhängig (NTC)
NPN-Transistor
Widerstand, lichtabhängig
(LDR)
PNP-Transistor
Widerstand,
P-Kanal-JFET-Transistor
Grafisches Symbol
spannungsabhängig (VDR)
U
Kondensator
N-Kanal-JFET-Transistor
Kondensator, gepolt
UNIJUNCTION-Transistor
Spule
P-Kanal-MOSFET-Transistor
Diode
Thyristor
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XV
Komponente
XVI
Grafisches Symbol
Komponente
Triac
LED blau
Transformatorspule
LED rot oder grün
Leuchtmelder
Wechsler
Grafisches Symbol
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Zuordnung von Komponenten und Aufgaben – Grundlagen
Gleichstromtechnik
Aufgabe
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Komponente
Widerstand, 10 Ω/2 W
1
Widerstand, 22 Ω/2 W
1
Widerstand, 33 Ω/2 W
1
Widerstand, 100 Ω/2 W
1
1
Widerstand, 220 Ω/2 W
1
1
Widerstand, 330 Ω/2 W
1
1
Widerstand, 470 Ω/2 W
1
1
Widerstand, 680 Ω/2 W
1
1
Widerstand, 1 kΩ/2 W
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
3
Widerstand, 2,2 kΩ/2 W
1
Widerstand, 4,7 kΩ/2 W
1
Widerstand, 10 kΩ/2 W
1
Widerstand, 22 kΩ/2 W
1
Widerstand, 47 kΩ/2 W
1
Widerstand, 100 kΩ/2 W
1
1
Widerstand, 1 MΩ/2 W
1
1
Potentiometer, 1 kΩ/0,5 W
1
Potentiometer, 10 kΩ/0,5 W
1
Widerstand, temperaturabhängig (NTC), 4,7 kΩ/0,45 W
1
1
Widerstand, lichtabhängig (LDR), 100 V/0,2 W
1
1
Widerstand, spannungsabhängig (VDR), 14 V/0,05 W
1
1
1
1
1
1
1
Kondensator, 100 pF/100 V
1
Kondensator, 10 nF/100 V
1
Kondensator, 47 nF/100 V
1
Kondensator, 0,1 μF/100 V
1
Kondensator, 0,22 μF/100 V
1
Kondensator, 0,47 μF/100 V
1
Kondensator, 1,0 μF/100 V
1
Kondensator, 10 μF/250 V, gepolt
1
Kondensator, 100 μF/63 V, gepolt
1
Kondensator, 470 μF/50 V, gepolt
1
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XVII
Aufgabe
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Komponente
Leuchtmelder, 12 V/62 mA
1
Leuchtdiode (LED), 20 mA, blau
1
1
Wechsler
XVIII
1
Digital-Multimeter
2
Grundlagen-Netzteil EduTrainer®
1
1
1
1
1
2
2
2
2
1
1
1
1
1
1
1
1
1
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Hinweise für den Lehrer/Ausbilder
Lernziele
Das Groblernziel des vorliegenden Arbeitsbuchs ist das Analysieren und Auswerten von einfachen
Grundschaltungen mit Widerstand und Kondensator an Gleichspannung. Die Erkenntnisse werden durch
theoretische Fragestellungen, durch den praktischen Aufbau der Schaltungen und das Messen von
elektrischen Größen gewonnen. Durch diese direkte Wechselwirkung von Theorie und Praxis ist ein
schneller und nachhaltiger Lernfortschritt gewährleistet. Die Feinlernziele sind in der Matrix dokumentiert.
Konkrete Einzellernziele sind jeder Aufgabenstellung zugeordnet.
Richtzeit
Die benötigte Zeit für das Durcharbeiten der Aufgabenstellungen hängt vom Vorwissen der Lernenden ab.
Pro Aufgabe kann angesetzt werden: ca. 1 bis 1,5 Stunden.
Komponenten des Gerätesatzes
Arbeitsbuch, Aufgabensammlung und Gerätesatz sind aufeinander abgestimmt. Für alle 10 Aufgaben
benötigen Sie nur Komponenten eines Gerätesatzes TP 1011.
Normen
Im vorliegenden Arbeitsbuch werden die folgenden Normen angewendet:
EN 60617-2 bis EN 60617-8
Graphische Symbole für Schaltpläne
EN 81346-2
Industrielle Systeme, Anlagen und Ausrüstungen und Industrieprodukte;
Strukturierungsprinzipien und Referenzkennzeichnung
DIN VDE 0100-100
Errichten von Niederspannungsanlagen – Allgemeine Grundsätze,
(IEC 60364-1)
Bestimmungen, allgemeiner Merkmale, Begriffe
DIN VDE 0100-410
Errichten von Niederspannungsanlagen – Schutzmaßnahmen –
(IEC 60346-4-41)
Schutz gegen elektrischen Schlag
Kennzeichnungen im Arbeitsbuch
Lösungstexte und Ergänzungen in Grafiken oder Diagrammen sind rot dargestellt.
Ausnahme: Angaben und Auswertungen zu Strom sind immer rot dargestellt, Angaben und Auswertungen
zur Spannung sind immer blau dargestellt.
Kennzeichnungen in der Aufgabensammlung
Zu ergänzende Texte sind durch Raster oder graue Tabellenzellen gekennzeichnet.
Zu ergänzende Grafiken sind durch Raster hinterlegt.
Hinweise für den Unterricht
Hier werden zusätzliche Informationen zur didaktisch-methodischen Vorgehensweise oder zu den
Bauelementen gegeben. Diese Hinweise sind in der Aufgabensammlung nicht enthalten.
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XIX
Lösungen
Die in diesem Arbeitsbuch angegebenen Lösungen sind Ergebnisse von Testmessungen. Die Resultate Ihrer
Messungen können von diesen Daten abweichen.
Lernfelder
Für den Ausbildungsberuf Elektroniker/in ist das Ausbildungsthema „Grundlagen Gleichstromtechnik“ dem
Lernfeld 1 der Berufschule zugeordnet.
Struktur der Aufgaben
Alle 10 Aufgaben haben den gleichen methodischen Aufbau. Die Aufgaben sind gegliedert in:
• Titel
• Lernziele
• Problemstellung
• Schaltung oder Lageplan
• Arbeitsauftrag
• Arbeitshilfen
• Arbeitsblätter
Das Arbeitsbuch enthält die Lösungen zu jedem Arbeitsblatt der Aufgabensammlung.
Bezeichnung der Komponenten
Die Bezeichnung der Komponenten in den Schaltplänen erfolgt in Anlehnung an die Norm DIN EN 81346-2.
In Abhängigkeit der Komponente werden Buchstaben vergeben. Mehrere Komponenten innerhalb eines
Schaltkreises werden durchnummeriert.
Widerstände:
Kondensatoren:
Signalgeräte:
R, R1, R2, ...
C, C1, C2, …
P, P1, P2, ...
Hinweis
Werden Widerstände und Kondensatoren als physikalische Größen interpretiert, ist der Buchstabe zur
Bezeichnung kursiv dargestellt (Formelzeichen). Sind Ziffern zur Nummerierung erforderlich, werden
diese als Indizes behandelt und tiefgestellt.
XX
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Inhalte der CD-ROM
Das Arbeitsbuch ist auf der mitgelieferten CD-ROM als pdf-Datei gespeichert. Zusätzlich stellt die CD-ROM
Ihnen ergänzende Medien zur Verfügung.
Die CD-ROM enthält folgende Ordner:
• Bedienungsanleitungen
• Bilder
• Produktinformationen
Bedienungsanleitungen
Bedienungsanleitungen für verschiedene Komponenten des Trainingspakets stehen zur Verfügung. Diese
Anleitungen helfen bei Einsatz und Inbetriebnahme der Komponenten.
Bilder
Fotos und Grafiken von Komponenten und industriellen Anwendungen werden bereitgestellt. Hiermit
können eigene Aufgabenstellungen illustriert werden. Auch Projektpräsentationen können durch den
Einsatz dieser Abbildungen ergänzt werden.
Produktinformationen
Für ausgesuchte Komponenten erhalten Sie Produktinformationen des Herstellers. Die Darstellung und
Beschreibung der Komponenten in dieser Form soll zeigen, wie diese Komponenten in einem industriellen
Katalog dargestellt sind. Zusätzlich finden Sie hier ergänzende Informationen zu den Komponenten.
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XXI
XXII
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Aufgabe 1
Analysieren elektrischer Stromkreise und feststellen von Gesetzmäßigkeiten
Lernziele
Wenn Sie diese Aufgabe bearbeitet haben,
• können Sie die elektrischen Grundgrößen Spannung, Strom und Widerstand interpretieren und mit
diesen Größen Berechnungen durchführen.
• kennen Sie das Ohm'sche Gesetz und können den Zusammenhang messtechnisch ermitteln und
darstellen.
• können Sie elektrische Größen messtechnisch erfassen und bewerten.
• können Sie geeignete Messgeräte zur Durchführung von Messungen einsetzen.
Problemstellung
Sie arbeiten künftig bei der Planung und Umsetzung von Beleuchtungsanlagen mit. Sie sollen sich deshalb
mit den Gesetzmäßigkeiten einfacher Stromkreise und der zugehörigen Messtechnik vertraut machen.
Informationen für die Einarbeitung entnehmen Sie aus Fachbüchern, Tabellenbüchern und aus dem Internet.
Schaltung
+15V/0.8A
0V
100...230V /50-60Hz
-15V/0.8A
+
5V/200mA
DC HOLD MIN MAX
mVV
AC
µAA
mA
MΩ
ΩkΩ
0...25V/0.3A
DC Output
330W / 2W
0V
750920
0...20V/0.2A
DDS
Waveformgenerator
+
V
LED 20mA
0...2V/0.2A
NON
CONTACT
VOLTAGE
MIN MAX
2
20
200
HOLD
600 OFF 600
200
V
20
2
200m
200m
200µ
2m
20M
4
3
200m
20k
20k
Ω
10A
200
1.5V 9V
200µ
10A
200m
2m 20m
A
mA
L2
I2
N
2
L3
10A
A
CAT II 600V
CAT III 600V
BATT 9V
COM
L1
L3
20m
200k
BATT 1.5V
3
USB
2M
BATT
Measurement
U1
I1
U2
0
L1
750961
0V
VΩ
200mA
MAX
FUSED
L2
10A MAX
FUSED
24V AC
MAX
600V
600V
N
Laborarbeitsplatz
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1
Aufgabe 1: Analysieren elektrischer Stromkreise und feststellen von Gesetzmäßigkeiten
5.
Arbeitsaufträge
Erarbeiten Sie sich die elektrotechnischen Zusammenhänge, die sich beim Betrieb einer Lampe
ergeben. Verwenden Sie dazu die vorbereiteten Arbeitsblätter.
Informieren Sie sich über digitale und analoge Multimeter und beantworten Sie die Fragen.
Wählen Sie ein geeignetes Messgerät für Ihre Messungen von Strom, Spannung und Widerstand in
Gleichstrom-Schaltungen aus.
Informieren Sie sich, wie Sie beim Messen von Spannung, Strom und Widerstand vorgehen und
beantworten Sie die Fragen.
Nehmen Sie Messungen zum Ohm’schen Gesetz in einer einfachen elektrischen Schaltung vor.
•
•
•
•
Arbeitshilfen
Fachbücher, Tabellenbücher
Datenblätter
WBT Elektrik 1
Internet
1.
2.
3.
4.
Hinweis
Schalten Sie die elektrische Spannungsversorgung erst ein, nachdem Sie alle Anschlüsse hergestellt und
kontrolliert haben. Schalten Sie die Spannungsversorgung nach Abschluss der Aufgabe wieder aus,
bevor Sie die Komponenten abbauen.
2
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Aufgabe 1: Analysieren elektrischer Stromkreise und feststellen von Gesetzmäßigkeiten
Beschreiben der Zusammenhänge im elektrischen Stromkreis
Erarbeiten Sie die Gesetzmäßigkeiten, die beim Betrieb einer Lampe gelten. Mit diesen Informationen
können Sie einfache Schaltungen dimensionieren.
Bestandteile eines Stromkreises
– Beschreiben Sie die wesentlichen Bestandteile eines einfachen Stromkreises.
Jeder elektrische Stromkreis besteht im Wesentlichen aus
• Spannungsquelle
• Verbindungsleitungen
• Verbraucher
In der Spannungsquelle, zum Beispiel Batterie oder Steckdose, steht elektrische Energie in Form
getrennter Ladung zur Verfügung.
Die Leitung dient als Transportweg für die elektrische Energie, die als elektrischer Strom zwischen
Spannungsquelle und dem Verbraucher fließt.
Im Verbraucher wird die durch die Spannungsquelle erzeugte Energie in eine andere Energieform
umgewandelt, zum Beispiel in Wärme, Lichtenergie, Bewegung.
–
–
Vervollständigen Sie den elektrischen Stromkreis so, dass ein einfacher, geschlossener Stromkreis
entsteht.
Tragen Sie die elektrischen Größen als Pfeile mit Bezeichnung in den Stromkreis ein.
I
+
I
R
Stromkreis mit Widerstand als Verbraucher
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U
+
P
U
Stromkreis mit Lampe als Verbraucher
3
Aufgabe 1: Analysieren elektrischer Stromkreise und feststellen von Gesetzmäßigkeiten
Stromrichtung
Elektrische Spannung entsteht durch Trennen von positiven und negativen Ladungen.
• negative Ladung: Elektronenüberschuss
• positive Ladung: Elektronenmangel
–
–
Beschreiben Sie, was man unter technischer Stromrichtung und was unter physikalischer Stromrichtung
versteht.
Tragen Sie in den abgebildeten Schaltplan die technische und die physikalische Stromrichtung ein.
technische Stromrichtung
+
P
U
Elektronenbewegung
(physikalische Stromrichtung)
Stromrichtung im Stromkreis
Physikalische Stromrichtung
Die physikalische Stromrichtung beschreibt die Stromrichtung der negativen Ladungsträger
(Elektronen) in Metallen vom Minuspol zum Pluspol.
Technische Stromrichtung
Die technische Stromrichtung ist historisch bedingt und geht von einem Strom positiv angenommener
Ladungen aus. Deshalb ist als technische Stromrichtung die Richtung vom Pluspol zum Minuspol
vereinbart.
Die technische Stromrichtung wurde aus praktischen Gründen beibehalten. Deshalb wird die
Stromrichtung innerhalb einer Schaltung auch heute noch von Plus nach Minus definiert.
4
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Aufgabe 1: Analysieren elektrischer Stromkreise und feststellen von Gesetzmäßigkeiten
Elektrische Grundgrößen
– Vervollständigen Sie die Tabelle zu den elektrischen Grundgrößen. Tragen Sie eine kurze Beschreibung,
das Formelzeichen und die physikalische Einheit ein.
Elektrische Größe
Beschreibung
Formelzeichen
Maßeinheit
Elektrischer Strom
Der elektrische Strom ist ein Maß für die im Stromkreis in eine Richtung
bewegte Anzahl freier elektrischer Ladungsträger.
I
Ampere [A]
Elektrische Spannung
Die elektrische Spannung gibt den Unterschied der Ladung zwischen zwei
U
Volt [V]
R
Ohm [Ω]
Polen an. Spannungsquellen besitzen immer zwei Pole mit
unterschiedlichen Spannungen.
Elektrischer
Der elektrische Widerstand ist ein Maß für die Eigenschaft von
Widerstand
Materialien, den Stromfluss in einem Stromkreis zu behindern.
Elektrische Grundgrößen
Ohm‘sches Gesetz
– Beschreiben Sie den Zusammenhang zwischen Strom, Spannung und Widerstand. Er ist im Ohm‘schen
Gesetz formuliert.
Information
Das Ohm‘sche Gesetz gilt nur für Ohm‘sche Widerstände. Ohm‘sche Widerstände sind lineare
Widerstände.
Wird in einem einfachen Stromkreis mit einem konstanten Widerstand die angelegte Spannung
erhöht, so erhöht sich auch der in der Schaltung fließende Strom. Die Stromstärke I ist proportional
zur angelegten Spannung U, d.h.
• Wächst die Spannung U, steigt auch die Stromstärke I an.
• Sinkt die Spannung U, fällt auch die Stromstärke I ab.
U = R⋅I
bzw. Formel aufgelöst nach I oder R:
I=
U
R
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R=
U
I
5
Aufgabe 1: Analysieren elektrischer Stromkreise und feststellen von Gesetzmäßigkeiten
–
Beschreiben Sie, was einen Ohm‘schen Widerstand kennzeichnet.
Der Ohm‘sche Widerstand ist ein spezieller elektrischer Widerstand, dessen Widerstandswert
unabhängig von Spannung, Stromstärke und Frequenz ist.
–
Berechnen Sie den Widerstandswert der Lampe, wenn bei einer angelegten Spannung von 12 V ein
Strom von 0,062 A fließt.
Information
Glühlampen verhalten sich nach dem Einschaltvorgang wie Ohm‘sche Widerstände.
Gegeben
Spannung
Stromstärke
U = 12 V
I = 62 mA
Gesucht
Widerstand R in Ω
Rechnung
R=
6
U
12 V
12 V
=
=
= 193,5 Ω
I 62 mA 0 , 062 A
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Aufgabe 1: Analysieren elektrischer Stromkreise und feststellen von Gesetzmäßigkeiten
Beschreiben von Merkmalen und Symbolen von Messgeräten
Sie werden verschiedene Messungen in elektrischen Schaltungen vornehmen. Dazu müssen Sie geeignete
Messgeräte benutzen.
Für die Messung von Gleichspannung und Gleichstrom in elektrischen Schaltungen kommen in der Regel
zwei Arten von Messgeräten zum Einsatz:
• Analog-Multimeter
• Digital-Multimeter
Digital-Multimeter
Auszug aus den technischen Daten
Anzeige
LCD 3 3/4 Stellen (3999 Count) und
analoges Balkendiagramm mit 41 Segmenten
Gleichspannung
Messbereich: 400 mV; 4 V; 40 V; 400 V; 1000 V
Auflösung: 100 μV
Genauigkeit: ± (0,7 % der Anzeige + 1 Digit)
Eingangswiderstand: 10 MΩ
Wechselspannung (45 Hz – 500 Hz)
Messbereich: 400 mV; 4 V; 40 V; 400 V; 750 V
Auflösung: 100 μV
Genauigkeit: ± (1,5 % der Anzeige + 4 Digits)
Für 4 V Bereich: ± (2,0 % der Anzeige + 4 Digits)
Eingangswiderstand: 10 MΩ
Gleichstrom
Messbereich: 400 μA; 4 mA; 40 mA; 300 mA; 10 A
Auflösung: 0,1 μA
Genauigkeit: ± (1,0 % der Anzeige + 1 Digit)
Wechselstrom (45 Hz – 500 Hz)
Messbereich: 400 μA; 4 mA; 40 mA; 300 mA; 10 A
Auflösung: 0,1 μA
Genauigkeit: ± (1,5 % der Anzeige + 4 Digits).
Für 10 A Bereich: ± (2,5 % der Anzeige + 4 Digits)
Beispiel eines Digital-Multimeters
–
Beschreiben Sie, was die Angabe 3 3/4 Stellen bedeutet.
Die Anzeige des Messinstrumentes ist 4-stellig.
An den letzten 3 Stellen können die Ziffern 0 bis 9 erscheinen. An der höchstwertigen Dezimalstelle
können nur die Ziffern 0 bis 3 angezeigt werden.
Beispiel:
Im 400 V Bereich ist die größtmögliche Anzeige 399,9 V bei einer Auflösung von 0,1 V.
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7
Aufgabe 1: Analysieren elektrischer Stromkreise und feststellen von Gesetzmäßigkeiten
Analog-Multimeter
Auszug aus den technischen Daten
Messbereich Spannungsmessung:
0,1 V; 0,3 V; 1 V; 3 V; 10 V; 30 V; 100 V; 300 V 1000 V
20
50
40
30
60
70
80
90
10
0
10
15
20
dB
0
-2
-10
-5
=/~
Eingangswiderstand: 10 MΩ
0
25
5
0
10
Messbereich Strommessung:
30
-2
0
dB
2
BATT
1 μA; 3 μA; 10 μA; 30 μA; 100 μA; 300 μA; 1 mA;
3 mA; 10 mA; 30 mA, 100 mA; 1 A; 3 A; 10 A
=/~
A
V-kΩ
μA
1000
100
Genauigkeit:
1,5 =; 2,5 ~
MΩ mA
dB
μA-mA
3
.3
10
1
30
3
+60
300
30
Ω
+50
100
10
+40
30
VΩ
10
3
+30
10
30
1
1A
ON
+20
MAX
1kV
0
3
100
3A
300
10A
+10
1
0
0.3
MAX
400V
+BATT (
)
–BATT (
)
0
–10
0.1
(Ω)
OFF
–20
Beispiel eines Analog-Multimeters
–
Beschreiben Sie die Bedeutung der aufgedruckten Symbole.
Symbol
Beschreibung
Drehspulmesswerk mit Gleichrichter
Gebrauchslage horizontal
nur Wechselstrom
nur Gleichstrom
Handbuch beachten
Gefährliche elektrische Spannung
8
CAT II 1000 V
Sicherheitskennzeichnung nach EN 61010-1 bzw. IEC 61010-1:
CAT III 600 V
kennzeichnet die Überspannungskategorie und die zulässige Prüfspannung
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Aufgabe 1: Analysieren elektrischer Stromkreise und feststellen von Gesetzmäßigkeiten
Auswählen eines Messgerätes
Sie sollen Messungen in Gleichstrom-Schaltungen vornehmen. Zur Verfügung stehen Digital- und AnalogMultimeter. Für Ihre Entscheidung, welches Messgerät Sie einsetzen werden, sollte die Messgenauigkeit
ausschlaggebend sein.
Die Genauigkeit eines Multimeters gibt den maximalen Messfehler an, der unter bestimmten äußeren
Bedingungen auftreten kann.
Messfehler bei Digital-Multimeter
Bei digitalen Multimetern wird die Genauigkeit in Prozent in Bezug auf den aktuellen Messwert angegeben.
Zusätzlich muss bei digitalen Multimetern ein konstanter Fehler, der sich aus der Umwandlung von Analog
auf Digital ergibt, hinzugefügt werden. Dieser Wert betrifft die niederwertigste Ziffer.
Bei einer Messung mit dem Digital-Multimeter wird nebenstehender Wert angezeigt.
Messwert des Digital-Multimeters
–
Geben Sie den gemessenen Wert an.
Der abgelesene Messwert beträgt 23,58 V.
–
Ermitteln Sie den absoluten Messfehler für den dargestellten Messwert.
Die Genauigkeit für den eingestellten Messbereich beträgt:
± (0,7 % der Anzeige + 1 Digit)
±(
0,7
⋅ 23,58 V + 1 ⋅ 0, 01 V ) = ± 0 ,175 V
100
Der wahre Wert liegt also zwischen 23,405 V (23,58 V - 0,175 V) und 23,755 V (23,58 V + 0,175 V).
–
Ermitteln Sie den relativen Messfehler.
0 ,175 V
⋅ 100 = 0 , 74 %
23,58 V
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9
Aufgabe 1: Analysieren elektrischer Stromkreise und feststellen von Gesetzmäßigkeiten
Messfehler bei Analog-Multimeter
Bei analogen Multimetern sind die Genauigkeiten immer auf den Messbereichsendwert bezogen.
Die Multimeter werden in Genauigkeitsklassen eingeteilt. Das bedeutet, unabhängig vom abgelesenen
Messwert muss immer der gleiche Fehler hinzugefügt werden. Deshalb verringert sich der prozentuale
Fehler, je näher der Messwert dem Messbereichsende kommt. Bei analogen Multimetern sollte deshalb
immer im oberen Drittel der Skala gemessen werden.
Beispiel für eine Genauigkeitsklasse
Genauigkeitsklasse 2,5 bedeutet, der Fehler beträgt in einem Messbereich ± 2,5 %, bezogen auf den
Messbereichsendwert.
Ist der Messbereichsendwert zum Beispiel 70, beträgt der maximale Fehler ±2,5 % von 70, das sind: ±3,571.
Bei einer Messung mit dem Analog-Multimeter wird nebenstehender Wert angezeigt. Als Messbereich sind
30 V eingestellt.
50
40
30
20
60
70
80
90
10
0
10
15
20
5
0
dB
0
-2
-10
-5
-2
10
0
25
30
0
BATT
2
dB
Messwert des Analog-Multimeters
–
Geben Sie den gemessenen Wert an.
Der abgelesene Messwert beträgt 23,5 V.
–
Ermitteln Sie den absoluten Messfehler.
Die Genauigkeitsklasse des eingesetzten Analog-Multimeters für diesen Messbereich beträgt 1,5.
±(
1,5
⋅ 30 V ) = ± 0, 45 V
100
Der wahre Wert liegt also zwischen 23,05 V (23,5 V - 0,45 V) und 23,95 V (23,5 V + 0,45 V).
10
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Aufgabe 1: Analysieren elektrischer Stromkreise und feststellen von Gesetzmäßigkeiten
–
Ermitteln Sie den relativen Messfehler.
0, 45 V
⋅ 100 = 1,91 %
23,5 V
Auswahl eines Messgerätes
– Wählen Sie nun ein Messgerät für Messungen im Gleichstromkreis aus und begründen Sie die Wahl.
Für die Messungen im Gleichstromkreis wird das Digital-Multimeter eingesetzt.
Die Vorteile eines Digital-Multimeters sind:
• höhere Genauigkeit und Auflösung
• Ablesefehler unwahrscheinlich
• robuster
Messen von Stromstärke, Spannung und Widerstand
Der Einsatz eines Messinstrumentes führt immer zu einer Veränderung von Messwerten in einer
bestehenden Schaltung. Es ist deshalb wichtig, die möglichen Einflüsse zu kennen und abschätzen zu
können.
Strommessung
• Bei der Strommessung schließen Sie das Messgerät immer in Reihe zum Verbraucher an.
Der Verbraucherstrom fließt vollständig durch das Messgerät.
• Der Innenwiderstand des Messgerätes sollte möglichst niederohmig sein, um die zu messende
Schaltung möglichst wenig zu beeinflussen.
A
U
P
Strommessung
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11
Aufgabe 1: Analysieren elektrischer Stromkreise und feststellen von Gesetzmäßigkeiten
–
Beschreiben Sie, wie sich der Innenwiderstand des Messgerätes auf den Messvorgang auswirkt.
Jedes Strommessgerät (Amperemeter) besitzt einen Innenwiderstand. Dieser zusätzliche Widerstand
verringert den Stromfluss. Um den Messfehler möglichst klein zu halten, darf ein Strommessgerät nur
einen sehr kleinen Innenwiderstand aufweisen.
Spannungsmessung
• Bei der Spannungsmessung schließen Sie das Messgerät immer parallel zum Verbraucher an.
Der Spannungsabfall über dem Verbraucher entspricht dem Spannungsabfall über dem Messgerät.
• Der Innenwiderstand des Messgerätes sollte möglichst hochohmig sein, um die zu messende Schaltung
möglichst wenig zu beeinflussen.
U
V
P
Spannungsmessung
–
Beschreiben Sie, wie sich der Innenwiderstand des Messgerätes auf den Messvorgang auswirkt.
Jedes Spannungsmessgerät (Voltmeter) besitzt einen Innenwiderstand. Um das Messergebnis
möglichst wenig zu verfälschen, darf durch das Messgerät nur ein sehr kleiner Strom fließen. Das
bedeutet: der Innenwiderstand des Voltmeters muss möglichst groß sein.
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Aufgabe 1: Analysieren elektrischer Stromkreise und feststellen von Gesetzmäßigkeiten
Widerstandsmessung
Der Widerstand eines Verbrauchers im Gleichstromkreis kann entweder direkt oder indirekt gemessen
werden.
Indirekte Messung
• Bei der indirekten Messung messen Sie den Strom durch den Verbraucher und den Spannungsabfall
über dem Verbraucher.
• Beide Messungen können Sie entweder nacheinander oder gleichzeitig durchführen.
• Anschließend berechnen Sie den Widerstand nach dem Ohm‘schen Gesetz.
I
A
U
V
P
Indirekte Widerstandsmessung
Direkte Messung
• Trennen Sie den Verbraucher vom restlichen Stromkreis.
• Der Verbraucher darf während der Messung nicht an eine Spannungsquelle angeschlossen sein.
• Stellen Sie am Messgerät die Betriebsart und den Messbereich ein.
• Schließen Sie den Verbraucher an das Messgerät an und lesen Sie den Widerstandswert ab.
Ω
P
Direkte Widerstandsmessung
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13
Aufgabe 1: Analysieren elektrischer Stromkreise und feststellen von Gesetzmäßigkeiten
–
Begründen Sie, weshalb der Verbraucher bei der direkten Widerstandsmessung an keine
Spannungsquelle angeschlossen sein darf.
Bei der direkten Widerstandsmessung darf der Verbraucher an keiner Spannungsquelle
angeschlossen sein, weil das Messgerät den Widerstandswert über eine intern vorgegebene
Spannung oder einen intern vorgegebenen Strom ermittelt.
Vorgehensweise beim Messen im elektrischen Stromkreis
• Schalten Sie die Versorgungsspannung des Stromkreises ab.
• Stellen Sie die gewünschte Betriebsart wie Strom- oder Spannungsmessung am Multimeter ein.
• Kontrollieren Sie bei Zeigerinstrumenten den Nullpunkt und gleichen Sie ihn, falls erforderlich, ab.
• Wählen Sie den größten Messbereich, damit der Ausschlag des Zeigers beim analogen Messgerät nicht
über die Skala hinausgeht.
• Schließen Sie beim Messen von Gleichspannung und Gleichstrom das Messgerät richtig gepolt an.
• Schalten Sie die Spannungsversorgung des Stromkreises ein.
• Beobachten Sie den Zeigerausschlag bzw. die Anzeige und schalten Sie schrittweise in einen kleineren
Messbereich um.
• Lesen Sie die Anzeige bei größtmöglichem Zeigerausschlag (kleinstmöglichem Messbereich) ab.
• Schauen Sie bei Zeigerinstrumenten stets senkrecht auf die Anzeige, um Ablesefehler zu vermeiden.
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Aufgabe 1: Analysieren elektrischer Stromkreise und feststellen von Gesetzmäßigkeiten
Messungen zum Ohm‘schen Gesetz
Beweisen Sie die Zusammenhänge des Ohm‘schen Gesetzes durch geeignete Laborversuche. Dazu nehmen
Sie die Kennlinien I = f(U) bei konstantem Widerstand und I = f(R) bei konstanter Spannung auf.
U-I-Kennlinie eines Ohm‘schen Widerstandes
– Wählen Sie einen Widerstand R = 330 Ω aus.
– Überprüfen Sie den ausgewählten Widerstand R mit einer direkten Widerstandsmessung im
spannungsfreien Zustand.
– Bauen Sie die Schaltung mit dem Widerstand R auf.
I
A
U = 0 – 10 V
R
U
V
Messschaltung mit R = 330 Ω
Kennzeichnung
Benennung
Werte
R
Widerstand
330 Ω/2 W
–
Digital-Multimeter
–
–
Grundlagen-Netzteil EduTrainer®
–
Geräteliste
–
Verändern Sie die Spannung von U = 0 V bis U = 10 V in 2 V-Schritten und messen Sie jeweils die
Stromstärke I.
Tragen Sie die Messergebnisse in das Messprotokoll ein.
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15
Aufgabe 1: Analysieren elektrischer Stromkreise und feststellen von Gesetzmäßigkeiten
Spannung U (V)
Strom I (mA)
0
0
2
5,9
4
11,65
6
17,6
8
23,45
10
29,33
Messprotokoll: I= f(U), R = 330 Ω
Stellen Sie die Messergebnisse grafisch dar. Übertragen Sie dazu die Werte aus dem Messprotokoll in
das Diagramm.
Strom I
–
40
mA
20
10
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
V
10
Spannung U
U-I-Kennlinie, R = 330 Ω
–
Beschreiben Sie die Abhängigkeit des Stromes I von der Spannung U bei konstantem Widerstand R.
Die U-I-Kennlinie bildet eine Gerade. Das bedeutet:
Wenn die Spannung erhöht wird, so erhöht sich die Stromstärke in gleichem Maße. Der Strom verhält
sich proportional zur Spannung.
I ~U
16
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Aufgabe 1: Analysieren elektrischer Stromkreise und feststellen von Gesetzmäßigkeiten
R-I-Kennlinie eines Ohm‘schen Widerstandes
Nehmen Sie nun die Kennlinie I = f(R) bei konstanter Spannung auf.
–
Bauen Sie die Schaltung auf.
I
A
U = 10 V
R
U
V
Messschaltung mit unterschiedlichen Widerständen
Kennzeichnung
Benennung
Werte
R
Widerstand
100 Ω/2 W
R
Widerstand
220 Ω/2 W
R
Widerstand
330 Ω/2 W
R
Widerstand
470 Ω/2 W
R
Widerstand
680 Ω/2 W
R
Widerstand
1 kΩ/2 W
–
Digital-Multimeter
–
–
Grundlagen-Netzteil EduTrainer®
–
Geräteliste
–
–
–
Legen Sie an die Schaltung eine konstante Spannung von U = 10 V an.
Schalten Sie 6 bis 8 verschiedene Widerstände zwischen 100 Ω und 1 kΩ in den Stromkreis und
messen Sie jeweils die Stromstärke I.
Tragen Sie die Messergebnisse in das Messprotokoll ein.
Tragen Sie die verwendeten Widerstände in die Geräteliste ein.
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Aufgabe 1: Analysieren elektrischer Stromkreise und feststellen von Gesetzmäßigkeiten
Widerstand R (Ω)
Strom I (mA)
100
97,3
220
45,0
330
30,2
470
21,1
680
14,5
1000
9,9
Messprotokoll: I = f(R), U = 10 V
–
Stellen Sie die Messergebnisse grafisch dar. Übertragen Sie dazu die Werte aus dem Messprotokoll in
das Diagramm.
Strom I
100
mA
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Ω
1000
Widerstand R
R-I-Kennlinie, U = 10 V
18
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Aufgabe 1: Analysieren elektrischer Stromkreise und feststellen von Gesetzmäßigkeiten
–
Beschreiben Sie die Abhängigkeit der Stromstärke I vom Widerstand R bei konstanter Spannung U.
Bei steigendem Widerstand wird der Strom kleiner. Der Strom verhält sich umgekehrt proportional
zum Widerstand.
I~
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R
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Aufgabe 1: Analysieren elektrischer Stromkreise und feststellen von Gesetzmäßigkeiten
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