Puffertankregelung - Technikinitiative NwT

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Puffertankregelung
Thema: Verfahrenstechnik, Elektronik
1. Einleitung:
Info:
Automatische Steuerungen und Regelungen begegnen uns überall. Drückt man beispielsweise an der Spülmaschine den Startknopf, dann laufen verschiedene
Programmschritte wie heizen, waschen, klarspülen oder trocknen automatisch ab.
Woher weiß die Spülmaschine wann die richtige Temperatur erreicht ist oder wann
der Waschvorgang beendet werden soll? Solche Dinge können über eine automatisch
ablaufende Steuerung beeinflusst werden.
Automatische Steuerungen sind ebenfalls elementar für die industrielle Produktion.
Ein Knopfdruck reicht, und schon laufen Programme automatisch ab. So kann z.B. ein
Tank automatisch bis zu einer bestimmten Höhe befüllt oder eine Lösung einer bestimmten Konzentration automatisch hergestellt werden. Auch komplexe
Gesamtprozesse können automatisiert werden.
2. Grundlagen:
Mit Hilfe einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) können Maschinen oder
Anlagen über Programme automatisch gesteuert und geregelt werden.
In diesem Versuch soll eine solche Ansteuerung über einen Mikrocontroller realisiert
werden. Als Beispiel soll eine 2-Punkt-Puffertankregelung aufgebaut werden.
In verfahrenstechnischen Prozessen werden zwischen verschiedenen Prozessschritten häufig sogenannte Puffertanks eingesetzt. Diese haben die Aufgabe sicherzustellen, dass für den nächsten Prozessschritt immer genug Produkt zur Verfügung steht.
Messen:
Quantitative Bestimmung einer Größe durch
Vergleich.
Steuern:
Gezielt einen Sollzustand
einstellen (z.B. das
Einschalten einer
Heizung ohne Beachtung
der erreichten
Temperatur).
Regeln:
Der Sollzustand wird
eingestellt und permanent abgefragt und angepasst. Z.B. wird die
einem Heizofen
zugeführte elektrische
Energie so verändert,
dass sich eine konstante
Temperatur einstellt.
In der laufenden Produktion sollten solche Puffertanks nie ganz leer werden. Der
Füllstand bewegt sich in der Regel zwischen einem „Low Level“ und einem „High Level“.
Abb. 1: Schema 2-Punkt-Puffertankregelung
In diesem Beispiel soll die Pumpe über den Mikrocontroller so angesteuert werden,
dass das Gefäß bis zum High Level befüllt wird. Dann schaltet die Pumpe aus und
geht erst wieder an, wenn der Low Level erreicht ist.
.
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Puffertankregelung
A. Verwendete Bauteile:
Widerstände:
Ein Widerstand ist ein Bauelement, das den elektrischen Widerstand in einer Leitung
erhöht.
Widerstand
Dioden:
Eine Diode ist ein Bauelement, das den elektrischen Strom nur in eine Richtung fließen
lässt.
Transistor:
Diode
Ein Transistor ist ein Halbleiterelement zum Schalten und Verstärken von elektrischen
Störmen.
In dieser Schaltung wird der Transistor BD 677 (npn) eingesetzt.
E: Emitter
C: Kollektor
Transistor
B: Basis
Abb. 2: Verwendeter Transistor
Kondensator:
Ein Kondensator besteht aus 2 Metallplatten oder -folien und einer Isolierschicht.
Schließt man den Kondensator an eine Stromquelle, so fließt kurzzeitig ein Strom.
Die Platten werden dabei unterschiedlich geladen.
Zwischen den Platten befindet sich ein elektrisches
Feld. Wie viel Ladung der Kondensator aufnehmen
kann, ist abhängig vom Kondensator selbst und wird als
Kapazität (C) eines Kondensators bezeichnet. Die
Einheit wird in F (Farad) angegeben. Baut man in den
Stromkreis ein entsprechendes Bauteil (z.B. eine
Glühlampe) ein, kann sich der Kondensator entladen
Abb. 3
Prinzip Kondensator
und das Bauteil nutzt die gespeicherte Energie. Ein
Kondensator kann also Energie speichern.
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Kondensator
Info:
d.h. dieser Kondensator
kann bei einer
angelegten Spannung
von U = 1 V die Ladung
Q = 1 As speichern.
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Pumpe
Für diesen Versuch soll eine Mini-Kreiselpumpe eingesetzt werden.
Abb. 4: Kreiselpumpe
In der Kreiselpumpe befindet sich ein Laufrad, welches sich sehr schnell dreht.
Wird der Pumpe nun eine Flüssigkeit zugeführt (A), so wird diese im Laufrad
ebenfalls in eine schnelle Rotationsbewegung versetzt. Durch die Zentrifugalkräfte
wird die Flüssigkeit nach außen gedrückt (B), am äußeren Rand gesammelt und in
ein Rohr geführt (C). Dabei fließt die Flüssigkeit vom Ansaugstutzen (A) zum
Druckstutzen (C).
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Erläuterung der Schaltung:
B. Pumpenansteuerung:
Für die Puffertankregelung soll eine Minikreiselpumpe mit folgenden Kenndaten
eingesetzt werden:
Betriebsspannung:
12 V
Stromstärke:
600 mA
Max. Förderhöhe:
2,5 m
Fördermenge:
6 l/min
Der verwendete Mikrocontroller kann auf seinen Ausgängen jedoch nur 5 Volt und
maximal 20 mA liefern.
Info:
Wie kann man nun vom Mikrocontroller aus die Pumpe ansteuern, die ja eine
deutlich höhere Spannung und Stromstärke benötigt, als sie vom Mikrocontroller
geliefert wird?
So eine Transistorverstärkerschaltung wird
bei sehr vielen elektronischen Schaltungen
angewendet.
Dieses Problem kann mit Hilfe eines Transistorverstärkers gelöst werden. Dabei
kann mit einem geringen Basisstrom IB ein deutlich größerer Kollektorstrom IC
steuert werden.
Beachte:
Näherungsweise gilt:
Du benötigst hier zwei
Stromquellen. Einmal für
den Stromkreis über die
Basis und den Emitter
(rot gezeichnet) und
einmal für den
Stromkreis über den
Kollektor und den Emitter (blau gezeichnet).
B: Stromverstärkung
IC: Kollektorstromstärke
IB: Basisstromstärke
Bei dem verwendeten Transistor BD 677 handelt es sich um ein sogenanntes
Darlingtontransistormodul mit einer sehr hohen Stromverstärkung von B = 750.
Mit Hilfe des Basisvorwiderstandes RB wird später ein bestimmter Basisstrom IB
eingestellt (siehe nächste Seite).
Abb. 5: Transistorverstärkerschaltung
Aufgabe 1
Wie viel Strom kann am Kollektor des Transistors BD 677 fließen, wenn ein Basisstrom von 20 mA bzw. von 1 mA fließt?
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Statt mit B wird die
Stromverstärkung häufig
auch mit hFE bezeichnet.
Info:
Ein Darlingtontransistor
besteht in seinem Inneren aus zwei hintereinandergeschalteten
Transistoren. Dadurch
ergibt sich eine besonders hohe Stromverstärkung
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Für die Ansteuerung der Pumpe wird die Schaltung noch folgendermaßen erweitert:
Abb. 6: Schaltung zur Ansteuerung der Pumpe über den Mikrocontroller
Basiswiderstand RB:
Berechnung des Widerstandes RB:
Um den Mikrocontroller zu schonen, soll er nur eine geringe Stromstärke von 1 mA
liefern müssen. Wie groß muss dann der Basiswiderstand RB sein?
Bei Reihenschaltungen addieren sich die Spannungen:
Somit gilt:
Ue = URB + UBE
Gesucht ist aber RB
Grundwissen:
Bei der Reihenschaltung
von Widerständen
addieren sich deren
Spannungen:
UGes = U1 + U2 + U3 +….
Widerstand:
Mit U = R * I kann die Gleichung wie folgt umgestellt werden:
URB = RB * IB
Richtgrößen:
 Ue = IB * RB + UBE
Aufgabe 2
Berechne den erforderlichen Basiswiderstand RB für eine Stromstärke IB von 1 mA.
Bei dem verwendeten Transistor BD 677 handelt es sich um einen
Darlingtontransistor.
Spannung UBE bei:
Dioden:
ca. 0,7 V
Normalen
Transistoren:
ca. 0,7 V
Darlingtontransistoren:
ca. 1,4 V
Um etwas Puffer zu haben, werden die Transistoren übersteuert, z.B. durch doppelt
so viel Basisstrom wie eigentlich erforderlich. D.h. du benötigst einen Widerstand,
der nur halb so groß ist, wie oben berechnet.
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Diode:
Bei der eingesetzten Diode handelt es sich um eine sogenannte Freilaufdiode. Sie
dient zum Schutz vor Überspannung beim Abschalten einer induktiven
Gleichspannungslast. (z.B. Elektromotor der Pumpe).
Schutz der Transistoren vor der Induzierten Spannung durch den Motor beim
Abschalten.
Ändert sich bei einer stromdurchflossenen Spule die
Stromstärke, so ändert sich dadurch das Magnetfeld. Die Änderung des Magnetfelds führt bei
einer Spule zu einer Änderung der Spannung. Wird
ein Elektromotor ausgeschaltet, so bleiben die
Elektronen nicht abrupt stehen, sondern bewegen
sich noch etwas, werden aber langsamer.
Bedingt durch diese Änderung im Elektronenfluss
wird eine Änderung des Magnetfeldes erzeugt.
Aufgrund des Induktionsgesetzte kann es kurzfristig
zu sehr hohen negativen Spannungsspitzen an den
Motorspulen kommen, die einen elektrischen
Transistorschalter sofort zerstören würden.
Abb. 7:
Schaltung mit elektrischer
Spule und Freilaufdiode
Auftretende Induktionsspannung beim Ausschalten des Motors
Die Freilaufdiode (Abb. 6) ermöglicht es, dass der
Strom IL durch die Spule auch nach Öffnen des
Schalters S in der ursprünglichen Richtung weiter
Abb. 8
Pumpe mit Freilaufdiode
durch die Spule und zurück durch die Diode fließen
kann, bis alle magnetische Energie abgebaut ist.
Die negative Spannung an der Spule wird dadurch auf die
Diodendurchlassspannung von etwa 0,7 V begrenzt.
Kondensator:
Der Kondensator verhindert hochfrequente Funkstörungen durch die elektrischen
Funken an mechanisch kommutierten Gleichstrommotoren.
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C. Füllstandsmessung
Die Steuerung soll dafür sorgen, dass die Pumpe ausgeht, wenn der Tank voll ist.
Wie kann die Steuerung jedoch erkennen, dass der Tank voll ist?
Zur Füllstandsmessung gibt es verschiedenen Möglichkeiten. In diesem Fall wird der
Effekt ausgenutzt, dass ein geöffneter Stromkreis auch über eine leitfähige
Flüssigkeit geschlossen werden kann (s. Abbildung).
Edelstahlstifte an
Schaltdraht gelötet
Abb. 9: Prinzip Füllstandsmessung
Aufgabe 3:
a) Warum müssen die Stifte aus Edelstahl sein?
b) Was passiert, wenn an die beiden Edelstahlstifte (Elektroden) Gleichspannung
angelegt wird und die Elektroden in Wasser getaucht werden?
Den Effekt den Ihr in Aufgabe 3 beobachten könnt, nennt man Elektrodenpolarisation. Man kann ihn vermeiden, indem man an die beiden Elektroden Wechselspannung statt Gleichspannung anlegt.
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Edelstahlstifte in
Styropor ausgerichtet
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Erzeugung von Wechselspannung:
Für die Schaltung zur Füllstandsmessung ist es besser, Wechselstrom zu verwenden.
Der Mikrocontroller liefert jedoch nur Gleichspannung. Durch eine entsprechende
Schaltung, kann eine Wechselspannung erzeugt werden.
Hierfür wird ein Kondensator zu Hilfe genommen, der vom Mikrocontroller aus mit
pulsierendem Gleichstrom beladen wird.
Abb. 10: Schaltkreis mit Kondensator, Leitfähigkeitsmesszelle und Widerstand, der vom Mikrocontroller
aus mit Strom versorgt wird. Die Schalter S1 und S2 befinden sich im Mikrocontroller und sind
bei der pulsierenden Stromversorgung von Bedeutung
Wird vom Mikrocontroller aus Strom auf den Schaltkreis gegeben, so ist der
Schalter S1 geschlossen, S2 geöffnet.
 Ausgang (Output) logisch 1
Ist S1 geöffnet und S2 geschlossen, liegt am Schaltkreis keine Spannung an.
 Ausgang (Outoput) logisch 0
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1.
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Ausgang logisch 1
S1 wird zum Zeitpunkt 1 geschlossen, S2 ist geöffnet
Der Kondensator wird aufgeladen. Im gesamten Stromkreis fließt überall der
gleiche Strom I. Dessen Zeitverlauf ist exponentiell.
Abb. 11: Wird der Kondensator beladen, so fließt am Anfang viel Strom, mit zunehmender Beladung des
Kondensators wird dieser Stromfluss immer geringer und nähert sich der 0.
2. Ausgang logisch 0
S1 wird zum Zeitpunkt t2 geöffnet und S2 wird geschlossen
Der Kondensator wird über die Messzelle und R1 entladen. Der Strom fließt
entgegengesetzt zum Aufladestrom  er ist negativ.
Abb. 12: Beim Entladen des Kondensators fließt zu Beginn ein großer Strom (Imin), mit zunehmender
Entladung des Kondensators nimmt der Stromfluss ab und nähert sich der 0
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Schaltet man den Ausgang periodisch auf 1 und 0 ergibt sich folgender Stromverlauf.
Hier fließt schon
Wechselstrom, auch
wenn dieser nicht wie
gewohnt sinusförmig
verläuft.
Abb. 13: Stromverlauf bei periodischer Aufgabe von Strom auf den Kondensator
Der Strom wechselt also periodisch das Vorzeichen. Es ist ein Wechselstrom mit
exponentiellem Zeitverlauf.
Am Widerstand R1 ruft der Strom entsprechend dem ohmschen Gesetz eine zeitlich
gleich verlaufende Spannung hervor.
UR1 = R1 * I
Abb. 14: Spannungsverlauf bei periodischer Aufgabe von Strom auf den Kondensator
Die maximale Höhe der Spannung UR1max hängt davon ab, wie groß der Widerstand
der Leitfähigkeistmesszelle ist. Genau genommen bilden die beiden Widerstände
einen Spannungsteiler.
Ist der Flüssigkeitsstand niedrig, ist der Widerstand der Leitfähigkeistmesszelle sehr
groß mit einigen MΩ.
Die Spannung URmax beträgt nur einige mV.
Ist der Flüssigkeitsstand hoch, ist der Widerstand der Leitfähigkeistmesszelle sehr
niederohmig mit einigen 100 Ω. Die Spannung URmax ist dann fast so groß wie die
Versorgungsspannung des Mikrocontrollers, also etwa 5 V.
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Auf diesem Spannungswert wird über die Diode D1 der Kondensator C2 aufgeladen.
Das dauert einige Perioden. Die Kondensatorspannung wird über den
Analogeingang des Mikrocontrollers gemessen.
Wenn der Flüssigkeitsstand wieder absinkt, und die Leitfähigkeitsmesszelle wieder
hochohmig wird, muss der Kondensator C2 entladen werden. Das geschieht dann
über den Widerstand R2.
Kompletter Schaltkreis zur Messung eines Füllstandslevels:
Um zu messen, ob sich zwischen zwei Elektroden Flüssigkeit befindet, wird folgende
Schaltung verwendet:
Abb. 15: Schaltung zur Messung eines Füllstandslevels
Kondensator C1
Der Kondensator C1 dient dazu, aus dem pulsierenden Gleichstrom eine Wechselspannung zu erzeugen. Das Pulsieren des Stromes wird vom Programm erzeugt.
Widerstand R1:
Die in der Schaltung eingebaute Diode lässt nur die positiven Halbwellen der Wechselspannung durch. Der Widerstand R1 stellt eine definierte Verbindung zur Masse
(sowohl für die positiven wie auch die negativen Halbwellen) dar.
Diode und Kondensator C2:
Der Mikrocontroller liefert Gleichstrom. Mittels der Pulsgebung über das Programm
und den in der Schaltung eingebauten Kondensator wird daraus Wechselspannung
erzeugt. Vor der Rückführung in den Mikrocontroller (Input) sollte wieder Gleichspannung vorliegen. Die Diode lässt nur die positiven Halbwellen durch. Durch den
nachgeschalteten Kondensator werden die positiven Halbwellen geklättet.
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Widerstand R2:
Der Widerstand R2 dient dazu, den Kondensator zu entladen, wenn der Stromkreis
nicht geschlossen ist. Über die Größe dieses Widerstandes kann die
Geschwindigkeit eingestellt werden, mit dem der Kondensator entladen wird.
Aufgabe 4:
Wann ist das Signal des Inputs „0“, wann ist es „1“?
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Puffertankregelung
3. Versuchsdurchführung
Teilversuch 1:
Ansteuerung eine Mini-Kreiselpumpe über den Mikrocontroller
Material:











1 Minikreiselpumpe, Förderhöhe 2,5 m, Fördermenge 6 l/min
(12 V, 600 mA)
1 Transistor BD677
1 Diode 1N4001
1 Kondensator 0,1µF
1 Widerstand 5,6 kΩ
1 Blockbatterie 4,5 V
1 Stromquelle (12 V, 600 mA)
1 Steckbrett (evtl. 1 Mikroprozessor Laborkarte)
1 Mikrocontroller (Basic stamp project board)
Evtl. 1 Kabel USB (Anschluss Mikrocontroller an Rechner)
1 Computer inkl. Software Parallax
Aufgabenstellung:
Schalte die Pumpe über den Mikrocontroller ein und aus.
Versuchsdurchführung / Aufgaben:




Baue eine Transistorverstärkerschaltung wie unter Grundlagen beschrieben
auf.
Überprüfe die Schaltung zuerst mit der Blockbatterie als Stromquelle des
Basisstromkreises.
Schließe die Schaltung dann an den Mikrocontroller an und schalte die
Pumpe über die Software an und aus.
Wenn die Schaltung funktioniert, kannst Du sie auf die Mikroprozessor
Laborkarte löten.
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Achtung:
Kreiselpumpen sollten nie
leer laufen. Stelle sicher,
dass sie mit Wasser gefüllt
ist bevor sie eingeschalten
wird und baue den
Versuch so auf, dass die
Pumpe nicht leer läuft.
Beachte auch die Polung
der elektrischen
Anschlüsse.
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Puffertankregelung
Teilversuch 2:
Messung des Füllstandlevels
Material:








1 Kondensator 3,3 µF
1 Kondensator 1,0 µF
1 Diode 1N4001
1 Widerstand 12 kΩ
1 Widerstand 470 kΩ
1 Microcontroller (Basic stamp project board)
Evtl. 1 Kabel USB (Anschluss Mikrocontroller an Rechner)
1 Computer inkl. Software Parallax
Achtung:
An dieser Stelle keine
Elektrolytkondensatoren
einsetzen.
Aufgabenstellung:
Baue eine Schaltung auf, mit der der Mikrocontroller erkennen kann, ob zwischen zwei
Elektroden Flüssigkeit vorhanden ist.
Versuchsdurchführung und Aufgaben:




Überlege, wie du einen gepulsten Gleichstrom mit Hilfe eines Programmes erzeugen
kannst. Die Frequenz sollte ca. 50 Hz betragen.
Was definierst Du am Mikrocontroller als Input, was als Output?
Baue die Schaltung wie unter Grundlagen beschrieben auf.
Kontrolliere über das Programm, ob du für die Füllstandsmessung jeweils das
richtige Eingangssignal am Mikrocontroller erhältst.
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Puffertankregelung
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Teilversuch 3:
2-Punkt-Puffertankregelung:
Material:
Aus Teilversuchen 1 und 2
Aufgabenstellung:
Abb. 16: Der Füllstand in einem Puffertank sollte sich zwischen einem „High Level“ und einen „Low
Level“ bewegen.
Realisiere eine Steuerung, bei der der Tank bis zum „High Level“ gefüllt wird. Dann
schaltet die Pumpe aus. Bei Erreichen des „Low Level“ Füllstands soll die Pumpe
wieder solange angehen, bis der „High Level“ Füllstand erreicht ist.
Versuchsdurchführung und Aufgaben:



4.
Wie kannst du die Schaltung zur Messung des Flüssigkeitslevels so ändern,
dass Du zwei verschiedene Level (Low und High) erfassen kannst?
Baue die entsprechende Schaltung auf.
Programmiere die Ansteuerung.
Weiterführende Literatur
Verschiedene Physik- und Elektronikbücher
Kügele, R.; Wegenast, J.: Einführung in Mikrocontroller.
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Einfluss der Temperatur auf die Aktivität von Mikroorganismen
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5. Kurzbeschreibung
In diesem Versuch soll im Rahmen der Unterrichtseinheit Verfahrenstechnik eine
Puffertankregelung realisiert werden. Hierzu sollte der Schüler schon mit dem
Mikrocontroller etwas vertraut sein.
Zum Einsatz kommt die Mikrocontrollerplatine BS1 Project Board eingesetzt. Hierzu
existiert ein Einführungsheft für Schülerinnen und Schüler: Kügele, R., Wegenast, J.;
Einführung in Mikrocontroller, Druck und Verteilung: www.elmicro.com
Bei der im Versuch enthaltenen Transistorverstärkerschaltung handelt es sich um
eine elementare elektronische Grundschaltung, wie sie auch in zahlreichen anderen
Grundschaltungen zum Einsatz kommt.
6. Lernziel
Diese Versuchsausarbeitung ist besonders dafür geeignet, die Fragestellung als
Projektarbeit zu vergeben. Die Versuchsausarbeitung an sich kann dann als Information für den Lehrer dienen oder auch teilweise an den Schüler weitergegeben
werden.
Insgesamt handelt es sich um eine komplexe Aufgabenstellung bei der der Schüler
vom Versuchsaufbau mit der Pumpe, über die elektrische Schaltung bis zur Programmierung Lösungen erarbeiten muss.
7. Versuchsdauer
Idealerweise als Projektaufgabe über einen längeren Zeitraum
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Einfluss der Temperatur auf die Aktivität von Mikroorganismen
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8. Beispiellösungen
Aufgabe 1
Wie viel Strom kann am Kollektor des Transistors BD 677 fließen, wenn ein Basisstrom von 20 mA bzw. von 1 mA anliegt?
B = IC / IB

IC = B x IB
BBD677 = 750
IC = 750 x 20 mA = 15 A
bzw.
IC = 750 x 1 mA = 750 mA
Aufgabe 2
Berechne den erforderlichen Basiswiderstand RB für eine Stromstärke IB
von 1 mA. Bei dem verwendeten Transistor BD 677 handelt es sich um einen Leistungstransistor.
Ue = IR * RB + UBE

RB = (Ue – UBE) / IR
RB = (5 V – 1,4 V) / 1 mA
RB = 3,6 V / 1 mA = 3.600 Ω
Nach der Berechnung des theoetischen Widerstandes, wurden verschiedene
Widerstände zwischen 1 kΩ un 10 kΩ mit der Schaltung getestet und schließlich
ein Widerstand von 5,6 kΩ ausgewählt.
Aufgabe 3:
a) Warum müssen die Stifte aus Edelstahl sein?
Bei Metallen spielen Redoxreaktionen eine wichtige Rolle. Werden zwei Metallstifte in eine Flüssigkeit getaucht und an eine Stromquelle angeschlossen, findet eine Elektrolyse statt. Bei der Elektrolyse finden an der Anode Oxidationsprozesse und an der Kathode Reduktionsprozesse statt. Bei unedlen Metallen
können hier zahlreiche Reaktionen stattfinden, die tw. auch technisch genutzt
werden (z.B. Galvanisierung). Hier dient der Versuchsaufbau jedoch zur
Füllstandsmessung. Um eine stabile Messung zu gewährleisten, sollen nach
Möglichkeit keine chemischen Reaktionen stattfinden. Aus diesem Grund werden Edelstahlelektroden eingesetzt.
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Einfluss der Temperatur auf die Aktivität von Mikroorganismen
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b) Was passiert, wenn an die beiden Edelstahlstifte (Elektroden) Gleichstrom
angelegt wird und die Elektroden in Wasser getaucht werden?
Es findet u.U. eine Elektrolyse des Wassers statt, d.h. aus Wasser wird
Wasserstoff und Sauerstoff gebildet. Auch an den Elektroden lagern sich Ionen
an. Das ist für eine Messung ungünstig. Aus diesem Grund ist es besser, an
dieser Stelle Wechselstrom zu verwenden.
Aufgabe 4:
Wann ist das Signal des Inputs „0“, wann ist es „1“?
Wenn der Stromkreis geschlossen ist (also wenn an den Elektroden Flüssigkeit
anliegt), ist das Signal 1, wenn der Stromkreis nicht geschlossen ist, ist das Signal 0.
Teilversuch 1:
Aufbau:
Abb. 17: Aufbau der Schaltung
Zum Überprüfen der Schaltung kann beispielsweise folgendes Programm verwendet werden (es schaltet die Pumpe im Wechsel ein und aus).
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Einfluss der Temperatur auf die Aktivität von Mikroorganismen
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Teilversuch 2:
Aufbau:
Auf den Abbildungen sind der Mikrocontroller sowie die Schaltung zur
Füllstandsmessung zu sehen. Die Schaltung wurde bereits zweimal auf die Platine gelötet, in dieser Teilaufgabe wird jedoch nur eine benötigt.
Abb. 18: Mikrocontroller sowie Schaltung zur Füllstandsmessung.
Das entsprechende Programm kann wie folgt aussehen:
Die Zahl hinter dem Befehl Pause gibt in ms an, wie lange die Pause gehalten
wird. D.h. bei 50 Hz sollte eine gesamte Periode (1/50) s, also 20 ms
bebetragen.
Im Programm ist dies folgendermaßen aufgebaut:
5 ms „high“
5 ms Pause
5 ms „low“
5 ms Pause
also insgesamt 20 ms.
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Einfluss der Temperatur auf die Aktivität von Mikroorganismen
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Teilversuch 3:
Prinzipiell wird je eine Schaltung für den Füllstand „Low“ und eine Schaltung
für den Füllstand „High“ benötigt.
Da sich jedoch alle Elektroden in demselben Flüssigkeitsbehältnis befinden,
können sie sich gegenseitig beeinflussen. Aus diesem Grund wird
nur eine Elektrode für die Signalgebung verwendet, d.h. es gibt
nur einen „output“ für beide Füllstandsmessungen. Hierfür wurde
eine längere Elektrode verwendet.
Abb. 19: Der Behälter ist leer (links), dann wird der „Low-Level“erreicht. In beiden Fällen ist
die Pumpe an. Erst bei Erreichen des „High-Level“ (rechts) schaltet die Pumpe an.
Die Steuerung wurde mit folgender Schaltung realisiert:
Abb. 20: Schaltplan für die 2-Punkt-Puffertankregelung
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Einfluss der Temperatur auf die Aktivität von Mikroorganismen
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Zur Ansteuerung kam folgendes Programm zum Einsatz:
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Einfluss der Temperatur auf die Aktivität von Mikroorganismen
9.
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FAQ / Tipps & Tricks:
Nur Elektrolytkondensatoren verwenden!
Beim Basiswiderstand RB bei der Pumpenansteurung und beim Widerstand R2 der
Füllstandsmessung können auch Versuchsreihen mit unterschiedlichen Widerständen durchgeführt und die Effekte protokolliert werden.
10.
Bezugsquellen:
Mikrocontroller:
Elmicro (www.elmicro.com):
 PX27112 Basic Stamp Project Board, ca. 26 Euro
 Falls Anschluss an USB Port erforderlich: Kabel USB 28,75
Mini-Wasserpumpe 38-06,
(www.pollin.de) , ca. 15,00 €
Bestell-Nr.
330040
,Pollin
Electronic
Elektronische Bauteile z.B. von Conrad (www.conrad.de)
(www.reichelt.de)
Transistor BD677, ca. 0,28 €
Diode 1N4001, ca.0,06 €
Kondensator 0,1µF, 1,1 µF, 3,3 µF, ca. 0,10 – 2,00 € /Stck.
Blockbatterie 4,5 V, ca. 2 – 5 €
oder
GmbH
Reichelt
Mikroprozessor Laborkarte, UP 932 EP, reichelt elektronik GmbH & Co. KG
(www.reichelt.de), ca. 4,20 €
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Einfluss der Temperatur auf die Aktivität von Mikroorganismen
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Lehrerseiten
Versuchslegende:
Herausgeber:
Technikinitiative NwT
Hochschule Furtwangen | Furtwangen University
Jakob-Kienzle-Str. 17
78054 Villingen-Schwenningen
http://technikinitiative-nwt.de/
[email protected]
Autor:
Dipl.-Ing. (FH) Ursula Eschenhagen
In Zusammenarbeit mit:
Erstellt:
Prof. Dr. Franz Bigge
August 2014
26.11.2014
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