Klausuraufgaben

1 Klausur WS 94/95
FACHHOCHSCHULE MÜNSTER
Abteilung
Fachbereich
Steinfurt
Physikalische Technik
Fachprüfung
Elektrotechnik
Name
Vorname
Punkte der Aufgaben
1:
Geburtsdatum
Geburtsort
Matrikel-Nr.
2:
3:
Studienschwerpunkt
Versuch-Nr.
4:
5:
Datum
20. März 1995
Klausur
WS 94/95
Beginn
8.00
Aufgaben
7
Ende
6:
11.00
Seiten
7:
Summe Punkte
28
Zensur
/ 120
Hilfsmittel:
Mathematische, physikalische und elektrotechnische Formelsammlung, ein Taschenrechner sowie Zirkel und Geodreieck.
Hinweise:
Schreiben Sie auf jedes verwendete Blatt Ihren Namen und auf jede Seite eine fortlaufende Seitennummer! Die Klausuraufgaben sind zusammen mit der Lösung abzugeben.
20. März 1995
Alten_1_4 1
Klausur WS 94/95
8P
FH-MS, FB 2
Aufgabe 1 Gegeben seien die Schaltungen aus Abb. 1 zur Strommessung durch den Lastwiderstand Ra . Die Gleichspannungsquelle habe den Innenwiderstand Rg .
IS
IM
Rg
U
Ra
U
Schaltung
Rg
Ra
A
Meßschaltung
Abbildung 1: Schaltung zum Meßfehler
1. Wie groß ist der Strom IS durch den Lastwiderstand Ra in der ursprünglichen (linken)
Schaltung?
2. Welcher Strom IM durch den Lastwiderstand Ra wird in der (rechten) Schaltung gemessen, wenn zur Strommessung ein Ampèremeter mit dem Innenwiderstand Ri verwendet wird?
fref
=
−0, 99%
fref
=
−50%
3. Berechnen Sie den relativen Meßfehler für die Widerstände Ra = 9, 9kΩ und Rg =
100Ω sowie einem Innenwiderstand des Ampèremeters von
a) Ri = 0, 1kΩ und
b) Ri = 10kΩ
systematisch
4. Handelt es sich bei dem Meßfehler um einen zufälligen oder einen systematischen
Fehler?
Ri
R a + Rg
5. Welche Bedingung kann man aus den Ergebnissen an den Innenwiderstand eines
Ampèremeters ableiten? (ggf. Grenzwertbildung!)
19 P
Aufgabe 2 Gegeben seien die drei Vierpole aus Abb. 2 mit den Elementen Widerstand R,
Kondensator C und Spule L.
1. Bestimmen Sie qualitativ für jeden der Vierpole diejenige Frequenz ω0 , bei der
a) die Ausgangsspannung ua ihr Minimum und
b) die Ausgangsspannung ua ihr Maximum hat.
Tiefpass
Hochpass
Bandpass
2. Bezeichnen Sie die Vierpole entsprechend ihrem Übertragungsverhalten mit sinnvollen Namen!
20. März 1995
Alten_1_4 2
Klausur WS 94/95
ue
FH-MS, FB 2
R
ue
C
C
ue
R
ua
Vierpol 1
R
C
ua
Vierpol 2
L
ua
Vierpol 3
Abbildung 2: Frequenzabhängige Vierpole
fmax
=
2177Hz
uamax =
ue
3. Bestimmen Sie für die Werte R = 3, 3kΩ, L = 0, 1H und C = 33nF sowie einer
Eingangsspannung ue = 10V für den 3. Vierpol
a) die Frequenz fmax , bei der die Ausgangsspannung das Maximum uamax annimmt
und
b) den Wert der Ausgangsspannung uamax bei der Frequenz fmax !
17 P
Aufgabe 3 Gegeben seien die Schaltungen aus Abb. 3 zur Bestimmung des WechselstromErsatzwiderstandes einer beschalteten Spannungsquelle. Der Wechselstrom-Innenwiderstand der unbeschalteten Spannungsquelle beträgt Rg = 660Ω.
0,1H
1k
0,1µF
Rg
Rg
33nF
Ri
Ri
1H
Netzwerk 1
10k
Netzwerk 2
Abbildung 3: Wechselstrom-Ersatzwiderstand
RP
=
1, 66kΩ
XP
=
1, 46kΩ
RS
=
724, 0Ω
XS
=
823, 2Ω
Z
=
1096Ω
1. Bestimmen Sie für eine Frequenz von f = 1 000Hz den WechselstromErsatzwiderstand des ersten Netzwerkes mit einer Parallel- und Reihendarstellung
der Komponenten!
2. Bestimmen Sie für eine Frequenz von f
Scheinwiderstand des ersten Netzwerkes!
20. März 1995
=
1 000Hz den Wechselstrom-
Alten_1_4 3
Klausur WS 94/95
RP
=
10kΩ
XP = ∞
10S P =
R
10kΩ
XS = 0Ω
FH-MS, FB 2
3. Bestimmen Sie für eine Frequenz von f = 5 000/πHz den
WechselstromErsatzwiderstand der Spannungsquelle des zweiten Netzwerkes mit einer Parallelund Reihendarstellung der Komponenten!
Aufgabe 4 Gegeben sei die Schaltung aus Abb. 4. Die Spannung am Meßpunkt M1 sei
u(t) = U sin ωt. Die Widerstände seien identisch, d.h. R1 = R2 = R3 = R4 = R.
M1
M2 M3
M4
M5
M6
G
~
R1
R2
R3
C
R4
Abbildung 4: Diodenschaltung
1. Skizzieren Sie die Spannungsverläufe an den Meßpunkten. Verwenden Sie für die
Spannung am Meßpunkt M1 die normierte Darstellung mit einer Amplitude U = 10V
und einer Periodendauer T = 1s!
EinwegGleichrichter
Glättung
2. Welche Funktion hat die Schaltung?
Wirkungsgrad
4. Welchen Nachteil hat die Schaltung?
BrückenGleichrichter
5. Wie könnte die Schaltung verbessert werden?
20 P
3. Welche Funktion hat der Kondensator C?
Aufgabe 5 Gegeben sei die Schaltung aus Abb. 5, in der ein Ampèremeter mit geeignetem
Netzwerk zur Spannungsmessung verwendet wird.
=
1. Der Innenwiderstand des Ampèremeters sei idealisiert Ri = 0Ω. Bestimmen Sie das
elektrische Widerstands-Netzwerk, so daß mit dem Ampèremeter Spannungen von
U = 0 . . . 10V gemessen werden können (linkes Bild)!
frel
=
−0, 0999%
2. Wie groß ist der relative Fehler bei einer zu messenden Spannung UM = 10V , wenn
der tatsächliche Innenwiderstand des Ampèremeters Ri = 10Ω ist?
U
7, 52V
3. Die Widerstände seien R1 = 1M Ω und R2 = 330kΩ. Die Generatorspannung betrage Ug = 10V . Wie groß ist die Spannung am Widerstand R1 des Spannungsteilers aus
R1 und R2 ohne Meßgerät? (Rechtes Bild)
RS
10kΩ
=
20. März 1995
Alten_1_4 4
Klausur WS 94/95
FH-MS, FB 2
0 ... 10 V
1 mA
R1
Netzwerk
0 ... 10 V
Ug
Aufbau eines 10V-Meßgerätes
R2
Messung am Spannungsteiler
Abbildung 5: Schaltungen zum Spannungsmesser
Ri30V =
1, 5M Ω
4. Das Voltmeter habe die Meßbereiche 30V , 10V und 3V bei einem Innenwiderstand
Ri = 50kΩ/V . Wie groß sind die tatsächlichen Innenwiderstände in den drei Meßbereichen?
U30V
6, 45V
5. Welche Spannungen zeigt das Meßgerät am Widerstand R1 in den drei Meßbereichen
aufgrund des eigenen Innenwiderstandes an? Berechnen Sie die relativen Meßfehler
und interpretieren Sie das Ergebnis!
=
frel
=
−14, 2%
20 P
Aufgabe 6 Gegeben sei der Stern- / Dreieckschalter für einen Asynchronmotor aus Abb. 6,
mit dem ein Asynchronmotor am 3-Phasen-Netz 220/380V betrieben werden soll.
0
2
1
0
U1
L1
L2
L3
W2
V1
U2
W1
V2
Abbildung 6: Stern- / Dreieckschalter für einen Asynchronmotor
1. Realisieren Sie die Schaltfunktion durch entsprechende Brücken zwischen den Kontakten. Dabei gelten für die drei Zustände (gleich Kontaktebenen)
20. März 1995
Alten_1_4 5
Klausur WS 94/95
FH-MS, FB 2
a) Ebene 0 → Stillstand
b) Ebene 1 → Sternschaltung
c) Ebene 2 → Dreieckschaltung
AEG Typ FH WS.94/95 3~Mot. Nr. 0592553 V
380/660 V 39/22,5 A 18 kW
cos ϕ 0,83 1450 1/min
Isol.-Kl. F IP 54
50 Hz
VDE 0530/03.95
Abbildung 7: Leistungschild eines Asynchronmotors
PY
=
7, 12kW
2. Der Asynchronmotor hat die Nenndaten entsprechend dem Leistungsschild aus
Abb. 7. Der Motor vom Typ FHWS94/95 wird am 3-phasen-Netz 220/380V betrieben. Berechnen Sie die vom Netz aufgenommenene Wirkleistung in der Stern- und der
Dreieckschaltung!
η = 0, 85
3. Welchen Wirkungsgrad hat obiger Motor im Nennbetrieb?
nS
=
1550min−1
4. Welche synchrone Drehzahl ns kann obiger Motor theoretisch nicht überschreiten und
welche Drehzahl n0 erreicht er in der Praxis im Leerlauf schätzungsweise?
P∆
=
21, 3kW
11 P
Aufgabe 7 Gegeben sei die Schaltung aus Abb. 8, mit der die Stromverstärkung eines
Silizium-Transistors bestimmt wird.
A
I
U
R
Abbildung 8: Meßschaltung zur Bestimmung der Stromverstärkung
npn
1. Um welche Transistorart handelt es sich und um welchen Typ?
2. Bezeichnen Sie die Anschlüse des Transistors!
20. März 1995
Alten_1_4 6
Klausur WS 94/95
FH-MS, FB 2
Emitter
3. In welcher Grundschaltung wird der Transistor betrieben?
β = 187
4. Bei einer Versorgungsspannung U = 5V und einem Widerstand R = 100kΩ zeigt das
Strommeßgerät einen Strom von I = 8, 6mA an. Wie groß ist die Stromverstärkung
des Transistors?
15 P
Aufgabe 8 Gegeben sei die Logik-Schaltung aus Abb. 9.
Abbildung 9: Transistor-Logikschaltung
NMOS
1. Welche Transistorart und welcher Transistortyp wird als Schalttransistor verwendet?
2. Um welche Schaltungsart handelt es sich entsprechend dem Lastelement?
3. Bezeichnen Sie die Anschlüsse (Versorgungsspannung, Eingang und Ausgang) der
Schaltung!
NOR
4. Welche logische Funktion realisiert die Schaltung?
5. Realisieren Sie dieselbe logische Funktion als CMOS-Schaltung!
6. Welche Vorteile hat die CMOS-Logik gegenüber der Realisierung in Abb. 9?
20. März 1995
Alten_1_4 7
Ergebnisse
Es sind insgesammt 120 Punkte möglich. Die Zuordnung der Punkte zu den Zensuren ist in
Tab. 1 gegeben.
Punkte
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
Zensur
0,7
1,0
1.3
1.7
2.0
2.3
2.7
3.0
3.3
3.7
4.0
4.3
4.7
5.0
Anzahl
0
1
0
0
1
0
2
3
2
1
3
0
2
0
Tabelle 1: Zuordnung der Punkte zu den Zensuren
Ein Überblick über die Ergebnisse ist in Abb. 10 zu sehen.
10
8
6
4
2
1,0
2,0
3,0
4,0
5.0
Abbildung 10: Zensurenspiegel Klausur WS94
20. März 1995
Alten_1_4 8
2 Klausur SS 95
FACHHOCHSCHULE MÜNSTER
Abteilung
Fachbereich
Steinfurt
Physikalische Technik
Fachprüfung
Elektrotechnik
Name
Vorname
Punkte der Aufgaben
1:
Geburtsdatum
Geburtsort
Matrikel-Nr.
2:
3:
Studienschwerpunkt
Versuch-Nr.
4:
5:
Datum
13. Juli 1995
Klausur
SS 95
Beginn
8.00
Aufgaben
7
Ende
6:
11.00
Seiten
7:
Summe Punkte
28
Zensur
/ 120
Hilfsmittel:
Mathematische, physikalische und elektrotechnische Formelsammlung, ein Taschenrechner sowie Zirkel und Geodreieck.
Hinweise:
Schreiben Sie auf jedes verwendete Blatt Ihren Namen und auf jede Seite eine fortlaufende Seitennummer! Die Klausuraufgaben sind zusammen mit der Lösung abzugeben.
13. Juli 1995
Alten_1_4 9
Klausur SS 95
P
10P
FH-MS, FB 2
Aufgabe 1 Beantworten Sie folgende Verständnisfragen durch Berechnung der entsprechenden Größen oder Erklärung der Begriffe:
T
=
3, 3ms
1. Wie groß ist die Periodendauer einer sinusförmigen Wechselspannung mit der Frequenz f = 300Hz?
f
=
400Hz
2. Wie groß ist die Frequenz einer sägezahnförmigen Spannung mit der Periodendauer
T = 2, 5ms?
umax
30V
=
3. Wie groß ist der Maximalwert der Spannung bei einer Gleichspannung von U = 20V ,
die mit einer Wechselspannung mit uss = 20V überlagert ist?
iSS
0, 4A
=
4. Wie groß ist der Spitze-Spitze-Wert iss eines sinusförmigen Wechselstromes mit einer
Amplitude î = 200mA?
Uef f
7, 07V
=
5. Wie groß ist der Effektivwert einer Wechselspannung mit uss = 20V und einer Frequenz f = 20Hz?
nS
=
1000min−1
6. Wie groß ist die synchrone Drehzahl ns eines 6-poligen Asynchronmotors am 50HzNetz 380/220V ?
keine
Induktion
7. Warum kann bei einem Asynchronmotor die Leerlauf-Drehzahl n0 nicht gleich der
synchronen Drehzahl ns werden?
IC
=
1, 25mA
8. Wie groß ist der Kollektorstrom eines Bipolar-Transistors mit einem β = 125 bei
einem Basisstrom von 10µA?
fabs
1, 5V
9. Wie groß sind der absolute und relative Meßfehler mit einem Meßgerät der Klasse
1,5 bei der Messung von 15V im 100V -Meßbereich?
=
frel
=
10%
Ri = ∞
P
20P
UABmax =
0, 425V
UABmin =
−1, 13V
α = 0.227
10. Wie groß ist der Innenwiderstand einer Konstantstromquelle von 1A?
Aufgabe 2 Gegeben sei die Brückenschaltung aus Abb. 1 mit den Widerständen R1 =
33kΩ, R2 = 15kΩ, R3 = 17kΩ, R4 = 10kΩ, R5 = 10kΩ und R6 = 10kΩ und der
Eingangsspannung UE = 10V .
1. Welche Werte kann die Brückenspannung UAB minimal und maximal als Funktion
des Potentiometers R5 annehmen?
2. Bei welcher Schleiferstellung des Potentiometers R5 wird die Brückenspannung
UAB = 0V ? Hinweis: Betrachten Sie dazu den Widerstand R5 als Summe zweier
Widerstände gemäß R5 = αR5 + (1 − α)R5 und bestimmen Sie den Wert für α.
13. Juli 1995
Alten_1_4 10
Klausur SS 95
FH-MS, FB 2
R6
R1
R3
UAB
UE
R2
R4
R5
Abbildung 1: Brückenschaltung
UL = 0V
Ri
=
21, 6kΩ
P
15P
3. Berechnen Sie die Leerlaufspannung und den Innenwiderstand einer Ersatzspannungsquelle für das α aus Teil 2. Überprüfen Sie dieses Ergebnis durch die Berechnung des Kurzschlußstromes für die originale Schaltung in Abb. 1 und für die Schaltung mit der Ersatzspannungsquelle.
Aufgabe 3 Gegeben sei die Schaltung aus Abb. 2. Über den Widerstand R1 = 1, 2kΩ kann
der Kondensator C1 an die Spannung U = 20V geschaltet werden.
S1
R1
S2
R2
U
C1
C2
Abbildung 2: Kondensatorschaltung
C1
=
2095µF
1. Beide Schalter seien offen. Nachdem der Schalter S1 zum Zeitpunkt t = 0 geschlos-
13. Juli 1995
Alten_1_4 11
Klausur SS 95
FH-MS, FB 2
sen wurde, wird zum Zeitpunkt t = 2, 5s eine Kondensatorspannung UC1 = 12, 6V
gemessen. Welche Kapazität hat der Kondensator C1 ?
t = 5, 79s
2. Nach welcher Zeit beträgt die Kondensatorspannung UC1 = 0, 9U und nach welcher
Zeit ist UC1 = U ?
UC1
10V
3. Nachdem die Kondensatorspannung UC1 = U ist, wird der Schalter S2 geschlossen.
Für den Widerstand gilt R2 = R1 und für den Kondensator gilt C2 = C1 . Wie groß
ist die Spannung UC1 im stationären Zustand?
=
4. Skizzieren Sie den Verlauf der Spannungen ausgehend vom Schließen des Schalters
bis zum stationären Zustand aus Teil 1 und Teil 3!
P
10P
Aufgabe 4 Gegeben sei das Dreiphasen-Wechselstromsystem aus Abb. 3 mit den Verbraucherwiderständen R1 = R2 = R3 . Der Schalter S sei geschlossen.
380/220 V
50 Hz
I1
L1
L2
L3
N
FI-Schutzschalter
I2
R1
I3
R2
IN
R3
S
PE
Abbildung 3: Dreiphasen-Wechselstromsystem
R1
=
48, 4Ω
1. Wie groß ist der Widerstand R1 , wenn dem Netz die Gesamtleistung P = 3kW entnommenen wird?
I1
4, 5A
2. Wie groß ist der Strom I1 , wenn dem Netz die Gesamtleistung P = 3kW entnommenen wird?
=
13. Juli 1995
Alten_1_4 12
Klausur SS 95
FH-MS, FB 2
IN = 0A
3. Wie groß ist der Strom IN , wenn dem Netz die Gesamtleistung P = 3kW entnommenen wird?
I1∗
=
2, 25A
4. Durch einen Kontaktfehler erhöht sich der Widerstandswert von R1 auf den doppelten
Wert. Bestimmen Sie die Ströme I1∗ , I2∗ , I3∗ und IN∗ ! Verändert sich das Schaltungsverhalten, wenn der Schalter S geöffnet wird? Wenn ja, welche Größen ändern sich?
∗
IN
=
2, 25A
5. In Abb. 3 ist ein Bereich für einen FI-Schutzschalter vorgesehen worden. Erläutern Sie
dessen Wirkungsweise und skizzieren Sie, wie der FI-Schutzschalter angeschlossen
wird!
Erdung
P
15P
6. Welche Funktion / Bedeutung hat der PE-Leiter in Abb. 3?
Aufgabe 5 Gegeben sei ein Drehstrom-Asynchronmotor mit folgenden Nenndaten: 2, 2kW ,
220V , Y, 8, 7A, cos ϕ = 0, 84, 50Hz, 1450min−1 und MiN = 15, 3N m.
Bei einer Leerlaufmessung wurde der Strom zu I0 = 4, 5A und die Leistung zu P0 =
310W bestimmt. Bei einer Kurzschlußmessung mit dem Strom Ik = 8, 7A ergab sich die
Kurzschlußspannung zu Uk = 50V bei einer Leistung von Pk = 350W und Kupferverlusten
von P1Cu = 195W .
p=2
1. Welche Polpaarzahl p hat der Motor?
nS
=
1500min−1
SS
=
0, 033
2. Welche Synchrondrehzahl ns und welchen Nennschlupf sN hat der Motor?
3. Konstruieren Sie den Heylandkreis und bestimmen Sie graphisch das innere Anlaufmoment und das innere Kippmoment des Motors!
MiA
=
18, 2N m
MiK
=
38, 9N m
P
15P
npn
Aufgabe 6 Gegeben sei die Schaltung aus Abb. 4 zur Verstärkung eines Wechselspannungssignals mit einem Silizium-Transistor mit einer Stromverstärkung von β = 200. Der Widerstand sei R2 = 2kΩ, sei die Spannung U= = 10V und die Kondensatoren seien ideal mit
C1 = C2 = ∞.
1. Um welche Transistorart handelt es sich und um welchen Typ?
2. Bezeichnen Sie die Anschlüse des Transistors!
13. Juli 1995
Alten_1_4 13
Klausur SS 95
FH-MS, FB 2
R1
R2
C1
U=
C2
U~
UA
Abbildung 4: Verstärkerschaltung mit Transistor
Emitter
3. In welcher Grundschaltung wird der Transistor betrieben?
R1
=
752kΩ
4. Bestimmen Sie den Arbeitspunkt des Transistors so, daß an R3 eine Spannung von
U = 5V abfällt.
uA
=
5. Berechnen Sie die Ausgangsspannung uA für eine Eingangsspannung uE = u∼ =
−8, 3mV sin ωt
1mV sin ωt!
6. Wie verändert sich das Schaltungsverhalten wenn die Kondensatoren endliche Werte
haben?
P
15P
Aufgabe 7 Gegeben sei die Logikschaltung aus Abb. 5.
1. Welche Transistorart und welcher Transistortyp wird als Schalt- und Lasttransistor
verwendet?
2. Um welche Schaltungsart handelt es sich entsprechend dem Lastelement?
3. Welche elementare Grundschaltung können Sie in der Logikschaltung erkennen?
4. Warum hat die Schaltung keinen Eingang?
5. Welche Funktion realisiert die Schaltung? Skizzieren Sie das Ausgangssignal!
6. Was ist die Kenngröße der Schaltungsfunktion und wodurch wird sie im wesentlichen
bestimmt?
13. Juli 1995
Alten_1_4 14
Klausur SS 95
FH-MS, FB 2
Vdd
A
Vss
Abbildung 5: Logikschaltung
13. Juli 1995
Alten_1_4 15
Ergebnisse
Es sind insgesammt 100 Punkte möglich. Die Zuordnung der Punkte zu den Zensuren ist in
Tab. 1 gegeben.
Punkte
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
Zensur
0,7
1,0
1.3
1.7
2.0
2.3
2.7
3.0
3.3
3.7
4.0
4.3
4.7
5.0
Anzahl
0
5
1
0
0
1
2
3
4
4
4
7
0
0
Tabelle 1: Zuordnung der Punkte zu den Zensuren
Ein Überblick über die Ergebnisse ist in Abb. 6 zu sehen.
10
8
6
4
2
1,0
2,0
3,0
4,0
5.0
Abbildung 6: Zensurenspiegel Klausur SS 95
13. Juli 1995
Alten_1_4 16
3 Klausur WS 95/96
FACHHOCHSCHULE MÜNSTER
Abteilung
Fachbereich
Steinfurt
Physikalische Technik
Fachprüfung
Elektrotechnik
Name
Vorname
Punkte der Aufgaben
1:
Geburtsdatum
Geburtsort
Matrikel-Nr.
2:
3:
Studienschwerpunkt
Versuch-Nr.
4:
5:
Datum
25. März 1996
Klausur
WS 95/96
Beginn
8.00
Aufgaben
7
Ende
6:
11.00
Seiten
7:
Summe Punkte
28
Zensur
/ 120
Hilfsmittel:
Mathematische, physikalische und elektrotechnische Formelsammlung, ein Taschenrechner sowie Zirkel und Geodreieck.
Hinweise:
Schreiben Sie auf jedes verwendete Blatt Ihren Namen und auf jede Seite eine fortlaufende Seitennummer! Die Klausuraufgaben sind zusammen mit der Lösung abzugeben.
25. März 1996
Alten_1_4 17
Klausur WS 95/96
P
10P
FH-MS, FB 2
Aufgabe 1 Beantworten Sie folgende Verständnisfragen durch Berechnung der entsprechenden Größen:
R = 24Ω
1. Welchen Widerstand hat eine mit einer 12V -Batterie verbundene Glühbirne, durch die
ein Strom von I = 0, 5A fließt?
R
=
10mΩ
2. Wie groß ist der Widerstand einer Metallschiene mit einem Querschnitt von 10cm2
und einer Länge von 1km, wenn das Material einen spezifischen Widerstand von
0, 1Ωmm2 /m hat?
Rp
=
1350Ω
3. Wie groß muß der Zusatzwiderstand sein, damit ein Widerstand von 108Ω auf genau
100Ω abgeglichen werden kann?
Rs
121Ω
=
4. Welchen Wert muß ein Widerstand haben, damit eine Lampe von 110V 100W so an
220V angeschaltet werden kann, daß sie mit Nennspannung und Nennleistung brennt?
IK
220A
=
5. Wie groß ist der Kurzschlußstrom einer 2-Drahtleitung mit einem Widerstand von
RL = 0, 5Ω, die an einen Generator mit einer starren Spannung von 110V angeschlossen ist?
Ra
=
96, 8Ω
uind
=
−360V
6. Welchen Widerstand hat eine Heizung für 220V bei einer Nennleistung von 500W ?
τ = 0, 4s
8. Wie groß ist die Zeitkonstante τ einer realen Spule mit L = 2, 4H und R = 6Ω?
N1
3 800
9. Wieviel Primärwindungen muß ein Transformator 220V /4, 4V haben, wenn er 76
Sekundärwindungen aufweist?
=
S2
=
3, 18A/mm2
P
20P
7. Wie groß ist die induzierte Spannung in einer Spule mit 30 Windungen, wenn der
magnetische Fluß durch die Spule gleichmäßig in 0, 5s von 8V s auf 2V s ändert?
10. Welche Stromdichte ist bei Nennlast in der Sekundärwicklung eines Transformators
220V /24V mit der Leistung 60W vorhanden, wenn der Drahtdurchmesser der Sekundärseite d2 = 1mm ist?
Aufgabe 2 Gegeben seien die Schaltungen in Abb. 1 mit den Werten R1 = 5Ω, R2 = 10Ω,
R3 = 40Ω, R4 = 10Ω, R5 = 30Ω und U = 35V .
Ik
0, 5A
=
1. Wie groß ist der Kurzschlußstrom zwischen den Punkten A und B in der linken Schaltung?
Uesb
26V
Resb
52Ω
=
2. Berechnen Sie den Widerstand Resb und die Spannung Uesb so, daß derselbe Kurzschlußstrom in der rechten wie in der linken Schaltung fließen würden!
=
25. März 1996
Alten_1_4 18
Klausur WS 95/96
FH-MS, FB 2
R1
R5
Resb
A
U esb
R3
U
C
D
B
R2
R4
Abbildung 1: Gleichstromschaltungen
3. Wie bezeichnet man die rechte Schaltung, wenn die Bedingung in (2) erfüllt ist?
ESQ
P
15P
Aufgabe 3 An einen Generator mit 120V Leerlaufspannung und einem Innenwiderstand
von 1, 5Ω wird ein Verbraucher mit den Nenndaten 110V 2kW geschaltet.
1. Zeichnen Sie das Ersatzschaltbild!
Ui
=
23, 84V
2. Wie groß ist der Spannungsabfall im Generator?
Uk
=
96, 16V
3. Wie groß ist die Klemmenspannung?
Pi
=
379W W
Pa
=
1528, 4W
η
=
80, 13%
Pa /Pamax =
0, 637
P
20P
4. Welche Verlustleistung entsteht im Generator?
5. Welche Leistung erhält der Verbraucher?
6. Mit welchem Wirkungsgrad arbeitet die Schaltung?
7. Welches Leistungsverhältnis Pa /Pamax liegt vor?
Aufgabe 4 Gegeben sei die Schaltung in Abb. 2 mit den Werten Spule R1 = 7, 5Ω, L1 =
31, 83mH, Widerstand R2 = 20Ω, Kondensator C3 = 120µF und Wechselspannungsquelle
U = 220V bei 50Hz.
25. März 1996
Alten_1_4 19
Klausur WS 95/96
FH-MS, FB 2
R1
U
R2
C3
L1
Abbildung 2: Komplexer Ersatzwiderstand
Z
=
9, 86Ω6 15◦
1. Berechnen Sie den komplexen Ersatzwiderstand durch Umwandlung der Schaltung in
eine reine Parallelschaltung!
(RS , XS ) =
(9, 52Ω, 2, 56Ω) 2. Stellen Sie den komplexen Ersatzwiderstand als Serienschaltung dar!
(RP , XP ) =
3. Stellen Sie den komplexen Ersatzwiderstand als Parallelschaltung dar!
(10, 2Ω, 38, 1Ω)
P
25P
Aufgabe 5 Auf dem Leistungsschild eines 50Hz-Einphasentransformators sind folgende
Werte angegeben: Primäre Nennspannung U1N = 2kV , Sekundäre Nennspannung U2N =
220V , Nennscheinleistung SN = 20kV A und Primärer Nennstrom I1N = 10A.
I1
I2
R1
Lσ
Lσ
I’µ
U1
M’
R’2
I’E
U2
R’E
ü:1
Abbildung 3: Ersatzschaltbild des Transformators
25. März 1996
Alten_1_4 20
Klausur WS 95/96
FH-MS, FB 2
Für den Leistungstransformator mit dem Ersatzschaltbild nach Abb. 3 gelten folgende
Näherungen:
0
R1 RE
RE
20kΩ
Lh
6, 4H
=
R1
1, 5Ω
=
;
0
R20 RE
;
Lσ M 0
;
R20 ≈ R2 ü2 ≈ R1
Beim Leerlaufversuch werden die Wirkleistung P1L = 200W und der Strom I1L = 1A
gemessen, die an den Primärklemmen aufgenommen werden, wenn die primäre Nennspannung anliegt und die Sekundärklemmen leerlaufen.
Beim Kurzschlußversuch werden die Sekundärklemmen kurzgeschlossen, und die Primärspannung U1 wird so eingestellt, daß der Primärstrom gerade seinen Nennwert erreicht
I1K = I1N = 10A. Auch hierbei wird die Wirkleistung gemessen, die der Transformator
an seinen Primärklemmen aufnimmt: P1K = 300W . Die Primärspannung hat bei diesem
Kurzschlußversuch den Wert U1K = 120V = 0.06 · U1N
=
1. Berechnen Sie näherungsweise die Induktivitäten und Widerstände der Ersatzschaltung!
2. Wie groß ist der Wirkungsgrad bei Nennbelastung?
Lσ
=
18, 5mH
η = 0, 976
P
15P
Aufgabe 6 Erläutern Sie kurz folgende Fragen zu Aufbau und Schaltung von BipolarTransistoren:
1. Skizzieren Sie den Aufbau eines npn-Transistors. Welche Spannungen sind anzulegen,
damit der Transistor leitend wird?
Dünne Basis
2. Welche Bedingung wird an die Basiszone gestellt, damit die npn-Schichtfolge zu einem
Transistor wird?
Nein
3. Beinflußt die Ausgangsspannung den Ausgangsstrom (z.B. ist IC = f (UCE ) in der
Emitterschaltung?
UBE , β
4. Welche Parameter bestimmen die Größe des Kollektorstromes beim Transistor?
3!
5. Welche Grundschaltungen des Bipolar-Transistors gibt es und wodurch unterscheiden
Sie sich?
Übersteuerung
6. Wie funktioniert ein Transistor als Schalter?
Inverter
7. Welche logische Grundfunktion kann mit einem Transistor realisiert werden?
25. März 1996
Alten_1_4 21
Klausur WS 95/96
FH-MS, FB 2
RC
RC
RK
T1
RK
T2
Abbildung 4: Bipolartransistor-Schaltung
P
15P
Aufgabe 7 Gegeben sei die Schaltung in Abb. 4 mit zwei Bipolartransistoren.
1. Bezeichnen Sie die Ein- und Ausgänge der Schaltung!
RS-FlipFlop
2. Welche Funktion hat die Schaltung und wie heißt sie?
3. Erstellen Sie die Pegeltabelle der Schaltung!
Nein
4. Sind bei der einfachen Schaltung die Ausgangszustände immer komplementär? Begründen Sie Ihre Antwort!
Unbestimmt
5. Welcher Zustand stellt sich ein, nachdem beide Eingangssignale gleichzeitig vom HPegel in den L-Pegel gezogen werden?
25. März 1996
Alten_1_4 22
Ergebnisse
Es sind insgesammt 120 Punkte möglich. Die Zuordnung der Punkte zu den Zensuren ist in
Tab. 1 gegeben.
Punkte
100
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
Zensur
0,7
1,0
1.3
1.7
2.0
2.3
2.7
3.0
3.3
3.7
4.0
4.3
4.7
5.0
Anzahl
0
6
1
0
0
2
1
2
0
4
3
8
0
0
Tabelle 1: Zuordnung der Punkte zu den Zensuren
Ein Überblick über die Ergebnisse ist in Abb. 5 zu sehen.
10
8
6
4
2
1,0
2,0
3,0
4,0
5.0
Abbildung 5: Zensurenspiegel Klausur WS 95/96
25. März 1996
Alten_1_4 23
4 Klausur SS 96
FACHHOCHSCHULE MÜNSTER
Abteilung
Fachbereich
Steinfurt
Physikalische Technik
Fachprüfung
Elektrotechnik
Name
Vorname
Punkte der Aufgaben
1:
Geburtsdatum
Geburtsort
Matrikel-Nr.
2:
3:
Studienschwerpunkt
Versuch-Nr.
4:
5:
Datum
11. Juli 1996
Klausur
SS 96
Beginn
8.00
Aufgaben
7
Ende
6:
11.00
Seiten
7:
Summe Punkte
28
Zensur
/ 120
Hilfsmittel:
Mathematische, physikalische und elektrotechnische Formelsammlung, ein Taschenrechner sowie Zirkel und Geodreieck.
Hinweise:
Schreiben Sie auf jedes verwendete Blatt Ihren Namen und auf jede Seite eine fortlaufende Seitennummer! Die Klausuraufgaben sind zusammen mit der Lösung abzugeben.
11. Juli 1996
Alten_1_4 24
Klausur SS 96
P
10P
FH-MS, FB 2
Aufgabe 1 Beantworten Sie folgende Verständnisfragen durch Berechnung der entsprechenden Größen:
v
=
0, 6m/s
1. Welche Geschwindigkeit haben die Elektronen, wenn Sie durch einen Kupferdraht mit
dem Querschnitt A = 10mm2 und der Länge l = 18m in der Zeit t = 30s durchfließen?
η = 0, 84
2. Ein Asynchronmotor nimmt eine elektrische Leistung von P = 5kW auf. Die Verluste
betragen PV = 800W . Welchen Wirkungsgrad η hat der Motor?
f
=
400Hz
3. Eine sägezahnförmige Spannung hat eine Amplitude von U = 1V und eine Periodendauer T = 2, 5ms. Wie groß ist die Frequenz dieser Spannung?
IK
0, 1A
4. Eine Wechselstromspannungsquelle mit der Spannung U = 1V und der Frequenz
f = 50Hz hat einen Innenwiderstand Ri = 10Ω. Wie groß ist der Kurzschlußstrom
dieser Quelle?
=
Gleiche
Leistung
5. Bei Wechselspannungen wird zwischen Momentanwerten und Effektivwerten unterschieden. Wie ist der Effektivwert einer periodischen Wechselspannung definiert?
∆P
=
−19%
6. Auf dem Typenschild eines Verbrauchers steht die Angabe: 220V / 4A. Um wieviel
Prozent änderst sich die Leistungsaufnahme dieses Verbrauchers, wenn die Betriebsspannung 10% kleiner als die Nennspannung ist?
Imax
=
1, 17A
7. Die Belastbarkeit eines ohmschen Widerstandes ist mit P = 0, 33W angegeben. Der
Widerstand soll an einer sinusförmigen Wechselspannung Uss = 800mV mit der Frequenz f = 100Hz angeschlossen werden. Welcher Strom Imax darf maximal durch
den Widerstand fließen, damit dieser nicht überlastet wird?
Pab
3kW
=
8. Ein Heizwiderstand hat beim Betrieb an einer Spannung U = 380V eine Leistungsaufnahme P = 1kW . Drei derartige Widerstände werden in Dreieckschaltung an ein
380/220V -Netz angeschlossen. Welche Leistung wird dabei dem Netz entnommen?
QB
=
5, 77V ar
9. Eine ideale Spule mit der Induktivität L = 159mH wird an eine Spannung U = 24V
mit f = 100Hz betrieben. Wie groß ist die induktive Blindleistung?
BoE
1mT
P
8P
=
10. Eine elektrische Zylinderspule erzeugt eine magnetische Induktion B = 100mT ,
wenn ein Eisenkern mit µr = 100 vorhanden ist. Wie groß ist die magnetische Induktion ohne den Eisenkern?
Aufgabe 2 Gegeben ist eine Spule mit L = 2, 4H und R = 6Ω, die in Reihe an einer
Spannungsquelle Uq = 12V liegen.
11. Juli 1996
Alten_1_4 25
Klausur SS 96
FH-MS, FB 2
τ = 0, 4s
1. Wie groß ist die Zeitkonstante τ ?
i∞ = 2A
2. Wie groß ist der Strom für t → ∞?
3. Skizzieren Sie den normierten Stromverlauf als Funktion von t/τ ! Tragen Sie in das
Diagramm die Zeitkonstante und den Strom für t → ∞ ein.
P
14P
Aufgabe 3 Gegeben sei die Schaltung in Abb. 1 mit den Werten: L = 3, 52mH, C = 3µF ,
R1 = 40Ω und R2 = 30Ω. Die Eingangsspannung beträgt U = 12V bei 800Hz.
I
L
R1
U
C
Z
R2
Abbildung 1: Wechselstromschaltung
I
=
202mA
ϕ = 0◦
1. Wie groß ist der Strom I der Schaltung?
Z
=
59, 33Ω
3. Wie groß muss der Widerstand Z für den Fall der Leistungsanpassung sein, wenn die
gegebene Schaltung eine reale Spannungsquelle beschreibt?
P
15P
Z = 157Ω
XL
=
135Ω
2. Wie groß ist der Phasenverschiebungswinkel zwischen dem Strom I und der Spannung
U?
Aufgabe 4 Durch die Reihenschaltung einer Spule L und einem Widerstand R = 80Ω fließ
ein Strom von 0, 7A an einer sinusförmigen Wechselspannung von 110V und 50Hz.
1. Wie groß sind Scheinwiderstand und induktiver Widerstand?
11. Juli 1996
Alten_1_4 26
Klausur SS 96
FH-MS, FB 2
2. Berechnen Sie die Induktivität der Spule und den Phasenwinkel!
(L, ϕ) =
(0, 43H, 59, 3◦
3. Bestimmen Sie die Wirk- und Blindspannungen!
(UR , UL ) =
(56V, 94, 5V )
4. Berechnen Sie die Schein-, Wirk- und Blindleistungen!
(S, P, Q) =
5. Wie groß ist der Leistungsfaktor?
(77V A, 40W, 66V ar
η = 0, 509
P
16P
6. Zeichnen Sie das Zeigerdiagramm der Widerstände (Maßstab: 20Ω ≡ 1cm)!
Aufgabe 5 An einem Gleichstrommotor stehen u.a. folgende Daten auf dem Leistungsschild: 8kW ; 230V ; 40, 5A; 1 500min−1 . Der Ankerwiderstand ist 0, 4Ω. Die Erregerverluste betragen 170W . Die Erregerwicklung ist dem Ankerkreis parallelgeschaltet.
NSM
1. Wie bezeichnet man diesen Motor?
η = 0, 86
2. Bestimmen Sie die Verluste beim Motorbetrieb!
Pi
=
8433W
Uq
=
212, 1V
3. Berechnen Sie den Wirkungsgrad, die Quellenspannung, die innere Leistung und das
innere Moment!
Mi
=
53, 7N m
MN
=
50, 9N m
P
20P
4. Welches Nennmoment steht an der Welle zur Verfügung?
Aufgabe 6 Ein Verbraucher mit dem Leistungsfaktor cos ϕ = 0, 55 nimmt aus dem Netz
380V 50Hz einen Strom von 15A auf. Die Anschlußeitung hat einen Widerstand von RL =
3Ω.
PL
=
675W
S
=
5700V A
L, C
1. Wie groß sind die Leitungsverluste?
C
=
62, 2µF
4. Bestimmen Sie Art und Größe des Bauelementes mit dem ein Leistungsfaktor von
cos ϕ = 0, 85 erreicht wird!
2. Wie groß ist die Scheinleistung des Verbrauchers?
3. Mit welchen Bauelementen kann der Leistungsfaktor des Verbrauchers verändert werden?
Blindleistungs- 5. Wie bezeichnet man eine solche Schaltung?
kompensation
11. Juli 1996
Alten_1_4 27
Klausur SS 96
FH-MS, FB 2
6. Wieviel Leistung wird dadurch auf der Leitung eingespart?
P∆
=
392W
û = 537V
P
7. Welche Spannungsfestigkeit muss das Bauelement aufweisen?
17P
Aufgabe 7 Gegeben sei die Halbleiterschaltung in Abb. 2 mit folgenden Bauelementewerten: Versorgungsspannung UDD = 12V ; Eingangssignal Ug mit Innenwiderstand von
Rg = 500Ω; Koppel-Kondensatoren C → ∞. Die Kenngrößen der Schaltung im Arbeitspunkt sind: Basis-Emitter-Spannung UBE = 0, 5V , Basisstrom IB = IR2 = 50µA und
Emitterspannung UE = 6V . Die Stromverstärkung des Transistors betrage β = 100.
R1
Rg
C1
C2
UDD
ug
ue
R2
RE
ua
Abbildung 2: Halbleiterschaltung
npn
1. Welcher Transistortyp wird verwendet?
Kollektor
2. Um welche Transistorgrundschaltung handelt es sich?
3. Was sind die wesentlichen Merkmale dieser Schaltung?
Entkopplung
4. Was bewirkten die unendlich großen Koppelkondensatoren?
R1
=
55kΩ
R2
=
130kΩ
RE
=
1, 188kΩ
5. Berechnen Sie die Widerstände R1 , R2 und RE !
6. Wie groß ist die im Transistor entstehende Verlustleistung PV ?
PV
=
30, 025mW
11. Juli 1996
Alten_1_4 28
Ergebnisse
Es sind insgesammt 100 Punkte möglich. Die Zuordnung der Punkte zu den Zensuren ist in
Tab. 1 gegeben.
Punkte
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
Zensur
0,7
1,0
1.3
1.7
2.0
2.3
2.7
3.0
3.3
3.7
4.0
4.3
4.7
5.0
Anzahl
0
1
0
0
1
1
1
3
2
1
3
2
0
0
Tabelle 1: Zuordnung der Punkte zu den Zensuren
Ein Überblick über die Ergebnisse ist in Abb. 3 zu sehen.
10
8
6
4
2
1,0
2,0
3,0
4,0
5.0
Abbildung 3: Zensurenspiegel Klausur SS 96
11. Juli 1996
Alten_1_4 29