Grundlagen Wechselstromtechnik
Werbung
Grundlagen Wechselstromtechnik Arbeitsbuch Mit CD-ROM Y1 Y2 I P IR G IC IL φ 90° QL U R C L QC S Festo Didactic 567215 DE Bestell-Nr.: Stand: Autor: Grafik: Layout: 567215 10/2010 Christine Löffler Thomas Ocker, Doris Schwarzenberger 07/2011 © Festo Didactic GmbH & Co. KG, 73770 Denkendorf, 2011 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-, Gebrauchsmusteroder Geschmacksmusteranmeldungen durchzuführen. Hinweis 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 Wechselstromtechnik (TP 1011) _____________________________________ IX Lernziele – Grundlagen Wechselstromtechnik ___________________________________________________X Zuordnung von Lernzielen und Aufgaben – Grundlagen Wechselstromtechnik ________________________ XI Gerätesatz _____________________________________________________________________________ XIII Zuordnung von Komponenten und Aufgaben – Grundlagen Wechselstromtechnik ___________________ XVII Hinweise für Lehrer/Ausbilder ____________________________________________________________ XVIII Struktur der Aufgaben ____________________________________________________________________ XIX Bezeichnung der Komponenten ____________________________________________________________ XIX Inhalte der CD-ROM ______________________________________________________________________ XX Aufgaben und Lösungen Aufgabe 1: Aufgabe 2: Aufgabe 3: Aufgabe 4: Aufgabe 5: Aufgabe 6: Aufgabe 7: Aufgabe 8: Aufgabe 9: Aufgabe 10: Erfassen und Darstellen von Kenngrößen in der Wechselstromtechnik ___________________1 Überprüfen des Leistungsverhaltens eines Kondensators ___________________________ 19 Auswählen einer geeigneten Kapazität für einen Hochpassfilter ______________________ 39 Reduzieren von Spannungsspitzen beim Schalten einer Ventilspule ___________________ 51 Bestimmen der Induktivität einer Spule __________________________________________ 65 Messtechnische Untersuchung von RC-Gliedern ___________________________________ 77 Aufnehmen des Frequenzgangs eines Hoch- und Tiefpassfilters ______________________ 89 Kompensieren der Blindleistung für einen Elektromotor ___________________________ 101 Auswählen einer Drehstromschaltung für das Anschließen eines Wand-Flachspeichers __ 113 Erzeugen von unterschiedlichen Leistungsstufen für ein Heizgerät ___________________ 127 Aufgaben und Arbeitsblätter Aufgabe 1: Aufgabe 2: Aufgabe 3: Aufgabe 4: Aufgabe 5: Aufgabe 6: Aufgabe 7: Aufgabe 8: Aufgabe 9: Aufgabe 10: Erfassen und Darstellen von Kenngrößen in der Wechselstromtechnik ___________________1 Überprüfen des Leistungsverhaltens eines Kondensators ___________________________ 19 Auswählen einer geeigneten Kapazität für einen Hochpassfilter ______________________ 39 Reduzieren von Spannungsspitzen beim Schalten einer Ventilspule ___________________ 51 Bestimmen der Induktivität einer Spule __________________________________________ 65 Messtechnische Untersuchung von RC-Gliedern ___________________________________ 77 Aufnehmen des Frequenzgangs eines Hoch- und Tiefpassfilters ______________________ 89 Kompensieren der Blindleistung für einen Elektromotor ___________________________ 101 Auswählen einer Drehstromschaltung für das Anschließen eines Wand-Flachspeichers __ 113 Erzeugen von unterschiedlichen Leistungsstufen für ein Heizgerät ___________________ 127 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567215 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 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567215 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. © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567215 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 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567215 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 Wechselstromtechnik setzt inhaltlich den Einstieg in die Elektrotechnik/Elektronik fort. Im Vordergrund steht die Vermittlung des Verhaltens von Widerstand, Kondensator und Spule im Wechselstromkreis. Ein weiterer Schwerpunkt für Schaltungen mit Kondensator und Spule ist die Phasenverschiebung von Strom und Spannung in Wechselstromkreisen. Die Darstellung und Auswertung von Phasenverschiebungen wird in gemischten Schaltungen ausführlich behandelt. Untersucht werden in diesem Zusammenhang auch die elektrischen Größen Wirk-, Blind- und Scheinleistung. Die Leistung steht auch bei der Untersuchung von Stern- und Dreieckschaltungen in Dreiphasen-Wechselspannungssystemen im Vordergrund. 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 Wechselstromtechnik 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, Spulen, Leuchtdioden, Messgeräte usw.) zur Verfügung. © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567215 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 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567215 Trainingspaket Grundlagen Wechselstromtechnik (TP 1011) Das Trainingspaket TP 1011 besteht aus einer Vielzahl von einzelnen Ausbildungsmitteln. Gegenstand dieses Teils des Trainingspaketes TP 1011 sind die Grundlagen Wechselstromtechnik. 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 Wechselstromtechnik. 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. © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567215 IX Lernziele – Grundlagen Wechselstromtechnik • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • X Sie können die Kenngrößen in der Wechselstromtechnik beschreiben und mit diesen Kenngrößen Berechnungen durchführen. Sie kennen die unterschiedlichen Darstellungsformen für Wechselstromgrößen. Sie können Kenngrößen des Wechselstroms mit dem Oszilloskop messtechnisch erfassen und auswerten. Sie kennen das Verhalten des Ohm‘schen Widerstandes im Wechselstromkreis. Sie können das Verhalten des Kondensators im Wechselstromkreis beschreiben. Sie können den kapazitiven Blindwiderstand eines Kondensators ermitteln und berechnen. Sie können die Phasenverschiebung von Strom und Spannung am Kondensator im Wechselstromkreis messtechnisch ermitteln und auswerten. Sie können die kapazitive Blindleistung ermitteln und berechnen. Sie können die Kapazität in Reihen- und Parallelschaltung von Kondensatoren berechnen. Sie können die Reihen- und Parallelschaltung von Kondensatoren messtechnisch untersuchen und Gesetzmäßigkeiten ableiten. Sie kennen Aufbau, Einsatz und Kenngrößen einer Spule. Sie können das Ein-/Ausschaltverhalten einer Spule messtechnisch analysieren. Sie wissen, wie sich die Selbstinduktion einer Spule auf ihr Verhalten auswirkt. Sie können das Verhalten einer Spule im Wechselstromkreis beschreiben. Sie können die Induktivität und den induktiven Blindwiderstand einer Spule bestimmen. Sie können die Phasenverschiebung von Strom und Spannung an der Spule im Wechselstromkreis messtechnisch ermitteln und auswerten. Sie können Zeiger- und Liniendiagramme zur Addition von Wechselgrößen in RC-Schaltungen anwenden. Sie kennen RC-Glieder als frequenzabhängige Spannungsteiler. Sie können RC-Glieder als Hoch- und Tiefpassfilter einsetzen. Sie kennen die Bedeutung von Blindleistung im öffentlichen Stromversorgungsnetz. Sie können den Leistungsfaktor cos φ messen und anwenden. Sie können die RLC-Parallelschaltung als Kompensationsschaltung für Blindleistung berechnen anwenden. Sie kennen den Zusammenhang und die Darstellung von Wirkleistung, Blindleistung und Scheinleistung. Sie können Zeiger- und Liniendiagramme zur Addition von Wechselgrößen in gemischten Schaltungen anwenden. Sie kennen das Prinzip der Erzeugung von Dreiphasen-Wechselspannung. Sie kennen die Grundschaltungen Stern- und Dreieckschaltung in Drehstromsystemen und können diese aufbauen. Sie können die Leistung in Stern- und Dreieckschaltungen messen und berechnen. Sie können gezielt einzelne Phasen eines Drehstromsystems zur Leistungserzeugung nutzen. Sie wissen, wie sich der Ausfall einer Phase auf die Leistung eines Verbrauchers in Sternschaltung auswirkt. © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567215 Zuordnung von Lernzielen und Aufgaben – Grundlagen Wechselstromtechnik Aufgabe 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Lernziel Sie können die Kenngrößen in der Wechselstromtechnik beschreiben und mit diesen Kenngrößen Berechnungen durchführen. Sie kennen die unterschiedlichen Darstellungsformen für Wechselstromgrößen. Sie können Kenngrößen des Wechselstroms mit dem Oszilloskop messtechnisch erfassen und auswerten. Sie kennen das Verhalten des Ohms‘chen Widerstandes im Wechselstromkreis. Sie können das Verhalten des Kondensators im Wechselstromkreis beschreiben. Sie können den kapazitiven Blindwiderstand eines Kondensators ermitteln und berechnen. • • • • • • • Sie können die Phasenverschiebung von Strom und Spannung am Kondensator im Wechselstromkreis messtechnisch ermitteln und auswerten. • Sie können die kapazitive Blindleistung ermitteln und berechnen. • Sie können die Kapazität in Reihen- und Parallelschaltung von Kondensatoren berechnen. Sie können die Reihen- und Parallelschaltung von Kondensatoren messtechnisch untersuchen und Gesetzmäßigkeiten ableiten. Sie kennen Aufbau, Einsatz und Kenngrößen einer Spule. Sie können das Ein-/Ausschaltverhalten einer Spule messtechnisch analysieren. Sie wissen, wie sich die Selbstinduktion einer Spule auf ihr Verhalten auswirkt. © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567215 • • • • • XI Aufgabe 1 2 3 4 5 6 7 • • 8 9 10 Lernziel Sie können das Verhalten einer Spule im Wechselstromkreis beschreiben. • Sie können die Induktivität und den induktiven Blindwiderstand einer Spule bestimmen. • Sie können die Phasenverschiebung von Strom und Spannung an der Spule im Wechselstromkreis messtechnisch ermitteln und auswerten. Sie können Zeiger- und Liniendiagramme zur Addition von Wechselgrößen in RC-Schaltungen anwenden. Sie kennen RC-Glieder als frequenzabhängige Spannungsteiler. • Sie können RC-Glieder als Hoch- und Tiefpassfilter einsetzen. • Sie kennen die Bedeutung von Blindleistung im öffentlichen Stromversorgungsnetz. • Sie können den Leistungsfaktor cos φ messen und anwenden. • Sie können die RLC-Parallelschaltung als Kompensationsschaltung für Blindleistung berechnen anwenden. • Sie kennen den Zusammenhang und die Darstellung von Wirkleistung, Blindleistung und Scheinleistung. • Sie können Zeiger- und Liniendiagramme zur Addition von Wechselgrößen in gemischten Schaltungen anwenden. • Sie kennen das Prinzip der Erzeugung von DreiphasenWechselspannung. • Sie kennen die Grundschaltungen Stern- und Dreieckschaltung in Drehstromsystemen und können diese aufbauen. • Sie können die Leistung in Stern- und Dreieckschaltungen messen und berechnen. • Sie können gezielt einzelne Phasen eines Drehstromsystems zur Leistungserzeugung nutzen. Sie wissen, wie sich der Ausfall einer Phase auf die Leistung eines Verbrauchers in Sternschaltung auswirkt. XII • • • © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567215 Gerätesatz Das Arbeitsbuch Grundlagen Wechselstromtechnik vermittelt Kenntnisse über den Aufbau und die Funktion der Bauelemente Kondensator und Spule 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 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567215 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 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567215 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 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567215 XV Komponente XVI Grafisches Symbol Komponente Triac LED blau Transformatorspule LED rot oder grün Leuchtmelder Wechsler Grafisches Symbol © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567215 Zuordnung von Komponenten und Aufgaben – Grundlagen Wechselstromtechnik Aufgabe 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 3 3 1 1 Komponente Widerstand, 100 Ω/2 W 1 Widerstand, 470 Ω/2 W Widerstand, 1 kΩ/2 W 1 1 Widerstand, 4,7 kΩ/2 W 1 1 1 1 1 1 1 Widerstand, 10 kΩ/2 W 1 Widerstand, 22 kΩ/2 W 1 Widerstand, spannungsabhängig (VDR), 14 V/0,05W 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 1 1 Kondensator, 0,47 μF/100 V 1 Kondensator, 1,0 μF/100 V 1 1 Spule, 100 mH/50 mA 1 Transformatorspule, N = 200 1 Transformatorspule, N = 600 1 Digital-Multimeter 1 Oszilloskop, 2-Kanal 1 1 Grundlagen-Netzteil EduTrainer® 1 1 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567215 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 XVII Hinweise für Lehrer/Ausbilder Lernziele Das Groblernziel des vorliegenden Arbeitsbuchs ist das Analysieren und Auswerten von einfachen Grundschaltungen mit Widerstand, Kondensator und Spule an Wechselspannung. 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 60364-4-41) 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. XVIII © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567215 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 Wechselstromtechnik“ 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: Spulen: Signalgeräte: R, R1, R2, ... C, C1, C2, … L, L1, L2, … P, P1, P2, ... Hinweis Werden Widerstände, Kondensatoren oder Spulen als physikalische Größen interpretiert, ist der Buchstabe zur Bezeichnung kursiv dargestellt (Formelzeichen). Sind Ziffern zur Nummerierung erforderlich, werden diese als Indizes behandelt und tiefgestellt. © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567215 XIX 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. XX © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567215 Aufgabe 1 Erfassen und Darstellen von Kenngrößen in der Wechselstromtechnik Lernziele Wenn Sie diese Aufgabe bearbeitet haben, • können Sie die Kenngrößen in der Wechselstromtechnik beschreiben und mit diesen Kenngrößen Berechnungen durchführen. • kennen Sie die unterschiedlichen Darstellungsformen für Wechselstromgrößen. • können Sie Kenngrößen des Wechselstroms mit dem Oszilloskop messtechnisch erfassen und auswerten. • kennen Sie das Verhalten des Ohm‘schen Widerstandes im Wechselstromkreis. Problemstellung Sie arbeiten künftig im Bereich Qualitätssicherung und werden dort fehlerhafte elektronische Schaltungen prüfen. Um sich einzuarbeiten, führen Sie Messungen an einfachen Wechselstromschaltungen durch. Schaltung G U RL Wechselstromschaltung mit Oszilloskop © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567215 1 Aufgabe 1: Erfassen und Darstellen von Kenngrößen in der Wechselstromtechnik 1. 2. 3. 4. 5. 6. • • • • Arbeitsaufträge Beschreiben Sie, wie Wechselspannung definiert ist. Beantworten Sie die Fragen zur Zeiger- und Liniendarstellung von Wechselgrößen. Erläutern Sie die wichtigsten Kenngrößen im Wechselstrom. Machen Sie sich mit der Arbeitsweise des Oszilloskops vertraut und beantworten Sie die Fragen. Führen Sie erste Messungen mit dem Oszilloskop durch. Untersuchen Sie den Strom-, Spannungs- und Leistungsverlauf in einer einfachen Widerstandsschaltung. Arbeitshilfen Fachbücher, Tabellenbücher Datenblätter WBT Elektrik 1 Internet 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 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567215 Aufgabe 1: Erfassen und Darstellen von Kenngrößen in der Wechselstromtechnik Beschreiben von Wechselspannung – Beschreiben Sie, wie Wechselspannung definiert ist. Wechselspannung ist eine Spannung, die periodisch ihre Polarität (Richtung) und ihren Wert ändert. Die Abbildung zeigt drei häufige zeitliche Verläufe von Wechselgrößen. – Tragen Sie den Namen des Kurvenverlaufs in die Darstellung ein. Signalverlauf Bezeichnung u T 2 T t Sinusverlauf u Dreiecksverlauf T 2 T t T 2 T t u Rechtecksverlauf Typische elektrische Signalformen © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567215 3 Aufgabe 1: Erfassen und Darstellen von Kenngrößen in der Wechselstromtechnik Erläutern der Zeigerdarstellung und Liniendarstellung für Wechselspannung Aus dem umlaufenden Zeiger im Kreis kann die Sinuslinie der Wechselspannung konstruiert werden. Der Radius des Kreises entspricht der Amplitude der Sinusschwingung und wird bezeichnet mit US. u US US α u α 90° 180° 270° 360° π 2 π 3π 2 2π α, t -US Zeigerdarstellung und Liniendarstellung einer sinusförmigen Wechselspannung – Geben Sie die Formel zur Berechnung des momentanen Spannungswertes u an. Es gilt: sin α = Gegenkathete u = Hypotenuse US Daraus ergibt sich für den Augenblickswert u: u = U S ⋅ sin α Je höher die Frequenz der Sinusschwingung, umso kürzer ist die Periodendauer und umso schneller dreht sich der dazugehörige Zeiger. Als Maß für die Geschwindigkeit der Zeigerbewegung wird die Kreisfrequenz ω verwendet. – – Geben sie die Formel für die Berechnung des Augenblickswert u in Abhängigkeit von ω an. Ergänzen Sie dazu auch das Diagramm mit der Sinuskurve. Tragen Sie unter die Winkelangabe im Gradmaß die entsprechende Angabe im Bogenmaß. Formel zur Berechnung der Augenblickswerte u: u = U S ⋅ sin ( ω t ) 4 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567215 Aufgabe 1: Erfassen und Darstellen von Kenngrößen in der Wechselstromtechnik Beschreiben der Kenngrößen im Wechselstrom Wenn Sie in der Wechselstromtechnik arbeiten, benötigen sie den sicheren Umgang mit den Kenngrößen des Wechselstroms. – Beschreiben Sie kurz die wichtigsten Kenngrößen der Wechselstromtechnik. Ergänzen Sie hierzu die entsprechenden Tabellenfelder. Kenngröße Formelzeichen bzw. Formel Beschreibung Spitze-Spannung US US Höchster bzw. niedrigster Wert der Wechselspannung, auch Amplitude oder Scheitelwert genannt. Spitze-Strom IS IS Höchster bzw. niedrigster Wert des Wechselstroms Spitze-Spitze- U SS = 2 ⋅ U S Differenz zwischen positivem und negativem Spitzenwert. Spannung USS Bei sinusförmiger Spannung: USS beträgt das Doppelte der Amplitude. Effektivspannung Ueff Effektivstrom Ieff U eff = I eff = Periodendauer T in s Frequenz f in Hz US Der Effektivwert ist der Wechselspannungswert, der die gleiche Leistung an 2 einem Ohm‘schen Widerstand bewirkt wie eine Gleichspannung mit diesem Wert. IS 2 T f = Der Effektivwert ist der Wechselstrom, der die gleiche Leistung an einem Ohm‘schen Widerstand bewirkt wie ein Gleichstrom mit diesem Wert. Eine Periode (Vollschwingung mit positiver und negativer Halbwelle) dauert eine gewisse Zeit. Diese Zeit heißt Periodendauer T. 1 T Anzahl der Perioden pro Sekunde ω = 2⋅π⋅ f Pro Zeiteinheit überstrichener Winkel im Bogenmaß Augenblickswert u u = U S ⋅ sin( ω t ) Zeitabhängiger Momentanwert einer sinusförmigen Wechselspannung Augenblickswert i i = IS ⋅ sin( ω t ) Zeitabhängiger Momentanwert eines sinusförmigen Wechselstroms Kreisfrequenz ω in 1 s Kenngrößen in der Wechselstromtechnik © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567215 5 Aufgabe 1: Erfassen und Darstellen von Kenngrößen in der Wechselstromtechnik – Zeichnen Sie einige der Kenngrößen in die Darstellung der sinusförmigen Wechselspannung ein. Bezeichnen Sie dazu die vorgegebenen Ziffern mit der passenden Kenngröße. u 3 1 2 0 t 4 Sinusförmige Wechselspannung Ziffer Bezeichnung 1 Spitze-Wert US 2 Spitze-Spitze-Wert USS 3 Effektivspannung Ueff 4 Periodendauer T Beschreiben der Grundfunktionen eines Oszilloskops Ein Oszilloskop verfügt über viele Einstell- und Anschlussmöglichkeiten, die je nach Bauart und Modell unterschiedlich sind. Bestimmte Grundeinstellungen sind in der Regel bei jedem Oszilloskop vorhanden. AUTORANGE SAVE/RECALL UTILITY MEASURE ACQUIRE HELP CURSOR DISPLAY DEFAULT SETUP VERTICAL POSITION SAVE CH1 MENU RUN/ STOP SINGLE SEQ REF MENU PRINT AUTOSET MATH MENU HORIZONTAL POSITION CH2 MENU VOLT/DIV TRIGGER LEVEL HORIZ MENU TRIG MENU SET TO ZERO SET TO 50% SEC/DIV FORCE TRIG TRIG VIEW CH1 CH2 EXT.TRIG. USB Flash Drive Beispiel eines Oszilloskops 6 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567215 Aufgabe 1: Erfassen und Darstellen von Kenngrößen in der Wechselstromtechnik – – Informieren Sie sich, wie das Oszilloskop funktioniert, das Ihnen für Messungen zur Verfügung steht. Ergänzen Sie in der Tabelle die Bezeichnung der Bedienelemente, mit der die beschriebenen Funktionen ausgelöst werden. Bedienelement Kurzbeschreibung Schalter 0/I Netzschalter Drehknopf POSITION CH1 Positioniert das Signal von Kanal 1 (CH1) vertikal. Drehknopf VOLTS/DIV (CH1) Stellt die Empfindlichkeit des Eingangssignals CH1 vertikal ein. Taste CH1 MENU Schaltet die Anzeige von Kanal 1 ein oder aus. Drehknopf POSITION Positioniert alle Signale horizontal. Drehknopf SEC/DIV Stellt die Zeitablenkung für die Signale ein. Taste CH1 MENU -> Tastkopf Tastkopfeinstellung für Kanal 1 Taste CH1 MENU -> Kopplung Stellt für Kanal 1 ein: DC, AC, Ground. Ground bedeutet: schaltet den Kanal auf Masse. Taste CH1 MENU -> Invertieren Stellt das Signal von Kanal CH1 invertiert dar. Taste TRIG MENU Triggereinstellungen Taste TRIG MENU -> Flanke Stellt als Triggerart Flanke ein. Eingangsstecker EXT. TRIG. Eingangsstecker für eine externe Triggerquelle. CH1 Messkanal 1 CH2 Messkanal 2 Grundfunktionen eines Oszilloskops Hinweis für den Unterricht Die Grundfunktionen und die Bedienelemente sind am Beispiel des 2-Kanal-DigitalspeicherOszilloskops Tektronix TDS 1002B gezeigt. – Beschreiben Sie, was die Triggerfunktion bei Aufzeichnungen am Oszilloskop bewirkt. Mit der Triggerfunktion wird erreicht, dass bei periodischen Signalen der Startzeitpunkt des Strahls auf dem Bildschirm des Oszilloskops bei dem gleichen Amplitudenwert liegt wie bei der vorhergehenden Signaldarstellung. Es entsteht ein scheinbar stehendes Bild. © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567215 7 Aufgabe 1: Erfassen und Darstellen von Kenngrößen in der Wechselstromtechnik Beim Erstellen von Oszilloskop-Bildern gehen Sie wie folgt vor: • Vergewissern Sie sich, dass die X- und Y-Ablenkung kalibriert sind. • Stellen Sie sicher, dass die Nulllinie dort ist, wo Sie diese haben wollen. • Wenn Sie eine Frequenz am Funktionsgenerator einstellen, messen Sie die Frequenz mit dem Oszilloskop, ob diese auch stimmt. • Stellen Sie beim Zeichnen immer mindestens eine Periode dar. • Tragen Sie in die Zeichnung immer die Nulllinie ein. • Tragen Sie in die Zeichnung immer die Zeitablenkung ein. • Tragen Sie in die Zeichnung immer die Spannungsablenkung von jedem benutzten Kanal ein (CH1 und CH2). • Achten Sie auf den Zeitbezug der Signale untereinander beim Abzeichnen. • Triggern Sie immer mit dem langsamsten Signal. Einstellungen am Oszilloskop: USS T Y = 2 V/DIV X = 0,1 ms/DIV Messbeispiel zum Oszilloskop – Werten Sie die Messergebnisse des Oszilloskop-Bildes aus. Ermitteln Sie die Spitze-Spitze-Spannung USS und die Periodendauer T. Spitze-Spitze-Spannung USS: USS entspricht 4 Skalenteilen (DIV). U SS = 4 DIV ⋅ 2 V =8V DIV Periodendauer T: T entspricht 6 Skalenteilen. T = 6 DIV ⋅ 0 ,1 8 ms = 0 , 6 ms DIV © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567215 Aufgabe 1: Erfassen und Darstellen von Kenngrößen in der Wechselstromtechnik Messen mit dem Oszilloskop Untersuchen Sie mit dem Oszilloskop-Bildschirm den zeitlichen Verlauf einer Wechselspannung. – Bauen Sie die Schaltung auf. G Y1 U Schaltung zum Oszilloskopieren einer sinusförmigen Wechselspannung Kennzeichnung Benennung – Oszilloskop – Grundlagen-Netzteil EduTrainer Werte 2-Kanal ® – Geräteliste – – – Schließen Sie den Funktionsgenerator an. Nehmen Sie die Einstellungen für die Messbereiche am Oszilloskop wie angegeben vor. Stellen Sie am Funktionsgenerator Frequenz und Spannung so ein, dass sie einen Spannungsverlauf wie im unten abgebildeten Oszilloskop-Diagramm erhalten. © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567215 9 Aufgabe 1: Erfassen und Darstellen von Kenngrößen in der Wechselstromtechnik Einstellungen am Oszilloskop Kanal 1: Y1 = 1 V/DIV Zeitablenkung: 0 (Y1) X = 0,1 ms/DIV Oszilloskop-Diagramm der zu untersuchenden Wechselspannung – Messen Sie die Spitze-Spitze-Spannung USS und die Periodendauer T. Spitze-Spitze-Spannung USS: U SS = 6 DIV ⋅ 1 V =6V DIV Periodendauer T: T = 10 DIV ⋅ 0,1 – ms = 1 ms DIV Ermitteln Sie rechnerisch aus den Messwerten die Spitze-Spannung US, die Effektivspannung Ueff und die Frequenz f. Spitze-Spannung US: US = U SS 6 V = =3V 2 2 Effektivspannung Ueff: U eff = US 2 = 3V 2 = 2 ,12 V Frequenz f: f = 10 1 1 1 = = 1 ⋅ 103 = 1 kHz T 1 ms s © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567215 Aufgabe 1: Erfassen und Darstellen von Kenngrößen in der Wechselstromtechnik – – Messen Sie den Effektivwert Ueff mit dem Digital-Multimeter. Vergleichen Sie den gemessenen Effektivwert mit dem rechnerisch ermittelten Effektivwert. Ueff gemessen: Ueff = 2,01 V Ueff berechnet: Ueff = 2,12 V Geringe Abweichungen zwischen den gemessenen und den errechneten Werten sind durch Messfehler und Toleranzen der Bauteile bestimmt. Messen von Spannung, Strom und Leistung am Ohm‘schen Widerstand Stellen Sie den zeitlichen Verlauf von Wechselspannung und Wechselstrom an einem Ohm‘schen Widerstand dar. Konstruieren Sie aus den Augenblickswerten für Strom und Spannung die Leistungskurve für den Widerstand. Vergleichen Sie diese Leistungskurve mit der Leistungskurve an einer vergleichbaren Gleichspannung. – Beschreiben Sie, wie der Verlauf von Strömen mit dem Oszilloskop dargestellt werden kann. Um den Strom messen zu können, muss der Stromkreis um einen Strommesswiderstand RM erweitert werden. Mit dem Oszilloskop wird der Spannungsabfall URM am Strommesswiderstand ermittelt und daraus der Strom berechnet, der durch die Schaltung fließt. – Beschreiben Sie, was man unter einem Wirkwiderstand versteht. Ein Ohm’scher Widerstand wird in der Wechselstromtechnik Wirkwiderstand genannt. Der Wirkwiderstand hat im Wechselstromkreis die gleiche Wirkung wie im Gleichstromkreis. Er wirkt auf die elektrische Energie und wandelt sie in Wärme, Licht oder mechanische Energie um. Die am Wirkwiderstand umgesetzte Leistung wird auch als Wirkleistung bezeichnet. © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567215 11 Aufgabe 1: Erfassen und Darstellen von Kenngrößen in der Wechselstromtechnik Geben Sie die Formel zur Berechnung des Stroms I am Wirkwiderstand R an. – I= U R Spannung und Strom am Wirkwiderstand Y1 G RL URL RM URM US = 6,6 V (Sinus) f = 1 kHz Y2 Widerstandsschaltung mit RL = 1 kΩ, RM = 100 Ω, US = 6,6 V, f = 1 kHz Kennzeichnung Benennung Werte RL Widerstand 1 kΩ/2W RM Widerstand 100 Ω/2 W – Oszilloskop – Grundlagen-Netzteil EduTrainer 2-Kanal ® – Geräteliste Hinweis Damit die Spannungen URL und URM gleichzeitig auf dem Oszilloskop dargestellt werden können, wird der Bezugspunkt der beiden Spannungen zwischen die beiden Widerstände gelegt. Das führt dazu, dass das Spannungssignal URM invertiert werden muss. Achten Sie darauf, dass durch das Anschließen der beiden Messkanäle am Oszilloskop keine Masseschleifen über die Schutzleiter entstehen. Schließen Sie deshalb einen Trenntransformator an. 12 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567215 Aufgabe 1: Erfassen und Darstellen von Kenngrößen in der Wechselstromtechnik – – – – – – – – Bauen Sie die Schaltung auf. Schließen Sie den Funktionsgenerator an. Stellen Sie eine Sinusspannung US = 6,6 V mit der Frequenz f = 1 kHz ein. Nehmen Sie am Oszilloskop die erforderlichen Einstellungen für die Messungen vor. Messen Sie die am Widerstand RL anliegende Sinusspannung URL mit dem Oszilloskop. Übernehmen Sie den Spannungsverlauf in das Oszilloskop-Diagramm. Messen Sie die am Messwiderstand RM anliegende Spannung URM mit dem Oszilloskop. Übernehmen Sie den Spannungsverlauf ebenfalls in das Oszilloskop-Diagramm. Einstellungen am Oszilloskop Y1 Kanal 1: Y1 = 2 V/DIV Kanal 2: Y2 = 0,5 V/DIV (invertieren) Y2 0 (Y1), (Y2) Zeitablenkung: X = 0,1 ms/DIV Nulllinien von Kanal 1 und Kanal 2 in Mittelstellung bringen Triggerung: Y1 Oszilloskop-Diagramm für uRL und uRM – – Ermitteln Sie die Augenblickswerte uRL und uRM zu den Zeiten, die in im Messprotokoll angegeben sind. Tragen Sie die Augenblickswerte in das Messprotokoll ein. Berechnen Sie den Strom i und die Wirkleistung p zu den im Messprotokoll angegebenen Zeiten. Tragen Sie die Werte ebenfalls ein. Geben Sie auch die Formel zur Berechnung von p an. Formel zur Berechnung der Augenblickswerte der Leistung: p =u ⋅i – Stellen Sie die Stromwerte i, die Spannungswerte u und den Leistungsverlauf p im vorbereiteten Diagramm dar. © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567215 13 Aufgabe 1: Erfassen und Darstellen von Kenngrößen in der Wechselstromtechnik Zeit t (ms) Spannung uRL (V) Spannung uRM (V) Strom i (mA) Wirkleistung p (mW) 0 0 0 0 0 0,1 3,8 0,38 3,8 14,4 0,15 5,0 0,5 5,0 25,0 0,25 6,0 0,6 6,0 36,0 0,35 5,0 0,5 5,0 25,0 0,4 3,8 0,38 3,8 14,4 0,5 0 0 0 0 0,6 -3,8 -0,38 -3,8 14,4 0,65 -5,0 -0,5 -5,0 25,0 0,75 -6,0 -0,6 -6,0 36,0 0,85 -5,0 -0,5 -5,0 25,0 0,9 -3,8 -0,38 -3,8 14,4 1,0 0 0 0 0 25 10 mW mA V 30 15 Spannug u 50 Strom i Leistung p Messprotokoll p 6 20 10 4 10 5 2 0 0 0 u i 0,1 -10 -5 -2 -20 -10 -4 -30 -15 -6 -40 -20 -8 -50 -25 -10 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1,0 Zeit t Spannungs-, Strom- und Leistungsverlauf am Ohm’schen Widerstand RL 14 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567215 Aufgabe 1: Erfassen und Darstellen von Kenngrößen in der Wechselstromtechnik – Beschreiben Sie den Verlauf der Strom- und der Spannungskurve. Strom und Spannung verlaufen in Phase. Sie erreichen zur gleichen Zeit ihre Nulldurchgänge und Scheitelwerte. – Beschreiben sie den Verlauf der Leistungskurve. Der Verlauf der Leistungskurve ist wieder sinusförmig, weist aber keine negativen Anteile auf. Die Frequenz hat sich gegenüber dem Verlauf der Spannung und des Stroms verdoppelt. Der Kurvenverlauf der Wirkleistung am Ohm‘schen Widerstand lässt sich durch einen konstanten mittleren Wert ersetzen. Es ist der Effektivwert der Leistung. – Geben Sie die Formel zur Berechnung des Effektivwertes der Leistung P an. Peff = U eff ⋅ I eff Mit dem Ohm‘schen Gesetz erhält man zwei weitere Formeln zur Berechnung der Leistung: 2 Peff = R ⋅ I eff – Peff = oder 2 U eff R Geben Sie den Effektivwert der Leistung für die Widerstandsschaltung an. Peff = U eff ⋅ I eff = Us 2 ⋅ Is 2 = 6 V 6 mA ⋅ = 18 mW 2 2 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567215 15 Aufgabe 1: Erfassen und Darstellen von Kenngrößen in der Wechselstromtechnik Leistung im Gleich- und Wechselstromkreis Um die Leistung im Gleich- und Wechselstrom vergleichen zu können, ermitteln Sie die Leistungsabgabe am Ohm‘schen Widerstand RL = 1 kΩ bei einer Gleichspannung von U = 4,24 V. – Begründen Sie, warum die Vergleichsmessung für Gleichstrom bei einer Gleichspannung von U = 4,24 V durchgeführt wird. Die sinusförmige Wechselspannung mit US = 6 V besitzt den Effektivwert: U eff = Us 2 = 6V 2 = 4, 24 V Eine Gleichspannung U = 4,24 V bewirkt an einem Ohm’schen Widerstand die gleiche Leistung wie der Effektivwert Ueff = 4,24 V einer Wechselspannung. – Messen Sie die Leistung der dargestellten Schaltung im Gleichstromkreis nach der indirekten Methode und notieren Sie die Messwerte. U = 4,24 V RL URL Widerstandsschaltung mit RL = 1 kΩ, U = 4,24 V Kennzeichnung Benennung Werte RL Widerstand 1 kΩ/2W – Digital-Multimeter – – Grundlagen-Netzteil EduTrainer® – Geräteliste für die Widerstandsschaltung an Gleichstrom Messwerte der elektrischen Größen für die Leistungsberechnung: U = 4,24 V I = 4,19 mA 16 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567215 Aufgabe 1: Erfassen und Darstellen von Kenngrößen in der Wechselstromtechnik – Berechnen Sie aus den Messwerten die elektrische Leistung am Ohm’schen Widerstand in der Gleichstrom-Schaltung. P = U ⋅ I = 4 , 24 V ⋅ 4 ,19 mA =17,8 mW Tragen Sie den Kurvenverlauf der gemessenen elektrischen Größen und der berechneten elektrischen Leistung in das entsprechende Diagramm ein. Gleichstromkreis Wechselstromkreis 5 0 I 2 0 -5 -2 -10 -4 -15 -20 mA U 4 G URL 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1,0 10 5 0 US = 6 V V 0 -10 -4 -6 -15 -6 -8 -20 -8 Zeit t 50 mW mW Leistung P 50 30 20 P 10 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1,0 Zeit t 30 URL i 2 -2 RL u 4 -5 Leistung p 10 V RL Strom i Strom I mA Spannug U U = 4,24 V Spannug u – 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1,0 Zeit t p 20 10 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1,0 Zeit t Gegenüberstellung: Leistung im Gleich- und Wechselstromkreis für RL = 1 kΩ © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567215 17 Aufgabe 1: Erfassen und Darstellen von Kenngrößen in der Wechselstromtechnik – Beschreiben Sie den Zusammenhang, der zwischen den beiden Leistungskurven besteht. • • • 18 Im Gleichstromkreis wird eine konstante unveränderliche Leistung abgegeben. Im Wechselstromkreis schwankt die Leistungsabgabe stark. Bei einer sinusförmigen Wechselspannung geben beide Quellen im Mittel gleiche Leistung ab, wenn der Maximalwert der Leistungsabgabe bei der Wechselspannung genau das Doppelte der zeitlich konstanten Leistung der Gleichspannungsquelle beträgt. © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567215 Aufgabe 2 Überprüfen des Leistungsverhaltens eines Kondensators Lernziele Wenn Sie diese Aufgabe bearbeitet haben, • können Sie das Verhalten eines Kondensators im Wechselstromkreis beschreiben. • können Sie den kapazitiven Blindwiderstand eines Kondensators ermitteln und berechnen. • können Sie die Phasenverschiebung von Strom und Spannung am Kondensator messtechnisch ermitteln und auswerten. • können Sie die kapazitive Blindleistung ermitteln und berechnen. Problemstellung In einer Wechselstrom-Schaltung für eine LED wird ein Vorwiderstand benötigt. Der Vorwiderstand soll möglichst wenig elektrische Energie in Form von Wärme freisetzen. Zur Verfügung stehen Ohm’sche Widerstände und Kondensatoren. Untersuchen Sie das Verhalten des Kondensators an Wechselspannung und prüfen Sie, ob der Kondensator als verlustfreier Vorwiderstand eingesetzt werden kann. Lageplan L1 L1 L2 L2 L3 L3 EMERGENCY STOP N N PE PE Netzteil für Drehstrom mit LED zur Anzeige © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567215 19 Aufgabe 2: Überprüfen des Leistungsverhaltens eines Kondensators 1. 2. 3. 4. 5. • • • • Arbeitsaufträge Vergleichen Sie das Verhalten des Kondensators an Gleich- und Wechselspannung. Überprüfen Sie das Verhalten des Kondensators im Wechselstromkreis, indem Sie den Lade- und Entladevorgang messen. Untersuchen Sie den Strom- und Spannungsverlauf am Kondensator im Wechselstromkreis. Untersuchen Sie die Frequenzabhängigkeit des kapazitiven Blindwiderstandes eines Kondensators. Nehmen Sie dazu die Widerstandskurve auf. Nehmen Sie die Leistungskurve des Kondensators auf und entscheiden Sie, ob der Kondensator als Vorwiderstand eingesetzt werden kann. Arbeitshilfen Fachbücher, Tabellenbücher Datenblätter WBT Elektrik 2 Internet Hinweis für den Unterricht Die Abarbeitung der Aufgabe kann auf zwei Arten erfolgen: • erst das grundsätzliche Verhalten des Kondensators im Wechselstromkreis recherchieren • dann die Ergebnisse experimentell überprüfen oder umgekehrt. Wird die Entscheidung dem Lernenden überlassen, so kann dieser seine individuellen Bedürfnisse bei der Gestaltung des Lernweges berücksichtigen. 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. 20 © Festo Didactic GmbH & Co. KG 567215
