Für die Aufgaben 1 und 2 gilt jeweils: Pro Aufgabe können

Universität
Stuttgart
Institut für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe – Abt. Elektrische Energiewandlung
Institut für Leistungselektronik
und Elektrische Antriebe
Abt. Elektrische Energiewandlung
Prof. Dr.-Ing. N. Parspour
A1
S
1
F1
Bitte in Blockschrift ausfüllen.
Name, Vorname
2
11.09.2008
Studienrichtung
RV
Matrikelnummer
IA
IF
RA
RF
UA
UF
LA
LF
Für die Aufgaben 1 und 2 gilt jeweils:
Bild 1
Ui
F2
ƒ Pro Aufgabe können insgesamt 20 Punkte erreicht werden.
ƒ Die Teilaufgaben können unabhängig voneinander beantwortet werden.
ƒ Kennzeichnen Sie in Ihrer schriftlichen Ausarbeitung, wenn Sie Ihre
Rechnung mit den gegebenen Ersatzwerten weiterführen.
Aufgabe 1:
A2
Ersatzschaltbild der
fremderregten
Gleichstrommaschine
Schalter in Stellung 1:
Nennbetrieb der Maschine (ohne Vorwiderstand RV)
Schalter in Stellung 2:
Betrieb mit Vorwiderstand RV
Eine fremderregte Gleichstrommaschine wird als Antriebsmotor für eine
Werkzeugmaschine verwendet. Das elektrische Ersatzschaltbild des Antriebs
Fragen:
ist im Bild 1 dargestellt. Der maximale Ankerstrom IA und das Anlaufmoment
A) Schalter S in Stellung 1 (Nennbetrieb)
MAn können durch den Vorwiderstand RV begrenzt werden. Die Ankerspannung
beträgt stets UA = UAN. Der Erregerkreis ist fest mit der Versorgungsspannung
1.1
abgegebene Leistung Pab,N des Motors im Nennbetrieb.
UF = 220 V verbunden (c · IN = konstant). Eisen- und Reibungsverluste in der
Gleichstrommaschine sollen vernachlässigt werden.
Berechnen Sie die elektrisch aufgenommene Leistung Pauf,N und die
1.2
Berechnen Sie die Verluste PVN (Anker) in der Ankerwicklung und PVN (Stator)
in der Erregerwicklung im Nennbetrieb. Bestimmen Sie den Ankerwiderstand RA und den Erregerwiderstand RF. Wie groß ist die induzierte
Von der Gleichstrommaschine sind folgende Nenndaten bekannt:
Nennankerspannung:
UAN = 220 V
Nennankerstrom:
IAN = 4 A
Erregerspannung:
UF = 220 V
Erregerstrom:
IF = 0,3 A
Nenndrehzahl:
nN = 1800 min-1
Wirkungsgrad im Nennbetrieb:
KN = 0,7
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Spannung UiN und das Drehmoment MN des Motors im Nennbetrieb?
Berechnen Sie das Produkt aus Motorkonstante und Fluss c · IN.
[Hinweis: Benutzen Sie ggf. folgende Ersatzwerte: Pauf,N = 944 W,
Pab,N = 660 W]
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1.3
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Wie groß sind der Ankerstrom IA = IA1 und das Anlaufdrehmoment
M = MAn1 des Motors bei der Drehzahl n = 0 (Stillstand)? Wie groß ist die
Leerlaufdrehzahl n01 in min-1? [Hinweis: Benutzen Sie ggf. folgende
Ersatzwerte: RA = 14 : und c · IN = 0,9 Vs]
s 1Pa die Spannungsamplitude des Ausgangswechselspannungsamplitude signals ua3
750 mV beträgt.
Am Ausgang des Kleinsignalverstärkters wird ein Mischpult mit einem
Eingangswiderstand von RL = 600 : angeschlossen.
B) Schalter S in Stellung 2 (Betrieb mit Vorwiderstand RV )
1.4
iB
R3
Um die Werkzeug- und die Gleichstrommaschine nicht unnötig zu
R1
belasten, soll das Anlaufdrehmoment MAn mit Hilfe des Vorwiderstands RV
Ri
1.5
iOP
ud
UBat
E1
Ankerstrom IA = IA2? [Hinweis: Benutzen Sie ggf. folgende Ersatzwerte:
CK1
ue
RA = 14 :, c · IN = 0,9 Vs und n0 = 2400 min-1]
R2
iC C
K2
begrenzt werden. Bestimmen Sie den Vorwiderstand RV so, dass das
Anlaufdrehmoment M = MAn2 = 8 Nm beträgt. Wie groß wird der Anlauf-
RC
uBE
ue1
RL
uCE
ua1
ua2
ua3
E2
Bei welcher Drehzahl n kann der Schalter S wieder in Stellung 1
umgeschaltet werden, wenn das Drehmoment im Umschaltzeitpunkt den
Wert M = 8 Nm annehmen soll? [Hinweis: Benutzen Sie ggf. folgende
Bild 2
Mehrstufiger Kleinsignalverstärkter mit Ersatzschaltbild der Mikrofonkapsel
und der Last RL am Ausgang
Ersatzwerte: RA = 14 :, c · IN = 0,9 Vs]
Von der Schaltung sind folgende Daten gegeben:
Aufgabe 2:
Für eine vorgegebene (dynamische) Mikrofonkapsel soll ein Kleinsignal-
Versorgungsspannung:
UBat = 12 V
Widerstände:
Ri | 0 :
R3 = 50 k:
verstärker dimensioniert werden. Das Ersatzschaltbild des Mikrofons und der
Verstärkerschaltung ist im Bild 2 abgebildet. Die Mikrofonkapsel ist durch eine
RL = 600 :
Transistor T:
Ersatzspannungsquelle mit der Wechselspannung ue(t) und dem Innen-
Stromverstärkungen:
B = E = 100
widerstand Ri dargestellt. Die Kapsel liefert bei einem sinusförmig verlaufenden
Basis-Emitter-Widerstand:
RBE = 500 :
s 1Pa eine ebenfalls sinusSchalldrucksignal mit der Schalldruckamplitude Diffusionsspannung der Basis-Emitter-Diode:
UBE0 = 0,6 V
ue
förmige Spannung mit der Spannungsamplitude Arbeitspunkt (AP):
IC(AP) = 4 mA, UCE(AP) = 6 V
1mV . Die Verstärker-
schaltung soll nun so dimensioniert werden, dass bei einer Schalldruck-
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Der Kollektor-Emitter-Widerstand darf stets vernachlässigt werden, d. h. es gilt
Berechnen Sie die Spanungsverstärkung v u1
RCE o f . Die Basis-Emitter-Kapazität CBE und die Basis-Kollektor-Kapazität
ua1
unter der Annahme,
ue1
CBC dürfen ebenfalls stets vernachlässigt werden.
dass die Frequenz f des betrachteten Eingangssignals sehr viel größer als
Sämtliche Operationsverstärker dürfen als ideal betrachtet werden.
die untere Grenzfrequenz ist, d. h. CK1 und CK2 sollen vernachlässigt
werden. Vernachlässigen Sie dabei den Einfluss des Linear-Verstärkers
In der Vorlesung und/oder im Seminar abgeleitete Beziehungen für bekannte
auf die Transistor-Eingangsstufe.
Schaltungen dürfen ohne erneute Herleitung verwendet werden.
ua1 ergibt sich für ue
Welche Ausgangsspannungsamplitude Fragen:
[Hinweis: Benutzen Sie ggf. den folgenden Ersatzwert: RC = 1.5k:]
Zunächst wird der Schaltungsteil „Transistor-Eingangsstufe“ betrachtet.
Nun wird der Schaltungsteil „Linear-Verstärker“ betrachtet.
2.1
2.3
2.2
1mV ?
Erstellen Sie das Gleichstrom-Ersatzschaltbild der Transistor-Eingangs-
Um was für eine OP-Schaltung handelt es sich bei diesem Schaltungsteil?
stufe und bestimmen Sie die Widerstände RC und R1, so dass sich der
Wie groß ist die Differenzspannung ud und der Strom iOP?
vorgegebene Arbeitspunkt (AP) einstellt.
Berechnen Sie den Widerstand R2, so dass sich eine Spannungs-
Erstellen Sie nun das Wechselstrom-Ersatzschaltbild der Transistor-
verstärkung v u12
Eingangsstufe.
Ergänzen
Sie
ua2
ue1
750 ergibt.
[Hinweis: Benutzen Sie ggf. den folgenden Ersatzwerte: vu1 = 300]
das
Wechselstrom-Ersatzschaltbild
der
Transistor-
Eingangsstufe um die Ersatzschaltung der Mikrofonkapsel und den
Nun wird der Schaltungsteil „Ausgangsstufe“ betrachtet.
Koppelkondensator CK1.
2.4
Berechnen Sie die Kapazität CK1 des Koppelkondensators so, dass die
Um was für eine OP-Schaltung handelt es sich hier? Nennen Sie zwei
charakteristische Eigenschaften dieser Schaltung. Wie groß ist die
untere Grenzfrequenz von fug = 20 Hz beträgt.
Spannungsverstärkung v u3
ua3
der Ausgangsstufe? Welche Leistung PL
ua2
wird im Lastwiderstand RL umgesetzt?
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Aufgabe 3:
3.3
ƒ Zu jeder Frage ist genau eine Antwort richtig.
ƒ Jede richtige Antwort wird mit 1 Punkt gewertet. Für falsche Antworten wird
jeweils ein Punkt abgezogen. Nicht bearbeitete Fragen werden mit 0
Punkten bewertet. Eine negative Gesamtpunktzahl in Aufgabe 3 wird mit 0
Punkten gewertet.
ƒ Kennzeichnen Sie Ihre Lösung eindeutig (z. B.
).
Bei einer R-C-Parallelschaltung gilt folgende Aussage:
a)
nach.
b
b)
ƒ Sollte eine Korrektur erforderlich sein, markieren Sie bitte alle Lösungen und
kennzeichnen Sie die korrigierte Lösung zusätzlich (z. B.
b
§ Z˜C·
Der Gesamtstrom eilt der Spannung um den Winkel arctan ¨
¸
© G ¹
nach.
).
Die Klemmenspannung einer realen Gleichspannungsquelle
§ Z˜C·
Der Gesamtstrom eilt der Spannung um den Winkel arctan ¨
¸
© G ¹
a)
nimmt bei steigender Belastung ab.
vor.
b)
ist immer konstant.
c)
steigt mit zunehmendem Strom.
c)
3.1
§
·
¨ R ¸
Der Gesamtstrom eilt der Spannung um den Winkel arctan ¨
1 ¸
¨
¸
© ZC ¹
3.4
Bei der Berechnung eines linearen elektrischen Netzwerks mit zwei
Spannungsquellen wird der Überlagerungssatz angewendet. Folgendes
ist zu beachten:
3.2
Bei der Wechselstromrechnung mit Amplituden û , î gilt an einem Wider-
a)
Die jeweils nicht betrachtete Spannungsquelle wird offen gelassen.
stand R für die mittlere Leistung P:
b)
Die Leistung an einem Widerstand im Netzwerk kann nicht bestimmt
a)
P
b)
P
c)
P
werden, indem man beide Einzelleistungen P1 und P2 addiert.
uˆ R ˜ ˆiR
c)
1
˜ uˆ R ˜ ˆiR
2
3.5
1 ˜ uR ˜ iR
2
Es werden immer zwei Quellen gleichzeitig betrachtet.
Ein Netzwerk wird mit Hilfe der Methode der Ersatzspannungsquelle
berechnet. Die in der Ersatzspannungsquelle umgesetzte Leistung ist
a)
genau gleich der umgesetzten Leistung im ursprünglichen Netzwerk.
b)
im
Allgemeinen
nicht
gleich
der
umgesetzten
Leistung
im
umgesetzte
Leistung
im
ursprünglichen Netzwerk.
c)
immer
doppelt
so
groß
wie
die
ursprünglichen Netzwerk.
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3.6
3.10 Die Impedanz eines Serienschwingkreises beträgt:
Der Effektivwert U einer beliebigen aber T-periodischen Spannung u(t)
berechnet sich zu:
a)
U=
b)
U=
c)
U=
u
2
a)
Z
b)
Z
c)
Z
T
1
˜ u2 (t) ˜ dt
T ³0
T
3.7
3.8
3.11 Das elektrische Ersatzschaltbild eines Bipolartransistors enthält eine
1
˜ u(t) ˜ dt
T ³0
gesteuerte Quelle. Welche Aussage stimmt?
a)
Es handelt sich um eine stromgesteuerte Spannungsquelle.
Bei einem gedämpften Reihenschwingkreis (Reihenschaltung von R, C, L)
b)
Es handelt sich um eine stromgesteuerte Stromquelle.
wird der Eingangsstrom I in Resonanz (f = fr)
c)
Es handelt sich um eine spannungsgesteuerte Spannungsquelle.
a)
minimal.
b)
maximal.
c)
imaginär.
3.12 Der typische Spannungsabfall in Durchlassrichtung beträgt an einer
Siliziumdiode
In welchem Bereich des Kennlinienfeldes wird ein n-Kanal MOSFET
betrieben, wenn er in einer Verstärkerschaltung verwendet wird?
3.9
1
)
Z˜C
1
R j ˜ (XL )
XC
1
R j ˜ (Z ˜ L )
Z˜C
R j ˜ (Z ˜ L a)
Sperrbereich
b)
Ohmscher Bereich
c)
Abschnürbereich
Der Kondensatorstrom kann nicht springen.
b)
Die Spannung am Kondensator kann nicht springen.
c)
Weder Strom noch Spannung können springen.
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immer genau 1 V.
b)
ungefähr 0,7 V.
c)
ungefähr 0,3 V.
3.13 Als Ankerrückwirkung bei der Gleichstrommaschine wird
a)
das
durch
die
Ankerströme
verursachte
Bremsdrehmoment
bezeichnet.
b)
Welche Aussage bezüglich einer Kapazität C stimmt?
a)
a)
die Verzerrung des Hauptmagnetfelds durch das Ankerquerfeld
bezeichnet.
c)
die Geräuschentwicklung in der Maschine durch die Kohlebürsten
am Anker bezeichnet.
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3.14 Das elektrische Ersatzschaltbild eines Feldeffekttransistors enthält eine
3.18 Eine Spannung wird induziert, wenn
gesteuerte Quelle. Welche Aussage stimmt?
a)
a)
Es handelt sich um eine stromgesteuerte Spannungsquelle.
b)
Es handelt sich um eine spannungsgesteuerte Stromquelle.
c)
Es handelt sich um eine spannungsgesteuerte Spannungsquelle.
eine ruhende Leiterschleife von einem elektrischen Wechselfeld
durchsetzt wird.
b)
sich eine ruhende Leiterschleife in einem zeitlich konstanten
Magnetfeld befindet.
c)
3.15 Eine Schaltung mit einem idealen Operationsverstärker ohne Rück-
eine Leiterschleife von einem magnetischen Wechselfeld durchsetzt
wird.
kopplung
a)
wird den Operationsverstärker beschädigen.
3.19 Die Leerlaufdrehzahl einer fremderregten Gleichstrommaschine steigt,
b)
wird als Komparator-Schaltung bezeichnet.
wenn
c)
wird am Ausgang des Operationsverstärkers immer eine Spannung
a)
die Ankerspannung durch einen Ankervorwiderstand vermindert wird
von exakt 0 V liefern.
b)
der Erregerstrom durch einen Erregervorwiderstand vermindert wird
c)
der Erregerstrom durch Erhöhung der Erregerspannung vergrößert
3.16 Welche der Aussagen ist richtig?
wird
a)
Bei der Sternschaltung ist der Leiterstrom gleich dem Strangstrom.
b)
Bei
c)
der
Sternschaltung
ist
die
Leiterspannung
gleich
der
3.20 Wie kann die Leerlaufdrehzahl von Asynchonmotoren am Netz beeinflusst
Strangspannung.
werden?
Bei der Sternschaltung ist der Strom im Neutralleiter immer gleich
a)
Durch die Veränderung der Polpaarzahl p.
dem Strangstrom.
b)
Durch die Veränderung der Höhe der Netzspannung.
c)
Durch die Erhöhung des Kippdrehmomentes.
3.17 Durch die Erhöhung des Erregerstromes IF einer fremderregten
Gleichstrommaschine wird
a)
der Fluss I im Stator vergrößert.
b)
die Leerlaufdrehzahl n0 des Motors erhöht.
c)
der Fluss I im Stator verkleinert.
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