Grundlagen Gleichstromtechnik

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1 Grundlagen Gleichstromtechnik Arbeitsbuch Mit CD-ROM P 24 U L 6 mw V U L P ma 12 I L I + R U R R 1 U 1 U U I q I L P U P R 2 U 2 R L Festo Didactic DE

2 Bestell-Nr.: Stand: 10/2010 Autor: Christine Löffler Grafik: Thomas Ocker, Doris Schwarzenberger Layout: 10/2010, Beatrice Huber Festo Didactic GmbH & Co. KG, Denkendorf, 2012 Internet: Der Käufer erhält ein einfaches, nicht-ausschließliches, zeitlich unbeschränktes und geografisch nur auf die Nutzung innerhalb des Standortes/Sitz des Käufers beschränktes Nutzungsrecht wie folgt. Der Käufer ist berechtigt, die Inhalte des Werkes zur Fortbildung seiner Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, des Standortes zu nutzen und hierzu auch Teile der Inhalte zur Erstellung eigener Fortbildungsunterlagen zur Fortbildung seiner Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Standortes unter Angabe der Quelle zu verwenden und für die Fortbildung am Standort zu kopieren. Bei Schulen/Hochschulen und Ausbildungsstätten umfasst das Nutzungsrecht auch die Nutzung für deren Schüler, Lehrgangsteilnehmer und Studenten des Standortes für den Unterricht. Ausgeschlossen ist in jedem Fall das Recht zur Veröffentlichung sowie zur Einstellung und Nutzung in Intranet- und Internet- sowie LMS-Plattformen und Datenbanken wie z. B. Moodle, die den Zugriff einer Vielzahl von Nutzern auch außerhalb des Standortes des Käufers ermöglichen. Weitere Rechte zu Weitergabe, Vervielfältigungen, Kopien, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen sowie die Übertragung, Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen, unabhängig ob ganz oder in Teilen, bedürfen der vorherigen Zustimmung der Festo Didactic GmbH & Co. KG. Hinweis Soweit in dieser Broschüre nur von Lehrer, Schüler etc. die Rede ist, sind selbstverständlich auch Lehrerinnen, Schülerinnen etc. gemeint. Die Verwendung nur einer Geschlechtsform soll keine geschlechtsspezifische Benachteiligung sein, sondern dient nur der besseren Lesbarkeit und dem besseren Verständnis der Formulierungen.

3 Inhalt Bestimmungsgemäße Verwendung IV Vorwort V Einleitung VII Arbeits- und Sicherheitshinweise VIII Trainingspaket Grundlagen Gleichstromtechnik (TP 1011) IX Lernziele Grundlagen Gleichstromtechnik X Zuordnung von Lernzielen und Aufgaben Grundlagen Gleichstromtechnik XI Gerätesatz XIII Zuordnung von Komponenten und Aufgaben Grundlagen Gleichstromtechnik XVII Hinweise für den Lehrer/Ausbilder XIX Struktur der Aufgaben XX Bezeichnung der Komponenten XX Inhalte der CD-ROM XXI Aufgaben und Lösungen Aufgabe 1: Analysieren elektrischer Stromkreise und feststellen von Gesetzmäßigkeiten 1 Aufgabe 2: Analysieren von Widerständen 21 Aufgabe 3: Bestimmen des Vorwiderstandes für eine Leuchtdiode 29 Aufgabe 4: Erweitern einer Schaltung um einen elektrischen Verbraucher 41 Aufgabe 5: Ermitteln der elektrischen Leistung für zwei Schaltungsvarianten 55 Aufgabe 6: Auswählen von Messschaltungen 67 Aufgabe 7: Entwickeln einer Schaltung für einen Spannungsteiler 77 Aufgabe 8: Entwickeln von Schutzschaltungen für eine Bohrmaschine 91 Aufgabe 9: Aufbauen einer Gleichspannungsquelle 107 Aufgabe 10: Auswählen eines Kondensators mit kurzer Ladezeit 123 Aufgaben und Arbeitsblätter Aufgabe 1: Analysieren elektrischer Stromkreise und feststellen von Gesetzmäßigkeiten 1 Aufgabe 2: Analysieren von Widerständen 21 Aufgabe 3: Bestimmen des Vorwiderstandes für eine Leuchtdiode 29 Aufgabe 4: Erweitern einer Schaltung um einen elektrischen Verbraucher 41 Aufgabe 5: Ermitteln der elektrischen Leistung für zwei Schaltungsvarianten 55 Aufgabe 6: Auswählen von Messschaltungen 67 Aufgabe 7: Entwickeln einer Schaltung für einen Spannungsteiler 77 Aufgabe 8: Entwickeln von Schutzschaltungen für eine Bohrmaschine 91 Aufgabe 9: Aufbauen einer Gleichspannungsquelle 107 Aufgabe 10: Auswählen eines Kondensators mit kurzer Ladezeit 123 Festo Didactic GmbH & Co. KG III

4 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

5 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 V

6 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 an: Die Autoren und Festo Didactic freuen sich auf Ihre Rückmeldung. VI Festo Didactic GmbH & Co. KG

7 Einleitung Das vorliegende Arbeitsbuch ist ein Element aus dem Lernsystem Automatisierung und Technik der Firma Festo Didactic GmbH & Co. KG. Das System bildet eine solide Grundlage für eine praxisorientierte Aus- und Weiterbildung. Das Trainingspaket Grundlagen der Elektrotechnik/Elektronik TP 1011 behandelt die folgenden Themen: Grundlagen Gleichstromtechnik Grundlagen Wechselstromtechnik Grundlagen Halbleiter Grundschaltungen der Elektronik Das Arbeitsbuch Grundlagen Gleichstromtechnik liefert die Einführung in das Thema Elektrotechnik/Elektronik. Im Vordergrund steht dabei die Vermittlung der elektrischen Grundgrößen. Zu den behandelten Größen gehören unter anderem Spannung, Strom, Widerstand und Leitwert sowie Arbeit und Leistung. Das Ohm sche Gesetz wird umfassend erläutert. Besonderer Wert wird auch auf den Einsatz von Messgeräten gelegt. Voraussetzung für den Aufbau und das Auswerten der Schaltungen ist ein Laborarbeitsplatz, ausgestattet mit einer abgesicherten Netzspannungsversorgung, zwei Digital-Multimetern, einem Speicher-Oszilloskop und Sicherheits-Laborleitungen. Mit dem Gerätesatz TP 1011 werden die kompletten Schaltungen der 10 Aufgabenstellungen zum Thema Grundlagen Gleichstromtechnik aufgebaut. Die theoretischen Grundlagen für das Verständnis dieser Aufgaben enthalten die Lehrbücher Fachkunde Elektroberufe, Bestell-Nr und Elektrotechnik, Bestell-Nr Des Weiteren stehen Datenblätter der einzelnen Komponenten (lineare und nichtlineare Widerstände, Kondensatoren, Messgeräte usw.) zur Verfügung. Festo Didactic GmbH & Co. KG VII

8 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

9 Trainingspaket Grundlagen Gleichstromtechnik (TP 1011) Das Trainingspaket TP 1011 besteht aus einer Vielzahl von einzelnen Ausbildungsmitteln. Gegenstand dieses Teils des Trainingspaketes TP 1011 sind die Grundlagen Gleichstromtechnik. Einzelne Komponenten aus dem Trainingspaket TP 1011 können auch Bestandteil anderer Pakete sein. Wichtige Komponenten des TP 1011 Fester Arbeitsplatz mit Universal-Steckfeld EduTrainer Bauteilsatz Elektrotechnik/Elektronik mit Brückensteckern und Sicherheits-Laborleitungen Grundlagen-Netzteil EduTrainer Komplette Laboreinrichtungen Medien Die Teachware zum Trainingspaket TP 1011 besteht aus Fach- und Tabellenbüchern und Arbeitsbüchern. Die Fachbücher vermitteln anschaulich und übersichtlich die Grundlagen zu Gleichstromtechnik. Die Arbeitsbücher enthalten zu jeder Aufgabe die Aufgabenblätter, die Lösungen zu jedem einzelnen Arbeitsblatt und eine CD-ROM. Ein Satz gebrauchsfertiger Aufgaben- und Arbeitsblätter zu jeder Aufgabe wird mit jedem Arbeitsbuch geliefert. Datenblätter zu den Hardware-Komponenten werden mit dem Trainingspaket und auf der CD-ROM zur Verfügung gestellt. Medien Fachbücher Tabellenbuch Arbeitsbücher Digitale Lernprogramme Fachkunde Elektroberufe Elektrotechnik Elektrotechnik/Elektronik Grundlagen Gleichstromtechnik Grundlagen Wechselstromtechnik Grundlagen Halbleiter Grundschaltungen der Elektronik 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 IX

10 Lernziele Grundlagen Gleichstromtechnik Bauteile Widerstand und Kondensator Sie kennen den Zusammenhang zwischen Widerstandswert und Leitwert eines Widerstandes. Sie kennen charakteristische Merkmale und wichtige Bauarten von Widerständen. Sie können die IEC-Normreihen zur Kennzeichnung von Widerständen anwenden Sie kennen Schaltzeichen und Funktionsweise der nichtlinearen Widerstände NTC, PTC, VDR, LDR. Sie können Kennlinien von nichtlinearen Widerständen aufnehmen und interpretieren. Sie können nichtlineare Widerstände abhängig von den technischen Anforderungen auswählen und einsetzen. Sie kennen Aufbau, Einsatz und Kenngrößen eines Kondensators. Sie können den Lade- und Entladevorgang eines Kondensators im Gleichstromkreis messen und auswerten. Grundschaltungen und Beispielschaltungen Sie können die elektrischen Grundgrößen Spannung, Strom und Widerstand interpretieren und mit diesen Größen Berechnungen durchführen. Sie kennen das Ohm'sche Gesetz und können den Zusammenhang messtechnisch ermitteln und grafisch darstellen. Sie können elektrische Grundgrößen messtechnisch erfassen und bewerten. Sie können geeignete Messgeräte zur Durchführung von Messungen einsetzen. Sie können die elektrischen Grundgrößen Arbeit und Leistung anwenden. Sie können elektrische Grundschaltungen messtechnisch untersuchen und Gesetzmäßigkeiten aus den ermittelten Messgrößen ableiten. Sie können elektrische Grundschaltungen wie die Reihenschaltung dimensionieren und berechnen. Sie können die Funktion elektrischer Schaltungen und Betriebsmittel prüfen. Sie können elektrische Grundschaltungen wie die Parallelschaltung dimensionieren und berechnen. Sie können gemischte Schaltungen dimensionieren und berechnen. Sie können geeignete Messschaltungen zur Durchführung von Messungen einsetzen. Sie kennen den Spannungsteiler als Anwendung der gemischten Schaltungen. Sie können die Ausgangsspannung für einen unbelasteten und für einen belasteten Spannungsteiler berechnen. Sie können den belasteten Spannungsteiler dimensionieren. Spannungsquellen Sie können die Kenngrößen einer Spannungsquelle berechnen und anwenden. Sie können die Arbeitskennlinie einer Spannungsquelle aufnehmen und interpretieren. Sie kennen die Anwendungsfälle Leistungsanpassung und Spannungsanpassung für eine Spannungsquelle. X Festo Didactic GmbH & Co. KG

11 Zuordnung von Lernzielen und Aufgaben Grundlagen Gleichstromtechnik Lernziel Aufgabe Sie können die elektrischen Grundgrößen Spannung, Strom und Widerstand interpretieren und mit diesen Größen Berechnungen durchführen Sie kennen das Ohm'sche Gesetz und können den Zusammenhang messtechnisch ermitteln und grafisch darstellen Sie können elektrische Grundgrößen messtechnisch erfassen und bewerten Sie können geeignete Messgeräte zur Durchführung von Messungen einsetzen Sie kennen den Zusammenhang zwischen Widerstandswert und Leitwert eines Widerstandes Sie kennen charakteristische Merkmale und wichtige Bauarten von Widerständen Sie können die IEC-Normreihen zur Kennzeichnung von Widerständen anwenden Sie können die elektrischen Grundgrößen Arbeit und Leistung anwenden Sie können elektrische Grundschaltungen messtechnisch untersuchen und Gesetzmäßigkeiten aus den ermittelten Messgrößen ableiten Sie können elektrische Grundschaltungen wie die Reihenschaltung dimensionieren und berechnen Sie können die Funktion elektrischer Schaltungen und Betriebsmittel prüfen Sie können elektrische Grundschaltungen wie die Parallelschaltung dimensionieren und berechnen Sie können gemischte Schaltungen dimensionieren und berechnen Sie können geeignete Messschaltungen zur Durchführung von Messungen einsetzen Festo Didactic GmbH & Co. KG XI

12 Aufgabe Lernziel Sie kennen den Spannungsteiler als Anwendung der gemischten Schaltungen Sie können die Ausgangsspannung für einen unbelasteten und für einen belasteten Spannungsteiler berechnen Sie können den belasteten Spannungsteiler dimensionieren Sie kennen Schaltzeichen und Funktionsweise der nichtlinearen Widerstände NTC, PTC, VDR, LDR Sie können Kennlinien von nichtlinearen Widerständen aufnehmen und interpretieren Sie können nichtlineare Widerstände abhängig von den technischen Anforderungen auswählen und einsetzen Sie können die Kenngrößen einer Spannungsquelle berechnen und anwenden Sie können die Arbeitskennlinie einer Spannungsquelle aufnehmen und interpretieren Sie kennen die Anwendungsfälle Leistungsanpassung und Spannungsanpassung für eine Spannungsquelle Sie kennen Aufbau, Einsatz und Kenngrößen eines Kondensators Sie können den Lade- und Entladevorgang eines Kondensators im Gleichstromkreis messen und auswerten XII Festo Didactic GmbH & Co. KG

13 Gerätesatz Das Arbeitsbuch Grundlagen Gleichstromtechnik vermittelt Kenntnisse über den Aufbau und die Funktion der Bauelemente Widerstand und Kondensator sowie über das Verhalten der Bauelemente in Grundschaltungen und einfachen Anwendungsschaltungen. Der Gerätesatz Grundlagen der Elektrotechnik/Elektronik TP 1011 enthält alle Komponenten, die für die Erarbeitung der vorgegebenen Lernziele erforderlich sind. Zum Aufbau und zur Auswertung funktionsfähiger Schaltungen werden zusätzlich zwei Digital-Multimeter und Sicherheits-Laborleitungen benötigt. Gerätesatz Grundlagen der Elektrotechnik/Elektronik, Bestell-Nr Komponente Bestell-Nr. Menge Grundlagen-Netzteil EduTrainer Universal-Steckfeld EduTrainer Bauteilesatz Elektrotechnik/Elektronik Satz Brückenstecker, 19 mm, grau-schwarz Übersicht Bauteilesatz Elektrotechnik/Elektronik, Bestell-Nr 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 XIII

14 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, 1N 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 = Transformatorspule, N = 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 XIV Festo Didactic GmbH & Co. KG

15 Grafische Symbole des Gerätesatzes Komponente Grafisches Symbol Komponente Grafisches Symbol Widerstand Z-Diode Potentiometer Diac Widerstand, temperaturabhängig (NTC) NPN-Transistor Widerstand, lichtabhängig (LDR) PNP-Transistor Widerstand, spannungsabhängig (VDR) P-Kanal-JFET-Transistor U Kondensator N-Kanal-JFET-Transistor Kondensator, gepolt UNIJUNCTION-Transistor Spule P-Kanal-MOSFET-Transistor Diode Thyristor Festo Didactic GmbH & Co. KG XV

16 Komponente Grafisches Symbol Komponente Grafisches Symbol Triac LED blau Transformatorspule LED rot oder grün Leuchtmelder Wechsler XVI Festo Didactic GmbH & Co. KG

17 Zuordnung von Komponenten und Aufgaben Grundlagen Gleichstromtechnik Aufgabe Komponente Widerstand, 10 Ω/2 W 1 Widerstand, 22 Ω/2 W 1 1 Widerstand, 33 Ω/2 W 1 1 Widerstand, 100 Ω/2 W Widerstand, 220 Ω/2 W Widerstand, 330 Ω/2 W Widerstand, 470 Ω/2 W Widerstand, 680 Ω/2 W 1 1 Widerstand, 1 kω/2 W Widerstand, 2,2 kω/2 W 1 Widerstand, 4,7 kω/2 W 1 1 Widerstand, 10 kω/2 W Widerstand, 22 kω/2 W 1 Widerstand, 47 kω/2 W 1 Widerstand, 100 kω/2 W 1 1 Widerstand, 1 MΩ/2 W 1 1 Potentiometer, 1 kω/0,5 W 1 1 Potentiometer, 10 kω/0,5 W 1 Widerstand, temperaturabhängig (NTC), 4,7 kω/0,45 W 1 1 Widerstand, lichtabhängig (LDR), 100 V/0,2 W 1 1 Widerstand, spannungsabhängig (VDR), 14 V/0,05 W 1 1 Kondensator, 100 pf/100 V 1 Kondensator, 10 nf/100 V 1 Kondensator, 47 nf/100 V 1 Kondensator, 0,1 μf/100 V 1 Kondensator, 0,22 μf/100 V 1 Kondensator, 0,47 μf/100 V 1 Kondensator, 1,0 μf/100 V 1 Kondensator, 10 μf/250 V, gepolt 1 Kondensator, 100 μf/63 V, gepolt 1 Kondensator, 470 μf/50 V, gepolt 1 Festo Didactic GmbH & Co. KG XVII

18 Aufgabe Komponente Leuchtmelder, 12 V/62 ma 1 1 Leuchtdiode (LED), 20 ma, blau 1 Wechsler 1 Digital-Multimeter Grundlagen-Netzteil EduTrainer XVIII Festo Didactic GmbH & Co. KG

19 Hinweise für den Lehrer/Ausbilder Lernziele Das Groblernziel des vorliegenden Arbeitsbuchs ist das Analysieren und Auswerten von einfachen Grundschaltungen mit Widerstand und Kondensator an Gleichspannung. Die Erkenntnisse werden durch theoretische Fragestellungen, durch den praktischen Aufbau der Schaltungen und das Messen von elektrischen Größen gewonnen. Durch diese direkte Wechselwirkung von Theorie und Praxis ist ein schneller und nachhaltiger Lernfortschritt gewährleistet. Die Feinlernziele sind in der Matrix dokumentiert. Konkrete Einzellernziele sind jeder Aufgabenstellung zugeordnet. Richtzeit Die benötigte Zeit für das Durcharbeiten der Aufgabenstellungen hängt vom Vorwissen der Lernenden ab. Pro Aufgabe kann angesetzt werden: ca. 1 bis 1,5 Stunden. Komponenten des Gerätesatzes Arbeitsbuch, Aufgabensammlung und Gerätesatz sind aufeinander abgestimmt. Für alle 10 Aufgaben benötigen Sie nur Komponenten eines Gerätesatzes TP Normen Im vorliegenden Arbeitsbuch werden die folgenden Normen angewendet: EN bis EN Graphische Symbole für Schaltpläne EN Industrielle Systeme, Anlagen und Ausrüstungen und Industrieprodukte; Strukturierungsprinzipien und Referenzkennzeichnung DIN VDE Errichten von Niederspannungsanlagen Allgemeine Grundsätze, (IEC ) Bestimmungen, allgemeiner Merkmale, Begriffe DIN VDE Errichten von Niederspannungsanlagen Schutzmaßnahmen (IEC ) 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. Festo Didactic GmbH & Co. KG XIX

20 Lösungen Die in diesem Arbeitsbuch angegebenen Lösungen sind Ergebnisse von Testmessungen. Die Resultate Ihrer Messungen können von diesen Daten abweichen. Lernfelder Für den Ausbildungsberuf Elektroniker/in ist das Ausbildungsthema Grundlagen Gleichstromtechnik dem Lernfeld 1 der Berufschule zugeordnet. Struktur der Aufgaben Alle 10 Aufgaben haben den gleichen methodischen Aufbau. Die Aufgaben sind gegliedert in: Titel Lernziele Problemstellung Schaltung oder Lageplan Arbeitsauftrag Arbeitshilfen Arbeitsblätter Das Arbeitsbuch enthält die Lösungen zu jedem Arbeitsblatt der Aufgabensammlung. Bezeichnung der Komponenten Die Bezeichnung der Komponenten in den Schaltplänen erfolgt in Anlehnung an die Norm DIN EN In Abhängigkeit der Komponente werden Buchstaben vergeben. Mehrere Komponenten innerhalb eines Schaltkreises werden durchnummeriert. Widerstände: R, R1, R2,... Kondensatoren: C, C1, C2, Signalgeräte: P, P1, P2,... Hinweis Werden Widerstände und Kondensatoren als physikalische Größen interpretiert, ist der Buchstabe zur Bezeichnung kursiv dargestellt (Formelzeichen). Sind Ziffern zur Nummerierung erforderlich, werden diese als Indizes behandelt und tiefgestellt. XX Festo Didactic GmbH & Co. KG

21 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. Festo Didactic GmbH & Co. KG XXI

22 XXII Festo Didactic GmbH & Co. KG

23 Aufgabe 1 Analysieren elektrischer Stromkreise und feststellen von Gesetzmäßigkeiten Lernziele Wenn Sie diese Aufgabe bearbeitet haben, können Sie die elektrischen Grundgrößen Spannung, Strom und Widerstand interpretieren und mit diesen Größen Berechnungen durchführen. kennen Sie das Ohm'sche Gesetz und können den Zusammenhang messtechnisch ermitteln und darstellen. können Sie elektrische Größen messtechnisch erfassen und bewerten. können Sie geeignete Messgeräte zur Durchführung von Messungen einsetzen. Problemstellung Sie arbeiten künftig bei der Planung und Umsetzung von Beleuchtungsanlagen mit. Sie sollen sich deshalb mit den Gesetzmäßigkeiten einfacher Stromkreise und der zugehörigen Messtechnik vertraut machen. Informationen für die Einarbeitung entnehmen Sie aus Fachbüchern, Tabellenbüchern und aus dem Internet. Schaltung Laborarbeitsplatz Festo Didactic GmbH & Co. KG

24 Arbeitsaufträge 1. Erarbeiten Sie sich die elektrotechnischen Zusammenhänge, die sich beim Betrieb einer Lampe ergeben. Verwenden Sie dazu die vorbereiteten Arbeitsblätter. 2. Informieren Sie sich über digitale und analoge Multimeter und beantworten Sie die Fragen. 3. Wählen Sie ein geeignetes Messgerät für Ihre Messungen von Strom, Spannung und Widerstand in Gleichstrom-Schaltungen aus. 4. Informieren Sie sich, wie Sie beim Messen von Spannung, Strom und Widerstand vorgehen und beantworten Sie die Fragen. 5. Nehmen Sie Messungen zum Ohm schen Gesetz in einer einfachen elektrischen Schaltung vor. 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

25 Beschreiben der Zusammenhänge im elektrischen Stromkreis Erarbeiten Sie die Gesetzmäßigkeiten, die beim Betrieb einer Lampe gelten. Mit diesen Informationen können Sie einfache Schaltungen dimensionieren. Bestandteile eines Stromkreises Beschreiben Sie die wesentlichen Bestandteile eines einfachen Stromkreises. Jeder elektrische Stromkreis besteht im Wesentlichen aus Spannungsquelle Verbindungsleitungen Verbraucher In der Spannungsquelle, zum Beispiel Batterie oder Steckdose, steht elektrische Energie in Form getrennter Ladung zur Verfügung. Die Leitung dient als Transportweg für die elektrische Energie, die als elektrischer Strom zwischen Spannungsquelle und dem Verbraucher fließt. Im Verbraucher wird die durch die Spannungsquelle erzeugte Energie in eine andere Energieform umgewandelt, zum Beispiel in Wärme, Lichtenergie, Bewegung. Vervollständigen Sie den elektrischen Stromkreis so, dass ein einfacher, geschlossener Stromkreis entsteht. Tragen Sie die elektrischen Größen als Pfeile mit Bezeichnung in den Stromkreis ein. Stromkreis mit Widerstand als Verbraucher Stromkreis mit Lampe als Verbraucher Festo Didactic GmbH & Co. KG

26 Stromrichtung Elektrische Spannung entsteht durch Trennen von positiven und negativen Ladungen. negative Ladung: Elektronenüberschuss positive Ladung: Elektronenmangel Beschreiben Sie, was man unter technischer Stromrichtung und was unter physikalischer Stromrichtung versteht. Tragen Sie in den abgebildeten Schaltplan die technische und die physikalische Stromrichtung ein. Stromrichtung im Stromkreis Physikalische Stromrichtung Die physikalische Stromrichtung beschreibt die Stromrichtung der negativen Ladungsträger (Elektronen) in Metallen vom Minuspol zum Pluspol. Technische Stromrichtung Die technische Stromrichtung ist historisch bedingt und geht von einem Strom positiv angenommener Ladungen aus. Deshalb ist als technische Stromrichtung die Richtung vom Pluspol zum Minuspol vereinbart. Die technische Stromrichtung wurde aus praktischen Gründen beibehalten. Deshalb wird die Stromrichtung innerhalb einer Schaltung auch heute noch von Plus nach Minus definiert. 4 Festo Didactic GmbH & Co. KG

27 Elektrische Grundgrößen Vervollständigen Sie die Tabelle zu den elektrischen Grundgrößen. Tragen Sie eine kurze Beschreibung, das Formelzeichen und die physikalische Einheit ein. Elektrische Größe Beschreibung Formelzeichen Maßeinheit Elektrischer Strom Der elektrische Strom ist ein Maß für die im Stromkreis in eine Richtung bewegte Anzahl freier elektrischer Ladungsträger. I Ampere [A] Elektrische Spannung Die elektrische Spannung gibt den Unterschied der Ladung zwischen zwei Polen an. Spannungsquellen besitzen immer zwei Pole mit unterschiedlichen Spannungen. U Volt [V] Elektrischer Widerstand Der elektrische Widerstand ist ein Maß für die Eigenschaft von Materialien, den Stromfluss in einem Stromkreis zu behindern. R Ohm [Ω] Elektrische Grundgrößen Ohm sches Gesetz Beschreiben Sie den Zusammenhang zwischen Strom, Spannung und Widerstand. Er ist im Ohm schen Gesetz formuliert. Information Das Ohm sche Gesetz gilt nur für Ohm sche Widerstände. Ohm sche Widerstände sind lineare Widerstände. Wird in einem einfachen Stromkreis mit einem konstanten Widerstand die angelegte Spannung erhöht, so erhöht sich auch der in der Schaltung fließende Strom. Die Stromstärke I ist proportional zur angelegten Spannung U, d.h. Wächst die Spannung U, steigt auch die Stromstärke I an. Sinkt die Spannung U, fällt auch die Stromstärke I ab. U = R I bzw. Formel aufgelöst nach I oder R: I = U R R = U I Festo Didactic GmbH & Co. KG

28 Beschreiben Sie, was einen Ohm schen Widerstand kennzeichnet. Der Ohm sche Widerstand ist ein spezieller elektrischer Widerstand, dessen Widerstandswert unabhängig von Spannung, Stromstärke und Frequenz ist. Berechnen Sie den Widerstandswert der Lampe, wenn bei einer angelegten Spannung von 12 V ein Strom von 0,062 A fließt. Information Glühlampen verhalten sich nach dem Einschaltvorgang wie Ohm sche Widerstände. Gegeben Spannung Stromstärke U = 12 V I = 62 ma Gesucht Widerstand R in Ω Rechnung U 12 V 12 V R = = = = 193, 5 Ω I 62 ma 0, 062 A 6 Festo Didactic GmbH & Co. KG

29 Beschreiben von Merkmalen und Symbolen von Messgeräten Sie werden verschiedene Messungen in elektrischen Schaltungen vornehmen. Dazu müssen Sie geeignete Messgeräte benutzen. Für die Messung von Gleichspannung und Gleichstrom in elektrischen Schaltungen kommen in der Regel zwei Arten von Messgeräten zum Einsatz: Analog-Multimeter Digital-Multimeter Digital-Multimeter Auszug aus den technischen Daten Anzeige LCD 3 3/4 Stellen (3999 Count) und analoges Balkendiagramm mit 41 Segmenten Gleichspannung Messbereich: 400 mv; 4 V; 40 V; 400 V; 1000 V Auflösung: 100 µv Genauigkeit: ± (0,7 % der Anzeige + 1 Digit) Eingangswiderstand: 10 MΩ Wechselspannung (45 Hz 500 Hz) Messbereich: 400 mv; 4 V; 40 V; 400 V; 750 V Auflösung: 100 µv Genauigkeit: ± (1,5 % der Anzeige + 4 Digits) Für 4 V Bereich: ± (2,0 % der Anzeige + 4 Digits) Eingangswiderstand: 10 MΩ Gleichstrom Messbereich: 400 µa; 4 ma; 40 ma; 300 ma; 10 A Auflösung: 0,1 µa Genauigkeit: ± (1,0 % der Anzeige + 1 Digit) Wechselstrom (45 Hz 500 Hz) Messbereich: 400 µa; 4 ma; 40 ma; 300 ma; 10 A Auflösung: 0,1 µa Genauigkeit: ± (1,5 % der Anzeige + 4 Digits). Für 10 A Bereich: ± (2,5 % der Anzeige + 4 Digits) Beispiel eines Digital-Multimeters Beschreiben Sie, was die Angabe 3 3/4 Stellen bedeutet. Die Anzeige des Messinstrumentes ist 4-stellig. An den letzten 3 Stellen können die Ziffern 0 bis 9 erscheinen. An der höchstwertigen Dezimalstelle können nur die Ziffern 0 bis 3 angezeigt werden. Beispiel: Im 400 V Bereich ist die größtmögliche Anzeige 399,9 V bei einer Auflösung von 0,1 V. Festo Didactic GmbH & Co. KG

30 Analog-Multimeter Auszug aus den technischen Daten Messbereich Spannungsmessung: 0,1 V; 0,3 V; 1 V; 3 V; 10 V; 30 V; 100 V; 300 V 1000 V =/~ Eingangswiderstand: 10 MΩ Messbereich Strommessung: 1 µa; 3 µa; 10 µa; 30 µa; 100 µa; 300 µa; 1 ma; 3 ma; 10 ma; 30 ma, 100 ma; 1 A; 3 A; 10 A =/~ Genauigkeit: 1,5 =; 2,5 ~ Beispiel eines Analog-Multimeters Beschreiben Sie die Bedeutung der aufgedruckten Symbole. Symbol Beschreibung Drehspulmesswerk mit Gleichrichter Gebrauchslage horizontal nur Wechselstrom nur Gleichstrom Handbuch beachten Gefährliche elektrische Spannung CAT II 1000 V CAT III 600 V Sicherheitskennzeichnung nach EN bzw. IEC : kennzeichnet die Überspannungskategorie und die zulässige Prüfspannung 8 Festo Didactic GmbH & Co. KG

31 Auswählen eines Messgerätes Sie sollen Messungen in Gleichstrom-Schaltungen vornehmen. Zur Verfügung stehen Digital- und Analog- Multimeter. Für Ihre Entscheidung, welches Messgerät Sie einsetzen werden, sollte die Messgenauigkeit ausschlaggebend sein. Die Genauigkeit eines Multimeters gibt den maximalen Messfehler an, der unter bestimmten äußeren Bedingungen auftreten kann. Messfehler bei Digital-Multimeter Bei digitalen Multimetern wird die Genauigkeit in Prozent in Bezug auf den aktuellen Messwert angegeben. Zusätzlich muss bei digitalen Multimetern ein konstanter Fehler, der sich aus der Umwandlung von Analog auf Digital ergibt, hinzugefügt werden. Dieser Wert betrifft die niederwertigste Ziffer. Bei einer Messung mit dem Digital-Multimeter wird nebenstehender Wert angezeigt. Messwert des Digital-Multimeters Geben Sie den gemessenen Wert an. Der abgelesene Messwert beträgt 23,58 V. Ermitteln Sie den absoluten Messfehler für den dargestellten Messwert. Die Genauigkeit für den eingestellten Messbereich beträgt: ± (0,7 % der Anzeige + 1 Digit) 07, ± ( 23, 58 V + 1 0, 01 V ) = ± 0, 175 V 100 Der wahre Wert liegt also zwischen 23,405 V (23,58 V - 0,175 V) und 23,755 V (23,58 V + 0,175 V). Ermitteln Sie den relativen Messfehler. 0, 175 V 100 = 0, 74 % 23, 58 V Festo Didactic GmbH & Co. KG

32 Messfehler bei Analog-Multimeter Bei analogen Multimetern sind die Genauigkeiten immer auf den Messbereichsendwert bezogen. Die Multimeter werden in Genauigkeitsklassen eingeteilt. Das bedeutet, unabhängig vom abgelesenen Messwert muss immer der gleiche Fehler hinzugefügt werden. Deshalb verringert sich der prozentuale Fehler, je näher der Messwert dem Messbereichsende kommt. Bei analogen Multimetern sollte deshalb immer im oberen Drittel der Skala gemessen werden. Beispiel für eine Genauigkeitsklasse Genauigkeitsklasse 2,5 bedeutet, der Fehler beträgt in einem Messbereich ± 2,5 %, bezogen auf den Messbereichsendwert. Ist der Messbereichsendwert zum Beispiel 70, beträgt der maximale Fehler ±2,5 % von 70, das sind: ±3,571. Bei einer Messung mit dem Analog-Multimeter wird nebenstehender Wert angezeigt. Als Messbereich sind 30 V eingestellt. Messwert des Analog-Multimeters Geben Sie den gemessenen Wert an. Der abgelesene Messwert beträgt 23,5 V. Ermitteln Sie den absoluten Messfehler. Die Genauigkeitsklasse des eingesetzten Analog-Multimeters für diesen Messbereich beträgt 1,5. 15, ± ( 30 V ) = ± 0, 45 V 100 Der wahre Wert liegt also zwischen 23,05 V (23,5 V - 0,45 V) und 23,95 V (23,5 V + 0,45 V). 10 Festo Didactic GmbH & Co. KG

33 Ermitteln Sie den relativen Messfehler. 0, 45 V 100 = 1, 91 % 23, 5 V Auswahl eines Messgerätes Wählen Sie nun ein Messgerät für Messungen im Gleichstromkreis aus und begründen Sie die Wahl. Für die Messungen im Gleichstromkreis wird das Digital-Multimeter eingesetzt. Die Vorteile eines Digital-Multimeters sind: höhere Genauigkeit und Auflösung Ablesefehler unwahrscheinlich robuster Messen von Stromstärke, Spannung und Widerstand Der Einsatz eines Messinstrumentes führt immer zu einer Veränderung von Messwerten in einer bestehenden Schaltung. Es ist deshalb wichtig, die möglichen Einflüsse zu kennen und abschätzen zu können. Strommessung Bei der Strommessung schließen Sie das Messgerät immer in Reihe zum Verbraucher an. Der Verbraucherstrom fließt vollständig durch das Messgerät. Der Innenwiderstand des Messgerätes sollte möglichst niederohmig sein, um die zu messende Schaltung möglichst wenig zu beeinflussen. A U P Strommessung Festo Didactic GmbH & Co. KG

34 Beschreiben Sie, wie sich der Innenwiderstand des Messgerätes auf den Messvorgang auswirkt. Jedes Strommessgerät (Amperemeter) besitzt einen Innenwiderstand. Dieser zusätzliche Widerstand verringert den Stromfluss. Um den Messfehler möglichst klein zu halten, darf ein Strommessgerät nur einen sehr kleinen Innenwiderstand aufweisen. Spannungsmessung Bei der Spannungsmessung schließen Sie das Messgerät immer parallel zum Verbraucher an. Der Spannungsabfall über dem Verbraucher entspricht dem Spannungsabfall über dem Messgerät. Der Innenwiderstand des Messgerätes sollte möglichst hochohmig sein, um die zu messende Schaltung möglichst wenig zu beeinflussen. U V P Spannungsmessung Beschreiben Sie, wie sich der Innenwiderstand des Messgerätes auf den Messvorgang auswirkt. Jedes Spannungsmessgerät (Voltmeter) besitzt einen Innenwiderstand. Um das Messergebnis möglichst wenig zu verfälschen, darf durch das Messgerät nur ein sehr kleiner Strom fließen. Das bedeutet: der Innenwiderstand des Voltmeters muss möglichst groß sein. 12 Festo Didactic GmbH & Co. KG

35 Widerstandsmessung Der Widerstand eines Verbrauchers im Gleichstromkreis kann entweder direkt oder indirekt gemessen werden. Indirekte Messung Bei der indirekten Messung messen Sie den Strom durch den Verbraucher und den Spannungsabfall über dem Verbraucher. Beide Messungen können Sie entweder nacheinander oder gleichzeitig durchführen. Anschließend berechnen Sie den Widerstand nach dem Ohm schen Gesetz. Indirekte Widerstandsmessung Direkte Messung Trennen Sie den Verbraucher vom restlichen Stromkreis. Der Verbraucher darf während der Messung nicht an eine Spannungsquelle angeschlossen sein. Stellen Sie am Messgerät die Betriebsart und den Messbereich ein. Schließen Sie den Verbraucher an das Messgerät an und lesen Sie den Widerstandswert ab. Ω P Direkte Widerstandsmessung Festo Didactic GmbH & Co. KG

36 Begründen Sie, weshalb der Verbraucher bei der direkten Widerstandsmessung an keine Spannungsquelle angeschlossen sein darf. Bei der direkten Widerstandsmessung darf der Verbraucher an keiner Spannungsquelle angeschlossen sein, weil das Messgerät den Widerstandswert über eine intern vorgegebene Spannung oder einen intern vorgegebenen Strom ermittelt. Vorgehensweise beim Messen im elektrischen Stromkreis Schalten Sie die Versorgungsspannung des Stromkreises ab. Stellen Sie die gewünschte Betriebsart wie Strom- oder Spannungsmessung am Multimeter ein. Kontrollieren Sie bei Zeigerinstrumenten den Nullpunkt und gleichen Sie ihn, falls erforderlich, ab. Wählen Sie den größten Messbereich, damit der Ausschlag des Zeigers beim analogen Messgerät nicht über die Skala hinausgeht. Schließen Sie beim Messen von Gleichspannung und Gleichstrom das Messgerät richtig gepolt an. Schalten Sie die Spannungsversorgung des Stromkreises ein. Beobachten Sie den Zeigerausschlag bzw. die Anzeige und schalten Sie schrittweise in einen kleineren Messbereich um. Lesen Sie die Anzeige bei größtmöglichem Zeigerausschlag (kleinstmöglichem Messbereich) ab. Schauen Sie bei Zeigerinstrumenten stets senkrecht auf die Anzeige, um Ablesefehler zu vermeiden. 14 Festo Didactic GmbH & Co. KG

37 Messungen zum Ohm schen Gesetz Beweisen Sie die Zusammenhänge des Ohm schen Gesetzes durch geeignete Laborversuche. Dazu nehmen Sie die Kennlinien I = f(u) bei konstantem Widerstand und I = f(r) bei konstanter Spannung auf. U-I-Kennlinie eines Ohm schen Widerstandes Wählen Sie einen Widerstand R = 330 Ω aus. Überprüfen Sie den ausgewählten Widerstand R mit einer direkten Widerstandsmessung im spannungsfreien Zustand. Bauen Sie die Schaltung mit dem Widerstand R auf. Messschaltung mit R = 330 Ω Kennzeichnung Benennung Werte R Widerstand 330 Ω/2 W Digital-Multimeter Grundlagen-Netzteil EduTrainer Geräteliste Verändern Sie die Spannung von U = 0 V bis U = 10 V in 2 V-Schritten und messen Sie jeweils die Stromstärke I. Tragen Sie die Messergebnisse in das Messprotokoll ein. Festo Didactic GmbH & Co. KG

38 Spannung U (V) Strom I (ma) ,9 4 11, ,6 8 23, ,33 Messprotokoll: I= f(u), R = 330 Ω Stellen Sie die Messergebnisse grafisch dar. Übertragen Sie dazu die Werte aus dem Messprotokoll in das Diagramm. U-I-Kennlinie, R = 330 Ω Beschreiben Sie die Abhängigkeit des Stromes I von der Spannung U bei konstantem Widerstand R. Die U-I-Kennlinie bildet eine Gerade. Das bedeutet: Wenn die Spannung erhöht wird, so erhöht sich die Stromstärke in gleichem Maße. Der Strom verhält sich proportional zur Spannung. I ~U 16 Festo Didactic GmbH & Co. KG

39 R-I-Kennlinie eines Ohm schen Widerstandes Nehmen Sie nun die Kennlinie I = f(r) bei konstanter Spannung auf. Bauen Sie die Schaltung auf. Messschaltung mit unterschiedlichen Widerständen Kennzeichnung Benennung Werte R Widerstand 100 Ω/2 W R Widerstand 220 Ω/2 W R Widerstand 330 Ω/2 W R Widerstand 470 Ω/2 W R Widerstand 680 Ω/2 W R Widerstand 1 kω/2 W Digital-Multimeter Grundlagen-Netzteil EduTrainer Geräteliste Legen Sie an die Schaltung eine konstante Spannung von U = 10 V an. Schalten Sie 6 bis 8 verschiedene Widerstände zwischen 100 Ω und 1 kω in den Stromkreis und messen Sie jeweils die Stromstärke I. Tragen Sie die Messergebnisse in das Messprotokoll ein. Tragen Sie die verwendeten Widerstände in die Geräteliste ein. Festo Didactic GmbH & Co. KG

40 Widerstand R (Ω) Strom I (ma) , , , , , ,9 Messprotokoll: I = f(r), U = 10 V Stellen Sie die Messergebnisse grafisch dar. Übertragen Sie dazu die Werte aus dem Messprotokoll in das Diagramm. R-I-Kennlinie, U = 10 V 18 Festo Didactic GmbH & Co. KG

41 Beschreiben Sie die Abhängigkeit der Stromstärke I vom Widerstand R bei konstanter Spannung U. Bei steigendem Widerstand wird der Strom kleiner. Der Strom verhält sich umgekehrt proportional zum Widerstand. 1 I~ R Festo Didactic GmbH & Co. KG

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43 Inhalt Aufgaben und Arbeitsblätter Aufgabe 1: Analysieren elektrischer Stromkreise und feststellen von Gesetzmäßigkeiten 1 Aufgabe 2: Analysieren von Widerständen 21 Aufgabe 3: Bestimmen des Vorwiderstandes für eine Leuchtdiode 29 Aufgabe 4: Erweitern einer Schaltung um einen elektrischen Verbraucher 41 Aufgabe 5: Ermitteln der elektrischen Leistung für zwei Schaltungsvarianten 55 Aufgabe 6: Auswählen von Messschaltungen 67 Aufgabe 7: Entwickeln einer Schaltung für einen Spannungsteiler 77 Aufgabe 8: Entwickeln von Schutzschaltungen für eine Bohrmaschine 91 Aufgabe 9: Aufbauen einer Gleichspannungsquelle 107 Aufgabe 10: Auswählen eines Kondensators mit kurzer Ladezeit 123 Festo Didactic GmbH & Co. KG I

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45 Aufgabe 1 Analysieren elektrischer Stromkreise und feststellen von Gesetzmäßigkeiten Lernziele Wenn Sie diese Aufgabe bearbeitet haben, können Sie die elektrischen Grundgrößen Spannung, Strom und Widerstand interpretieren und mit diesen Größen Berechnungen durchführen. kennen Sie das Ohm'sche Gesetz und können den Zusammenhang messtechnisch ermitteln und darstellen. können Sie elektrische Größen messtechnisch erfassen und bewerten. können Sie geeignete Messgeräte zur Durchführung von Messungen einsetzen. Problemstellung Sie arbeiten künftig bei der Planung und Umsetzung von Beleuchtungsanlagen mit. Sie sollen sich deshalb mit den Gesetzmäßigkeiten einfacher Stromkreise und der zugehörigen Messtechnik vertraut machen. Informationen für die Einarbeitung entnehmen Sie aus Fachbüchern, Tabellenbüchern und aus dem Internet. Schaltung Laborarbeitsplatz Festo Didactic GmbH & Co. KG

46 Arbeitsaufträge 1. Erarbeiten Sie sich die elektrotechnischen Zusammenhänge, die sich beim Betrieb einer Lampe ergeben. Verwenden Sie dazu die vorbereiteten Arbeitsblätter. 2. Informieren Sie sich über digitale und analoge Multimeter und beantworten Sie die Fragen. 3. Wählen Sie ein geeignetes Messgerät für Ihre Messungen von Strom, Spannung und Widerstand in Gleichstrom-Schaltungen aus. 4. Informieren Sie sich, wie Sie beim Messen von Spannung, Strom und Widerstand vorgehen und beantworten Sie die Fragen. 5. Nehmen Sie Messungen zum Ohm schen Gesetz in einer einfachen elektrischen Schaltung vor. 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 Name: Datum: Festo Didactic GmbH & Co. KG

47 Beschreiben der Zusammenhänge im elektrischen Stromkreis Erarbeiten Sie die Gesetzmäßigkeiten, die beim Betrieb einer Lampe gelten. Mit diesen Informationen können Sie einfache Schaltungen dimensionieren. Bestandteile eines Stromkreises Beschreiben Sie die wesentlichen Bestandteile eines einfachen Stromkreises. Vervollständigen Sie den elektrischen Stromkreis so, dass ein einfacher, geschlossener Stromkreis entsteht. Tragen Sie die elektrischen Größen als Pfeile mit Bezeichnung in den Stromkreis ein. + + Stromkreis mit Widerstand als Verbraucher Stromkreis mit Lampe als Verbraucher Festo Didactic GmbH & Co. KG Name: Datum: 3

48 Stromrichtung Elektrische Spannung entsteht durch Trennen von positiven und negativen Ladungen. negative Ladung: Elektronenüberschuss positive Ladung: Elektronenmangel Beschreiben Sie, was man unter technischer Stromrichtung und was unter physikalischer Stromrichtung versteht. Tragen Sie in den abgebildeten Schaltplan die technische und die physikalische Stromrichtung ein. + P Stromrichtung im Stromkreis 4 Name: Datum: Festo Didactic GmbH & Co. KG

49 Elektrische Grundgrößen Vervollständigen Sie die Tabelle zu den elektrischen Grundgrößen. Tragen Sie eine kurze Beschreibung, das Formelzeichen und die physikalische Einheit ein. Elektrische Größe Beschreibung Formelzeichen Maßeinheit Elektrischer Strom Elektrische Spannung Elektrischer Widerstand Elektrische Grundgrößen Ohm sches Gesetz Beschreiben Sie den Zusammenhang zwischen Strom, Spannung und Widerstand. Er ist im Ohm schen Gesetz formuliert. Information Das Ohm sche Gesetz gilt nur für Ohm sche Widerstände. Ohm sche Widerstände sind lineare Widerstände. Festo Didactic GmbH & Co. KG Name: Datum: 5

50 Beschreiben Sie, was einen Ohm schen Widerstand kennzeichnet. Berechnen Sie den Widerstandswert der Lampe, wenn bei einer angelegten Spannung von 12 V ein Strom von 0,062 A fließt. Information Glühlampen verhalten sich nach dem Einschaltvorgang wie Ohm sche Widerstände. Gegeben Spannung Stromstärke U = 12 V I = 62 ma Gesucht Widerstand R in Ω Rechnung 6 Name: Datum: Festo Didactic GmbH & Co. KG