Schaltungen der Elektrotechnik und Elektronik - verstehen und lösen mit NI Multisim

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1 Schaltungen der Elektrotechnik und Elektronik - verstehen und lösen mit NI Multisim Ein Übungs- und Arbeitsbuch von Jürgen Liepe 2., aktualisierte Auflage Hanser München 2010 Verlag C.H. Beck im Internet: ISBN Zu Inhaltsverzeichnis schnell und portofrei erhältlich bei beck-shop.de DIE FACHBUCHHANDLUNG

2 Leseprobe Jürgen Liepe Schaltungen der Elektrotechnik und Elektronik - verstehen und lösen mit NI Multisim Ein Übungs- und Arbeitsbuch ISBN: Weitere Informationen oder Bestellungen unter sowie im Buchhandel. Carl Hanser Verlag, München

3 2 Gleichstromkreis 2.1 Grundstromkreis Ein elektrischer Grundstromkreis besteht aus dem aktiven Zweipol (der Spannungsquelle)und dem passiven Zweipol (demverbraucher). Im aktiven Zweipol wird nichtelektrische in elektrische Energie und im passiven Zweipol elektrischeinnichtelektrischeenergiegewandelt. Die Kenngrößen des Grundstromkreisessind: Quellenspannung Uo Klemmenspannung U StromstärkeI Innenwiderstand Ri Außenwiderstand Ra Hinweis: Bei vielen Schaltungen, so auch bei Schaltungsuntersuchungen mit MULTI- SIM, wird der Innenwiderstand vernachlässigt. Dann sind Quellen- und Klemmenspannung gleichgroß. Spannung und Stromstärke sind vorzeichenbehaftete, skalare Größen, die durch Richtungspfeile dargestellt werden. Esist festgelegt: Eine Spannungist positiv, wennsie vompositiveren zum negativeren Potenzialgerichtet ist. Die Stromstärke ist positiv, wennder Strom vompositiveren zumnegativeren Potenzialfließt. Der Zusammenhang zwischen der Spannung, der Stromstärke und dem Widerstand wird durch dasohmschegesetzbeschrieben: U = I R In unserem ersten Übungsbeispiel wollen wir in dem Programm MULTISIM die Grundlagen zum Erstellen und zur Überprüfung einer Schaltungkennen lernen.

4 74 2Gleichstromkreis Übungsbeispiel 2.1: Erstellen undüberprüfeneiner Schaltung Bauen Sie einen Grundstromkreis mit einer Quellenspannung von 100 V, einem Innenwiderstand von 20 und einem Außenwiderstand von 80 auf. Weisen Sie die Spannungs- und Stromrichtung nach. Der Aufbau der Schaltung soll mit idealen Bauelementen erfolgen. Diese werden bei MULTISIM als virtuelle Bauelemente bezeichnet. Schritt 1: Eine neue Schaltung beginnen Öffnen Sie das Programm MULTISIM. Nach dem Öffnen wird die leere Datei SCHAL- TUNG 1 ausgegeben. Wählen Sie Optionen, vereinfachte Version aus. Mit Datei, Speichern unter bestimmen Sie ihren Speicherort. Benennen Sie die Datei beispielsweise mitüb2_1. Bild 2.1 Arbeitsoberflächevon MULTISIM,vereinfachteVersion Legen Sie im Menü Optionen die Blatteigenschaften fest. Vorteilhaft ist die Einblendung des Rasters in die Arbeitsoberfläche. Sie finden dazu einen Schalter unter Optionen, Blatteigenschaften, Arbeitsbereich. In diesem Menüpunkt können Sie noch bei Allgemeine Einstellungen im Register Speichern den Speicherort für diedateien und im Register Teile die gewünschte Symbolnorm (DIN oder ANSI) festlegen. Wenn Siein diesemmenü noch das RegisterSchaltung aufrufen, können Sie festlegen,welche Bauteilbezeichnungen angegeben werden sollen und welche Farben Sie in der Schaltung benutzen möchten.

5 2.1 Grundstromkreis 75 Bild 2.2 Festlegung vonblatteigenschaften Schritt 2: Auswahlder Bauelemente Wählen Siedie Bauelementeüber dietoolbar Virtuelle Bauelemente aus(oder über Platzieren, Bauteil). Soll ein Bauelement gedreht werden, rufen Sie das Menü Bearbeiten auf. Hier finden Sie den Befehl Bauelement drehen. Schneller geht es mit der Tastenkombination <Ctrl>+<R>. Bild 2.3 Auswahl derbauelemente Hinweis: Für die Simulation benötigt MULTISIM einen Bezugspunkt. Dazu schließen Sie an den Minuspol der Spannungsquelle die Masse an(toolbar Stromquellen-Familie). Da das Masse-Symbol in jeder Schaltung benötigt wird, ist es effektiv, das Masse- Symbol über eintastenkürzel, wieimabschnitt 1.3.1erklärt wird,festzulegen.

6 76 2Gleichstromkreis Schritt 3: Dimensionierungund Bezeichnungder Bauelemente Ein Doppelklick auf das jeweilige Bauelement öffnet das Fenster Basic virtuell. Bild 2.4 Dimensionierung und Bezeichnung der Bauelemente Im Register Wert geben wir den gewünschten Widerstandswert ein und bestätigen mit OK. Wir wechseln nun zum Register Etikette und ändern dort die Widerstandsbezeichnung in Ri bzw.raum. Schritt 4: Verbinden der Bauelemente Nachdem wir alle Bauelemente platziert haben, verbinden wir sie. Dabei können wir zwischen der automatischenund der manuellen Verbindungwählen. Beider automatischen Verbindung gehen Sie mit der Maus an einen Anschlusspunkt des Bauelementes. Nach einem Mausklick wandelt sich der Mauszeiger in ein Fadenkreuz.Ziehen Sie bei gedrückter Maus-Taste das Fadenkreuz direkt zum nächsten gewünschten Anschlusspunkt. Lassen Sienun diemaus-taste los.die Leiterbahnen bauen sich selbständig auf und verlaufen in einerbestimmten vertikalen oder horizontalen Richtung. Beim manuellen Verbindungsaufbau klicken Sie ebenfalls den ersten Anschlusspunkt an, führen aber jetzt die gedrückte Maus entlangdes gewünschten Leitungsweges in horizontaler oder vertikaler Richtung. Soll die Richtung geändert werden, muss ein Mausklick erfolgen und dann mit der gedrücktenmaus-tasteindie neue Richtunggeführt werden. Die Lage eines bestehenden Leiterzuges lässt sich ändern, wenn Sie den Mauszeiger an eine Leiterbahn führen. Dann ändert ersich in einen Doppelpfeil, den Sie in die angezeigten Richtungen verschieben können. Bei der Verbindung sind Leitungskreuzungen möglich. Eine Verbindung an einer Kreuzung entsteht nur, wenn ein Knotenpunkt gesetzt wird. In einen bestehenden Leiterzug kann ein Bauteil (Bauelement oder Messinstrument) direkt eingebunden werden, indem wir das Bauteil in den Leiterzug verschieben. Dazu klicken wir das Bauteil an und ziehen es bei gedrückter linker Maus-Taste in den Leiterzug.Wennwirdie Maus-Taste lösen,ist dasbauteileingebunden.

7 2.1 Grundstromkreis 77 Bild 2.5 Verbinden derbauelemente Für die Leitungen kann eine Netznummerierung angezeigt werden. Dazu müssen wir unter Optionen, Blatteigenschaften das Register Schaltung öffnen und dort bei Netzname denschalter Allesanzeigen aktivieren. Schritt 5: Einbau der Messinstrumente Zur Schaltungsuntersuchung benötigen wir Messinstrumente, wobei wir zwischen virtuellen und realen Messinstrumenten wählen können. Wir finden sie in verschiedenen Toolbars. Die virtuellen Instrumente sind in der Symbolleiste virtuell unter dem Button mit dem Instrumentensymbol untergebracht (siehe Bild 2.6). Beim Anklicken öffnet sich ein Kontextmenü, in dem wir die benötigten Instrumente auswählen können. Es ist auch möglich, dieseparatetoolbox Messbauelemente in die Menüleiste einzufügen. Bild 2.6 Einbau der Messinstrumente

8 78 2Gleichstromkreis Die realen Instrumente können wir unter Simulieren, Instrumente oder in der Toolbox Instrumente finden. Die Instrumente können entsprechend der benötigten Zahl beliebig kopiert werden. Achten Sie beim Anschluss auf die Einstellung der richtigen Spannungsart (Modus) und auf die Polung. Schritt 6: Simulation der Schaltung Für die Schaltungssimulation betätigen Sie den Schalter, der sich rechtsoben in der Menüleistebefindet, odersie gehen über Simulation, Start. Inder Statusleistewird die laufende Simulation erkennbar. Bild 2.7 Simulation Überprüfen Sie durch eineberechnung die angezeigten Ergebnisse. Hinweis: Beenden Sie nach dem Anzeigen der Werte die Simulation wieder. Sie ersparen Ihrem PC fortlaufende Rechenarbeit.

9 2.2Reihenschaltungvon Widerständen 79 Aufgabe 2.1 Ein Verbraucher mit einem Widerstand von 30 benötigt eine negative Spannung, die von einer Spannungsquelle mit einer Quellenspannung von 10V und einem Innenwiderstandvon 0,5 geliefert werden soll.entwickelnsie dieschaltungund ermitteln Siealle Schaltungsgrößen. 2.2 Reihenschaltung vonwiderständen Bei der Reihenschaltung sind alle Bauelemente hintereinandergeschaltet. Es gelten folgende Gesetzmäßigkeiten: Der fließende Strom ist an allen Stellen des Stromkreises gleich groß. Er ist deshalb die Bezugsgröße. I =konst. Die Summe aller Widerstände ergibt den Gesamtwiderstand. R 1+ R2 + R3 = R An jedemwiderstand entsteht ein Spannungsabfall, dersich proportionalzur Größedes Widerstandes verhält. U R 1 = I R1 U R 2 = I R2 U R 3 = I R3 Die Summe der Spannungsabfälle über den Widerständen ergibt die Klemmenspannung. U + U + U = U 2. KirchhoffschesGesetz R1 R2 R3 Die Spannungsabfälle verhalten sich wie die Widerstände,über denen sie abfallen. U R 1 R1 U = oder R1 R1 = Spannungsteiler-Regel U R2 U R1 + R2 + R3 R2 Bild 2.8 Reihenschaltung von Widerständen