N & T (R) 7 Elektronik (Schaltungen) 01 Name: Vorname: Datum:

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1 N & T (R) 7 Elektronik (Schaltungen) 01 Name: Vorname: Datum: Bis jetzt war der Stromkreislauf immer sehr eindeutig. Der Strom floss vom Plus zum Minus und nur der Leiter mit der Spannung (die sogenannte Phase) ist für den Menschen gefährlich. Die Bahnschienen, die ebenfalls Teil des Stromkreises von der Eisenbahn sind, sind ohne Spannung und deshalb für den Menschen ungefährlich. Diesen Strom nennt man Gleichstrom (im Englischen DC). Übliches Symbol für Geräte, die Gleichstrom brauchen oder diesen produzieren ist das abgebildete rechts. Nur die Solarzelle und Akkus liefern Gleichstrom. Alle anderen stromerzeugenden Geräte, wie Turbinen, Dynamos, Windräder und so weiter liefern den so genannten Wechselstrom (im Englischen AC). Beim Wechselstrom ändert der Pluspol und der Minuspol ständig, und zwar in praktisch allen europäischen Ländern 50 Mal pro Sekunde (50 Hz). Das Symbol für den Wechselstrom ist eine Wellenlinie wie rechts abgebildet. Der Strom aus der Steckdose, wie wir sie in der Schweiz haben, ist 220 V bis 230 V Wechselstrom mit 50 Hz (gilt auch für D, A, F, I, GB usw.). Aus diesem Grund sind bei den Steckdosen zwei Pole mit Spannung und deshalb auch gefährlich. In den USA haben die Steckdosen 110 V mit 60 Hz. Geräte brauchen je nach Typ entweder Gleich- oder Wechselstrom, manche funktionieren mit beiden. Es ist möglich. Wechsel- in Gleichstrom umzuwandeln (einfach) aber auch Gleich- in Wechselstrom (komplizierter). Aufgabe 1: Die Abbildung links zeigt einen Adapter für einen Laptop (Die LP hat ihn. Er wurde hergestellt in China, lokalisiert für Schweden, eingesetzt in der Schweiz). Dieser Adapter verändert den Strom. Der Strom, der in den Adapter kommt (INPUT) ist nicht gleich dem Strom, der den Adapter verlässt (OUTPUT). Auch wenn nicht alles lesbar ist, hat man alle wichtigen Informationen. a) Kann der Adapter am Schweizer Stromnetz (220V, Wechselstrom, 50 Hz) angeschlossen werden? b) Kann der Adapter am Amerikanischen Stromnetz (110 V, Wechselstrom, 60 Hz) angeschlossen werden? c) Welchen Stromtyp (Gleich- oder Wechselstrom) mit welcher Spannung braucht der Laptop? d) Welchen Innenwiderstand wird der daran angeschlossene Laptop haben? e) Der Stecker des Laptops ist ein so genannter Rundstecker. Ein Leiter ist aussen rundherum, einer im inneren. Welcher ist der Plus-Leiter? (Ein Symbol auf dem Adapter erklärt es.)

2 N & T (R) 7 Elektronik (Schaltungen) 01 Aufgabe 2: Suche zu Hause nach Adaptern oder Geräten und schaue bei mindestens drei von ihnen folgende Dinge nach: a) Sind sie für das amerikanische Netz geeignet? b) Braucht das daran angeschlossene Gerät Gleich- oder Wechselstrom? c) Welche Spannung benötigt das angeschlossene Gerät? 1. Gerät: a) b) c) 2. Gerät: a) b) c) 3. Gerät: a) b) c) 4. Gerät: a) b) c) Der Sinn von Gleichstrom ist schnell erkennbar: Nur ein Pol ist gefährlich, der Strom ist gut kontrollierbar, speichern (in Akku(mulatoren)) kann man den Strom nur als Gleichstrom. Berührungen des Menschen mit Gleichstrom geben einen Schlag und ermöglichen dem Menschen loszulassen. Welchen Sinn hat also der Wechselstrom? Er ist gefährlicher und das nicht nur, weil man hohe Wechselströme nicht mehr loslassen kann. Er braucht zwei geschützte Leiter und muss oft wieder zurück in Gleichstrom umgewandelt werden. Es gibt jedoch drei wichtige Gründe für den Wechselstrom. 1. Alle grossen Kraftwerke (Wasserkraftwerke, Kernkraftwerke und auch Windkraftwerke) erzeugen Wechselstrom. 2. Wechselstrom lässt sich mit weniger Verlust über grosse Distanzen transportieren. 3. Wechselstromspannungen lassen sich leichter erhöhen oder senken. Es haben somit alle Hochspannungsleitungen Wechselstrom. Auch Wechselstrom muss zwei Leiter haben, damit Strom fliessen kann. Es wechselt dabei sehr schnell ab, welcher der beiden Seiten das Plus ist und welcher Minus, aber es muss immer beide geben.

3 N & T (R) 7 Elektronik (Schaltungen) 02 Name: Vorname: Datum: Aufgabe 1: Baue folgende Schaltungen und berechne den Gesamtwiderstand: Denke daran, dass du den Gesamtwiderstand über die Spannung und den gemessenen Strom bestimmen kannst. a) I = / R Total = 330 Ω 100 Ω b) I = / R Total = 15 kω 10 kω c) I = / R Total = 44 Ω 100 Ω d) I = / R Total = 10 kω 3 kω 330 Ω 100 Ω 44 Ω 15 kω 10 kω 3 kω e) I = / R Total = f) I = / R Total = g) I = / R Total = h) I = / R Total = 330 Ω 3 kω 100 Ω 10 kω 330 Ω 3 kω Aufgabe 2: Gibt es eine Regel für diese Art Schaltung aus Aufgabe 1? Man nennt es eine Serieschaltung, wenn mehrere Widerstände aneinander gehängt werden. Aufgabe 3: Man kann auch gut Glühbirnen in Serie schalten. Was geschieht, wenn eine der Glühbirnen kaputt geht, also der Draht reisst?

4 N & T (R) 7 Elektronik (Schaltungen) 02 Aufgabe 4: I) Die angelegte Spannung beträgt 12 V. a) Den Gesamtwiderstand: b) Den gemessenen Strom: 120 Ω 150 Ω 210 Ω II) Die angelegte Spannung beträgt 220 V. a) Den Gesamtwiderstand: b) Den gemessenen Strom: 10 kω 3 kω 800 Ω III) Der gemessene Strom beträgt 25 V. a) Den Gesamtwiderstand: b) Den gemessenen Strom: 300 Ω 145 Ω 470 Ω IV) Der gemessene Strom beträgt 0,045 A. a) Den Gesamtwiderstand: b) Die angelegte Spannung: 300 Ω 1,2 kω 1,5 kω V) Der gemessene Strom beträgt 2 A. a) Den Gesamtwiderstand: b) Die angelegte Spannung: 30 Ω 59 Ω 47 Ω VI) Der gemessene Strom beträgt 15 ma. Berechne a) Den Gesamtwiderstand: b) Die angelegte Spannung: 250 Ω 100 Ω 470 Ω VII) In einer Lichterkette hängen 50 kleine Lämpchen in Serie aneinander. Jedes Lämpchen hat einen Widerstand von 20 Ω. Welche Spannung muss angelegt werden, wenn die Lämpchen zum Leuchten mindestens einen Strom von 45 ma benötigen? VIII) An 220 V werden 10 gleiche Widerstände angehängt. Der Stromfluss wird mit 440 ma gemessen. Wie gross ist einer dieser Widerstände?

5 N & T (R) 7 Elektronik (Schaltungen) 03 Name: Vorname: Datum: Aufgabe 1: Baue folgende Schaltungen und berechne den Gesamtwiderstand: Denke daran, dass du den Gesamtwiderstand über die Spannung und den gemessenen Strom bestimmen kannst. a) I = b) I = R Total = 330 Ω R Total = 10 kω 100 Ω 15 kω c) I = d) I = R Total = 44 Ω R Total = 10 kω 100 Ω 3 kω e) I = f) I = 330 Ω 10 kω R Total = R Total = 44 Ω 3 kω 100 Ω 15 kω g) I = h) I = 330 Ω 10 kω R Total = R Total = 3 kω 330 Ω 100 Ω 3 kω Aufgabe 2: Gibt es eine Regel für diese Art Schaltung aus Aufgabe 1? Man nennt es eine Parallelschaltung, wenn mehrere Widerstände nebeneinander gehängt werden. Aufgabe 3: Man kann auch gut Glühbirnen parallel schalten. Was geschieht, wenn eine der Glühbirnen kaputt geht, also der Draht reisst?

6 N & T (R) 7 Elektronik (Schaltungen) 03 Aufgabe 4: I) Die angelegte Spannung beträgt 12 V. a) Den Gesamtwiderstand: 120 Ω b) Den gemessenen Strom: 150 Ω 210 Ω II) Die angelegte Spannung beträgt 220 V. 10 kω a) Den Gesamtwiderstand: 3 kω b) Den gemessenen Strom: 800 Ω III) Der angelegte Spannung beträgt 25 V. a) Den Gesamtwiderstand: 300 Ω b) Den gemessenen Strom: 145 Ω 470 Ω IV) Der gemessene Strom beträgt 1,06 A. 300 Ω a) Den Gesamtwiderstand: 1,2 kω b) Die angelegte Spannung: 1,5 kω V) Der gemessene Strom beträgt 14 A. a) Den Gesamtwiderstand: 30 Ω b) Die angelegte Spannung: 47 Ω 75 VI) Der gemessene Strom beträgt 250 ma. 75 a) Den Gesamtwiderstand: 100 Ω b) Die angelegte Spannung: 140 Ω VII) In einer Lichterkette sind 50 kleine Lämpchen in parallel geschaltet. Jedes Lämpchen hat einen Widerstand von 20 Ω. Welche Spannung muss angelegt werden, wenn die Lämpchen zum Leuchten mindestens einen Strom von 4,5 A benötigen? VIII) An 220 V werden 10 gleiche Widerstände parallel angehängt. Der Stromfluss wird mit 440 ma gemessen. Wie gross ist einer dieser Widerstände?

7 N & T (R) 7 Elektronik (Schaltungen) 04 Name: Vorname: Datum: Der Gesamtwiderstand ist: RTotal R1 R2 R3... R n bei serieller Anordnung und R R R R bei paralleler Anordnung. Total R n Die Spannung der Quelle ändert sich im Normalfall nicht. Sie bleibt konstant. Allerdings ist sie nicht für alle Widerstände gleich. Bei parallelen Widerständen haben alle Widerstände die gleiche Spannung. Es ist jeweils die Spannung der Quelle. Es gilt darum: U U U U ITotal I1 I 2 I 3... I n weil ITotal.... R1 R2 R3 Rn Bei seriellen Widerständen ist die Spannung entsprechend dem Widerstand. Das liegt daran, dass die Spannung über alle Widerstände verteilt wird. Zudem kann der Strom im Verlauf eines Leiters nicht plötzlich ändern. Es gilt hier: U ITotal I1 I 2 I 3... I n sowie ITotal R R R... R Mit dem Taschenrechner tippt man: [Wert R 1 ] [1/x] [+] [Wert R 2 ] [1/x] [+]... [Wert R n ] [1/x] [=] [1/x] [=] 1 Aufgabe 1: a) Wenn man den Strom mit einem Amperemeter bestimmen möchte, muss dieser seriell oder parallel in den Stromkreis kommen? Erkläre. b) Wenn man die Spannung mit einem Voltmeter bestimmen möchte, muss dieser seriell oder parallel in den Stromkreis kommen? Erkläre. Aufgabe 2: Wenn an einer Steckdose mehrere Geräte angesteckt werden, sind diese dann parallel oder seriell am Stromkreis. Aus welchem Grund müssen sie so geschaltet sein? Wo liegt das Problem einer solchen Schaltung? 2 3 n

8 N & T (R) 7 Elektronik (Schaltungen) 04 Bestimme bei folgenden Schaltungen jeweils den Gesamtwiderstand und die gesuchten Stromwerte: U = 12 V U = 12 V Bei solchen Aufgaben rechnet man von innen nach aussen! Die Widerstände 200 und 300 sind Die Widerstände 200 und 300 sind in Serie: = 500. parallel: 1/(1/ /300 ) = 120. Der oben berechnete Widerstand ist mit Der oben berechnete Widerstand ist mit den 250 parallel: den 250 in Serie: 1/(1/ /250 ) = 166, = 370 Der Strom ist I = U/R = 12/166,7 = 72 ma Der Strom ist I = U/R = 12/370 = 32,4 ma Aufgabe 3: Berechne bei den folgenden Aufgaben jeweils den Gesamtwiderstand und den Strom: a) 220 V b) 12 V c) 45 V R Total = R Total = R Total = I = I = I = d) 220 V e) 12 V f) 45 V R Total = R Total = R Total = I = I = I =

9 N & T (R) 7 Elektronik (Schaltungen) 05 Name: Vorname: Datum: Mit Strom kann Licht erzeugt werden und das auf ganz verschiedene Arten: - Glühbirnen - Halogenlampen - Fluoreszenzlampen - Leuchtdioden (LED) und noch weitere Typen. Die Funktionsweise der verschiedenen Lichterzeuger soll nun im Detail betrachtet werden: Wenn hohe Ströme durch einen dünnen Draht mit viel Widerstand geleitet werden, dann erwärmt sich dieser Draht. Mit steigendem Strom und längerer Dauer wird dieser Draht immer heisser. Bei sehr hohen Temperaturen beginnt der Draht schliesslich zu glühen. Dabei gibt er Licht ab. Je dünner der Draht und je höher der Widerstand des Metalls, desto stärker und damit heller wird das Glühen. Dieses Prinzip wird in der Glühbirne bzw. Glühlampe angewendet. Diese hohen Temperaturen, die Oxydation beim Glühen und der Wechsel von Strom und nicht-strom (Ein- und Ausschalten) hält kein Stoff auf längere Zeit aus. Es gibt jedoch Möglichkeiten, wie man die Lebensdauer der Glühdrähte erhöhen kann: 1. Stoffe, die hohe Temperaturen aushalten: Kohlenstoff (> 4000 C) Platin (1770 C) Tantal (2800 C) Wolfram (3400 C) Standard in Glühbirnen 2. Verhinderung der Oxidation: Abpumpen von Sauerstoff: Vakuum Ersetzen des Sauerstoffs: Stickstoff, Neon, Krypton, Argon Aufgabe 1: Beschrifte die Einzelteile der Glühbirne: Einsetzen musst du die Worte: Fassung, Gewinde, Glaskolben, Glühwendel, Isolation, Kontakt, Kontaktdraht, Kontaktdraht 1) 2) 3) 1) 2) 3)

10 N & T (R) 7 Elektronik (Schaltungen) 05 Aufgabe 2: Das Kernstück der Glühbirne ist der Glühwendel. Es ist ein rund 80 cm langer Wolframdraht mit 0,024 mm Durchmesser, der rund 3500 Primärwicklungen und rund 150 Sekundärwicklungen hat. So aufgewickelt ist er noch rund 2,5 cm lang. Skizziere einen einfachen Wendel (Primärwicklung) Skizziere einen Doppelwendel (Primär- und Sekundärwicklung) Praktisch den gleichen Aufbau wie Glühbirnen haben so genannte Halogenlampen. Der grosse Unterschied besteht darin, dass es im Glaskörper noch einen weiteren Glaskörper hat. Dieser Glaskörper ist mit einem Halogen (meist Brom oder Iod) gefüllt und hat den Effekt, dass die Glühbirne mit weniger Strom die gleich grosse Leuchtkraft erreicht und die rund doppelte Lebensdauer hat. Die Stromersparnis ist rund 30 %, was im Vergleich zu Energiesparlampen sehr klein ist. Normale Glühbirne / Halogenglühbirne Noch nicht allzu lange ebenfalls im Angebot sind Leuchtdioden. (Licht emittierende Diode = LED). Sie wurden schon lange als kleine Lichtlein bei elektronischen Geräten verwendet, aber erst in jüngster Zeit sind sie auch dabei, den Glühbirnenmarkt zu erobern. LED haben die gleichen Vorteile wie normale Glühbirnen und Halogenlampen: Sie geben sofort Licht, sind dimmbar und ermöglichen warmes Licht. Die Energieersparnis von LED liegt bei knapp 90 %, die Lebensdauer ist mehr als das 10-fache. Verantwortlich für das Licht in einer LED ist der Stromdurchfluss durch einen Halbleiterkristall aus Galliumarsenid. Wenn Elektronen durch den Kristall fliessen, leuchtet er auf. Einziger Nachteil der LED ist, dass sie nur bei richtig gepoltem Gleichstrom brennen, während andere Glühbirnen sowohl bei Gleich- wie auch bei Wechselstrom brennen.

11 N & T (R) 7 Elektronik (Schaltungen) 06 Name: Vorname: Datum: Eine sehr grosse Stromersparnis wie LED haben die Fluoreszenzlampen, oft auch Leuchtstoff- oder (Strom)sparlampen genannt. Sie brauchen gut 80 % weniger Strom und haben eine rund 10-fache Lebensdauer im Vergleich zu normalen Glühbirnen. Hauptgrund für die Stromersparnis sind die tieferen Betriebstemperaturen. Die Funktionsweise einer solchen Lampe ist kompliziert: Das Innere der Lampe ist mit einem Gas (Argon) gefüllt. Der manchmal gebrauchte Begriff Neonröhren ist falsch, da diese Lampen nicht mehr Neon enthalten. Das Gas im Innern der Lampe leitet sehr schlecht. Wenn eine Spannung angelegt wird, fliesst durch das Gas kein Strom. Sie leuchtet nicht. Damit der Stromkreis geschlossen ist, fliesst der Strom durch den Starter. Durch den Stromfluss entsteht an den beiden Elektroden eine stetig wachsende Spannung. Wenn sie genug hoch ist, fliesst der Strom auch durch das Gas: Die Lampe leuchtet und der Starter kann abstellen. Aus diesem Grund dauert es immer etwas, bis eine Leuchtstofflampe leuchtet und noch etwas länger, bis sie richtig hell ist. Gerade bei Lampen, die viel und lange brennen (wie zum Beispiel in diesem Schulzimmer) rentieren solche Lampen durch ihren deutlich geringeren Stromverbrauch. Je nach Aufbau der Lampe ist der gasgefüllt Leuchtkörper gerade, einfach gebogen oder sogar gewunden. Auf die Funktionsweise hat dies keinen Einfluss. Leuchtstoff- oder Fluoreszenzlampen in verschiedenen Ausführungsformen. Moderne Stromsparlampen kommen auch ohne das Quecksilber aus, das die Eigenschaft hat, das unangenhme Lichtspektrum des Gases in ein angenehmes zu verwandeln. Aufgabe 1: Setze die richtigen Kreuzchen (es sind 11): 100 % 70 % Strom Strom normale Glühbirne Halogenglühbirne Leuchtdiode Fluoreszenzlampe 15 % Strom Wechselstrom Gleichstrom Startverzögerung

12 N & T (R) 7 Elektronik (Schaltungen) 06 Stromkosten: In der Schweiz zahlt man den Strom pro kwh (Kilowattstunde). Er liegt unter Berücksichtigung verschiedener Faktoren wie Grund- und Anschlussgebühren bei rund 15 Rp. pro kwh. Eine Kilowattstunde ist die Strommenge, die ein Gerät braucht um eine Stunde lang mit 1000 W = 1 kw zu laufen. Dabei zahlt man weder für die Spannung noch für den eigentlichen Strom, sondern für das Produkt der beiden: Leistung Spannung Strom P U I 1 Watt 1 Volt 1 Ampere Energie Leistung Zeit E P t 1 kwh 1 kw 1 h Beispiel: Der schon oft erwähnte Laptop arbeitet mit 19 V Spannung und 4,74 A. Er braucht also 19 4,74 = 90 W = 0,09 kw unter Volllast. Wenn er zwei Stunden läuft, sind das: 0,09 2 = 0,18 kwh. Das entspricht rund 2,7 Rp. Aufgabe 2: Berechne die Stromkosten der folgenden Geräte: a) 2,5h-Spielfilm schauen auf einem Plasmafernseher (230 W): b) 1,5h Spiele spielen an einem High-End-PC (500 W): c) 2h chatten an einem normalen Office-PC (300 W): d) Gericht im Mikrowellenherd erwärmen (6 min = 0,1 h bei 1000 W): e) Haare während 12 Minuten (= 0,2 h) mit einem Fön (2000 W) trocknen: f) Zimmerbeleuchtung (100 W) während 4 Stunden: g) Röhrenfernseher während einem Tag (= 24 Stunden) im Standby-Betrieb (8 W): Die Lehrperson verbindet ein Zinkblech und ein Kupferblech über einen Voltmeter. Aufgabe 3: a) Sie steckt die beiden Bleche mit etwas Abstand in eine saure Frucht, zum Beispiel eine Orange oder Zitrone. Was kannst du feststellen? b) Die Lehrperson Wiederholt den Versuch mit einer Säure. Was stellst du fest?

13 N & T (R) 7 Elektronik (Stromkreis) 07 Name: Vorname: Datum: Solche Versuche, die schon Ende des 18. Jahrhunderts durchgeführt wurden, bildeten die Grundlage für Batterien und Akkumulatoren. Sie waren und sind jedoch mit den heutigen nicht zu vergleichen. Diese galvanischen Elemente haben viele Nachteile: - die Flüssigkeit ist gefährlich und lässt sich nur schwer transportieren - die Zinkelektrode wird durch die Säure zerfressen, dadurch - wird die Spannung mit der Zeit immer geringer - wird der Strom mit der Zeit immer geringer Eine Verbesserung davon war das Leclanché-Element, das um 1886 patentiert wurde. Es war jahrzehntelang die beste Art von Batterie und wurde immer wieder verbessert und verändert, bis sie die heutige Zusammensetzung erreichte, wobei sie heute je nach Verwendung und der Wiederaufladbarkeit stark variieren kann. Typisch sind heutzutage vor allem die Lithiumbatterien, da bei diesen die Selbstentladung geringer ist als bei anderen Modellen. Ob Strom fliessen soll, das wird durch verschiedene Auslöser bestimmt: - Das Licht soll angehen, wenn der Lichtschalter gedrückt wird - Der Feuermelder soll abgehen, wenn eine gewisse Temperatur erreicht ist - Der Wii-Controller soll auf Bewegung reagieren - Ein Touch-Screen soll auf Berührung reagieren - Eine Nachtlampe soll nur Leuchten, wenn es sonst dunkel ist Die Liste liesse sich noch weiter fortführen. Aufgabe 1: a) Schaue einen mechanischen Schalter genau an. Führe einen Versuch damit durch um zu testen, ob wer wie erwartet reagiert. Zeichne auf, wie er funktioniert und ergänze die Darstellung mit Notizen: b) Nenne weitere Beispiele, bei denen es einen mechanischen Schalter hat:

14 N & T (R) 7 Elektronik (Stromkreis) 07 Aufgabe 2: a) Schaue einen Wärmeschalter genau an. Führe auch einen Versuch damit durch, ob es gemäss deiner Erwartung reagiert. Zeichne auf, wie er funktioniert und ergänze die Darstellung mit Notizen. Überlege dir, was man ändern muss, wenn er bei Wärme erst einschalten soll. b) Nenne weitere Beispiele, bei denen es einen Wärmeschalter hat: Aufgabe 3: a) Schaue einen Bewegungsschalter genau an. Mache auch einen Test damit, ob er wie erwartet reagiert. Zeichne auf, wie er funktioniert und ergänze die Darstellung mit Notizen: b) Nenne weitere Beispiele, bei denen es einen Bewegungsschalter hat: Aufgabe 4: a) Schaue einen Berührungsschalter genau an. Mache Versuche damit um zu testen, ob er auf die Art reagiert, wie du es erwartest. Zeichne auf, wie er funktioniert und ergänze die Darstellung mit Notizen: b) Nenne weitere Beispiele, bei denen es einen Berührungsschalter hat: