ELEXBO A-Car-Engineering

Transkript

1 1 Mit dem können auf einfache Weise die Themen: -1 und 3-Phasen-Wechselstrom -Gleichrichtung von Wechselstrom -Transformator -Induktion in der Spule -Eigenschaften eines Gleichstrommotors selbständig und spielerisch erlernt werden. 6-Dioden für Vollweg-3Phasen- Gleichrichtung Trafo mit Wicklungsverhältnis 1 : 10 3-Phasen-Generator mit Dauermagnet-Läufer Graetz-Vollweg- Gleichrichter 1 Spule für Spulen- Funktion

2 Inhalt Der Wechselstrom... 3 Theorie des Wechselstromes... 7 Der Eisenkern... 9 Gleichrichten von Wechselstrom in Gleichstrom Funktion der Vollweg-Gleichrichtung Graetz-Gleichrichter Glättung des welligen Gleichtstromes Dreiphasen-Wechselstrom Die Stern-Schaltung Gleichrichtung von 3-Phasen-Wechselstrom (Drehstrom) Fehlererkennung mit Oszilloskop Leistung der Dreiphasen-Stern-Schaltung Die Dreieck-Schaltung Leistung der Dreiphasen-Dreieck-Schaltung Der Transformator Aufbau des Transformators Diagnose von Dioden- und Wicklungsfehlern Die Spule Grundlagen der Spule Ohmsche Eigenschaften einer Spule Induktive Eigenschaften einer Spule Ladezeit Technische Analyse des Ladevorganges einer Spule Die Induktivität Die Ausschaltinduktion Berechnungen zur Spule physikalisch Der Gleichstrommotor Aufbau und Funktion eines Gleichstrom-Motors Das Feld Gleichstrom-Motor Elektrische Eigenschaften des Gleichstrommotors... 40

3 Der Wechselstrom 3 Dieser Lehrgang führt Sie in der Elektrotechnik ins Thema Wechselstrom/Gleichstrom ein. Bei einer Schaltung mit Batterie und Lampe fliesst der elektrische Strom von Plus nach Minus. Weil der Strom immer in der gleichen Richtung fliesst heisst dies Gleichstrom. Betrachten Sie nun unseren Generator! Er besteht aus folgenden Bauteilen: Rotor mit 4 Dauermagneten Elektro-Motor zum Drehen des Rotors Spule: Dünner aufgewickelter Draht mit 1500 Windungen Vereinfacht wird der Generator als elektrische Schaltung dargestellt: Rotor mit 4 Dauermagneten Rot ist der Plupol, Grün der Minuspol Der rote Punkt zeigt den Nordpol aussen Der Elektro- Motor dient zum schnellen Drehen des Rotors Das Symbol für eine Spule

4 4 Schliessen Sie nun ein Voltmeter an die rechte Spule an: (Das Voltmeter sollte auf DC mit kleinstem Bereich oder Automat eingestellt sein.) Drehen Sie nun den roten Punkt im Uhrzeigersinn an der Spule vorbei Resultat: Es entsteht eine Spannung von ca. 40mV Links in der Anzeige erscheint kein Minus Drehen Sie nun den Rotor um 90 weiter und bewegen den wiederum den Magneten im Uhrzeigersinn. Resultat: Es entsteht auch eine Spannung von ca. 40mV Links neben der Anzeige erscheint ein Minus Was passiert da? Wenn ein Dauermagnet an einer Spule vorbeibewegt wird, werden im Kupferdraht Elektronen bewegt. Je nach Pol und wie die Spule aufgewickelt ist entsteht eine elektrische Spannung. Der Magnet induziert in der Spule eine Spannung Wenn der Nordpol vorbeidreht entsteht eine positive Spannung (kein Vorzeichen am Voltmeter) Wenn der Südpol vorbeidreht eine negative Spannung. Erkenntnis: Die Elektronen bewegen sich im Kupferdraht hin und her und bleiben an der gleichen Stelle. Die Polarität an der Spule wechselt dauernd von + nach Dies ist nun Wechselstrom und heisst englisch AC (alternated current = alternierender Strom)

5 5 Den Rotor kann man jetzt mit dem Elektro-Motor drehen lassen. Bauen Sie diese Schaltung auf: Drehen Sie nun am Potentiometer damit der Magnetrotor mit Höchstdrehzahl dreht. Das Voltmeter zeigt auf Stellung DC (Direct Current) den Wert 0 Volt. Wechseln Sie nun den Voltbereich von DC auf AC (mit Taste Funktion oder V ) Jetzt zeigt das Voltmeter ca. 5 Volt Wechselspannung an. Schliessen Sie nun eine LED an die Spule an: Sobald der Magnetrotor dreht, leuchtet die LED: Der Generator erzeugt jetzt Wechselstrom AC und die LED leuchtet.

6 6 Da der Wechselstrom zeitlich laufend seine Polarität wechselt und dies sehr schnell, kann das Signal besser mit einem Oszilloskop dargestellt werden. Mit dem Oszilloskop sieht das Signal so aus: Nach oben ist es eine Plus- Spannung (5 Volt pro Quadrat) Dies ist die Nullspannungslinie Nach unten ist es eine Minus- Spannung In der waagrechten Linie ist die Zeit dargestellt. 1 Quadrat-Häuschen bedeutet je nach Einstellung am Oszilloskop Sekunden. Angabe auf Oszilloskop = 5mS/Div Foto des Oszilloskop-Signales:

7 7 Theorie des Wechselstromes Je schneller der Magnetrotor dreht, umso grösser ist die Spannung und auch die Geschwindigkeit des Polaritätswechsels nimmt zu. Das Voltmeter zeigte bei Höchstdrehzahl eine Spannung von ca. 5 Volt Wenn das gemessene Signal untersucht wird können jedoch folgende Werte gemessen werden. Vertikal ist ein Spannungs-Bereich von 5 Volt pro Quadrat eingestellt. Waagrecht ist ein Zeit-Bereich von 2ms pro Quadrat eingestellt (0.002 Sekunden pro Häuschen) Der Wert der maximalen Spannung von der Nulllinie bis zum höchsten Wert heisst Amplitude ( 1.5 Div. x 5 Volt = 7.5 Volt) Der Wert der maximalen Spannung von ganz Minus bis ganz Plus heisst Spitzen-Spitzen-Spannung Uss ( 3 Div. x 5 Volt = 15 Volt) Die Zeit von einem Spannungswert bis zum gleichen Spannungswert heisst Periode 5 Div x 2ms = 10ms 1 Periode dauert also 10ms = 0.01 Sekunden Daraus kann nun die Frequenz berechnet werden: f = 1 = 1 =100 Hz Periodendauer 0.01 s Die Einheit für die Frequenz heisst Hertz abgekürzt Hz

8 8 Weitere Werte zum Sinus-Signal Scheitelwert Positive Halbwelle Negative Halbwelle Wenn man nun die Werte des Voltmeters von 5 Volt mit den gemessenen Werten des Oszilloskopes (Spannung maximal 15 Volt) vergleicht stellt man grosse Unterschiede fest. Vereinfachtes Oszilloskopbild U eff ist 5V VV U s ist 7.5 Volt Da die Spannung ansteigt und wieder absinkt erbringt Wechselstrom nicht die Leistung wie Gleichstrom der immer gleichmässig fliesst. Wenn man die Leistungen von Schaltungen von Gleich- und Wechselstrom vergleicht, stellt man fest, dass bei einer Spitzenspannung von 7.5 Volt nur 5 Volt effektiv vorhanden sind. Formel: U s = U eff x 2 U s = Spitzen-Spannung U eff = Effektiv-Spannung 2 = Wurzel 2 (1.4142)

9 Der Eisenkern 9 In der Spule ist ein Eisenkern montiert. Er kann aus der Spule herausgezogen werden. Welchen Einfluss hat der Eisenkern? Bauen Sie diese Schaltung auf Messen Sie bei eingeschobenem Eisenkern und Höchstdrehzahl die Spannung V AC Resultat: 5.5 V Aendern Sie nun die Schaltung so, dass Sie den maximalen Strom messen können: Messen Sie bei eingeschobenem Eisenkern und Höchstdrehzahl den Strom A AC Resultat: 11 ma Ziehen Sie nun den Eisenkern heraus und messen Resultat: 6 ma

10 10 Messen Sie nun auch noch die Spannung bei herausgezogenem Eisenkern Resultat: 2.6 V Leistungsberechnung mit Eisenkern: P = U x I = 5.5 V x 0.011A = 0.06 W = 60mW Leistungsberechnung ohne Eisenkern: P = U x I = 2.6 V x 0.006A = W = 15mW Erkenntnis: Der Eisenkern verstärkt das Magnetfeld um das 4-fache und ist damit äusserst wichtig

11 11 Gleichrichten von Wechselstrom in Gleichstrom Da sich die Elektronen immer hin und her bewegen kann damit eine Batterie nicht geladen werden. Es muss eine Schaltung eingesetzt werden, der nur nach die Vorwärtsbewegung der Elektronen zu lässt. Bauen Sie diese Schaltung auf: Drehen Sie am Poti bis Höchstdrehzahl erreicht ist. Das Oszilloskop zeigt dieses Bild: Die Diode lässt nur noch die Elektronen in Pfeilrichtung fliessen. Dies nennt man Einweg-Gleichrichtung Der Wirkungsgrad ist noch schlecht, da die negative Halbwelle, also die sich umgekehrt bewegenden Elektronen nicht genutzt werden Die LED wurde durch den 10kOhm-Widerstand ersetzt um die Last zu verringern. Diese Stromart heisst pulsierender Gleichstrom

12 Die Diode lässt nur noch die Elektronen in Pfeilrichtung fliessen. Dies nennt man Einweg-Gleichrichtung Der Wirkungsgrad ist noch schlecht, da die negative Halbwelle, also die sich umgekehrt bewegenden Elektronen nicht genutzt werden Die LED wurde durch den 10kOhm-Widerstand ersetzt um die Last zu verringern. Die Diode lässt nur noch die Elektronen in Pfeilrichtung fliessen. Dies nennt man Einweg-Gleichrichtung Der Wirkungsgrad ist noch schlecht, da die negative Halbwelle, also die sich umgekehrt bewegenden Elektronen nicht genutzt werden Die LED wurde durch den 10kOhm-Widerstand ersetzt um die Last zu verringern. ELEXBO 12 Bauen Sie nun diese Schaltung: Drehen Sie am Poti bis Höchstdrehzahl erreicht ist. Das Oszilloskop zeigt dieses Bild: Die 4 Diode leiten nun alle Elektronen in die positive Richtung. Dies nennt man Vollweg-Gleichrichtung Auch die negative Halbwelle wird nun genutzt Dies ist die heutige Art der Gleichrichtung wenn nur eine Spule eingesetzt wird. Funktion der Vollweg-Gleichrichtung + Wenn die Elektronen oben aus der Spule fliessen gelangen sie durch die Diode zum Lastwiderstand und durch die untere rechte Diode auf die Minusseite der Spule -

13 Die Diode lässt nur noch die Elektronen in Pfeilrichtung fliessen. Dies nennt man Einweg-Gleichrichtung Der Wirkungsgrad ist noch schlecht, da die negative Halbwelle, also die sich umgekehrt bewegenden Elektronen nicht genutzt werden Die LED wurde durch den 10kOhm-Widerstand ersetzt um die Last zu verringern. Die Diode lässt nur noch die Elektronen in Pfeilrichtung fliessen. Dies nennt man Einweg-Gleichrichtung Der Wirkungsgrad ist noch schlecht, da die negative Halbwelle, also die sich umgekehrt bewegenden Elektronen nicht genutzt werden Die LED wurde durch den 10kOhm-Widerstand ersetzt um die Last zu verringern. ELEXBO 13 - Wenn die Elektronen unten aus der Spule fliessen gelangen sie durch die Diode wiederum oben zum Lastwiderstand und durch die untere linke Diode auf die Minusseite der Spule. + Die Grätzgleichrichtung leitet beide Halbwellen auf die positive Seite. Graetz-Gleichrichter Die Vollweggleichrichtung wird mit der Graetzschaltung lediglich anders dargestellt. Bauen Sie nun diese Schaltung auf und betrachten das Oszilloskopbild

14 14 Glättung des welligen Gleichtstromes Ergänzen Sie die Schaltung mit einem 47µF Kondensator und betrachten das Oszilloskop Der Kondensator glättet die wellige Gleichspannung sodass jetzt eine saubere Gleichspannung vorhanden ist Funktion der Glättung Bei ansteigender Spannung wird der Kondensator aufgeladen und dabei wird auch der Scheitelwert etwas tiefer Bei sinkender Spannung wird der Kondensator entladen und er verhindert eine kurzzeitige Nullspannung Ersetzen Sie nun den 47µF-Kondensator mit dem 1µF-Kondensator Restwelligkeit mit dem 1µF- Kondensator.

15 So wird die Dreieckschaltung als Schema aufgezeichnet. Die drei Wicklungen arbeiten jeweils 120 versetzt nacheinander. Die Spannungen ueberschneiden sich Das Oszilloskop-Bild sieht so aus: So wird die Dreieckschaltung als Schema aufgezeichnet. Die drei Wicklungen arbeiten jeweils 120 versetzt nacheinander. Die Spannungen ueberschneiden sich Das Oszilloskop-Bild sieht so aus: ELEXBO 15 Dreiphasen-Wechselstrom Bisher wurde nur eine Spule am Umfang des Magnetrotors genutzt. Dies heisst Einphasen-Wechselstrom Um den Generator noch zu verbessern sind am Umfang noch zwei weitere Spulen vorhanden. Diese 3 Spulen sind um 120 versetzt angeordnet. Jede Wicklung produziert Wechselstrom. Drei Spulen haben nun 6 Anschlüsse und um diese zu vereinfachen hat man die Spulen zusammengeschaltet: Die Stern-Schaltung Bauen Sie diese Schaltung auf N So wird die Stern-Schaltung als Schema aufgezeichnet. N Die drei Wicklungen arbeiten jeweils 120 versetzt nacheinander. Die Spannungen ueberschneiden sich Der mittlere Anschluss heisst Nullleiter Das Oszilloskop-Bild sieht so aus: Diese Schaltung erreicht unsere Steckdose im Haus mit einer Wechselspannung von: 230 Volt von N zu U 400 Volt von U zu V

16 16 Gleichrichtung von 3-Phasen-Wechselstrom (Drehstrom) Um aus 3Phasen-Wechselstrom Gleichstrom herstellen zu können wird die Brückengleichrichtung eingesetzt. Bauen Sie diese Schaltung auf: So funktioniert ein Alternator im Kraftfahrzeug. Das Oszilloskop-Bild zeigt, dass eine hohe Gleichspannung von ca. 15 Volt erreicht wird 15 Volt DC mit Oberwelligkeit Durch die Gleichrichtung der drei verschalteten Spulen, die zudem zeitlich 120 versetzt ihren Spannungshöhepunkt erreichen entsteht dieses Gutbild. Fehlererkennung mit Oszilloskop Wenn nun eine Diode oder eine Wicklung einen Unterbruch oder Kurzschluss aufweist, sieht man dies auf dem Oszilloskop. Demontieren Sie das Kabel zur unteren linken Diode und betrachten das Oszilloskop Mit dem Oszilloskop können Fehler dargestellt werden. Siehe Diagnose

17 17 Leistung der Dreiphasen-Stern-Schaltung Da die Wicklungen 120 versetzt sind produzieren sie nicht alle gleichzeitig den vollen Wert. Man kann also nicht die Leistung der 3 Wicklungen einfach zusammenzählen. Definition der Wicklungen und Anschlüsse U = Leiterspannung von U zu V I = Leiterstrom von U zu V U Str = Spannung einer Wicklung (Strang) I Str = Strom einer Wicklung (Strangstrom) P = Gesamtleistung der Schaltung Bauen Sie diese Schaltung auf und messen die Spannung AC bei Höchstdrehzahl. Resultat: die Strangspannung ist ca. 5.7 Volt auf Voltmeterstellung AC Messen Sie nun von U zu V: Resultat: die Leiterspannung ist ca. 10 Volt auf Voltmeterstellung AC

18 18 Das Verhältnis von Leiter- zu Strangspannung ist 10 Volt = 1.7 = Volt Die Leiterspannung ist 3 (1.7321) mal grösser als die Strangspannung U = U Str x 3 I = I Str. (Leiterstrom ist gleich gross wie Strangstrom) Bauen Sie nun die Messschaltung so um: Drehen Sie bei Höchstdrehzahl am Poti und ermitteln den grössten Strom. Resultat: ca. 11mA P Str = U Str x I Str = 5.7 Volt x A = Watt Der Generator liefert in Sternschaltung eine Leistung von P = 3 x P Str = W x 3 = 0.19 W

19 19 Die Dreieck-Schaltung Eine andere Art der Verschaltung der drei Wicklungen sieht so aus So wird die Dreieck-Schaltung als Schema aufgezeichnet. Die drei Wicklungen arbeiten jeweils 120 versetzt nacheinander. Die Spannungen überschneiden sich Das Oszilloskop-Bild sieht so aus: Bei dieser Schaltung sind immer zwei Wicklungen parallel geschaltet. Leistung der Dreiphasen-Dreieck-Schaltung Wie verhält sich die Leistung in Dreieck-Schaltung Bauen Sie nun diese Schaltung auf Resultat: die Strangspannung ist ca. 5.7 Volt auf Voltmeterstellung AC

20 20 Messen Sie nun auch den Strom: Drehen Sie bei Höchstdrehzahl am Poti und ermitteln den grössten Strom. Resultat: ca. 16mA U = U Str (Leiterspannung ist gleich gross wie Stranspannung) I Str. = _I_ = 10 ma 3 P Str = U Str x I Str = 5.7 Volt x A = Watt Der Generator liefert in Sternschaltung eine Leistung von P = 3 x P Str = W x 3 = 0.18 W Erkenntnis: Die Stern- und Dreieck-Schaltung erbringen bei Höchstdrehzahl die gleiche Leistung. Die Sternschaltung erreicht schon bei kleinerer Drehzahl eine hohe Spannung Die Dreieckschaltung kann bei kleiner Drehzahl einen hohen Strom liefern.

21 21 Der Transformator Bauen Sie diese Schaltung auf Stellen Sie am Poti die Höchstdrehzahl ein und messen die Spannung in V (AC). Resultat: ca. 42 V AC Mit 4.5 V Batteriespannung erhalten wir fast 10 mal mehr Spannung. Messen Sie nun nochmal die Spannung an der kleinen Wicklung Resultat: ca. 4.5 V AC Aufbau des Transformators Die kleine Spule hat 1000 Windungen Die grosse Spule hat Windungen Das Symbol für die kleine Spule Die Linie kennzeichnet den Eisenkern Das Symbol für die grosse Spule Die Wicklung, welche die Wechselspannung erhält heisst Primärwicklung Die Wicklung, welche die Wechselspannung abgibt heisst Sekundärwicklung

22 22 Aus 4.5 Volt AC hat der Transformator ca 42 V AC hergestellt (ungefähr Faktor 10) Die Sekundärwicklung hat 10 mal mehr Windungen als die Primärwicklung (ungefähr Faktor 10) Vertauschen Sie nun die Anschlüsse wie im Schema: Bei Höchstdrehzahl erhalten wir nun eine Spannung von: Resultat: 0.5 V AC Die Ausgangs-Spannung ist nun 10 mal kleiner als die Eingangsspannung. Erkenntnis: Mit Hilfe unterschiedlicher Anzahl Wicklungen können grössere oder kleinere Spannungen erzeugt werden. Die Spannungen im Transformator verhalten sich wie das Wicklungsverhältnis Transformator-Formel U 1 = N 1 U 2 = N 2 Ladegerät 230V zu 12V IC 7812 für stabile 12 V Gleichspannung Trafo 4 Dioden Kondensator

23 23 Diagnose von Dioden- und Wicklungsfehlern Gutbild: Die Oberwelligkeit darf max. 50% grösser sein als der Durchschnitt Unterbruch einer Diode: Achtung: eine Diode kann einen totalen Unterbruch haben wie hier oder nur schlecht leiten Kurzschluss einer Diode: Unterbruch einer Wicklung: Kurzschluss einer Wicklung:

24 Die Spule 24 Dieser Lehrgang vermittelt Aufbau, Funktion und Eigenschaften einer Spule und ist ein Zusatz zum Lehrgang. Eine Spule oder Wicklung ist ein aufgewickelter Kupferdraht. Er ist lackiert, damit sich die einzelnen Drähte nicht berühren. Einfachste Spule Spule 1500 Windungen Symbol der Spule Alt und Neu Eisenkern Grundlagen der Spule Bauen Sie diese Schaltung auf: Positionieren Sie den Kompass ganz nah neben das rote Kabel und betätigen den Taster Beim Betätigen des Tasters fliesst Strom und die Kompass-Nadel stellt sich quer zum Kabel (Die magnetische Wirkung ist leider klein) Erkenntnis: Sobald ein Strom durch ein Kabel fliesst, bildet sich um das Kabel ein Magnetfeld.

25 25 Ersetzen Sie nun den Widerstand durch die Spule: Positionieren Sie den Kompass möglichst nah an die Spule und zwar so, dass die Nadel quer zur Spule steht. Beim Betätigen des Tasters dreht die Kompass- Nadel sehr schnell in die Längsrichtung der Spule Erklärung: Bei der Spule sind nun natürlich mehrere Kabel nebeneinander. Somit wird die magnetische Kraft massiv verstärkt. Nun geschieht erstaunliches. Die kleinen Magnete der einzelnen Kabel bilden ein gemeinsames grosses Magnetfeld und damit erhält der Magnet mehr Kraft, Eisen anzuziehen. Je nach Wicklungssinn (Uhrzeiger oder Gegenuhrzeigersinn) entsteht ein Nord- und ein Südpol am Ende der Wicklung. Die magnetische Kraft wird grösser wenn: -MEHR STROM FLIESST -MEHR WICKLUNGEN HAT Je dicker der Draht ist und je mehr Windungen es hat desto grösser ist die magnetische Kraft. In der Spule befindet sich ein Eisenkern, der die magnetische Kraft nochmals verstärkt (siehe ELEXBO-). Spule in einem Relais. Sobald Strom durch die Spule fliesst, wird der Anker angezogen.

26 26 Ohmsche Eigenschaften einer Spule Bauen Sie diese Schaltung auf Messen Sie den Widerstand der Spule: Resultat: ca. 310 Ω Somit müsste ein Strom von I = U = 4.5 V = A = 14mA fliessen R 310 Ω Messen Sie jetzt den Strom, der durch die Spule fliesst Resultat: 14 ma Erkenntnis: Die Spule verhält sich bei Gleichspannung wie ein Widerstand. Der Ohmsche Widerstand der Spule ist 300Ω Leistungsaufnahme: P = U x I = 4.5 V x A = W = 65 mw Nun wird die Spule oft auch in schnellen Funktionen eingesetzt. Dabei ändern sich die Eigenschaften der Spule markant. Um diese Eigenschaften erleben zu können, muss jetzt ein Rechteckgenerator aufgebaut werden.

27 27 Induktive Eigenschaften einer Spule Bauen Sie diese Schaltung auf Oszilloskop-Symbol Wählen Sie am Oszilloskop die Einstellungen: 0.5 Volts/DIV und 0.2ms/DIV So sieht das Signal aus: Die Spannung beträgt: 5 Quadrate à 0.5 V = 2.5 V Die Frequenz beträgt: 3.2 Quadrate à 0.2 ms = 0.64ms = s f = 1 / s = 1600 Hz

28 28 Nun kann mit Hilfe eines Shunts (definierter Widerstand) auch der Strom mit dem Oszilloskop gemessen werden. Bauen Sie die Schaltung so um: Oszilloskop-Plus links Ω-Shunt Das Oszilloskop ist parallel zum 100 Ω -Shunt-Widerstand angeschlossen. Es zeigt damit den Spannungsabfall über den 100 Ω -Shunt-Widerstand Nun kann der Strom berechnet werden und auch der Stromverlauf kann dargestellt werden. Wählen Sie am Oszilloskop die Einstellungen: 0.5 Volts / DIV und 0.1ms / DIV So sieht das Oszilloskop-Bild aus Der Spannungsabfall über den Shunt beträgt: 2.4 Quadrate x 0.5 V = 1.4 V Nun wird der Strom berechnet: I = U = 1.4 V = 14 ma R 100 Ω Der Stromverlauf zeigt ein sauberes Rechteck Dies war die Einführung zu Spannungs- und Strommessungen mit dem Oszilloskop

29 29 Ersetzen Sie nun den 100 Ω Widerstand (den senkrechten) mit der Spule. Wählen Sie am Oszilloskop die Einstellungen: 0.2 Volts / DIV und 0.1ms / DIV Und nun sieht das Oszilloskop-Bild so aus: Stromanstieg Wenn nun der obere Transistor leitend wird, liegt an der Spule sofort Spannung an. Speziell ist jedoch der Stromverlauf. Der Strom fliesst nicht mehr sofort, sondern beginnt erst allmählich zu steigen. Nulllinie Der Stromfluss wird also am Anfang gebremst und steigt erst allmählich auf den maximalen Wert an. Eine Erklärung dazu erfordert eine detaillierte Betrachtung: Hierzu werden zuerst alle wichtigen Werte festgehalten: Messen Sie mit dem Oszilloskop den Spannungsverlauf an der Spule: Einstellwerte: Y-Achse: 1 Volt / DIV X-Achse: 0.1 ms / DIV Resultat: 2.5 Quadrate à 1 V = 2.5 V Nulllinie

30 30 Und nun die Strommessung: 3.4 Quadrate à 0.2 V = 0.68 V I = U = 0.68 V = 6.8 ma R shunt 100 Ω Theoretischer max. Stromwert, wenn Shunt und Spule eine Spannung von 2.5 V erhalten: R total = R Shunt + R Spule = 100Ω + 300Ω=400 Ω I = U = 2.5 V = 6 ma R 400 Ω Der Strom errreicht hier seinen maximalen Wert von 6 ma. Dies entspricht dem ohmschen Wert Die Spule ist hier magnetisch voll gesättigt (volle Magnetfeldstärke) Hier beginnt der Strom zu fliessen. Erklärung: Sobald die Spule an eine el. Spannnung angeschlossen wird, bildet sich um den Draht ein Magnetfeld (siehe Seite 1 ). Nun formt sich das Magnetfeld in der Spule zu einem grossen gemeinsamen Magnetfeld und dies bremst jetzt den Stromfluss so dass er nur allmählich zu fliessen beginnt. Wie lange braucht es nun, bis die Spule ihr maximales Magnetfeld erreicht?

31 Ladezeit 31 Die Messung der Ladezeit: 4.2 Quadrate à 0.1 ms = 0.42 ms Es dauert also 4.2 ms, bis das Magnetfeld voll gesättigt ist. Frequenz = 0.64 ms = 1600 Hz t t Periode Einschaltdauer = 100 % x 0.42 ms = 65% 0.64 ms Technische Analyse des Ladevorganges einer Spule Die Ladezeit wird in 5 Abschnitte unterteilt. 1 Abschnitt ist ein Τ (griechisch Tau) 63% Da dies eine logarithmische Kurve ist, hat das 1. Tau einen Wert von 63% des maximalen Stromes 1Τ 5 Τ Das 2. Tau hat dann wieder 63% von den restlichen 37% = 23.3% +63%= 86.3% Das 3.Tau. 5 T ist die gesamte Ladezeit theoretisch erreicht. 1 Tau dauert also 4.2 ms : 5 = 0.84 ms Mit Hilfe der Werte dieser Ladekurve kann nun eine wichtige Grösse berechnet werden. Die Induktivität Definition: Die Induktivität einer Spule gibt Auskunft über das Verhältnis von fliessendem Strom und der magnetischen Kraft (magnetischer Fluss)

32 32 Induktivität Formelzeichen L Einheit: Henry Einheit abgekürzt: H Eine Spule hat 1 Henry, wenn eine Stromflussänderung in einer Sekunde in der Spule 1 Volt induziert. Berechnung der Induktivität der 1500-Windungen-Spule T = L R => L = Τ x R = s x 100 Ω = H Leistungsvergleich der Spule bei Gleichstrom und einer Frequenz von 1600 Hz Leistung bei 2.5 Volt Gleichstrom und 300 Ohm P = U 2 R = V = W = 52mW 300 Ω Leistung bei 2.5 Volt getaktetem Gleichstrom (eingeschaltet 65%) und einem durchschnittlichem Strom von 6 ma x 63% P = (U x t ) x ( I x 63% ) = ( 2.5 V x 0.65 ) x ( A x 0.63 ) = W = 6mW Erkenntnis: Die Spule erbringt bei Wechselstrom nur noch eine geringere Leistung.

33 33 Wie verhält sich die Spule bei höherer Frequenz? Ersetzen Sie jetzt den 33 nf Kondensator durch den 10nF Kondensator und messen: Das Oszilloskop-Bild bei 10nF Oszilloskop-Einstellung Einstellwerte: Y-Achse: 0.1 Volt / DIV X-Achse: 0.05 ms / DIV (50 µs) Man sieht deutlich, dass die Spule nun nicht mehr geladen wird. Die Frequenz ist zu hoch. t V Frequenz: t = 3.6 Quadrate à 0.05ms = 0.185ms f = 1 = 5400 Hz = 5.4 khz s Strom: 3.2 Quadrate à 0.1 V = 0.32 V = 3.2mA Damit sinkt auch der Strom und damit die Leistung (siehe Leerlaufdrehzahl bei Gleichstrommotor

34 34 Die Ausschaltinduktion Bauen Sie diese Schaltung auf: Halten Sie die beiden Enden an Ihre Zunge und betätigen kurz den Taster (keine Angst) Sie spüren deutlich ein Zucken, es entsteht beim Ausschalten kurzzeitig eine hohe Spannung. So sieht das Relais im Innern aus: Eine Spule mit 120Ω Widerstandswert Elektrische Anschlüsse der Spule Der Anker, der die elektrischen Kontakte verbindet Ersetzen Sie nun die beiden Kabel mit den Oszilloskop-Anschlüssen: Oszilloskop-Einstellungen: 5 Volt / DIV 50 µ s / DIV und Speichermodus (Stor) und Taste ms / s auf s drücken (Im Speichermodus zeichnet das Oszilloskop eine langsame Linie) Betätigen Sie nun mehrmals den Taster und passen ihre Oszilloskop-Einstellungen an:

35 35 Das Oszilloskop-Bild sieht so aus: Der Taster wird betätigt, die Spannung steigt sofort auf 4,5 V Beim Oeffnen des Tasters sinkt die Spannung sofort auf 0 Volt Die kleine Nadel zeigt, dass jetzt eine sehr grosse Spannung entsteht. (50 bis 200 Volt) Diese Spannung ist ungefährlich für Menschen, kann aber elektronische Bauteile zerstören. Erklärung: Beim Ausschalten der Spule fällt das Magnetfeld zusammen. Dadurch werden Elektronen kurz beschleunigt, welches als Ausschaltinduktionsspannung bezeichnet wird. Stromfluss und Spannung beim Ausschalten: Elektronen werden unten an der Spule herausgedrückt und es entsteht eine hohe Spannung. Der Stromfluss ist gleich wie beim geschlossenen Stromkreis + Die Plusseite der Spannung ist jetzt aber unten. Unterdrückung der Ausschaltinduktion: Ergänzen Sie die Schaltung mit einer Diode in Sperrrichtung: Beim Ausschalten der Spule fliesst jetzt der Ausschaltinduktionsstrom durch die Diode im Kreislauf und ist somit vernichtet (nur noch 0.7 V)

36 36 Berechnungen zur Spule physikalisch Physikalische Werte: -Draht-Durchmesser 0.063mm = mm 2 -Spulen-Durchmesser rechteckig = Eckmass 9 mm -Spulen-Widerstandswert 311 Ohm Wieviele Windungen hat diese Spule? Zuerst ist die komplette Drahtlänge zu berechnen: Die Grundformel dazu lautet, dass ein Kupferdraht mit einer Länge von 1 Meter und einer Querschnittsfläche von 1mm 2 einen Widerstand von Ohm hat. R = ρ x Länge = Länge = R x A = 300 Ohm x mm 2 = 52.5m A ρ Ωmm 2 /m Eine Windung hat eine Länge von 4 x Eckmass = 4 x 9 mm = 36 mm = 0.036m Windungsanzahl = Drahtlänge = 52.5 m = 1458 Windungen = 1500 Windungen Länge 0.036m

37 37 Der Gleichstrommotor Aufbau und Funktion eines Gleichstrom-Motors Der Magnetrotor des Generators wird mit einem DC Gleichstrom-Motor angetrieben Elektrische Kabelanschlüsse Der Gleichstrom-Motor Das Elektro-Symbol Bauen Sie dieses Schaltung auf und drehen am Potentiometer: Die Motordrehzahl ändert von Stillstand bis Höchstdrehzahl Um den Aufbau und die Funktion kennenzulernen wird der Motor zerlegt. Er besteht aus den Teilen: Das Gehäuse mit Dauermagnet heisst Feld oder Stator Das drehende Bauteil mit 3 Wicklungen heisst Anker oder Rotor Die elektrischen Anschlüsse auf die Wicklungen des Ankers heissen Kohlebürsten

38 Das Feld 38 Das Feld besteht aus dem Blechgehäuse und zwei Dauermagneten (Fachausdruck = Permanent-Magnet). Permanent-Magnete Nord-Pol Schematische Darstellung Süd-Pol Der Anker Der Anker ist das drehbare Teil und erzeugt eine Drehkraft (Drehmoment) 3 T-artige Eisenträger besitzen je eine Spule 3 Wicklungen bilden bei Stromfluss Magnete Der Strom fliesst über den Kollektor zu den Wicklungen im Anker und bildet ein Magnet mit Nord- und Südpol

39 39 Gleichstrom-Motor Schematische Funktion Feld / Stator Kollektor / Stromwender Funktion: Anker / Rotor Der Strom fliesst über die Kohlebürste auf den Kollektor, durch die Wicklungen, bilden dort Nord- und Südpole und fliesst über die andere Kohlebürste zurück in den Minuspol. Nord- und Nordpol stossen sich ab und es entsteht eine Drehbewegung im Uhrzeigersinn N N Nord- und Südpol ziehen sich an und es entsteht eine Drehbewegung im Uhrzeigersinn Der Anker dreht sich nun um ca. 60. Ueber die Kohlen erhalten nun die Wicklungen umgekehrt Strom und wechseln dadurch von Nord auf Südpol und umgekehrt. S N N S N Süd- und Südpol stossen sich ab und es entsteht eine Drehbewegung im Uhrzeigersinn Durch das fortwährende Wechseln der Polaritäten im Anker entsteht die Drehbewegung.

40 Fotos zur Drehbewegung 40 Elektrische Eigenschaften des Gleichstrommotors Messen Sie nun den Widerstand des Motors wie abgebildet: Resultat: ca. 22 Ω (Der Widerstand entsteht durch die 3 Wicklungen im Anker) Bauen Sie diese Schaltung auf: Messen Sie den Strom bei Höchstdrehzahl Resultat: ca. 50mA = 0.05A Nun bremsen Sie mit Ihrem Finger den Magnetrotor ab bis zum Stillstand und messen jetzt den Strom: Resultat: ca. 170 ma = 0.17A = 0.2A Berechnen Sie nun den Widerstand aus den Werten: Obwohl sich im Innern des Motors nur die 3 Wicklungen befinden, ändert sich der Widerstand um den 4-fachen Wert. Wie ist dies möglich? R = U_ = 4.5V = 90 Ω bei Höchstdrehzahl I 0.05A R = U_ = 4.5V = 22 Ω wenn blockiert I 0.2A

41 41 Erklärung der Eigenschaften Bei blockiertem Motor fliesst Strom durch Wicklungen und der gerechnete Widerstand ( 21 Ω ) entspricht in etwa dem gemessenen Widerstand ( 22 Ω ) N Der Gleichstrommotor hat einen ohmschen Widerstand von 22 Ω S S Dies ergibt den Kurzschluss-Strom N N Beim Drehen des Ankers wird nun aber sehr schnell in den Wicklungen ein Magnetfeld auf- und wieder abgebaut. Wenn man an einer Spule Strom einschaltet, beginnt der Strom zu fliessen und es entsteht ein Magnetfeld. Wenn man nun den Taster betätigt und den Strom mit einem Oszilloskop misst (Spannungsabfall über Widerstand = Strom), stellt man fest, dass der Strom nicht sofort voll fliesst sondern über eine gewisse Zeit ansteigt. Erklärung: Sobald der Strom eingeschaltet wird, bildet sich um jeden Draht in der Spule ein Magnetfeld. Bei einer Spule sind die Drähte nun sehr nah beieinander und die Spule bildet ein gemeinsames Magnetfeld. Dieser Vorgang ergibt einen verzögerten Magnetfeldaufbau und damit auch einen verzögerten Anstieg des Stromes. Bei Höchstdrehzahl kann das Magnetfeld gar nicht mehr aufgebaut werden und damit fliesst auch nur ein viel kleinerer Strom. 90 Ω Widerstand ist die Summe von ohmschem und induktivem Widerstand und ergibt den Leerlaufstrom.