Transistor als Schalter - Elektrotechnik grundlagen repetitionen

21
AE
2.6
4
|
Elektromotor
Zur Ermittlung der mittleren Betriebstemperatur eines Elektromotors wird der Wicklungswiderstand vor der Inbetriebnahme mit und unmittelbar nach dem Abschalten des Motors mit ermittelt. Die Umgebungstemperatur des Motors beträgt ().
Bestimmen Sie die mittlere Betriebstemperatur der Wicklung.
Fest-
|
Veränderbare Widerstände
|
Widerstände
|
Potentiometer
|
Trimmwiderstand
|
Einstellbarer
Widerstand
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|
|
|
|
Kohleschicht
Metallschicht
|
|
|
|
Veränderliche Widerstände
|
NTC
|
PTC
|
VDR
|
LDR
|
|
+
|
|
|
|
|
|
|
220 Ω
Dauerstrom 2 A
|
Widerstand 6 Ω
Schaltstrom 0,35 A
Spannung max. 265 V
|
S14K60 - 60 V~ / 85 V
Stromableitvermögen bis 4500 A
|
Ca-sulfid = 520nm
Ca-selenid =730nm
max. Empfindlichkeit
|
|
Isolationsklassen
Motoren
|
max.
Motoren-Temperatur
[°C]
|
max.
Umgebungs-
Temperatur
[°C]
|
Y
|
90
|
40
|
A
|
105
|
40
|
E
|
120
|
40
|
B
|
130
|
40
|
F
|
155
|
40
|
H
|
180
|
60
|
C
|
>180
|
60
|
|
Temperaturüberwachung
im Motor
Widerstands-Temperatursensor (NTC), max. 300 °C
Abgastemperatursensor
max. 800 °C
Pt1000-
Temperaturfühler für
Wärmezähler
|
|
22
AE
2.6
5
|
Relais
Ein Relais hat bei Dauerbetrieb einen Widerstand von . Die Wicklungstemperatur wurde zu ermittelt ().
Wie gross ist der Wicklungswiderstand bei ’
|
Kontaktnummerierungen
Relais und Schützen
A1,A2: Spule
13,14 Schließer
11,12 Öffner
11,12,14 Wechsler öffner (12),
schliesser (14)
15,16 Zeitabhängig öffnen
17, 18 Zeitabhängig schliessen
1-2,3-4,5-6 Leistungskontakte
95,96 Thermischer Öffner
97,98 Thermischer Schliesser
NC Normally Closed
NO Normally Open
CO Change Over
|
|
23
AE
2.6
6
|
Glühlampe
Eine -Glühlampe mit Wolframwendel () hat bei einen Widerstand von . Bei Anschluss an fliesst ein Strom von .
Berechnen Sie die mittlere Temperatur des Glühlwendels im Betriebszustand.
Wie gross ist der Einschaltstrom?
|
Glühlampe
Bei Glühlampen ist der Einschaltstrom wesentlich grösser als der Nennstrom. Woran liegt das?
|
|
24
AE
2.6
7
|
Widerstandsverdoppelung
Bei welcher Temperatur hat sich der Widerstand eines Kupferdrahtes verdoppelt ()? Die Ausgangstemperatur beträgt !
|
(wikipedia, 21.02.2012
Temperaturkoeffizienten)
Werkstoff
|
Temperatur-
koeffizient
[K-1]
|
Aluminium
|
|
Kupfer
|
|
Wolfram
|
|
Nickelin
|
|
Manganin
|
|
Konstantan
|
|
Kohleschicht
|
|
Eisen
|
|
Zinn
|
|
Blei
|
|
Blei
|
|
Gold
|
|
Silber
|
|
Messing
|
|
|
25
AE
2.6
8
|
Kohleschichtwiderstand
In einer Versuchsschaltung wird ein Kohleschichtwiderstand (rot-violett-rot-silber) mit seiner Nennleistung belastet. Nach dem Versuch hat sich der Widerstandswert um verringert.
Bestimmen Sie die Temperatur der Kohleschicht!
Kohleschicht-Widerstände
haben 4 Farbringe
|
Farbe
|
1. Ring
|
2. Ring
|
3. Ring
Multipli-kator
|
4. Ring
Toleranz
[%]
|
keine
|
-
|
-
|
-
|
20
|
silber
|
-
|
-
|
10-2
|
10
|
gold
|
-
|
-
|
10-1
|
5
|
schwarz
|
-
|
0
|
1
|
-
|
braun
|
1
|
1
|
10
|
1
|
rot
|
2
|
2
|
102
|
2
|
orange
|
3
|
3
|
103
|
-
|
gelb
|
4
|
4
|
104
|
-
|
grün
|
5
|
5
|
105
|
0,5
|
blau
|
6
|
6
|
106
|
0,25
|
violett
|
7
|
7
|
107
|
0,1
|
grau
|
8
|
8
|
108
|
-
|
weiss
|
9
|
9
|
109
|
-
|
|
Metallschicht-Widerstände
haben 5 Farbringe
|
Farbe
|
1. Ring
|
2. Ring
|
3. Ring
|
4. Ring
Multipli-kator
|
5. Ring
Toleranz
|
|
6 Ring
TK 10-6
|
schwarz
|
0
|
0
|
0
|
-
|
-
|
|
200
|
braun
|
1
|
1
|
1
|
101
|
1%
|
|
100
|
rot
|
2
|
2
|
2
|
102
|
2%
|
|
50
|
orange
|
3
|
3
|
3
|
103
|
-
|
|
15
|
gelb
|
4
|
4
|
4
|
104
|
-
|
|
25
|
grün
|
5
|
5
|
5
|
105
|
0,5%
|
|
5
|
blau
|
6
|
6
|
6
|
106
|
0,25%
|
|
-
|
violett
|
7
|
7
|
7
|
107
|
0,1%
|
|
-
|
grau
|
8
|
8
|
8
|
-
|
0,05%
|
|
-
|
weiß
|
9
|
9
|
9
|
-
|
-
|
|
10
|
gold
|
-
|
-
|
-
|
10-1
|
5%
|
|
-
|
silber
|
-
|
-
|
-
|
10-2
|
10%
|
|
-
|
|
|
(wikipedia, 21.02.2012
Temperaturkoeffizienten)
Werkstoff
|
Temperatur-
koeffizient
[K-1]
|
Aluminium
|
|
Kupfer
|
|
Wolfram
|
|
Nickelin
|
|
Manganin
|
|
Konstantan
|
|
Kohleschicht
|
|
Eisen
|
|
Zinn
|
|
Blei
|
|
Blei
|
|
Gold
|
|
Silber
|
|
Messing
|
|
|
26
AE
2.6
10
|
Kupferleitung
Die höchstzulässige Betriebstemperatur für Kupferleitungen mit PVC-Isolierung beträgt .
Wie gross ist bei dieser Temperatur der Widerstand einer langen Leitung ?
Isolierstoff
|
Höchstzulässige
Betriebstemperatur 1), 4)
|
Polyvinylchlorid (PVC)
|
70 °C am Leiter
|
Vernetztes Polyethylen (VPE)
Äthylen-Propylen-Kautschuk (EPR)
|
90 °C am Leiter 2)
|
Mineral
(mit PVC-Schutzhülle oder blank im Handbereich)
|
70 °C am Mantel
|
Mineral
(blank, nicht im Handbereich und nicht in Kontakt mit brennbaren Stoffen)
|
105 °C am Mantel 2),3)
|
NIN 5.2.3.1.1.4 Höchstzulässige Betriebstemperaturen
|
|
1)
Die höchstzulässigen Betriebstemperaturen der Tabelle wurden IEC 60502 und EN 60702 entnommen.
2)
Wenn ein Leiter mit einer Betriebstemperatur von > 70 °C betrieben wird, muss sichergestellt werden, dass die Anschlussstelle des Betriebsmittels für diese Temperatur geeignet ist.
3)
Bei mineralisolierten Kabeln dürfen höhere Betriebstemperaturen zugelassen werden, die von der Bemessungstemperatur des Kabels, seinen Anschlussstellen, den Umgebungsbedingungen und anderen äusseren Einflüssen abhängen.
4)
Bestätigt der Hersteller eine höhere zulässige Betriebstemperatur für Drähte und Kabel, kann diese angewendet werden.
|
|
NIN 5.2.3.1.1.15.2
Strombelastbarkeit
Eine Zusammenstellung von Werten der Strombelastbarkeit für Leitungen der Referenz-Verlegearten A1, A2, B1, B2, C, E und F enthält Tabelle 5.2.3.1.1.15.2.2.
Die angegebenen Werte gelten unter den folgenden Voraussetzungen:
Das Leitermaterial ist Kupfer.
Ein Stromkreis enthält drei belastete Leiter.
Die Leiter sind PVC-isoliert.
Die Umgebungstemperatur beträgt max. 30°C.
Die Leitertemperatur beträgt max. 70 °C.
Alle aktiven Leiter stehen unter Dauerbetrieb.
|
|
27
AE
2.6
11
|
Heizgerät
Ein elektrisches Heizgerät hat bei einen Widerstand von . Eingeschaltet nimmt das Gerät an einen Strom von auf. Das Material (Ni Cr 30 20) hat bis einen mittleren Temperaturkoeffizienten .
Berechnen Sie die Temperatur des Heizstabes!
|
Schlauchheizung
NiCrFe
Einsatz bis 1100°C
Der Chromnickeldraht wird
normalerweise in der
Schlauchheizung, Haartrockner, elektrisches Eisen, Lötkolben, Reisekocher, Öfen, Heizelement, Widerstandelemente benutzt.
|
Konstantan
Konstantan ist ein Markenname der ThyssenKrupp VDM GmbH für eine Legierung, die im Allgemeinen aus
55% Kupfer,
44% Nickel und
1% Mangan
besteht.
Wegen des kleinen Temperaturkoeffizienten wird Konstantan für
Präzisions- und Messwiderstände verwendet. Auch Schiebe- und Heizwiderstände werden aus Konstantan hergestellt.
|
Manganin
Manganin ist eine andere Legierung mit ähnlich geringem oder noch geringerem Temperaturkoeffizienten wie Konstantan.
86% Kupfer
12% Mangan
2% Nickel
|
|
28
AE
2.6
12
|
Elektronische Schaltung
Eine elektronische Schaltung in einem Fahrzeug soll in einem Temperaturbereich von bis funktionieren ().
Welche Widerstandswerte hat ein Kohleschichtwiderstand von in diesem Intervall?
Liegt die Widerstandsänderung noch innerhalb des Toleranzbereichs?
|
Elektronische Schaltung
Eine elektronische Schaltung ist ein Zusammenschluss von elektrischen und insbesondere elektronischen Bauelementen (beispielsweise Dioden und Transistoren) zu einer (funktionierenden) Anordnung.
Sie unterscheidet sich von einer elektrischen Schaltung durch die Verwendung von elektronischen Bauelementen.
Schaltplan zur Veranschaulichung einer Schaltung, hier eines Lampendimmers (Lichtregler).
Fern-Dimmer
|
|
29
AE
2.6
13
|
Widerstandsänderung Kupferleiter
Um wie viel Prozent nimmt der Widerstand eines Kupferleiters zu, wenn er durch den Stromfluss von auf erwärmt wird ()?
|
Kupferleiter
(PTC-Widerstand)
Kaltleiter, PTC-Widerstände oder PTC-Thermistoren (englisch Positive Temperature Coefficient) sind stromleitende Materialien, die bei tieferen Temperaturen den Strom besser leiten können als bei hohen. Ihr elektrischer Widerstand vergrößert sich bei steigender Temperatur.
|
NTC-Widerstand
Heißleiter oder NTC-Widerstände (engl. Negative Temperature Coefficient Thermistors), manchmal auch „Thermistoren“, sind Materialien beziehungsweise Widerstände, deren Elektrischer Widerstand einen negativen Temperaturkoeffizienten besitzt.
|
|
30
AE
2.6
13
|
Widerstandsänderung Platinfühler
Um wie viel Prozent nimmt der Widerstand eines Pt100 zu, wenn er durch den Temperatureinfluss auf erwärmt wird ()?
|
Platinfühler
Die Widerstands-/Temperaturkurve für einen Pt100-Platin-RTD, der gewöhnlich als Pt100 bezeichnet wird, wird in nachfolgender
Abbildung dargestellt.
Der Pt100 besitzt 100.
Bei RTDs nutzt man die physikalischen Eigenschaften von Metallen, die bei einer Temperaturveränderung auch ihren Widerstand verändern. Der Grad der Veränderung hängt dabei von der Art des Metalls ab. Typische Elemente, die für RTDs verwendet werden, umfassen Nickel (Ni) und Kupfer (Cu).
Allerdings gehört Platin (Pt) zu den allerhäufigsten, da es einen großen Temperaturbereich, Genauigkeit und Stabilität bietet.
|
|
31
AE
2.6
14
|
Kohleschichtwiderstand
Die maximale Betriebstemperatur für Kohleschichtwiderstände beträgt .
Wie gross ist dann die absolute und relative bzw. prozentuale Änderung eines Widerstandes (rot-schwarz-braun-gold), bezogen auf die Umgebungstemperatur von ()?
Liegt die Änderung noch in der angegebenen Toleranz?
Kohleschicht-Widerstände
haben 4 Farbringe
|
Farbe
|
1. Ring
|
2. Ring
|
3. Ring
Multipli-kator
|
4. Ring
Toleranz
[%]
|
keine
|
-
|
-
|
-
|
20
|
silber
|
-
|
-
|
10-2
|
10
|
gold
|
-
|
-
|
10-1
|
5
|
schwarz
|
-
|
0
|
1
|
-
|
braun
|
1
|
1
|
10
|
1
|
rot
|
2
|
2
|
102
|
2
|
orange
|
3
|
3
|
103
|
-
|
gelb
|
4
|
4
|
104
|
-
|
grün
|
5
|
5
|
105
|
0,5
|
blau
|
6
|
6
|
106
|
0,25
|
violett
|
7
|
7
|
107
|
0,1
|
grau
|
8
|
8
|
108
|
-
|
weiss
|
9
|
9
|
109
|
-
|
|
|
|
32
AE
2.6
15
|
Elektrische Leitfähigkeit
Wie gross ist die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer, wenn die Leitertemperatur von auf ansteigt ()?
|
|
33
AE
2.6
16
|
Widerstandsthermometer
Ein Widerstandsthermometer aus Platin (Pt100) hat bei einen Widerstand von und bei einen Widerstand von (Grundwertreihe für Widerstandsthermometer nach DIN 43760).
|
Berechnen Sie den mittleren Temperaturkoeffizienten für diesen Temperaturbereich.
Bei welcher Temperatur hat der RTD einen Wert von ?
|
|
Platinfühler
Die Widerstands-/Temperaturkurve für einen Pt100-Platin-RTD, der gewöhnlich als Pt100 bezeichnet wird, wird in nachfolgender
Abbildung dargestellt.
Bei RTDs nutzt man die physikalischen Eigenschaften von Metallen, die bei einer Temperaturveränderung auch ihren Widerstand verändern. Der Grad der Veränderung hängt dabei von der Art des Metalls ab. Typische Elemente, die für RTDs verwendet werden, umfassen Nickel (Ni) und Kupfer (Cu).
Allerdings gehört Platin (Pt) zu den allerhäufigsten, da es einen großen Temperaturbereich, Genauigkeit und Stabilität bietet.
RTD
Resistance Temperature Detector
|
|
34
AE
2.6
17
|
Heizleiter (Ni Cr 25 20)
In den Werkstoffunterlagen für den Heizleiter Ni Cr 25 20 ist statt des Temperaturkoeffizienten die Abhängigkeit des spezifischen Widerstandes von der Temperatur angegeben (siehe Kennlinie).
Bestimmen Sie den Temperaturkoeffizienten für
den Bereich von bis !
|
Schlauchheizung
NiCrFe 30 20
30% Ni
20% Cr
50% Fe
Einsatz bis 1100°C
Der Chromnickeldraht wird
normalerweise in der
Schlauchheizung, Haartrockner, elektrisches Eisen, Lötkolben, Reisekocher, Öfen, Heizelement, Widerstandelemente benutzt.
|
Aufbau Heizleiter
(1) Patronenmantel:Hitzebeständiger Chrom-Nickel-Stahl, Patronenboden gasdicht, schutzgasverschweißt, korrosionsbeständig, Oberfläche geschliffen und metallisch rein. Anschlussseite mit Keramikabschluss.
(2) Isoliermaterial: Hochverdichtetes reines Magnesiumoxid
(3) Heizleiter: NiCr 8020
(4) Anschlüsse: Silikonimprägnierte Glasseidennickellitze
|
|
35
AE
2.6
18
|
Aussentemperaturfühler
In den Montagehinweisen für den Aussenfühler einer Heizungsanlage sind die in nebenstehender Tabelle enthaltenen Temperatur-Widerstands-Wertepaare angegeben:
Was für ein Widerstand wurde für den Temperaturfühler verwendet?
Zeichnen Sie das Schaltzeichen für den Aussenfühler!
Zeichnen Sie die Widerstandskennlinie im --Diagramm ein!
Wie gross ist der Nennwiderstand des Temperaturfühlers?
Bei einer Widerstandsprüfung mit einem Widerstandsmessgerät wurde ein Widerstand von ermittelt. Welche Temperatur hatte der Widerstand?
Bestimmen Sie anhand der Kennlinie die Widerstandsänderung, wenn die Temperatur wie folgt ansteigt:
1. auf
2. auf
|
Temperatur-Widerstands-
Wertepaare
|
|
-20
|
14’625
|
-15
|
11’382
|
-10
|
8’933
|
-5
|
7’066
|
0
|
8’632
|
5
|
4’521
|
10
|
3’653
|
15
|
2’971
|
20
|
2’431
|
25
|
2’000
|
30
|
1’655
|
35
|
1’376
|
40
|
1’150
|
|
36
AE
2.6
19
|
PTC-Widerstand
Nachstehendes Diagramm zeigt die Kennlinie eines PTC-Widerstandes in Abhängigkeit von der Temperatur.
Welchen kleinsten Widerstandswert kann der PTC-Widerstand annehmen?
Wie gross ist der Nennwiderstand des Kaltleiters?
Wie gross ist die Nenntemperatur (Ansprechtemperatur)?
Wie gross ist der Widerstandsendwert bei der Umgebungstemperatur ?
|
Wichtige Werte
am PTC-Widerstand
Wegen des großen Widerstandsbereichs wurde eine halb logarithmische Darstellung verwendet. Bei niedrigen Umgebungstemperaturen ist der Temperaturbeiwert schwach negativ. Der Widerstandswert nimmt daher mit steigender Temperatur zuerst
etwas ab.
A Anfangstemperatur [°C]
RA Anfangswiderstand []
N Nenntemperatur [°C]
RN Nennwiderstand []
E Temperaturendwert [°C]
RE Widerstandsendwert []
Der Temperaturbeiwert ist überwiegend positiv. Diese Kaltleiter werden daher PTC-Widerstände genannt (Positive Temperature Coefficient). Das Diagramm zeigt die typische Widerstandskurve eines PTC in Abhängigkeit von der Temperatur und das Schaltzeichen.
|
|
37
AE
2.6
20
|
NTC-Widerstand
Nachstehendes Diagramm zeigt die Kennlinie eines NTC-Widerstandes in Abhängigkeit von der Temperatur.
Wie gross ist der Nennwiderstand?
Im Datenblatt ist der Temperaturbereich bei Nullast mit bis und bei mit bis angegeben. Bestimmen Sie aus dem Diagramm die jeweiligen Widerstandswerte.
|
Wichtige Werte
am NTC-Widerstand
Einige Mischkristalle aus verschiedenen Metalloxiden (z.B. Eisenoxide und Titandioxid) sind bei Raumtemperatur hochohmig. Mit steigender Temperatur nimmt ihr Widerstandswert rasch ab. Diese nichtlinearen Widerstände mit negativen Temperaturkoeffizienten sind Heißleiter oder NTC-Widerstände (Negative Temperature Coefficient). Die Wertänderungen der Widerstände liegen zwischen (3 ... 6) % / Kelvin.
R25 Kalt- oder Nenn-
widerstand bei 25°C []
Pmax Maximale erlaubte
Belastung [W]
R bei Pmax also der
er Widerstandswert bei max.Verlustleistung oder bei einer festgelegten Temperatur. []
max Maximale Betriebs-temperatur [°C]
t die Abkühlzeit, die ein
bei Pmax betriebener
NTC nach Abschaltung braucht, um seinen
Widerstandswert zu
Verdoppeln [s]
Das Diagramm zeigt das Schaltzeichen und die Widerstandskurve eines Heißleiters (NTC-Widerstand) in Abhängigkeit von Wder Temperatur.
|
|
38
RE
1.297
|
Freileitung
Eine Aldray-Freileitung (,) wird im Sommer auf erwärmt, im Winter auf abgekühlt. Die Leitung ist lang und hat Qerschnitt.
Berechnen Sie die Widerstandsschwankung pro Leiter:
in ,
in Prozent (kalter Widerstand angenommen)!
Wie gross ist die Widerstandsänderung in ,
In Prozenten, wenn der Widerstand bei angenommen wird?
|
|
39
RE
1.304
|
Magnetspule
Eine -Magnetspule () nimmt bei Nennspannung auf. Im Betrieb sinkt der Strom auf .
Berechnen Sie die Betriebstemperatur () der Spule!
|
|