DW EditSeite anzeigenÄltere VersionenLinks hierherAlles aus-/einklappenNach oben Diese Seite ist nicht editierbar. Sie können den Quelltext sehen, jedoch nicht verändern. Kontaktieren Sie den Administrator, wenn Sie glauben, dass hier ein Fehler vorliegt. CKG Editor ====== 2. Einfache Gleichstromkreise ====== Bisher wurden nur einfache Stromkreise aus einer Quelle und einem mit Leitungen verbundenen Verbraucher betrachtet. \\ Im Folgenden werden kompliziertere Schaltungsanordnungen analysieren. Diese beinhalten zunächst nur eine Quelle, aber mehrere Leitungen und viele ohmsche Verbraucher. ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ ===== 2.1 ideale Bauelemente ===== <callout> === Ziele === Nach dieser Lektion sollten Sie: - die Darstellung von idealen Strom- und Spannungsquellen im U-I-Diagramm kennen. - wissen, welchen Innenwiderstand ideale Strom- und Spannungsquellen haben. - das Symbol von idealen Strom- und Spannungsquellen kennen. - die Eigenschaften des idealen Widerstands und der idealen Verbindung kennen. </callout> Jeder elektrische Stromkreis besteht aus drei Elementen: - **Verbraucher**: Verbraucher wandeln die elektrische Energie in eine nicht rein-elektrische Energie um. \\ z.B. - in elektrostatische Energie (Kondensator) - in magnetostatische Energie (Magnet) - in elektromagnetische Energie (LED, Glühbirne) - in mechanische Energie (Lautsprecher, Motor) - in chemische Energie (Laden eines Akkumulators) - **Erzeuger (Quellen)**: Erzeuger wandeln die Energie aus einer anderen Energieform in elektrisch Energie. (z.B. Generator, Batterie, Photovolatik) - **Verbindungen** (bzw. Stromnetz): die Verbindungsleitungen verknüpfen Verbraucher mit Quellen. Diese Elemente sollen im Folgenden näher betrachtet werden. ==== Verbraucher ==== <WRAP right> <imgcaption BildNr4 | Beispiele für Strom-Spannungs-Kennlinie> </imgcaption> {{drawio>BeispieleStromSpannungsKennlinie}} </WRAP> * Der umgangssprachlicher Begriff Verbraucher steht in der Elektrotechnik für einen elektrischen Verbraucher - also einem Bauteil, welches die elektrische Energie in eine andere Energieform wandelt. * Ein Widerstand wird häufig auch als Verbraucher bezeichnet. Neben den reinem ohmschen Verbraucher existieren aber auch ohmsch-induktive Verbraucher (z.B. Spulen im Motor) oder ohmsch-kapazitive Verbraucher (z.B. verschiedene Netzteile durch Kondensatoren am Ausgang). Entsprechend ist die Gleichsetzung von Widerstand und Verbraucher falsch. * **Strom-Spannungs-Kennlinien** (vgl. <imgref BildNr4>) * Strom-Spannungs-Kennlinien eines Verbrauchers verlaufen immer durch den Ursprung, da ohne Strom keine Spannung anliegt und umgekehrt. * Ohm'sche Verbraucher besitzen eine lineare Strom-Spannungs-Kennlinie, welche durch einen einzigen Zahlenwert beschrieben werden kann. \\ Die Steigung in der $U$-$I$-Kennlinie ist die Leitfähigkeit: $I = G \cdot U = {{U}\over{R}}$ ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ ==== Quellen ==== <WRAP right> Ideale Quellen {{youtube>IZDh_EUuhRs}} \\ <WRAP group><WRAP column 45%> <imgcaption BildNr6 | ideale Spannungsquelle> </imgcaption> {{drawio>IdealeSpannungsquelle}} </WRAP> <WRAP column 45%> <imgcaption BildNr7 | ideale Stromquelle> </imgcaption> {{drawio>IdealeStromquelle}} </WRAP></WRAP></WRAP> * Quellen wirken als Erzeuger elektrischer Energie * Es werden ideale und reale Quellen unterschieden. \\ Die realen Quellen werden im nachfolgenden Kapitel ([[Lineare Quellen und Zweipole]]) beschrieben. Die **ideale Spannungsquelle** erzeugt eine definierte Ausgangsspannung $U_q$. Um diese Spannung zu halten kann sie einen beliebigem Strom abgeben. Die Strom-Spannungs-Kennlinie stellt dies auch dar (siehe <imgref BildNr6>). \\ Das Schaltzeichen zeigt einen Kreis mit zwei Anschlüssen. Im Kreis sind die beiden Anschlüsse kurzgeschlossen. \\ Eine weiteres Schaltzeichen zeigt den negativen Anschluss der Spannungsquelle als "dickes Minus", der positive Anschluss ist breiter gezeichnet. Die **ideale Stromquelle** erzeugt eine definierten Ausgangsstrom $I_q$. Damit dieser Strom fließen kann, ist eine beliebigem Spannung an ihren Klemmen möglich. Die Strom-Spannungs-Kennlinie stellt dies auch dar (siehe <imgref BildNr7>). \\ Das Schaltzeichen zeigt einen Kreis mit zwei Anschlüssen. Im Kreis sind die beiden Anschlüsse offengelassen und eine Linie senkrecht dazu gezeichnet. ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ ==== Verbindungen ==== * Die ideale Verbindungsleitung ist widerstandsfrei und übermittelt Strom und Spannung instantan. * Real vorhandene Einflüsse (z.B. Spannungsabfall) von Verbindungen werden über separat gezeichnete Bauteile (z.B. ohmschen Widerstand) berücksichtigt. ===== 2.2 Bezugspfeile und erste Betrachtung eines Gleichstromkreises ===== <WRAP right> <imgcaption BildNr5 | Beispiel einer Schaltung> </imgcaption> \\ {{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?ctz=CQAgjCAMB0l3BWcMBMcUHYMGZIA4UA2ATmIxEJRCQBZsAoAJxDqsJvA0JGO8hBRpITTt14hsacMSr9Mw5pP5gZEwnnA0OyhHBGsKHGuJQI+LDHubHup7kumyQBKxKkqqNMPfVRwQhRYTMxZvNQ1+dUCUGmVVbzlYvzAAkQcPASTsbHMzVxj+bO4vHwiLEQKJHP8NTCcweHoANxqBDCowLh5zfiT+JH4YMARiYeM6SBl6AGUBPFr8TLlF5RAAMwBDABsAZwBTPxR6AHc5hY101WikwQ4EtqdsYmFT+8qU2vaoE-BCOS+Pg9vgAPAQjaQQTBIFRGTIgab0UHYGjkFIQbAIDQpWFSI5Ip7gFISFGE2gSfgASXo2Es4U0HGweDuKCxfheEiZrQM7BBbTuxFqeCQaAgHHc9CAA 600,500 noborder}} </WRAP> <callout> === Ziele === Nach dieser Lektion sollten Sie: - in der Lage sein, das Erzeuger- und Verbraucherbezugspfeilsystem anwenden und unterscheiden zu können. </callout> Im Kapitel Grundlagen wurde bereits der konventionelle (=dem Konventionen entsprechende) Richtungssinn von [[grundlagen_und_grundbegriffe#festlegung_der_stromrichtung|Strömen]] und [[grundlagen_und_grundbegriffe#spannung_zwischen_zwei_punkten|Spannungen]] besprochen. Leider ist bei vermaschten Netzen häufig vor der Berechnung nicht überschaubar in welche Richtung der konventionelle Richtungssinn aller Ströme und Spannungen verläuft. in <imgref BildNr5> ist ein solches vermaschtes Netz gezeigt. In dieser Schaltung ist ein Schalter $S_1$ und ein Strom $I_2$ gekennzeichnet. \\ Wird über den Schalter $S_1$ der Widerstand gewechselt, so ändert sich die Richtung des Stroms $I_2$ ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ <callout icon="fa fa-exclamation" color="red" title="Merke:"> <WRAP right> <imgcaption BildNr1 | Bezugspfeile> </imgcaption> {{drawio>Bezugspfeile1}} </WRAP> * **Vor der Berechnung** werden die __Bezugspfeile__ für Ströme und Spannungen beliebig festgelegt * **Nach der Berechnung** bedeutet * $I>0$: Der Bezugspfeil gibt den konventionellen Richtungssinn des Stroms wider * $I<0$: Der Bezugspfeil zeigt in die Gegenrichtung zum konventionellen Richtungssinn des Stroms * Bezugspfeile des Stroms werden nach Möglichkeit **__in__** den Leitungszug gezeichnet. </callout> ==== Erzeuger- und Verbraucher(bezugs)pfeilsysteme ==== <WRAP group><WRAP column 45%> <callout color="grey"> <WRAP right> <imgcaption BildNr2 | Erzeugerpfeilsystem> </imgcaption> {{drawio>Erzeugerpfeilsystem}} </WRAP> === Erzeugerpfeilsystem === Bei **Quellen** (oder Erzeugern) wird aus der Umgebung Energie entnommen und dem Stromkreis zur Verfügung gestellt. \\ Bei Erzeugern hängt der Pfeil__fuß__ des Stromes an Pfeil__spitze__ der Spannung. Spannungs- und Strompfeil sind antiparallel ($\uparrow \downarrow$). Für Erzeuger gilt: $P_{1} = U_{12} \cdot I_1 \stackrel{!}{>} 0$ Die Leistungstransfer von der Umgebung in das Stromnetz __über den Erzeuger bzw. das Erzeugerpfeilsystem__ wird positiv gerechnet. </callout> </WRAP><WRAP column 45%> <callout color="grey"> <WRAP left> <imgcaption BildNr3 | Verbraucherpfeilsystem> </imgcaption> {{drawio>Verbraucherpfeilsystem}} </WRAP> === Verbraucherpfeilsystem=== Bei **Verbrauchern** wird aus dem Stromkreis Energie entnommen und der Umgebung zur Verfügung gestellt. \\ Bei Verbrauchern hängen der Pfeil__füße__ bzw. Pfeil__spitzen__ des Stromes und der Spannung zusammen. Spannungs- und Strompfeil sind parallel ($\uparrow \uparrow$). Für Verbrauchern gilt: $P_{3} = U_{34} \cdot I_3 \stackrel{!}{>} 0$ Die Leistungstransfer vom Stromnetz in die Umgebung __über den Verbraucher bzw. das Verbraucherpfeilsystem__ wird auch positiv gerechnet. </callout> </WRAP></WRAP> <WRAP right> Das Zählpfeilsystem {{youtube>ceWNJQpgy8E}} </WRAP> ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ ===== 2.3 Knoten, Zweige und Maschen ===== <WRAP right> Erklärung der verschiedenen Netzwerkstrukturen \\ (Graphen und Bäume werden erst in späteren Kapiteln benötigt) {{youtube>c7z1pRCzEuw}} </WRAP> <callout> === Ziele === Nach dieser Lektion sollten Sie: - in einer Schaltung die Knoten, Zweige und Maschen identifizieren können. - eine Schaltung damit übersichtlicher darstellen können. </callout> ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ <WRAP right> <imgcaption BildNr0 | Stromkreise und Stromnetze> </imgcaption> \\ {{drawio>Stromkreise_Stromnetze}} <imgcaption BildNr8 | Knoten, Zweige und Maschen> </imgcaption> \\ {{drawio>KnotenZweigeMaschen}} </WRAP> Elektrische Stromkreise haben typischerweise die Struktur von Netzen. Netze bestehen aus zwei elementaren Strukturelementen: - <fc #cd5c5c>**Zweige/Kanten**</fc>: Verbindungen zwischen zwei Knoten - <fc #6495ed>**Knoten**</fc>: Verbindungspunkte mehrerer Zweige Bei elektrischen Schaltkreisen ist zu beachten: - <fc #cd5c5c>**Zweige**</fc> beinhalten mindestens ein Bauteil. - <fc #6495ed>**Knoten**</fc> verbinden mehr als zwei Zweige und können auch räumlich ausgedehnt sein. Zweige in elektrischen Netzwerken bezeichnet man als Zweipole. Ihr Verhalten wird durch Strom-Spannungs-Kennlinien beschrieben und im Kapitel [[Lineare Quellen und Zweipole]] näher erklärt. Zudem soll noch ein weiterer Begriff erklärt werden: \\ Eine **<fc #ffa500>Masche</fc>** ist ein geschlossener Weg im Netz. Das heißt eine Masche beginnt und endet am gleichen Knoten und läuft über mindestens einen weiteren Knoten. Da auch ein Voltmeter als Komponente zwischen zwei Knoten vorhanden sein kann, ist es auch möglich eine Masche über eine Angabe einer Spannung zu schließen (vgl. $U_1$ in <imgref BildNr8>). ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ Im Gegensatz zu den anderen Ursache-Wirkungs-Beziehungen ändert sich bei den vernetzten Stromkreisen fast immer das gesamte Verhalten, wenn in einem Zweig / an einem Knoten eine Änderung auftritt. \\ Dies ist vergleichbar mit anderen Änderungen in anderen Netzen, z.B. einem Stau im Straßennetz, aufgrund dessen andere Straßen eine höhere Belastung erfahren. Für die Elektrotechnik bedeutet dies, dass bei sich ändernde Schaltungen eine Ermittlung der Zusammenhänge (Formeln, Strom-Spannungs-Kennlinien) häufig im Vordergrund steht und nicht ein einzelner Zahlenwert. ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ ==== Vereinfachungen ==== <WRAP right> <imgcaption BildNr9 | Beispiel zur Umwandlung einer Schaltung> {{elektrotechnik_1:umwandlungeinerschaltung.gif}} </imgcaption> </WRAP> Mit der Kenntnis von Knoten, Zweigen und Maschen lassen sich Schaltungen vereinfachen. Schaltungen lassen sich beliebig umformen, solange nach der Umformung alle Zweige an den gleichen Knoten bleiben Die <imgref BildNr9> zeigt wie eine solche Umformung möglich ist. Bei praktischen Aufgaben kann ein wiederholtes Ausprobieren sinnvoll sein. Wichtig dabei ist eine nachträgliche Kontrolle, dass an jedem Knoten die selben Komponenten wie vor der Umwandlung angeschlossen sind. Weitere Beispiele sind in folgendem Video zu finden {{youtube>bB19bhd6iSI}} ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ <panel type="info" title="Aufgabe 2.1.1 Zweige und Knoten"> <WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%> <WRAP right> <imgcaption BildNr70 | Zweige und Knoten> </imgcaption> {{drawio>ZweigeundKnoten}} </WRAP> Geben Sie für die Markierungen in den Schaltkreisen in <imgref BildNr70> an, ob es sich um einen Zweig, einen Knoten oder weder noch handelt. </WRAP></WRAP></panel> <panel type="info" title="Aufgabe 2.1.2 Vereinfachungen von Schaltungen"> <WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%> <WRAP right> <imgcaption BildNr71 | Zweige und Knoten> </imgcaption> {{drawio>SchaltungenVereinfachen}} </WRAP> Vereinfachen Sie die Schaltungen in <imgref BildNr71>. </WRAP></WRAP></panel> ===== 2.4 Kirchhoffsche Gleichungen ===== <WRAP right> Darstellung und Anwendung der Kirchhoffschen Gesetze {{youtube>qkKaNsHdxgc?start=6}} </WRAP> <callout> === Ziele === Nach dieser Lektion sollten Sie: - die Kirchhoffschen Gleichungen bzw. Knoten- und Maschensatz kennen und anwenden können. </callout> ==== Der Knotensatz (1. Kirchhoffsche Gleichung) ==== Der Knotensatz formuliert in der Sprache der Mathematik die Erfahrung, dass sich in elektrischen Leitern keine Ladungs"anhäufungen" auftreten. Dies ist von besonderer Relevanz an einem Netzknoten (<imgref BildNr10>). Zur Formulierung der Gleichung werden bei diesem Netzknoten die Bezugspfeile der Ströme alle in gleicher Weise festgelegt. Das heißt: alle zeigen vom Knoten weg oder auf ihn zu. <callout icon="fa fa-exclamation" color="red" title="Merke:"> <WRAP right> <imgcaption BildNr10 | Knotensatz> </imgcaption> {{drawio>Knotensatz}} </WRAP> Die Summe aller Ströme, welche aus den Knoten zulaufen, muss Null sein. $\boxed{I_1 + I_2 + I_3 + ... + I_n = \sum_{x=1}^{n} I_x=0}$ Es gilt von nun an folgende Festlegung: * Ströme, deren Strompfeile auf den Knoten hin zeigen, werden in der Rechnung addiert. * Ströme, deren Strompfeile vom Knoten weg zeigen, werden in der Rechnung subtrahiert. </callout> <WRAP right> <imgcaption BildNr11 | Parallelschaltung> </imgcaption> {{drawio>Parallelschaltung}} </WRAP> === Parallelschaltung von Widerständen === Aus dem Knotensatz lässt sich der Gesamtwiderstand für parallel geschaltete Widerstände herleiten (<imgref BildNr11>): Da an allen Widerständen die gleiche Spannung $U_{ab}$ abfällt, gilt mit dem Maschensatz: $\large{{U_{ab}}\over{R_1}}+ {{U_{ab}}\over{R_2}}+ ... + {{U_{ab}}\over{R_n}}= {{U_{ab}}\over{R_{ersatz}}}$ $\rightarrow \large{{{1}\over{R_1}}+ {{1}\over{R_2}}+ ... + {{1}\over{R_n}}= {{1}\over{R_{ersatz}}} = \sum_{x=1}^{n} {{1}\over{R_x}}}$ Bei parallel geschalteten Widerständen ergibt sich also der Leitwert $G_{ersatz}$ als Summe der Einzelleitwerte: $G_{ersatz} = \sum_{x=1}^{n} {G_x}$ Speziell für zwei parallele Widerstände $R_1$ und $R_2$ gilt: $R_{ersatz}= \large{{R_1 \cdot R_2}\over{R_1 + R_2}}$ === Stromteiler === <WRAP right> Herleitung des Stromteilers mit weiteren Betrachtungen {{youtube>JgHwK1jMauM}} </WRAP> Aus dem Knotensatz lässt sich auch die Stromteiler-Regel herleiten. \\ Diese besagt, dass sich bei parallel geschalteten Widerständen $R_1, ... R_n$ deren Ströme $I_1, ... I_n$ sich gerade so verhalten wie die Leitwerte $G_1, ... G_n$ durch welche sie fließen. $\large{{I_1}\over{I_g}} = {{G_1}\over{G_g}}$ $\large{{I_1}\over{I_2}} = {{G_1}\over{G_2}}$ ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ <panel type="info" title="Aufgabe 2.4.1 Stromteiler"> <WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%> <WRAP right> <imgcaption BildNr85| Stromteiler> </imgcaption> \\ {{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?ctz=CQAgjCAMB0l3BWKsBMA2AzAgnAdjBgBxhgK7q64gKTXWQBQATiCgmuLh2xxpACxRwcBmHKt2nbpLApCQqkiS0V0JADUA9gBsALgEMA5gFMGhibwzTeCFFAYB3CyD6CeLq+GYvbUn3dchMHhHfxcBMIxPMDNIzywA30YnQLEbOzT7J3dM1K4s50ywNFpMxhZi2hQUQUrnUpCnOtSSjw4Y82bo1oSCupyeiMYAZ3BW6trWsvAQADN9bWHTIA 600,400 noborder}} </WRAP> In der Simulation in <imgref BildNr85> ist ein Stromteiler zu sehen. Die Ströme verhalten sich dort gerade umgekehrt proportional zu den durchflossenen Widerständen. - Welche Ströme erwarten Sie in den einzelnen Zweigen, wenn die Eingangsspannung von $5V$ auf $3,3V$ gesenkt würde? __Nachdem__ Sie Ihr Ergebnis überlegt hatten, können Sie durch Bewegen des Sliders ''Spannung'' (unten rechts neben der Simulation) entsprechend einstellen. - Überlegen Sie sich was passiert wenn Sie den Schalter umlegen __würden__, __bevor__ Sie den Schalter umlegen. \\ Wie lässt sich, nachdem Sie den Schalter umgelegt haben, der Strom in dem Zweig erklären? </WRAP></WRAP></panel> \\ ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ ==== Der Maschensatz (2. Kirchhoffsche Gleichung) ==== Auch der Maschensatz beschreibt in in der mathematischen Sprache eine praktischer Erfahrung: Zwischen zwei Punkten $a$ und $b$ eines Netzwerks ergibt sich nur eine Potentialdifferenz. Die Potentialdifferenz ist damit insbesondere unabhängig davon auf welchem Weg ein Netzwerk zwischen den zwei Punkten $1$ und $2$ durchlaufen wird. Dies lässt sich durch die Betrachtung von Maschen beschreiben. <callout icon="fa fa-exclamation" color="red" title="Merke:"> <WRAP right> <imgcaption BildNr12 | Maschensatz> </imgcaption> {{drawio>Maschensatz}} </WRAP> In jeder beliebigen Masche eines elektrischen Netzwerks ist die Summe aller Spannungen gleich null (<imgref BildNr12>): $\boxed{U_{1} + U_{2} + ... + U_{n} = \sum_{x=1}^{n} U_x = 0}$ Zur Berechnung muss ein Umlaufsinn festgelegt werden. Diese kann zunächst beliebig gewählt werden. Es gilt dann aber folgende Festlegung: * Spannungen, deren Spannungspfeile im Umlaufsinn zeigen, werden in der Rechnung addiert. * Spannungen, deren Spannungspfeile gegen Umlaufsinn zeigen, werden in der Rechnung subtrahiert. </callout> === Beweis des Maschensatzes === Drückt man die Spannungen in <imgref BildNr12> durch die Potentiale in den Knotenpunkten aus, so ergibt sich: $U_{12}= \varphi_1 - \varphi_2 $ \\ $U_{23}= \varphi_2 - \varphi_3 $ \\ $U_{34}= \varphi_3 - \varphi_4 $ \\ $U_{41}= \varphi_4 - \varphi_1 $ Werden diese Spannungen in die Maschengleichung eingesetzt, so wird $U_{12}+U_{23}+U_{34}+U_{41} = 0$ \\ \\ === Reihenschaltung von Widerständen === <WRAP right> <imgcaption BildNr13 | Reihenschaltung> </imgcaption> {{drawio>Reihenschaltung}} </WRAP> Über den Maschensatz lässt sich der Gesamtwiderstand einer Reihenschaltung (<imref BildNr13>) leicht ermitteln: $U_1 + U_2 + ... + U_n = U_g$ $R_1 \cdot I_1 + R_2 \cdot I_2 + ... + R_n \cdot I_n = R_{ersatz} \cdot I $ Da bei der Reihenschaltung der Strom durch alle Widerstände gleich sein muss - also $I_1 = I_2 = ... = I$ - ergibt sich: $R_1 + R_2 + ... + R_n = R_{ersatz} = \sum_{x=1}^{n} R_x $ ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ ===== 2.5 unbelasteter und belasteter Spannungsteiler ===== <WRAP right> Herleitung unbelasteter Spannungsteiler {{youtube>AmjaKLkPovg}} </WRAP> <callout> === Ziele === Nach dieser Lektion sollten Sie: - </callout> <WRAP right> <imgcaption BildNr14 | unbelasteter Spannungsteiler> </imgcaption> {{drawio>unbelasteterSpannungsteiler}} </WRAP> Speziell die Hintereinanderschaltung von zwei Widerständen $R_1$ und $R_2$ soll nun näher betrachtet werden. Diese Situation tritt in vielen praktischen Anwendungen auf (z.B. Potentiometer). In <imgref BildNr14> ist diese Schaltung dargestellt. Über die Maschengleichung ergibt sich $\boxed{ {{U_1}\over{U}} = {{R_1}\over{R_1 + R_2}} }$ Das Verhältnis $k={{R_1}\over{R_1 + R_2}}$ entspricht auch der Position an einem Potentiometer. ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ <panel type="info" title="Aufgabe 2.5.1 unbelasteter Spannungsteiler"> <WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%> <WRAP right> <imgcaption BildNr81| unbelasteter Spannungsteiler> </imgcaption> \\ {{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?ctz=CQAgjCAMB0l3BWKsAsB2ATAZgGw4QhmimJGOiApJSClgFABu4O1RGL1YaOUfK1JNWHQE9bihBZIk7rywY2CXhFJxkSAEoBTAM4BLXQBcAhgDsAxtvoB3EIoAc9zFJnOOkW68nspDny6edgpsGJJY-vZhUPQADn4+0REBHBDCcfaQTnKZTr5pMXZgrOA8uaW8QZzu5b6eAObeNdI+Dk6eimgJUZICob0gADq6w6O6AKoA+gD2AK5GXo4VPctVLcv5ZZ66KzmbleAgAGYmADa61kA 500,400 noborder}} </WRAP> In der Simulation in <imgref BildNr81> ist ein unbelasteter Spannungsteiler in Form eines Potentiometers zu sehen. Die ideale Spannungsquelle stellt $5V$ bereit. Das Potentiometer hat einen Gesamtwiderstand von $1K\Omega$. In der dargestellten Konfiguration ist dieser auf $500 \Omega$ und $500 \Omega$ ausgeteilt. - Welche Spannung ''U_out'' erwarten Sie, wenn der Schalter geschlossen würde? __Nachdem__ Sie Ihr Ergebnis überlegt hatten, können Sie dieses durch Schließen das Schalters überprüfen. - Überlegen Sie sich zunächst was passiert wenn Sie durch Verschieben des Schleifers ("Zwischenabgriff") die Aufteilung der Widerstände verändern __würden__? \\ Durch den Slider unten rechts neben der Simulation lässt sich Ihre Vermutung überprüfen. - Bei welcher Stellung erhalten Sie ein ''U_out'' von $3,5V$? </WRAP></WRAP></panel> ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ ==== Der belastete Spannungsteiler ==== <WRAP right> <imgcaption BildNr15 | belasteter Spannungsteiler> </imgcaption> {{drawio>belasteterSpannungsteiler}} </WRAP> Wird - im Gegensatz zum obigen, unbelasteten Spannungsteiler - an den Ausgangsklemmen eine Last $R_L$ angeschlossen (<imgref BildNr15>), so beeinflusst diese die Ausgangsspannung. Durch eine Schaltungsanalyse ergibt sich: $ U_1 = \LARGE{{{U} \over {1 + {{R_2}\over{R_L}} + {{R_2}\over{R_1}} }} }$ bzw. an einem Potentiometer mit $k$ und $R_s = R_1 + R_2$: $ U_1 = \LARGE{{{k \cdot U} \over { 1 + k \cdot (1-k) \cdot{{R_s}\over{R_L}} }} }$ ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ <panel type="info" title="Aufgabe 2.5.2 belasteter Spannungsteiler"> <WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%> Ermitteln Sie aus der Schaltung in <imgref BildNr15> die obige Gleichung $ U_1 = {{k \cdot U} \over { 1 + k \cdot (1-k) \cdot{{R_s}\over{R_L}}}}$ mit $k={{R_1}\over{R_1 + R_2}}$ und $R_s = R_1 + R_2$. </WRAP></WRAP></panel> <panel type="info" title="Aufgabe 2.5.3 belasteter Spannungsteiler"> <WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%> <WRAP right> <imgcaption BildNr82| belasteter Spannungsteiler> </imgcaption> \\ {{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?ctz=CQAgjCAMB0l3BWcMBMcUHYMGZIA4UA2ATmIxAUgpABZsAoAN3BppExRbbA0Kn5pUkVEdAT0ebXN14hsadgj4Qw8KGJAAlAKYBnAJa6ALgEMAdgGNt9AO7t87DJ2mPOkW6-CyXPPu7suHHIInEH+cgooKFIh7NFQ9AAOcnhsUVKpnhAi9ABOwaHx2LFhyHAexaFOKWnV4ZVxGWnx4WCsnmh4nq3tvvZdfe7JnV58I0HZCXYjfemjCbqN8xOyVBAAZiYANrrWaOTYmXOCVMcgADq6l9e6AKoA+gD2AK5G9ADmcpC1zt9fbO4gA 500,400 noborder}} </WRAP> In der Simulation in <imgref BildNr82> ist ein belasteter Spannungsteiler in Form eines Potentiometers zu sehen. Die ideale Spannungsquelle stellt $5V$ bereit. Das Potentiometer hat einen Gesamtwiderstand von $1K\Omega$. In der dargestellten Konfiguration ist dieser auf $500 \Omega$ und $500 \Omega$ ausgeteilt. Der Lastwiderstand hat eine Größe von $R_L = 1 k\Omega$. - Welche Spannung ''U_OUT'' erwarten Sie, wenn der Schalter geschlossen würde? Hier müssen Sie etwas rechnen! __Nachdem__ Sie Ihr Ergebnis berechnet hatten, können Sie dieses durch Schließen das Schalters überprüfen. - Bei welcher Aufteilung erhalten Sie $3,5V$. Ermitteln Sie das Ergebnis zunächst zur eine Rechnung.\\ Überprüfen sie es anschließend durch Verschieben des Slider unten rechts neben der Simulation. </WRAP></WRAP></panel> <panel type="info" title="Aufgabe 2.5.4 Anwendung des belasteten Spannungsteilers - Motor"> <WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%> <WRAP right> <imgcaption BildNr16| Skizze des Aufbaus> </imgcaption> \\ {{drawio>MotorAmSpannungsteiler}} </WRAP> Sie wollten einen Kleinstmotor für einen kleinen Roboter testen. Anhand des Maximalstroms und des Innenwiderstands ($R_M = 5\Omega$) errechnen Sie, dass dieser mit maximal $U_{M,max}=4V$ betrieben werden kann. Ein Kollege meinte, dass Sie $4V$ über den Aufbau in <imgref BildNr16> aus einer $9V$-Block Batterie erhalten können. - Berechnen Sie zunächst den Maximalstrom $I_{M,max}$ des Motors. - Zeichnen Sie die entsprechende elektrische Schaltung mit angeschlossenem Motor als ohmschen Widerstand. - Beim Maximalstrom soll der Motor ein Drehmoment von $M= 100mN$ abgeben können. Welches Drehmoment würde der Motor abgeben, wenn Sie den Aufbau so umsetzen? (Annahme: Das Drehmoment des Motors steigt proportional zum Motorstrom). - Wie könnte ein Aufbau mit Potentiometer aussehen, mit dem man tatsächlich eine Spannung zwischen $0,5V$ bis $4V$ am Motor einstellen kann? Welchen Widerstandswert muss das Potentiometer haben? - Bauen Sie Ihre Schaltung in untenstehender Simulation auf und testen Sie diese. Eine Einführung zur Online-Simulation finden Sie unter: [[elektronische_schaltungstechnik:0 Hilfsmittel#Online Circuit Simulator]]. \\ Für diesen Aufbau benötigen Sie im wesentlichen folgende Tipps: - Das Verlegen von Verbindungen lässt sich über das Menü ''Zeichnen >> Verbindung einfügen (wire)'' aktivieren. Anschließend muss auf den Startpunkt geklickt und anschließend bis zum Endpunkt gezogen werden. - Beachten Sie, dass Verbindungen immer nur an Verbindungspunkten angeschlossen werden können. Der rot markierte Knoten am $5 \Omega$-Widerstand zeigt an, dass dieser nicht verbunden ist. Dieser könnte im ein Rasterschritt nach links verschoben werden, da dort ein Verbindungspunkt liegt. - Mit Druck auf die ''<ESC>'' Taste lässt sich das Einfügen von Komponenten deaktivieren. - Mit Rechtsklick auf eine Komponente lässt sich diese kopieren oder Werte wie der Widerstand über ''Bearbeiten...'' ändern. <WRAP right> <imgcaption BildNr83| Simulation für Motoraufbau> </imgcaption> \\ {{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?ctz=CQAgjCAMB0l3BWKsDsKAc64YMyRWACyRIKQhKE4BQAbiIeiHoQ0wEzuvnnEgCcUITATUATuH7sQnVu0wyuQ0QHM2zSK0bMcANijUA7upYgsG7kfWyz5G+2pgUrJ-tOvmCaRDDxkSACUAUwBnAEsQgBcAQwA7AGMgq3ZIDhRpFI4lSCswKUUXFH0bHKA 800,400 noborder}} </WRAP> </WRAP></WRAP></panel> <panel type="info" title="Aufgabe 2.5.5 Beispiele der Berechnung von belasteten Spannungsteilern"> <WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%> <WRAP group><WRAP column half> Spannungsteiler, Vorwiderstand (Längswiderstand) und Nebenwiderstand {{youtube>XRBiYdMhiF0}} </WRAP><WRAP column half> Übung zum Spannungsteiler {{youtube>6NG4uOMDU7Y}} </WRAP></WRAP> </WRAP></WRAP></panel> <panel type="info" title="Aufgabe 2.5.6 Beispiel eines belasteten Spannungsteiler: Erklärung ohne Rechnung"> <WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%> {{youtube>hRVOZIb8-6g}} </WRAP></WRAP></panel> ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ ===== 2.6 Stern-Dreieck-Schaltung ===== <callout> === Ziele === Nach dieser Lektion sollten Sie: - </callout> ==== Video ==== Berechung der Umformungsformeln: Sternschaltung in Dreiecksschaltung {{youtube>AFSWn5xR8tE}} Anwendung der Dreieck-Stern-Umwandlung {{youtube>YDpNFEWkN9U}} {{youtube>s7NqWI_ZSt4}} schwierigere Aufgabe mit Stern-Dreieck-Umwandlung {{youtube>poP4a0y0oLU}} ===== 2.7 Gruppenschaltung von Widerständen ===== <callout> === Ziele === Nach dieser Lektion sollten Sie: - Schaltungen, welche nur aus Widerständen bestehen, vereinfachen können. - die Spannungen und Ströme in Schaltungen mit einer Spannungsquelle und mehreren Widerständen berechnen können. - symmetrische Schaltungen vereinfachen können. </callout> ==== Video ==== {{youtube>8nhzwwRYaUI}} Vereinfachen von Gruppenschaltungen {{youtube>QqUQF3ky7gk}} {{youtube>UmvFJbS21co}} Beispiel für die Berechnung {{youtube>SzXWWrPRsDU}} Lösungen bei Symmetrie in der Schaltung {{youtube>MhaO6kiB4dk}} ===== 2.8 Beliebige Gleichstromkreise ===== <callout> === Ziele === Nach dieser Lektion sollten Sie: - </callout> ==== Video ==== Übungsaufgaben 1/2 {{youtube>gkJfKFuuyr8}} Übungsaufgaben 2/2 {{youtube>ueKmNw2dtlI}} Übungsaufgaben 2 {{youtube>9eIRRUNba4A}} Übungsaufgabe 3 {{youtube>glzTvhIW-nk}} ---- ===== 2.9 Weiterführende Tipps ===== Vergleich der Elektrik mit der Fluidmechanik {{youtube>6Dlva2_XOvI}}