Grundlagen Gleichstromtechnik

64 Pages·2015·3.28 MB·German

Grundlagen
Gleichstromtechnik
Arbeitsbuch
Mit CD-ROM
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Festo Didactic
567207 DE
Bestell-Nr.: 567207
Stand: 10/2010
Autor: Christine Löffler
Grafik: Thomas Ocker, Doris Schwarzenberger
Layout: 10/2010, Beatrice Huber

© Festo Didactic SE, 73770 Denkendorf, Deutschland, 2015
Alle Rechte vorbehalten.
Internet: www.festo-didactic.com
E-Mail: [email protected]

Der Käufer erhält ein einfaches, nicht-ausschließliches, zeitlich unbeschränktes und geografisch nur auf die
Nutzung innerhalb des Standortes/Sitz des Käufers beschränktes Nutzungsrecht wie folgt.
Der Käufer ist berechtigt, die Inhalte des Werkes zur Fortbildung seiner Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter,
des Standortes zu nutzen und hierzu auch Teile der Inhalte zur Erstellung eigener Fortbildungsunterlagen
zur Fortbildung seiner Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Standortes unter Angabe der Quelle zu
verwenden und für die Fortbildung am Standort zu kopieren. Bei Schulen/Hochschulen und
Ausbildungsstätten umfasst das Nutzungsrecht auch die Nutzung für deren Schüler, Lehrgangsteilnehmer
und Studenten des Standortes für den Unterricht.
Ausgeschlossen ist in jedem Fall das Recht zur Veröffentlichung sowie zur Einstellung und Nutzung in
Intranet- und Internet- sowie LMS-Plattformen und Datenbanken wie z. B. Moodle, die den Zugriff einer
Vielzahl von Nutzern auch außerhalb des Standortes des Käufers ermöglichen.
Weitere Rechte zu Weitergabe, Vervielfältigungen, Kopien, Bearbeitungen, Übersetzungen,
Mikroverfilmungen sowie die Übertragung, Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen,
unabhängig ob ganz oder in Teilen, bedürfen der vorherigen Zustimmung der Festo Didactic.

Hinweis
Soweit in diesem Arbeitsbuch nur von Lehrer, Schüler etc. die Rede ist, sind selbstverständlich auch
Lehrerinnen, Schülerinnen etc. gemeint. Die Verwendung nur einer Geschlechtsform soll keine
geschlechtsspezifische Benachteiligung sein, sondern dient nur der besseren Lesbarkeit und dem
besseren Verständnis der Formulierungen.
Inhalt

Bestimmungsgemäße Verwendung ___________________________________________________________ IV
Vorwort ___________________________________________________________________________________ V
Einleitung ________________________________________________________________________________ VII
Arbeits- und Sicherheitshinweise ___________________________________________________________ VIII
Trainingspaket Grundlagen Gleichstromtechnik (TP 1011) _______________________________________ IX
Lernziele – Grundlagen Gleichstromtechnik ______________________________________________________ X
Zuordnung von Lernzielen und Aufgaben – Grundlagen Gleichstromtechnik __________________________ XI
Gerätesatz _______________________________________________________________________________ XIII
Zuordnung von Komponenten und Aufgaben – Grundlagen Gleichstromtechnik ______________________ XVII
Hinweise für den Lehrer/Ausbilder ___________________________________________________________ XIX
Struktur der Aufgaben ______________________________________________________________________ XX
Bezeichnung der Komponenten ______________________________________________________________ XX
Inhalte der CD-ROM _______________________________________________________________________ XXI

Aufgaben und Lösungen

Aufgabe 1: Analysieren elektrischer Stromkreise und feststellen von Gesetzmäßigkeiten _____________ 1
Aufgabe 2: Analysieren von Widerständen___________________________________________________ 21
Aufgabe 3: Bestimmen des Vorwiderstandes für eine Leuchtdiode ______________________________ 29
Aufgabe 4: Erweitern einer Schaltung um einen elektrischen Verbraucher ________________________ 41
Aufgabe 5: Ermitteln der elektrischen Leistung für zwei Schaltungsvarianten ______________________ 55
Aufgabe 6: Auswählen von Messschaltungen ________________________________________________ 67
Aufgabe 7: Entwickeln einer Schaltung für einen Spannungsteiler _______________________________ 77
Aufgabe 8: Entwickeln von Schutzschaltungen für eine Bohrmaschine ___________________________ 91
Aufgabe 9: Aufbauen einer Gleichspannungsquelle __________________________________________ 107
Aufgabe 10: Auswählen eines Kondensators mit kurzer Ladezeit ________________________________ 123

Aufgaben und Arbeitsblätter

Aufgabe 1: Analysieren elektrischer Stromkreise und feststellen von Gesetzmäßigkeiten _____________ 1
Aufgabe 2: Analysieren von Widerständen___________________________________________________ 21
Aufgabe 3: Bestimmen des Vorwiderstandes für eine Leuchtdiode ______________________________ 29
Aufgabe 4: Erweitern einer Schaltung um einen elektrischen Verbraucher ________________________ 41
Aufgabe 5: Ermitteln der elektrischen Leistung für zwei Schaltungsvarianten ______________________ 55
Aufgabe 6: Auswählen von Messschaltungen ________________________________________________ 67
Aufgabe 7: Entwickeln einer Schaltung für einen Spannungsteiler _______________________________ 77
Aufgabe 8: Entwickeln von Schutzschaltungen für eine Bohrmaschine ___________________________ 91
Aufgabe 9: Aufbauen einer Gleichspannungsquelle __________________________________________ 107
Aufgabe 10: Auswählen eines Kondensators mit kurzer Ladezeit ________________________________ 123

© Festo Didactic 567207 III
Bestimmungsgemäße Verwendung

Das Trainingspaket Grundlagen Elektrotechnik/Elektronik ist nur zu benutzen:
• für die bestimmungsgemäße Verwendung im Lehr- und Ausbildungsbetrieb
• in sicherheitstechnisch einwandfreiem Zustand

Die Komponenten des Trainingspakets sind nach dem heutigen Stand der Technik und den anerkannten
sicherheitstechnischen Regeln gebaut. Dennoch können bei unsachgemäßer Verwendung Gefahren für Leib
und Leben des Benutzers oder Dritter und Beeinträchtigungen der Komponenten entstehen.

Das Lernsystem von Festo Didactic ist ausschließlich für die Aus- und Weiterbildung im Bereich
Automatisierung und Technik entwickelt und hergestellt. Das Ausbildungsunternehmen und/oder die
Ausbildenden hat/haben dafür Sorge zu tragen, dass die Auszubildenden die Sicherheitsvorkehrungen, die
in diesem Arbeitsbuch beschrieben sind, beachten.

Festo Didactic schließt hiermit jegliche Haftung für Schäden des Auszubildenden, des
Ausbildungsunternehmens und/oder sonstiger Dritter aus, die bei Gebrauch/Einsatz dieses Gerätesatzes
außerhalb einer reinen Ausbildungssituation auftreten; es sei denn Festo Didactic hat solche Schäden
vorsätzlich oder grob fahrlässig verursacht.

IV © Festo Didactic 567207
Vorwort

Das Lernsystem Automatisierung und Technik von Festo Didactic orientiert sich an unterschiedlichen
Bildungsvoraussetzungen und beruflichen Anforderungen. Abgeleitet hieraus ergibt sich die Gliederung des
Lernsystems:
• Technologieorientierte Trainingspakete
• Mechatronik und Fabrikautomation
• Prozessautomation und Regelungstechnik
• Mobile Robotik
• Hybride Lernfabriken

Parallel zu den Entwicklungen im Bildungsbereich und in der beruflichen Praxis wird das Lernsystem
Automatisierung und Technik laufend aktualisiert und erweitert.

Die technologieorientierten Trainingspakete befassen sich mit den Technologien Pneumatik,
Elektropneumatik, Hydraulik, Elektrohydraulik, Proportionalhydraulik, Speicherprogrammierbare
Steuerungen, Sensorik, Elektrotechnik, Elektronik und elektrischen Antrieben.

Der modulare Aufbau des Lernsystems ermöglicht Anwendungen, die über die Grenzen der einzelnen
Trainingspakete hinausgehen. Beispielsweise sind SPS-Ansteuerungen von pneumatischen, hydraulischen
und elektrischen Antrieben möglich.

© Festo Didactic 567207 V
Alle Trainingspakete setzen sich aus den folgenden Elementen zusammen:
• Hardware
• Medien
• Seminare

Hardware
Die Hardware der Trainingspakete besteht aus didaktisch aufbereiteten Industriekomponenten und
Systemen. Die Komponentenauswahl und Ausführung in den Trainingspaketen ist speziell an die Projekte
der begleitenden Medien angepasst.

Medien
Die Medien zu den einzelnen Themengebieten sind den Bereichen Teachware und Software zugeordnet. Die
praxisorientierte Teachware umfasst:
• Fach- und Lehrbücher (Standardwerke zur Vermittlung fundamentaler Kenntnisse)
• Arbeitsbücher (praktische Aufgaben mit ergänzenden Hinweisen und Musterlösungen)
• Lexika, Handbücher, Fachbücher (bieten Fachinformationen zu vertiefenden Themenbereichen)
• Foliensammlungen und Videos (zur anschaulichen und lebendigen Unterrichtsgestaltung)
• Poster (für die übersichtliche Darstellung von Sachverhalten)

Aus dem Bereich Software werden Programme für die folgenden Anwendungen bereitgestellt:
• Digitale Lernprogramme (didaktisch und medial aufbereitete Lerninhalte)
• Simulationssoftware
• Visualisierungssoftware
• Software zur Messdatenerfassung
• Projektierungs- und Konstruktionssoftware
• Programmiersoftware für Speicherprogrammierbare Steuerungen

Die Lehr- und Lernmedien sind in mehreren Sprachen verfügbar. Sie sind für den Einsatz im Unterricht
konzipiert, aber auch für ein Selbststudium geeignet.

Seminare
Ein umfassendes Seminarangebot zu den Inhalten der Trainingspakete rundet das Angebot in Aus- und
Weiterbildung ab.

Haben Sie Anregungen oder Kritikpunkte zu diesem Buch?

Dann senden Sie eine E-Mail an: [email protected]
Die Autoren und Festo Didactic freuen sich auf Ihre Rückmeldung.

VI © Festo Didactic 567207
Einleitung

Das vorliegende Arbeitsbuch ist ein Element aus dem Lernsystem Automatisierung und Technik der Firma
Festo Didactic. Das System bildet eine solide Grundlage für eine praxisorientierte Aus- und Weiterbildung.
Das Trainingspaket Grundlagen der Elektrotechnik/Elektronik TP 1011 behandelt die folgenden Themen:
• Grundlagen Gleichstromtechnik
• Grundlagen Wechselstromtechnik
• Grundlagen Halbleiter
• Grundschaltungen der Elektronik

Das Arbeitsbuch Grundlagen Gleichstromtechnik liefert die Einführung in das Thema
Elektrotechnik/Elektronik. Im Vordergrund steht dabei die Vermittlung der elektrischen Grundgrößen. Zu
den behandelten Größen gehören unter anderem Spannung, Strom, Widerstand und Leitwert sowie Arbeit
und Leistung. Das Ohm‘sche Gesetz wird umfassend erläutert. Besonderer Wert wird auch auf den Einsatz
von Messgeräten gelegt.

Voraussetzung für den Aufbau und das Auswerten der Schaltungen ist ein Laborarbeitsplatz, ausgestattet
mit einer abgesicherten Netzspannungsversorgung, zwei Digital-Multimetern, einem Speicher-Oszilloskop
und Sicherheits-Laborleitungen.

Mit dem Gerätesatz TP 1011 werden die kompletten Schaltungen der 10 Aufgabenstellungen zum Thema
Grundlagen Gleichstromtechnik aufgebaut. Die theoretischen Grundlagen für das Verständnis dieser
Aufgaben enthalten die Lehrbücher
• Fachkunde Elektroberufe, Bestell-Nr. 567297 und
• Elektrotechnik, Bestell-Nr. 567298.

Des Weiteren stehen Datenblätter der einzelnen Komponenten (lineare und nichtlineare Widerstände,
Kondensatoren, Messgeräte usw.) zur Verfügung.

© Festo Didactic 567207 VII
Arbeits- und Sicherheitshinweise

Allgemein
• Die Auszubildenden dürfen nur unter Aufsicht einer Ausbilderin/eines Ausbilders an den Schaltungen
arbeiten.
• Beachten Sie die Angaben der Datenblätter zu den einzelnen Komponenten, insbesondere auch alle
Hinweise zur Sicherheit!
• Störungen, die die Sicherheit beeinträchtigen können, dürfen beim Schulungsbetrieb nicht erzeugt
werden und sind umgehend zu beseitigen.

Elektrik
• Lebensgefahr bei unterbrochenem Schutzleiter!
– Der Schutzleiter (gelb/grün) darf weder außerhalb noch innerhalb des Geräts
unterbrochen werden.
– Die Isolierung des Schutzleiters darf weder beschädigt noch entfernt werden.
• In gewerblichen Einrichtungen sind die Berufsgenossenschaftlichen Vorschriften BGV A3 "Elektrische
Anlagen und Betriebsmittel" zu beachten.
• In Schulen und Ausbildungseinrichtungen ist das Betreiben von Netzgeräten durch geschultes Personal
verantwortlich zu überwachen.
• Vorsicht!
Kondensatoren im Gerät können noch geladen sein, selbst wenn das Gerät von allen Spannungsquellen
getrennt wurde.
• Beim Ersetzen von Sicherungen: Verwenden Sie nur vorgeschriebene Sicherungen mit der richtigen
Nennstromstärke.
• Schalten Sie Ihr Netzgerät niemals sofort ein, wenn es von einem kalten in einen warmen Raum
gebracht wird. Das dabei entstehende Kondenswasser kann unter ungünstigen Umständen Ihr Gerät
zerstören. Lassen Sie das Gerät ausgeschaltet, bis es Zimmertemperatur erreicht hat.
• Verwenden Sie als Betriebsspannung für die Schaltungen der einzelnen Aufgaben nur Spannungen von
maximal 60 V DC und 25 V AC. Beachten Sie zusätzlich die Angaben zur maximalen Betriebsspannung
der eingesetzten Komponenten.
• Stellen Sie elektrische Anschlüsse nur in spannungslosem Zustand her!
• Bauen Sie elektrische Anschlüsse nur in spannungslosem Zustand ab!
• Verwenden Sie für die elektrischen Anschlüsse nur Verbindungsleitungen mit Sicherheitssteckern.
• Ziehen Sie beim Abbauen der Verbindungsleitungen nur an den Sicherheitssteckern, nicht an den
Leitungen.
• Schließen Sie das Speicher-Oszilloskop immer über einen Trenntransformator an die
Netzspannungsversorgung an.

VIII © Festo Didactic 567207
Trainingspaket Grundlagen Gleichstromtechnik (TP 1011)

Das Trainingspaket TP 1011 besteht aus einer Vielzahl von einzelnen Ausbildungsmitteln. Gegenstand
dieses Teils des Trainingspaketes TP 1011 sind die Grundlagen Gleichstromtechnik. Einzelne Komponenten
aus dem Trainingspaket TP 1011 können auch Bestandteil anderer Pakete sein.

Wichtige Komponenten des TP 1011
• Fester Arbeitsplatz mit Universal-Steckfeld EduTrainer®
• Bauteilsatz Elektrotechnik/Elektronik mit Brückensteckern und Sicherheits-Laborleitungen
• Grundlagen-Netzteil EduTrainer®
• Komplette Laboreinrichtungen

Medien
Die Teachware zum Trainingspaket TP 1011 besteht aus Fach- und Tabellenbüchern und Arbeitsbüchern. Die
Fachbücher vermitteln anschaulich und übersichtlich die Grundlagen zu Gleichstromtechnik. Die
Arbeitsbücher enthalten zu jeder Aufgabe die Aufgabenblätter, die Lösungen zu jedem einzelnen
Arbeitsblatt und eine CD-ROM. Ein Satz gebrauchsfertiger Aufgaben- und Arbeitsblätter zu jeder Aufgabe
wird mit jedem Arbeitsbuch geliefert.

Datenblätter zu den Hardware-Komponenten werden mit dem Trainingspaket und auf der CD-ROM zur
Verfügung gestellt.

Medien
Fachbücher Fachkunde Elektroberufe
Elektrotechnik
Tabellenbuch Elektrotechnik/Elektronik
Arbeitsbücher Grundlagen Gleichstromtechnik
Grundlagen Wechselstromtechnik
Grundlagen Halbleiter
Grundschaltungen der Elektronik
Digitale Lernprogramme WBT Elektrik 1 – Grundlagen der Elektrotechnik
WBT Elektrik 2 – Gleich- und Wechselstromschaltkreise
WBT Elektronik 1 –Grundlagen der Halbleitertechnik
WBT Elektronik 2 –Integrierte Schaltkreise
WBT Elektrische Schutzmaßnahmen
Übersicht der Medien zum Trainingspaket TP 1011

Als Software zum Trainingspaket TP 1011 stehen die digitalen Lernprogramme Elektrik 1, Elektrik 2,
Elektronik 1, Elektronik 2 und Elektrische Schutzmaßnahmen zur Verfügung. Diese Lernprogramme
beschäftigen sich ausführlich mit den Grundlagen der Elektrik/Elektronik. Die Lerninhalte sind sowohl
fachsystematisch als auch anwendungsbezogen an praxisnahen Fallbeispielen dargestellt.

Die Medien werden in mehreren Sprachen angeboten. Weitere Ausbildungsmittel ersehen Sie aus unseren
Katalogen und im Internet.
© Festo Didactic 567207 IX
Lernziele – Grundlagen Gleichstromtechnik

Bauteile Widerstand und Kondensator
• Sie kennen den Zusammenhang zwischen Widerstandswert und Leitwert eines Widerstandes.
• Sie kennen charakteristische Merkmale und wichtige Bauarten von Widerständen.
• Sie können die IEC-Normreihen zur Kennzeichnung von Widerständen anwenden
• Sie kennen Schaltzeichen und Funktionsweise der nichtlinearen Widerstände NTC, PTC, VDR, LDR.
• Sie können Kennlinien von nichtlinearen Widerständen aufnehmen und interpretieren.
• Sie können nichtlineare Widerstände abhängig von den technischen Anforderungen auswählen und
einsetzen.
• Sie kennen Aufbau, Einsatz und Kenngrößen eines Kondensators.
• Sie können den Lade- und Entladevorgang eines Kondensators im Gleichstromkreis messen und
auswerten.

Grundschaltungen und Beispielschaltungen
• Sie können die elektrischen Grundgrößen Spannung, Strom und Widerstand interpretieren und mit
diesen Größen Berechnungen durchführen.
• Sie kennen das Ohm'sche Gesetz und können den Zusammenhang messtechnisch ermitteln und
grafisch darstellen.
• Sie können elektrische Grundgrößen messtechnisch erfassen und bewerten.
• Sie können geeignete Messgeräte zur Durchführung von Messungen einsetzen.
• Sie können die elektrischen Grundgrößen Arbeit und Leistung anwenden.
• Sie können elektrische Grundschaltungen messtechnisch untersuchen und Gesetzmäßigkeiten aus den
ermittelten Messgrößen ableiten.
• Sie können elektrische Grundschaltungen wie die Reihenschaltung dimensionieren und berechnen.
• Sie können die Funktion elektrischer Schaltungen und Betriebsmittel prüfen.
• Sie können elektrische Grundschaltungen wie die Parallelschaltung dimensionieren und berechnen.
• Sie können gemischte Schaltungen dimensionieren und berechnen.
• Sie können geeignete Messschaltungen zur Durchführung von Messungen einsetzen.
• Sie kennen den Spannungsteiler als Anwendung der gemischten Schaltungen.
• Sie können die Ausgangsspannung für einen unbelasteten und für einen belasteten Spannungsteiler
berechnen.
• Sie können den belasteten Spannungsteiler dimensionieren.

Spannungsquellen
• Sie können die Kenngrößen einer Spannungsquelle berechnen und anwenden.
• Sie können die Arbeitskennlinie einer Spannungsquelle aufnehmen und interpretieren.
• Sie kennen die Anwendungsfälle Leistungsanpassung und Spannungsanpassung für eine
Spannungsquelle.

X © Festo Didactic 567207