Ausbildung Grundlagen Der Elektrotechnik 2013
Ausbildung Grundlagen Der Elektrotechnik 2013
Ausbildung Grundlagen Der Elektrotechnik 2013
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<strong>2013</strong><br />
<strong>Grundlagen</strong> der <strong>Elektrotechnik</strong><br />
Andreas Reitberger<br />
<strong>Ausbildung</strong>-<strong>Elektrotechnik</strong>.de<br />
26.02.<strong>2013</strong>
© www.ausbildung-elektrotechnik.de | <strong>Elektrotechnik</strong> – Elektroniker für Geräte und Systeme<br />
1<br />
Inhaltsverzeichnis<br />
<strong>Ausbildung</strong>sjahr 1 – <strong>Grundlagen</strong> ............................................................................................................. 5<br />
Die 5 Sicherheitsregeln ............................................................................................................................ 5<br />
ESD – (electrostatic discharge) ................................................................................................................ 6<br />
Die Elektrostatische Entladung............................................................................................................ 6<br />
Das Symbol .......................................................................................................................................... 6<br />
Die Steuerung .......................................................................................................................................... 7<br />
Analogsignal ........................................................................................................................................ 8<br />
Binärsignal ........................................................................................................................................... 8<br />
Digitalsignal ......................................................................................................................................... 9<br />
Elektromagnetismus .............................................................................................................................. 11<br />
Grundregeln ...................................................................................................................................... 11<br />
Magnetische Größen ......................................................................................................................... 11<br />
Das Schütz ............................................................................................................................................. 13<br />
Vorteile .............................................................................................................................................. 13<br />
Schütz-Verriegelung .......................................................................................................................... 14<br />
Drahtbruchsicherheit .................................................................................................................... 14<br />
Das RS-Speicherglied… .......................................................................................................................... 15<br />
Anwendung ....................................................................................................................................... 15<br />
<strong>Der</strong> Zählerbaustein im LOGO!-Steuerrelais ........................................................................................... 15<br />
<strong>Ausbildung</strong>sjahr 1 – Systeme und Geräte ............................................................................................. 16<br />
Die Potenzschreibweise ........................................................................................................................ 16<br />
Beispiel .............................................................................................................................................. 16<br />
Technische Schreibweise (Engineering) ............................................................................................ 16<br />
Das Projekt „Ohmsches Gesetz“............................................................................................................ 16<br />
Formeln ............................................................................................................................................. 17<br />
Einheiten............................................................................................................................................ 17<br />
Verhältnis Spannung zu Strom .......................................................................................................... 17<br />
Verhältnis Widerstand zu Strom ....................................................................................................... 17<br />
Reihenschaltung von Widerständen (eng. Series Connection) ............................................................. 18<br />
Reihenschaltung in der praktischen Anwendung .............................................................................. 18<br />
Parallelschaltung von Widerständen .................................................................................................... 19<br />
Belasteter Spannungsteiler ................................................................................................................... 19<br />
Nichtlineare Widerstände ..................................................................................................................... 20<br />
Elektrische Arbeit und Wärme .............................................................................................................. 21
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2<br />
Brückenschaltung „Wheatstone Messbrücke ....................................................................................... 21<br />
Abgeglichen ....................................................................................................................................... 21<br />
Nicht abgeglichen .............................................................................................................................. 22<br />
Das elektrische Feld ............................................................................................................................... 22<br />
Elektrische Felder.. ............................................................................................................................ 23<br />
Elektrische Feldlinien.. ....................................................................................................................... 23<br />
Die Kennzeichnung von Kondensatoren ............................................................................................... 24<br />
Papierkondensator (P)....................................................................................................................... 25<br />
Metallpapierkondensatoren (MP)..................................................................................................... 25<br />
Kunststofffolienkondensator (K) ....................................................................................................... 25<br />
Keramikkondensatoren ..................................................................................................................... 26<br />
Elektrolytkondensator (ElKo)............................................................................................................. 26<br />
Veränderbare Kondensatoren ........................................................................................................... 27<br />
Schaltung von Kondensatoren .............................................................................................................. 27<br />
<strong>Ausbildung</strong>sjahr 1 – Informationstechnologie (IT)................................................................................ 28<br />
Aufbau eines Personal-PC ..................................................................................................................... 28<br />
Bestandteile eines PC`s ......................................................................................................................... 28<br />
CMOS ................................................................................................................................................. 29<br />
Mainboard ......................................................................................................................................... 30<br />
Bussysteme ........................................................................................................................................ 31<br />
Hard Disk Drive (HDD) ....................................................................................................................... 31<br />
Physikalischer Aufbau der Einheit ................................................................................................. 31<br />
Technischer Aufbau und Material der Scheiben ........................................................................... 32<br />
Achsen-Lagerung und Drehzahl (U/min) ....................................................................................... 32<br />
Speicherverfahren ......................................................................................................................... 33<br />
Prozessor – CPU (Central Processing Unit) ........................................................................................ 33<br />
Taktfrequenz ................................................................................................................................. 33<br />
MIPS (Million Instruktionen pro Sekunde) .................................................................................... 33<br />
FLOPS (Floating Point Operations Per Second) ............................................................................. 33<br />
Befehlssatz ..................................................................................................................................... 34<br />
Vorwiegende Merkmale ................................................................................................................ 34<br />
Cache-Speicher .............................................................................................................................. 34<br />
Datenschutz und Datensicherheit ..................................................................................................... 36<br />
Datensicherheit ............................................................................................................................. 36<br />
Datenschutz ................................................................................................................................... 36
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3<br />
Alternative Betriebssysteme ............................................................................................................. 37<br />
Linux .............................................................................................................................................. 37<br />
Mac OS........................................................................................................................................... 37<br />
<strong>Ausbildung</strong>sjahr 1 – Installationselektronik (IE).................................................................................... 38<br />
Stromwirkung auf den Menschen ......................................................................................................... 38<br />
Fachbegriffe – Schutzmaßnahmen .................................................................................................... 39<br />
Aktives Teil ..................................................................................................................................... 39<br />
Elektrische Betriebsmittel ............................................................................................................. 39<br />
Elektrische Verbrauchsmittel ........................................................................................................ 39<br />
Erde ............................................................................................................................................... 39<br />
<strong>Der</strong> Erder ....................................................................................................................................... 39<br />
Fehlerstrom ................................................................................................................................... 39<br />
Isolationsfehler .............................................................................................................................. 39<br />
Körper ............................................................................................................................................ 39<br />
Körperschluss ................................................................................................................................ 40<br />
Neutralleiter .................................................................................................................................. 40<br />
PEN-Leiter ...................................................................................................................................... 40<br />
Überstromschutzorgane ........................................................................................................................ 40<br />
Schutzklassen und Arten ....................................................................................................................... 41<br />
Schutzklasse „I“ (1)............................................................................................................................ 41<br />
Schutzklasse „II“ (2)........................................................................................................................... 42<br />
Schutzklasse „III“ (3).......................................................................................................................... 42<br />
Fehlerarten in elektrischen Anlagen ..................................................................................................... 42<br />
Leiterschluss ...................................................................................................................................... 42<br />
Kurzschluss ........................................................................................................................................ 42<br />
Körperschluss .................................................................................................................................... 43<br />
Erdschluss .......................................................................................................................................... 43<br />
Spannungsfall auf Leitungen ................................................................................................................. 43<br />
<strong>Ausbildung</strong>sjahr 2 – Steuerungstechnik ................................................................................................ 45<br />
Zahlensysteme ................................................................................................................................... 45<br />
Hexadezimal (Sedezimalsystem) ................................................................................................... 45<br />
Dezimalsystem ............................................................................................................................... 45<br />
Weitere Zahlensysteme ................................................................................................................. 46<br />
Oktalsystem ................................................................................................................................... 47<br />
Rechnen mit Dualzahlen .................................................................................................................... 47
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4<br />
BCD-Code ........................................................................................................................................... 48<br />
Wertigkeitstabelle ......................................................................................................................... 48<br />
<strong>Der</strong> Mikrokontroller .............................................................................................................................. 49<br />
I/O-Unit (Ein/Ausgabeeinheit)........................................................................................................... 49<br />
Einspeisung des Taster-Signals in den Mikrokontroller .................................................................... 50<br />
Pull-Down Widerstand .................................................................................................................. 50<br />
Pull-Up Widerstand ....................................................................................................................... 50<br />
Serielle Schnittstelle .............................................................................................................................. 51<br />
Leitungslänge und Übertragungsrate .................................................................................................... 53<br />
I²C-Bus ................................................................................................................................................... 55<br />
<strong>Ausbildung</strong>sjahr 2 – Systeme und Geräte ............................................................................................. 57<br />
Wechselstromtechnik ........................................................................................................................ 57<br />
Spannungserzeugung durch Induktion .......................................................................................... 57<br />
Lenische Regel ............................................................................................................................... 58<br />
Das Oszilloskop ...................................................................................................................................... 58<br />
Kondensator im Wechselstrom ............................................................................................................. 60<br />
1.Laden und Entladen eines Kondensators ....................................................................................... 60<br />
2.Kapazitiver Blindwiderstand ........................................................................................................... 61<br />
Information............................................................................................................................................ 62<br />
Rechtlicher Hinweis ........................................................................................................................... 62<br />
Kontakt .............................................................................................................................................. 62<br />
Versionsübersicht .............................................................................................................................. 62<br />
Eure Meinung.. .................................................................................................................................. 62<br />
Download der neusten Version ......................................................................................................... 62
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5<br />
<strong>Ausbildung</strong>sjahr 1 – <strong>Grundlagen</strong><br />
Hier erfährst du die <strong>Grundlagen</strong> der Elektronik und <strong>Elektrotechnik</strong>. Dieses E-Book wird ständig<br />
erweitert, besuche unsere Downloadseite, um immer die aktuellste Version des Dokumentes zu<br />
haben. Mehr dazu und den Downloadlink findest du auf der letzten Seite.<br />
Die 5 Sicherheitsregeln<br />
Die Grundlage im Umgang Elektronik und Strom bilden die 5<br />
Sicherheitsregeln. Diese muss jeder angehende Elektrofachkraft im<br />
Schlaf beherrschen und noch viel wichtiger, auch an wenden.<br />
1. Freischalten<br />
Zuerst muss die Spannung abgeschaltet werden. Dies geschieht in<br />
Haushalten z.B über das Herausdrehen der Schmelzsicherungen oder<br />
das Abschalten des betreffenden Leitungsschutzschalters.<br />
2. Gegen Wiedereinschalten sichern<br />
Damit eine Gefährdung ausgeschlossen werden kann, muss ungewolltes Wiedereinschalten sicher<br />
verhindert werden. Sollten Sie z.B. Schmelzsicherungen herausgedreht haben, führen Sie die Einsätze<br />
am Bestem mit sich bis die Arbeiten am Stromkreis beendet sind. Bei Leitungsschutzschalter kann<br />
das Schaltschloss durch ein Stück Draht blockiert werden.<br />
3. Spannungsfreiheit feststellen<br />
Nachdem Sie Schritt 1 und 2 befolgt haben, MUSS vor Beginn der Arbeiten die Spannungsfreiheit<br />
festgestellt werden!! Dies Überprüfen Sie am besten mit einem zweipoligen Spannungsprüfer.<br />
Einpolige Spannungsprüfer liefern keine zuverlässigen Ergebnisse.<br />
4. Erden und Kurzschließen<br />
Diese Regel muss erst ab einer Spannung von 1000 Volt berücksichtigt werden. Zuerst muss geerdet<br />
werden, dann muss die ERDE mit den kurzzuschließenden aktiven Teilen verbunden werden.<br />
5. Benachbarte, unter Spannung stehende Teile abdecken oder abschranken<br />
Bei Anlagen unter 1kV (=1000 Volt) genügen zum Abdecken isolierende Tücher, Schläuche oder<br />
Formstücke. Über einer Spannung von 1kV sind zusätzlich Absperrtafeln, Seile und Warntafeln
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6<br />
erforderlich. In diesem Fall muss auch der Körper gesondert geschützt sein, z.B. durch einen<br />
Schutzhelm mit Gesichtsschutz und hochisolierte Handschuhe.<br />
ESD – (electrostatic discharge)<br />
Die Elektrostatische Entladung<br />
Jeder Mensch und Gegenstand erzeugt eine elektrische Ladung, welche hochempfindliche Bauteile<br />
und elektrische Komponenten, wie ICs und Mikrokontroller beschädigen und zerstören kann, ohne<br />
dass man dies selbst mitbekommt.<br />
Ein Mensch kann sich durch Reibung mit mehreren Tausend Volt aufladen. Diese Spannung entlädt<br />
sich beim Berühren von elektrischen über Baugrupoen und Komponenten. Aus diesen Grund wurden<br />
spezielle ESD-Bereiche eingeführt, welche mit..<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Extra Leitenden Boden ausgelegt sind.<br />
ESD Kleidung betreten werden muss.<br />
Geerdeten Arbeitsplätzen und Transportboxen ausgestatte ist.<br />
Zugangskontrolle (Ableitstrommessung) gesperrt und ausgeschildert sind.<br />
Das Symbol<br />
EPA – ESD Bereich<br />
Solche EPA (Electrostatic Protected Area) Bereiche<br />
müssen mit solchen oder ähnlichen Schildern<br />
ausgezeichnet werden. Diese Bereiche müssen<br />
gegen unbefugten Zutritt, durch<br />
Zugangskontrollen, gesichert sein. Diese Bereiche<br />
dürfen auch nur mit ESD-Kleidung betreten<br />
werden.
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7<br />
Die Steuerung<br />
Steuerkette<br />
Führungsgröße „w“<br />
Steuereinrichtung<br />
Stellgröße „y“<br />
Steuerstrecke mit Stellglied<br />
Störgröße „x“<br />
Steuergröße „x“<br />
Beispiel:<br />
Anlage Führungsgröße Steuereinrichtung Stellgröße Stellglied Steuerstrecke Störgröße Steuergröße<br />
Getränkeart Steuerelektronik Spannung<br />
am<br />
Elektromagnet<br />
Elektromagnet<br />
für<br />
Getränkeauswurf<br />
Automatenschacht<br />
Schacht<br />
leer,<br />
Stau<br />
Getränkeautomat<br />
Getränkeausgabe<br />
Elektrische Steuerungen<br />
Verbindungsprogrammiert<br />
(VPS)<br />
Speicherprogrammiert<br />
(SPS)<br />
- Schütz-/Relaissteuerung<br />
- fest verdrahtete<br />
Schaltung<br />
- kontaktlose Steuerung<br />
(z.B. Logische Gatter auf<br />
elektronischen Baugruppen<br />
- Mikroprozessor-gesteuert<br />
- Programmspeicherung in<br />
ROM, RAM, EPROM,<br />
EEPROM<br />
- genormte Schnittstellen<br />
und Spannungspegel bei<br />
Anbindung der Peripherie<br />
Steuerungen kommunizieren mit der Peripherie (=Umgebung) mittels Signalaustausch. Auch<br />
die Form in der die Signale aufbereitet werden ist wichtig, damit die einzelnen<br />
Steuerungskomponenten (Sensoren, Automatisierungsgerät, Aktoren) „die gleiche Sprache“
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8<br />
sprechen. Vor allem die elektrischen Signale bieten eine große Anzahl genormter<br />
Signalformen, die durch Signalpegel (physikalisch z.B. Spannungshöhen) und Protokolle<br />
(datentechnischer, zeitlicher Übertragungsablauf) festgelegt sind. Grundsätzlich gilt, dass<br />
Steuersignale in drei verschiedenen Formen vorliegen können:<br />
● analog<br />
● binär<br />
● digital<br />
Analogsignal<br />
Es ist jeder beliebige Zwischenwert<br />
innerhalb des vorgegebenen<br />
Bereiches möglich.<br />
Beispiel: Manometer-Druckanzeige,<br />
analoges Amperemeter,<br />
Widerstands-Fühler<br />
Binärsignal<br />
Nur Zwei Zustände sind möglich:<br />
EIN-AUS, Größe vorhanden bzw.<br />
nicht vorhanden<br />
Beispiel: Leuchtmelder, Taster,<br />
Schütz, Lichtschranke, Induktiver<br />
Initiator, kapazitiver Sensor
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9<br />
Digitalsignal<br />
Nur bestimmte Zwischenwerte<br />
innerhalb des vorgegebenen<br />
Bereiches. Darstellung in digital<br />
codierter Form.<br />
Beispiel: Digitale Spannungsanzeige,<br />
alle Sensoren mit digitalem Ausgang<br />
(Daten-Schnittstelle)<br />
Weiterhin kann man unterscheiden, ob eine Steuerung ein vorgegebenes Programm strikt<br />
abarbeitet, oder ob sie flexibel auf Ereignisse reagieren kann.<br />
Programmablauf<br />
Ablaufsteuerung<br />
Ereignisgesteuert | zeitgesteuert<br />
● Autowaschanlage<br />
● Geschirrspüler<br />
● NC-Fertigungsprozess<br />
Ablaufsteuerungen arbeiten nach<br />
einem zwangsläufig schrittweisen<br />
Ablauf.<br />
Ablaufsteuerungen werden<br />
zumeist anhand sog.<br />
Zustandsdiagramme<br />
dokumentiert. Anhand der<br />
Ereignisse erfolgt eine<br />
Ansteuerung der Ausgabesignale<br />
(Aktoren)<br />
Die Programmierung kann<br />
anhand sog. Schrittketten<br />
erfolgen. Hierbei wird ein Schritt<br />
nach dem anderen ausgeführt.<br />
<strong>Der</strong> Übergang zum jeweils<br />
nächsten Schritt erfolgt erst,<br />
wenn die sog. Transitionen<br />
(Weiterschaltbedingung) erfüllt<br />
sind.<br />
Verknüpfungssteuerung<br />
● flexible Fertigungssysteme<br />
● Lager- und Transportsysteme<br />
● Aufzugsanlagen<br />
Verknüpfungssteuerungen<br />
verknüpfen die Eingabesignale<br />
und ordnen die Ergebnisse den<br />
programmmäßig zugeordneten<br />
Ausgabesignalen zu.<br />
Hierzu werden in erste Linie..<br />
- Logische<br />
Verknüpfungsfunktionen<br />
(UND, ODER, NICHT, NAND, NOR)<br />
- Zeitfunktionen (TIMER)<br />
-Zählfunktionen (COUNTER)<br />
- Speicherfunktion ( MERKER)<br />
..verwendet.<br />
Die Programmierung kann dabei<br />
zumeist in<br />
- Alphanumerischem Code<br />
(z.B. AWL, Assembler)<br />
Oder<br />
- graphisch (z.B Funktionsplan<br />
FUP, Kontaktplan KOP) erfolgen.
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10<br />
Steuerungen können sich in ihrer technischen Ausführung in vielfältiger Weise<br />
unterscheiden.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
nach der Form der Hilfsenergie<br />
nach dem Programmablauf<br />
nach der Art der technischen Realisierung (kontaktlos, kontaktbehaftet)<br />
nach der Signalform (analog, binär, digital)<br />
Als gröbstes Unterscheidungsmerkmal kann die Form der Hilfsenergie dienen:<br />
Mechanische<br />
Steuerung<br />
Pneumatische<br />
Steuerung<br />
Hydraulische<br />
Steuerung<br />
Elektrische<br />
Steuerung<br />
-Getriebe<br />
-Kupplungen<br />
-Pendel-Uhr<br />
-Stoppeinrichtungen<br />
-Umsetzer<br />
-explosionsgefährdete<br />
Bereiche<br />
-Pressvorgänge<br />
-Hubeinrichtungen<br />
-Schützsteuerung<br />
-SPS-Steuerung<br />
Medium: Elektrischer Strom Pneumatik Hydraulik<br />
Speicherfähigkeit:<br />
Nur mit hohen<br />
Verlusten<br />
Sehr gut<br />
Mit geringen Verlusten<br />
Transportfähigkeit:<br />
Sehr weite<br />
Entfernungen<br />
möglich<br />
Weite Entfernungen<br />
möglich<br />
Nur kurze<br />
Entfernungen möglich<br />
Erzielbare<br />
Geschwindigkeiten:<br />
Sehr schnell<br />
0,1-10 ms<br />
Sehr schnell<br />
1,5 ms<br />
Schnell bis<br />
0,5ms<br />
Stoffeigenschafft:<br />
Saubere Energie,<br />
universell<br />
umwandelbar und<br />
einsetzbar<br />
Auch in<br />
explosionsgefährd.<br />
Bereichen möglich,<br />
nur geringe Kräfte<br />
möglich, da<br />
kompressibel<br />
Gute<br />
Materialverträglichkeit,<br />
wegen geringer<br />
Kompression hohe<br />
Kraftübertragung<br />
möglich!
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11<br />
Elektromagnetismus<br />
Grundregeln<br />
- Ein stromdurchflossener Leiter erzeugt immer ein magnetisches Feld<br />
- Die Feldlinien haben dabei di Form von konzentrischen Kreisen<br />
- Die Stärke des Magnetfelds nimmt mit der Entfernung ab.<br />
- Die Richtung des magnetischen Feldes ist von der Stromrichtung abhängig<br />
Merkregel zur Richtungsbestimmung der<br />
Magnetfeldlinien:<br />
Rechte Handregel<br />
- Daumen zeigt in die technische Stromrichtung<br />
- Die Finger umgreifen den Leiter<br />
- Fingerspitzen zeigen die Richtung des Magnetfeldes<br />
Magnetische Größen<br />
Die Gesamtzahl der magnetischen Feldlinien eines Dauermagneten oder einer<br />
stromdurchflossenen Spule nennt man den magnetischen Fluss<br />
Formelzeichen: Φ<br />
Einheit: Φ = 1VS = 1 wb
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12<br />
Die Ströme, die eine resultierende Feldlinie einer<br />
stromdurchflossenen Spule durchfluten, bilden die<br />
elektrische Durchflutung.<br />
Formelzeichen: Θ<br />
Einheit: Θ = 1A<br />
Formel: Θ = I ∙N<br />
Die magnetische Durchflutung pro mittlere Feldlinienlänge bzw. Spulenlänge bezeichnet man als<br />
magnetische Feldstärke (H)<br />
Formelzeichen: H Einheit: 1 A/m (Meter=Länge)<br />
Formel: H = (I∙N):m<br />
Die Feldlinienzahl pro senkrecht durchsetzte Fläche „A“ nennt man magnetische Flussdichte.<br />
Formelzeichen: B<br />
Einheit: 1 VS/m² = 1 T (Tesla)<br />
Formel: B = µo ∙ H<br />
Die Permeabilitätszahl „µr“ gibt an, wie viel man besser, oder auch schlechter ein Werkstoff<br />
magnetisierbar ist als Luft.<br />
Permeabilität: µ = µr ∙ µo<br />
µo = 1,257∙10 -6 Vs/Am<br />
Zusammenhang zwischen B und H:<br />
B = µr ∙ µo ∙ H
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13<br />
Das Schütz<br />
Funktionsweise<br />
- Schütze sind elektromagnetische Schalter<br />
- Während Relais fürs kleine Leistungen ausgelegt sind, sind Schütze<br />
für große Leistungen konzipiert<br />
- Bei Stromfluss durch eine Spule wird ein Eisenanker angezogen und<br />
Kontakte werden geschlossen bzw. geöffnet.<br />
Merke: Elektromagnetische Schalter schalten mit kleinem<br />
Steuerstrom eine großen Laststrom.<br />
Vorteile<br />
● Galvanische Trennung<br />
● lange Lebensdauer<br />
● große Schalthäufigkeit<br />
PDF-Datei zu Schütze<br />
Kontaktschaltplan:
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14<br />
Schütz-Verriegelung<br />
Drahtbruchsicherheit<br />
Aus Gründen der Drahtbruchsicherheit werden zum Einschalten von elektrischen Anlagen<br />
Schließer und zum Ausschalten Öffner verwendet.<br />
Bei Schützsteuerung:<br />
Drahtbruch am Schließer: „O“-Zustand Kein Einschalten<br />
Drahtbruch am Öffner:<br />
„O“-Zustand Sofortiges Abschalten<br />
Bei der Logo:<br />
Es wird unabhängig von externen Schließern und Öffnern überprüft, ob am Eingang „0“ oder<br />
„1“ anliegt.
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15<br />
Das RS-Speicherglied…<br />
…ist ein einfaches binäres Speicherglied. <strong>Der</strong> Wert am Ausgang hängt von den Zuständen am<br />
Eingang und am bisherigen Zustand am Ausgang ab.<br />
S: Über ein kurzes „1“ Signal am Eingang „S“ (SET)<br />
wird der Ausgang auf den Zustand „1“ gesetzt.<br />
R: Über ein kurzes „1“ Signal am Eingang „R“ (RESET)<br />
wird der Ausgang auf „0“ gesetzt.<br />
RS-Floppy<br />
R<br />
S<br />
Par Q<br />
Par: Bei eingeschalteter Remanenz steht nach<br />
einen Spannungsausfall das Signal am Ausgang,<br />
das vor dem Spannungsausfall da war.<br />
Anwendung<br />
RS-Speicherglieder bewirken in Steuerprogrammen die Selbsthaltefunktion in ähnlicher<br />
Weise wie dies in Schützschaltungen durch den Selbsthaltekontakt realisiert wird.<br />
<strong>Der</strong> Zählerbaustein im LOGO!-Steuerrelais<br />
R: (Reset) Setzt den internen Zähler auf null.<br />
Cnt: (Count) Zählt bei positiven Flankenwechsel.<br />
Dir: (Direction) legt die Zählrichtung fest.<br />
Dir „0“ = Vorwärtszählen<br />
Dir „1“ = Rückwärtszähler<br />
R<br />
Cnt<br />
Dir<br />
Par<br />
+/-<br />
Q<br />
Par: (Parameter) Speichert den internen Zählerwert<br />
auch bei Netzausfall.<br />
On = Einschaltschwelle<br />
Off = Ausschaltschwelle<br />
Q: (Digitaler Ausgang) Wird abhängig vom internen Zählerwert und dem Parametern gesetzt.
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16<br />
<strong>Ausbildung</strong>sjahr 1 – Systeme und Geräte<br />
Die Potenzschreibweise<br />
Basis<br />
Exponent<br />
9,5 ∙ 10 12 Ω<br />
Faktor Potenz Einheit<br />
Beispiel<br />
9 500 000 000 000 = 9,5 ∙ 10 12<br />
0,0000015 = 1,5 ∙ 10 -6<br />
Technische Schreibweise (Engineering)<br />
Zehnerpotenz: 10 -12 10 -9 10 -6 10 -3 10 0 10 3 10 6 10 9<br />
Vorsatz: Piko Nano Mikro Milli =1 Kilo Mega Giga<br />
Abkürzung: p n µ m / k M G<br />
Das Projekt „Ohm’sches Gesetz“<br />
<strong>Der</strong> Physiker Georg Simon Ohm (1787..1854) untersuchte vor 100 Jahren, welche Größen in<br />
einem elektrischen Stromkreis Einfluss auf die Größe des elektrischen Stromes „I“ haben.<br />
Grundlage der folgenden Betrachtung ist der elektrische Stromkreis:<br />
V1: 12Volt + R1: 10 Ω<br />
U U I<br />
-
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17<br />
Die Spannung wird mit einen Voltmeter gemessen, die Stromstärke mit einen Amperemeter<br />
gemessen. Ein Voltmeter wird immer parallel zum jeweiligen Bauteil geschalten und ein<br />
Amperemeter in Reihe. <strong>Der</strong> Innenwiederstand bei einem Voltmeter ist sehr hoch (
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18<br />
Reihenschaltung von Widerständen (eng. Series Connection)<br />
Gesetze der Reihenschaltung<br />
R1<br />
Strom I ges = I 1 = I 2 = I 3<br />
U = 10 V<br />
I 1<br />
U 1<br />
Die Teilströme sind immer so groß<br />
wie der Gesamtstrom<br />
R2<br />
Spannungen U ges = U 1 + U 2 + U 3<br />
I 2<br />
U 2<br />
Die Summe der Teilspannung ergibt<br />
die Gesamtspannung.<br />
R3<br />
Widerstand R ges = R1 + R2 + R3<br />
I 3<br />
U 3<br />
Die Summe der Einzelwiderstände<br />
ergibt den Gesamtwiderstand<br />
(=Ersatzwiderstand)<br />
Reihenschaltung in der praktischen Anwendung<br />
U ges<br />
U 1<br />
U 2<br />
Bei der Reihenschaltung verhalten<br />
sich die Spannungen wie die<br />
zugehörigen Widerstände. Am<br />
größeren Widerstand fällt die<br />
größere Spannung ab. Zum Schutz<br />
von Betriebsmitteln kann man nun<br />
zu hohe Spannungen durch<br />
geeignete Vorwiderstände<br />
anpassen.<br />
Das nennt man „unbelasteter<br />
Spannungsteiler“ (Spannungen<br />
werden im Verhältnis der<br />
Widerstände geteilt)
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19<br />
Parallelschaltung von Widerständen<br />
R1 R2 R3<br />
Gesetze der Parallelschaltung<br />
U ges<br />
Strom I ges = I 1 + I 2 + I 3<br />
Die Summe Teilströme ergibt den<br />
Gesamtstrom<br />
I 1 I 2 I 3 I ges<br />
Spannungen U ges = U 1 = U 2 = U 3<br />
Die Gesamtspannung ist so groß wie<br />
die Einzelspannungen.<br />
Widerstand R ges =<br />
<strong>Der</strong> Gesamtwiederstand ist kleiner<br />
als der kleinste Einzelwiderstand.<br />
U 1<br />
Belasteter Spannungsteiler<br />
R1<br />
Es wird über R2 eine Last Parallel<br />
geschaltet. An dem Lastwiderstand<br />
fällt dann die gleiche Spannung ab<br />
wie auf R2. <strong>Der</strong> Strom Teilt sich dann<br />
zwischen R2 und R Last auf!<br />
U 2<br />
R2<br />
R Last<br />
U Last
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20<br />
Nichtlineare Widerstände<br />
1. Fotowiderstand LDR (Light Dependet Resistor) (Lichtabhängiger Widerstand)<br />
Bei steigendem Lichteinfall sinkt der Widerstandswert.<br />
Schaltzeichen:<br />
Anwendung:<br />
- Lichtschranken<br />
- Dämmerungsschalter<br />
2. Temperaturabhängige Widerstände<br />
a) Kaltleiter (PTC) b) Heißleiter (NTC)<br />
(Positiv Temperature Coefficent)<br />
Bei steigender Temperatur steigt der<br />
Widerstandswert.<br />
(Negativ Temperature Coefficent)<br />
Bei steigender Temperatur sinkt der<br />
Widerstandswert.<br />
Schaltzeichen:<br />
3. VDR (Voltage Depended Resistor) (Spannungsabhängiger Widerstand)<br />
Bei steigender Spannung sinkt der Widerstand.<br />
Schaltzeichen:<br />
U<br />
Anwendung: Überspannungsschutz
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21<br />
Elektrische Arbeit und Wärme<br />
Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme „Q S “ (Stromwärme) (Gleiche Einheit wie<br />
Energie: Joule)<br />
Qs = W<br />
Nutzwärme „Q N “ = erwünscht<br />
Verlustwärme „Q V “ = nicht erwünscht<br />
Wasser<br />
Kochplatte<br />
Verlustwärme „Q V “<br />
Formel: Q S = Q N + Q V<br />
Wärme „Q S “ = Nutzwärme „Q N “ + Verlustwärme „Q V “<br />
Nutzwärme „Q N “<br />
Brückenschaltung „Wheatstone Messbrücke<br />
Abgeglichen<br />
R1<br />
R3<br />
Widerstände jeweils 10Ω.<br />
Anliegende Spannung ist 10V.<br />
U ges<br />
U 1<br />
A<br />
R2<br />
U 2<br />
B<br />
R4<br />
U 3<br />
U 4<br />
U AB<br />
U AB = Spannung an der Brückendiagonale.<br />
Bei dieser Schaltung ist die Brücke<br />
abgeglichen, weil die beiden Spannungsteiler<br />
die Spannung „10V“ im gleichen Verhältnis<br />
teilen. So liegt an U AB 0 Volt an, da kein<br />
Potenzialunterschied vorliegt.<br />
Für eine „abgeglichene“ Brücke gilt:
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22<br />
Nicht abgeglichen<br />
U ges<br />
U 1<br />
R1<br />
R3<br />
U 3<br />
U AB<br />
Wenn das Widerstandsverhältnis in<br />
der beiden Brückenteilen<br />
(Spannungsteiler) nicht gleich ist, so<br />
ist die Brücke nicht abgeglichen. An<br />
der Brückendiagonale kann eine<br />
Differenzspannung (U AB ) gemessen<br />
werden.<br />
U 2<br />
R2<br />
R4<br />
U 4<br />
Vorgehensweise:<br />
● U 2 und U 4 berechnen. Dies sind die<br />
Potenziale gegen Masse (GND) auf<br />
den „A“ bzw. „B“ liegen.<br />
● Die Differenz dieser beiden<br />
Potenziale ergibt die<br />
„Differenzspannung“<br />
Formel:<br />
U 2 = U ges ∙<br />
U 4 = U ges ∙<br />
Das elektrische Feld<br />
Felder sind Räume in denen bestimmte Wirkungen zu beobachten sind (Magnetfeld,<br />
Erdanziehungsfeld). In einem elektrischen Feld wirken auf Teilchen Anziehungs- und<br />
Abstoßungskräfte.<br />
Positive Ladung: Elektronenmangel<br />
Negative Ladung: Elektronenüberschuss<br />
→ gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an.<br />
Die elektrische Ladung „Q“ wird in Coulomb (C) gemessen.<br />
1C = 1AS = 6,24 ∙ 10 18 Elektronen
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23<br />
Elektrische Felder..<br />
● sind unsichtbar, können durch die Wirkung sichtbar gemacht werden (z.B. Blitze)<br />
● entstehen in einen Raum mit Ladungsdifferenz (Potenzialdifferenz)<br />
● sind proportional zur Spannung (U ≈ I) und umgekehrt proportional zum Abstand<br />
Elektrische Feldlinien..<br />
● verlaufen immer vom Pluspol zum Minuspol<br />
● stehen immer senkrecht auf dem Leiter<br />
● berühren oder schneiden sich nie<br />
● sind Kraftlinien (je mehr Linien, desto größer das Kraftfeld)<br />
Homogenes Feld:<br />
Inhomogenes Feld:
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24<br />
Die Kennzeichnung von Kondensatoren<br />
Wir unterscheiden folgende Kenndaten:<br />
→ Kapazität<br />
0,33µF<br />
→ Toleranz +/- 10%<br />
→ Nennspannung<br />
400V<br />
1. Nennkapazität<br />
Die Nennwerte sind nach ICE-Reichen eingestuft<br />
Mögliche Angaben: 2n2 → 2,2nF<br />
4700pF → 4700pF<br />
47p → 47pF<br />
Angaben ohne Einheit z.B. 47 → je nach Baugröße pF oder µF<br />
Farbcodierung → 3. Ring Multiplikator<br />
2. Toleranz<br />
<strong>Der</strong> Hersteller darf die angegebene Toleranz nicht überschreiten. Kodiert wird die<br />
Toleranz durch Großbuchstaben.<br />
Bei Kapazitäten bis 10pF<br />
Erfolgt die Angabe der Toleranz in pF<br />
z.B. 2p2 D → 2,2pF +/- 0,5pF (1,7-2,7pF)<br />
über 10pF<br />
Erfolgt die Angabe in Prozent<br />
22pF D<br />
22pF +/- 0,5% (21,89 – 22,11)<br />
3. Nennspannung<br />
Eine zu hohe Spannung kann zum Durchschlag führen und dann zur Zerstörung.<br />
Kodierung erfolgt durch Kleinbuchstaben oder Farben bzw. Aufdruck des<br />
Zahlenwertes.
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25<br />
Papierkondensator (P)<br />
Dielektrikum Kapazitätsbereich Maximale<br />
Verlustfaktor<br />
Spannung<br />
Papier (Öl) 10-1000nF 10 kV 1,0<br />
Das Dielektrikum ist ein mit Isolieröl oder Vaseline getränktes Papier, das mit zwei<br />
Aluminiumfolien zu einem Wickel gerollt wird. <strong>Der</strong> Wickel wird mit zwei Anschlüssen<br />
versehen und in einem Gehäuse mit Isolieröl oder Harz luftdicht vergossen. Die Dicke<br />
des Papiers gibt die Spannungsfestigkeit vor.<br />
Anwendung: Motorkondensator, Kompensationskondensatoren,<br />
Funkenstörkondensatoren<br />
Metallpapierkondensatoren (MP)<br />
Dielektrikum Kapazitätsbereich Maximale<br />
Verlustfaktor<br />
Spannung<br />
Papier (Öl) 500-1000nF 2000V 0,8<br />
Auf das Dielektrikum Papier wird einen Aluminiumschicht (
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26<br />
Beläge auf den Kunststoff (MK-Kondensatoren) ergibt wiederum die Selbstheilung bei<br />
Durchschlag. Je nach verwendetem Kunststoff wird ein Kennbuchstabe angefügt.<br />
z.B. Polypropylen in metallisierter Bauform: MKP<br />
Polystyrol in metallisierter Bauform: MKS<br />
Anwendung: Schwingkreis, Koppelkondensator<br />
Keramikkondensatoren<br />
Dielektrikum Kapazitätsbereich Maximale<br />
Verlustfaktor<br />
Spannung<br />
Bariumtinat<br />
(Keramik)<br />
1pF – 1000nF 100kV 3,0<br />
Wegen der großen Dielektrizitätszahl von Keramik sind sehr kleine Abmessungen bei<br />
der Herstellung möglich. Man unterscheidet NDK- (Niedrige Dielektrizitätskonstante<br />
13…470) und HDK- (Hohe Dielektrizitätskonstante 470…50000) Kondensatoren. Als<br />
Bauform kommen z.B. Scheiben-, Rohr- und Perlkondensatoren vor.<br />
Anwendung: NDK-Kondensatoren in der HF-Technik in Schwingkreisen und Filtern.<br />
HDK-Kondensatoren für Siebung und Kopplung im HF-Bereich.<br />
Elektrolytkondensator (ElKo)<br />
Dielektrikum Kapazitätsbereich Maximale<br />
Verlustfaktor<br />
Spannung<br />
Aluminiumoxid 100nF - 1F 500V 10<br />
Tantaloxid 10nF – 1mF 10 - 60V 10<br />
Sie bestehen aus einer mit dem Pluspol zu verbindenden Elektrode (Anode) und einer<br />
Gegenelektrode (Kathode). Die Kathode ist ein, in einer Papierlage aufgesaugter<br />
Elektrolyt und wird über das Metallgehäuse an den Minuspol angelschlossen. Als<br />
Dielektrikum dient eine äußerst dünne Oxidschicht, die die Anode bedeckt. Dieser<br />
Kondensatortyp besitzt die kleinsten Abmessungen bei einem großen Kapazitätswert.<br />
Elektrolytkondensatoren (kurz „Elko’s“) können mit der Zeit austrocknen und<br />
verlieren an Kapazität. Fließt bei anliegender Spannung stets ein Reststrom. Je nach<br />
Anodenmaterial unterscheidet man Aluminium- und Tantalelektrolytkondensatoren.<br />
Bei Anschluss bzw. Auswechseln von Elektrolytkondensatoren ist auf die richtige<br />
Polung zu achten!
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27<br />
Anwendung: Glättungs-, Lade-, und Siebkondensator, Zeitglieder<br />
Veränderbare Kondensatoren<br />
Dielektrikum Kapazitätsbereich Maximale<br />
Verlustfaktor<br />
Spannung<br />
Luft 5pf – 500pf 500V /<br />
Die Kapazität ist durch ein bewegliches Plattenpaket (Rotor) veränderbar. Man<br />
unterscheidet Drehkondensatoren und Trimmkondensatoren (zur einmaligen<br />
Kapazitätseinstellung)<br />
Anwendung: Rundfunktechnik, Feinabstimmung<br />
Schaltung von Kondensatoren<br />
1. Parallelschaltung:<br />
C1<br />
C2<br />
Bei der Parallelschaltung wird<br />
scheinbar die Fläche des Kondensators<br />
vergrößert. Die Teilflächen addieren<br />
sich zur Gesamtfläche. Dadurch<br />
vergrößert sich die Kapazität:<br />
C ges = C1+C2<br />
Grundregel: Bei der Parallelschaltung<br />
ist die Gesamtkapazität größer als bei<br />
einem einzelnen Kondensator!
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28<br />
2. Reihenschaltung:<br />
C1<br />
C2<br />
Bei der Reihenschaltung wird<br />
scheinbar der Plattenabstand des<br />
Kondensators vergrößert. Dadurch<br />
verkleinert sich die Kapazität:<br />
<strong>Ausbildung</strong>sjahr 1 – Informationstechnologie (IT)<br />
Grundregel: Bei der Reihenschaltung<br />
ist die Gesamtkapazität kleiner als bei<br />
einem einzelnen Kondensator!<br />
Aufbau eines Personal-PC<br />
Maus, Tastatur,<br />
Touchscreen, Scanner<br />
Eingabe<br />
CPU, Mainboard,<br />
Grafikkarte,<br />
Soundkarte<br />
Verarbeitung<br />
Speichereinheit:<br />
Festplatte, USB-Stick,<br />
RAM, CD/DVD/Blu-Ray<br />
Drucker, Monitor,<br />
Lautsprecher, Beamer<br />
Ausgabe<br />
Bestandteile eines PC`s<br />
Hardware bedeutet „harte Ware“ und beschreibt ganz allgemein alle physikalischen Bestandteile<br />
eines Computers.<br />
Anders ausgedrückt: Alles, was Sie anfassen oder sehen können, wenn sie vor einem Computer<br />
stehen bzw. in einen geöffneten Computer sehen. Dazu gehören auch die Geräte und Teile, die man<br />
an den Rechner anschließen kann, die sogenannte Peripherie, sämtliche Kabel und die Datenträger<br />
die letztendlich die Daten aufnehmen können.
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29<br />
Software<br />
Neben der Hardware gibt es den Ausdruck Software, das sind Programme für bestimmte Aufgaben.<br />
Diese Programme befinden sich auf den Datenträgern und können in den Speicher des Rechners<br />
geladen werden. Hardware und Software bilden eine Einheit, die den eigentlichen Computer<br />
ausmacht.<br />
Bestandteile eines PC`s:<br />
● Gehäuse<br />
● Hauptplatine (Mainboard)<br />
● Prozessor<br />
● Hauptspeicher<br />
● Netzteil<br />
● Schnittstellen<br />
● Laufwerk Controller<br />
● Erweiterungskarten (Grafikkarte, LAN)<br />
● Laufwerke (Festplatten, Diskette, DVD, Streamer)<br />
● Maus, Tastatur<br />
● Monitor<br />
● Drucker, Scanner, Boxen, Internetkamer, Zeichentablet etc.<br />
Jeder PC besteht in der Regel aus einheitlichen Bauteilen, wobei die Hauptplatine eine zentrale Rolle<br />
spielt. Weiter enthält jeder PC mindesten einen Prozessor, Hauptspeicher (RAM), und je nach Ausbau<br />
eine oder mehrere Erweiterungskarten (PCI), die den Anschluss von Speichermedien und<br />
Peripheriegeräten wie Tastatur, Maus, Bildschirm, Internet usw. ermöglichen. Dazu kommen einige<br />
grundsätzliche Dinge, wie Netzteil und Laufwerke der verschiedenen Speichermedien (Festplatte,<br />
Disketten, Magnetbänder, DVD`s oder CD-ROM`s).<br />
CMOS<br />
CMOS (eng. Complementary Metal-Oxid-Semiconductor) ist ein besonderer Speicherchip, in dem<br />
grundsätzliche Informationen über die Systemkonfiguration (d.h. mit welchen Controllern,<br />
Laufwerken, Festplatten, Bildschirme usw.) abgelegt werden. Diese Information benötigt der PC nach<br />
dem Einschalten für den Startvorgang. <strong>Der</strong> CMOS-Chip ist ein statischer RAM-Baustein mit einer sehr<br />
geringen Stromaufnahme. Ist der Rechner ausgeschaltet, wird die Stromversorgung durch eine<br />
eingebaute Primär und Sekundärzelle aufrechterhalten. Diese Zelle versorgt ebenfalls die interne<br />
Systemuhr mit elektrischem Strom. Die Lebensdauer einer solchen Zelle beträgt je nach Zellenart ca.<br />
5-10 Jahre.<br />
Sind die Informationen des CMOS-Speichers verloren gegangen, gibt der Rechner beim Booten eine<br />
Fehlermeldung. Auch falsche Informationen im CMOS-Speicher können dazu führen, dass der<br />
Rechner nicht mehr startet. Solche Informationen können beispielsweise durch einen<br />
Virenprogramm verursacht werden. Unter Umständen ist dann auch der generelle Zugriff auf den<br />
CMOS-Speicher nicht mehr möglich. Oft kann in einem solchen Fall der gesamte Inhalt des Speichers<br />
mit Hilfe eines Jumpers oder eines Unterbrechungskontakt gelöscht werden. Anschließend startet
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30<br />
der Rechner dann mit vorhandenen Standarteinstellungen, die allerdings keine optimale Einstellung<br />
darstellen.<br />
Mainboard<br />
Die Hauptplatine ist die zentrale Platine eines Computers. Auf ihr sind die einzelnen Bauteile wie<br />
CPU, Speicher, der BIOS-Chip mit der integrierten Firmware, Schnittstellen-Bausteine und Steckplätze<br />
für Erweiterungskarten (wie Grafikkarte, Netzwerkkarte) montiert. Es ist jedoch auch möglich, dass<br />
diese Komponenten direkt auf dem Mainboard integriert (onBoard) sind. Dies ist bei Sound- und<br />
Netzwerkkarten inzwischen häufig der Fall, bei Grafikkarten seltener und bei CPU und RAM fast nur<br />
in raumsparend gebauten Systemen oder Notebooks.<br />
(1) Arbeitsspeicher –Sockel (DDR-2-RAM)<br />
(2) CPU Sockel<br />
(3) PCIexpress-Sockel für Grafikkarten<br />
(4) USB, LAN und Soundausgang<br />
(5) PCI-Sockel für Erweiterungskarten (Netzwerk)<br />
(6) S-ATA Anschlüsse für interne Festplatten oder Laufwerken<br />
(7) IDE (PATA) für Laufwerke (Alter Anschluss) oder Festplatten<br />
(8) ATX-Stromanschluss (Für das Netzteil)<br />
(9) PS/2 Anschluss für Maus und Tastatur<br />
<strong>Der</strong> übliche Chipsatz auf dem Mainboard teilt sich in die North- und South-Bridge auf. Eine der<br />
physikalischen Trennung in zwei Bausteinen ist jedoch nicht unbedingt notwendig, d.h. sie können in<br />
einem Chip vorhanden sein.
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31<br />
Die North-Bridge (Host) regelt die Datenströme zwischen Prozessor, Cache und Arbeitsspeicher, in<br />
modernen Systemen ist auch der AGP (eng. Accelerated Graphic Port), der Slot für die Grafikkarte<br />
angeschlossen. Außerdem ist an die North-Bridge das gesamte Bussystem sowie die PCI-to-ISA-Bridge<br />
angeschlossen.<br />
Die South-Bridge kümmert sich um die Schnittstellen, die an den Chipsatz angeschlossen sind und im<br />
Computersystem zu Verfügung stehen. Dazu gehören z.B. USB, sowie die Serielle und die Parallele<br />
Schnittstelle. Je nach Ausführung sind der Keyboard-Controller und die Echtzeituhr (RTC = Reak Time<br />
Clock) integriert.<br />
Bussysteme<br />
ISA-Bus (eng. Industry Standard Architecture) ist ein Computerbus-Standart für IBM-kompatible<br />
Computer, der die XT-Bus-Architektur von 8-Bit auf 16-Bit erweitern. 8Mhz.<br />
EISA-Bus (eng. Extended Industry Standard Architecture) erweitert ISA auf 32 Bit und ermöglicht<br />
somit 4GB Speicher. 8Mhz – 8,33Mhz.<br />
PCI-Bus (eng. Peripheral Component Interconnect) ist ein Bus-Standart zur Verbindung von<br />
Peripheriegeräte mit dem Chipsatz eines Prozessors (CPU unabhängig). Neuerung PCIe (. Peripheral<br />
Component Interconnect Express) ist ein Erweiterungsstandart zur Verbindung von<br />
Peripheriegeräten mit dem Chipsatz eines Hauptprozessors. PCIe ist der Nachfolger von PCI und AGP<br />
und bietet im Vergleich eine höhere Datenübertragungsrate. PCIe ist im Vergleich zu PCI parallel.<br />
AGP-Slot (eng. Accelerated Graphic Port)<br />
<strong>Der</strong> AGP Slot ist ein Anschluss zur direkten Verbindung der Grafikkarte mit dem Chipsatz (North-<br />
Bridge). Er basiert technologisch auf dem PCI-Bus.<br />
Hard Disk Drive (HDD)<br />
Physikalischer Aufbau der Einheit<br />
Eine Festplatte besteht aus folgenden Bauelementen:<br />
- eine oder mehreren drehbar gelagerten Scheiben (auch Platter genannt)<br />
- einen Elektromotor als Abtrieb für die Scheibe(n)<br />
- bewegliche Schreib-/Leseköpfe (Heads)<br />
- einen Antrieb für die Schreib-/Leseköpfe<br />
- die Steuerelektronik für Motor und Kopfsteuerung<br />
- Hochleistungs-DSP (Digitaler Signalprozess) für die Schreib-/Leseköpfe<br />
- die Schnittstelle zur Verbindung mit dem Festplattencontroller (Mainboard über S-ATA,<br />
IDE, SCISI)<br />
- einen Festplattencache von derzeit 2 bis 32 MB Größe
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32<br />
Technischer Aufbau und Material der Scheiben<br />
Die Scheiben bestehen meistens aus oberflächenbehandelten Aluminium-Legierungen, vereinzelt<br />
auch aus Glas. Sie müssen formstabil sein und eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, um<br />
die Größe der Wirbelströme gering zu halten. Da die magnetisierbare Schicht besonders dünn sein<br />
soll, darf das Material der scheiben selbst jedoch keine magnetischen Eigenschaften besitzen und<br />
dient nur als Träger der Magnetschicht. Auf die Scheiben wird ein Eisenoxid- oder Kobaltschicht von<br />
ungefähr einem Mikrometer Stärke aufgetragen. Diese wird zusätzlich von einer Schutzhülle aus<br />
Graphit ummantelt, um mechanische Beschädigungen zu vermeiden. Zusätzlich wurde eine<br />
Steigerung der Datendichte durch besseres Trägermaterial sowie durch die Optimierung der<br />
Schreibverfahren erreicht.<br />
In dem Festplattengehäuse befinden sich eine<br />
oder mehrere übereinander liegende rotierende<br />
Scheiben. Verbaut wurde bisher ein bis zwölf<br />
Scheiben, üblich sind ein bis vier. Eine höhere<br />
Scheibenanzahl geht in der Regel mit höherem<br />
Energieverbrauch und größerer<br />
Geräuschentwicklung einher. Manchmal werden<br />
aus Platzgründen nicht alle scheibenoberflächen<br />
genutzt, so dass Festplatten mit ungerader<br />
Schreib-/Lesekopfanzahl entstehen. Um die<br />
Nachfrage nach Festplattentypen mit kleiner<br />
Kapazität zu befriedigen, können Hersteller<br />
ebenfalls auf diese Weise Kapazität künstlich<br />
beschränken bzw. verkleinern. Eine neuere<br />
Entwicklung (seit 2004) ist das Perpendicular<br />
Recording (Senkrechtaufnahme), das zur Zeit u.a.<br />
von Toshiba und Hitachi entwickelt wird, um die<br />
Datendichte weiter zu steigern.<br />
Achsen-Lagerung und Drehzahl (U/min)<br />
In Arbeitsplatzrechnern oder Privat-PC´s verwendete Festplatten – momentan zum größten Teil mit<br />
ATA (IDE) oder SATA-Schnittstelen – rotieren mit Geschwindigkeiten von 5.400 bis 15.000<br />
Umdrehungen in der Minute. Bei den 2,5 Zoll, die hauptsächlich in Notebooks zum Einsatzkommen,<br />
liegen die Geschwindigkeiten im Bereich 4.200 bis 7.200 Umdrehungen in der Minute. Die Achsen<br />
der Scheiben früherer Festplatten (bis 2000) waren kugelgelagert; seit 2006 werden überwiegend<br />
Flüssigkeitslager verwendet. Diese zeichnen sich durch eine höhere Lebensdauer und geringere<br />
Geräuschentwicklung aus.
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33<br />
Speicherverfahren<br />
- Vor der Speicherung muss die Plattenoberfläche vorbereitet werden (Formatierung) <br />
Einteilung in Zylinder, Spuren, Sektoren und Cluster.<br />
- Speicherung durch Magnetisierung von kleinen Flächen der permeablen Schicht durch<br />
den Schreib-/Lesekopf.<br />
- diese Flächen nehmen je nach Polarität (Nord/Süd) den elektrisch-binären Wert „0“ oder<br />
„1“ an.<br />
- eine Scheibe ist in konzentrische Spuren aufgeteilt.<br />
- alle übereinander liegende Spuren nennt man Zylinder.<br />
- zusätzlich ist eine Scheibe in Sektoren unterteilt<br />
Prozessor – CPU (Central Processing Unit)<br />
<strong>Der</strong> Prozessor ist das Herz des Computers. Er bearbeitet die Befehle des Betriebssystems und<br />
anderer gestarteter Programme. Je höher die Prozessorleistung, desto schneller arbeitet der<br />
Computer. Hinweis auf die Leistung ist die Taktfrequenz (in Megahertz bzw. Gigahertz)<br />
Taktfrequenz<br />
Mit Taktfrequenz bezeichnet man den Rhythmus, in dem Daten im Computer verarbeitet<br />
werden. Sie wird in Hertz ausgegeben.<br />
MIPS (Million Instruktionen pro Sekunde)<br />
Maßeinheit für die Leistungsfähigkeit eines Prozessors. 1 MIPS bedeutet 1 000 000<br />
Maschinenbefehle in der Sekunde<br />
FLOPS (Floating Point Operations Per Second)
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34<br />
Maßeinheit für die Geschwindigkeit des Prozessors. Bezeichnet die Anzahl der<br />
Gleitkommazahl (Operationen die in 1 Sekunde ausgeführt werden)<br />
Befehlssatz<br />
RISC (Reduced Instruction Set Computing)<br />
Befehlssatz der auf komplexe Befehle verzichtet , wodurch die Ausführung einfacher als bei<br />
„CISC“ ist.<br />
CISC (Complex Instruction Set Computing)<br />
Befehlssatz, der sich durch Verhältnismäßig leistungsfähige Einzelbefehle auszeichnet, aber<br />
dafür langsamer wird.<br />
Vorwiegende Merkmale<br />
Multicore-Prozessor<br />
Bezeichnet man Prozessoren mit mehr als einem vollständigen Hauptprozessor auf einen<br />
Chip hat. Kerne sind unabhängig voneinander.<br />
Dual-Core<br />
Bezeichnet man einen Mehrkernprozessor mit 2 Hauptprozessoren.<br />
Quad-Core<br />
Bezeichnet man einen Mehrkernprozessor mit 4 Hauptprozessoren.<br />
TDP (Thermal Design Point/Power)<br />
Ist ein Wert für die Verlustleistung eines Prozessors oder anderen elektrischen Bauteilen. Auf<br />
deren Grundlage die Kühlung ausgelegt wird.<br />
FSB (Front Side Bus)<br />
Ist eine Schnittstelle zwischen CPU und North-Bridge.<br />
Cache-Speicher<br />
<strong>Der</strong> Cache ist ein spezieller Puffer-Speicher, der zwischen dem Arbeitsspeicher und dem<br />
Prozessor liegt. Damit der Prozessor nicht jeden Programm-Befehl aus dem Langsamen<br />
Arbeitsspeicher holen muss, wird gleich ein ganzer Befehls- oder Datenblock in den Cache<br />
geladen. Die Wahrscheinlichkeit, dass die nachfolgenden Programmbefehle im Cache liegen,<br />
ist sehr groß, da die Programm-Befehle nacheinander abgearbeitet werden. Erst wenn alle
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35<br />
Programm-Befehle abgearbeitet sind, oder ein Sprungbefehl zu einer Sprungadresse<br />
außerhalb des Caches erfolgt, dann muss der Prozessor auf den Arbeitsspeicher zugreifen.<br />
Deshalb sollte der Cache groß sein, damit der Prozessor die Programm-Befehle, ohne Pause,<br />
hintereinander ausführen kann.<br />
Begriffserklärungen im Zusammenhang mit Cache-Speicher:<br />
● First-Level-Cache (L1):<br />
Im L1-Cache werden Befehle und Daten zwischengespeichert. Die Bedeutung des L1 Caches<br />
wächst mit der höheren Geschwindigkeit des CPU`s. Denn dieser Cache vermeidet<br />
entsprechende Verzögerungen in der Datenübermittlung und hilft einen CPU optimal<br />
auszulasten.<br />
● Second-Level-Cache (L2)<br />
Im L2-Cache werden die Daten des Arbeitsspeichers zwischengespeichert. Über die Größe<br />
dieses Caches versorgen die Prozessorhersteller die unterschiedlichen Marktsegmente mit<br />
speziell modifizierten Prozessoren. Ein Prozessor mit sehr großem L2-Cache ist teuer<br />
herzustellen. Deshalb war der L2-Cache auch schon außerhalb des Prozessor-Dies<br />
angeordnet.<br />
● Third-Level-Cache:<br />
<strong>Der</strong> L3-Cache ist ein Cache-Speicher der zum ersten Mal im Prozessor K6-3 von AMD<br />
Anwendungen fand. Allerdings optional und außerhalb des Prozessors auf dem<br />
Mohterboard. In der Regel verwenden Multicore-Prozessoren einen integrierten L3-Cache.<br />
● Write-Through:<br />
Das ist das Verfahren bei dem der Second-Level-Cache die Daten sofort in den<br />
Arbeitsspeicher schreibt. Die Steuerung für den Schreibvorgang wird vom Cache<br />
übernommen. <strong>Der</strong> Prozessor kann in dieser Zeit weiterarbeiten. Es wird ein „Completion-<br />
Status“ erst dann an das Betriebssystem, wenn die Daten sicher auf die Festplatte<br />
geschrieben wurden. Deshalb kostet das Verfahren Übertragungs- bzw. System-<br />
Performance, da die Informationen ohne Zwischenpufferung direkt, ohne Rücksicht auf<br />
aktuelle Systemressourcen, auf die Festplatte geschrieben werden.<br />
● Write-Back:<br />
Beim Write-Back schickt der RAID-Controller einen „Completion-Status“ (Bestätigungsbefehl)<br />
an das Betriebssystem, sobald der Pufferspeicher des Controllers die Schreibdaten für die<br />
Festplatte vom System erhalten hat. <strong>Der</strong> Controller hält die Informationen so lange im<br />
Cache, bis der Controller einen geeigneten Zeitpunkt findet, die Daten an die Festplatte zu<br />
übertragen. Dies erfolgt zu einem Zeitpunkt, zu dem die Systemressourcen nicht voll<br />
beansprucht werden, so dass diese Strategie die Schreibleistung signifikant verbessert.<br />
Allerdings hat das Write-Back-Verfahren auch Nachteile. Tritt eine Störung bei der<br />
Stromversorgung auf, sind unter Umständen wichtige Daten, die noch nicht vom Cache-<br />
Controller auf die Festplatte geschrieben wurden, unwiderruflich verloren. Deshalb ist es<br />
empfehlenswert, die meist optional erhältliche Batteriepufferung des Cache-Controllers mit<br />
zu bestellen oder sich gleich für ein USV zu entscheiden.
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36<br />
RAM<br />
Datenschutz ROM und Datensicherheit<br />
Cache<br />
CPU<br />
Datensicherheit<br />
Maßnahme zur Sicherstellung des Erhalts von gespeicherten Daten.<br />
Datenschutz<br />
Maßnahmen zum Schutz von Daten gegen unberechtigten Zugriff und Missbrauch<br />
Datensicherheit (data secturity):<br />
Daten können durch Einflüsse von außen vernichten werden (z.B. Hardware, Defekte, Software-<br />
Fehler, Computervieren)<br />
Maßnahmen zum Schutz<br />
- Datensicherung (Backup-Systeme, manuelle Kopien, externe/wechsel-Festplatten,<br />
Streamer)<br />
- Bautechnik (Blitz-; Brand-; Hochwasserschutz)<br />
- Vierenschutzprogramme<br />
Datensicherheit nur bei ständiger Aktualisierung!!!<br />
Datenschutz (data protection):<br />
Personen und sachbezogene Informationen, bei deren Fremdnutzung erhebliche Idealer und<br />
wirtschaftlicher Schaden entsteht, müssen geschützt werden.<br />
Maßnahmen zum Schutz<br />
- Zugangsschutz (bautechnische Maßnahmen z.B. Tür, Fingerabdruckscanner, Augenscanner)<br />
- Übertragungsschutz (Verschlüsselung)<br />
- Benutzerkontrolle<br />
- Zugriffskontrolle (Firewall)
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37<br />
staatlich geregelt durch den Bundesdatenschutz (RDSG)<br />
Alternative Betriebssysteme<br />
Linux<br />
Vorteile von Linux:<br />
Nachteile:<br />
- kostenlos und lizenzfrei<br />
- hohe Sicherheit (Rechteverwaltung, Administration)<br />
- stabil, schnell, Leistungsfähig<br />
- nicht Windowskompatibel<br />
- enorm flexible<br />
- Schwächen an Benutzerfreundlichkeit, Angebot von Programmen, Spielen und Treiber<br />
- keine Einheitlichkeit durch verschiedene Distributionen/Desktops (Gnome, KDE)<br />
- Support nur über das Internet<br />
Mac OS<br />
Vorteile von Mac OS:<br />
- Betriebssystem, viele Programme, Hardware von Appel 100% kompatibel<br />
- unempfindlich gegen herkömmliche Vieren<br />
- teilweise zu Unix/Linux kompatibel<br />
Nachteile:<br />
- Das Mac OS ist sehr teuer<br />
- Bedienunfreundlichkeit (Programme, Spiele, Bedienung)<br />
- geringer Nutzeranteil<br />
- Auf bestimmte Arbeitsbereiche spezialisiert (wissenschaftlicher Bereich, Multimedia)
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38<br />
<strong>Ausbildung</strong>sjahr 1 – Installationselektronik (IE)<br />
Stromwirkung auf den Menschen<br />
Wärmewirkung:<br />
Strommarken an den Eintrittsstellen und Gerinnung des Bluteiweißes, platzen der Roten<br />
Blutkörperchen.<br />
Chemische Wirkung:<br />
Zersetzen der Zellflüssigkeit evtl. späterer Tod durch Vergiftung!<br />
Fehlerstromkreis:<br />
Sicherung (F1)<br />
L1<br />
N<br />
PE<br />
Köperstrom „I K “ ist abhängig von:<br />
- Berührungsspannung<br />
- Körperwiderstand<br />
- Übergangswiderstand<br />
- Standortwiderstand<br />
R Ü<br />
R S<br />
R F<br />
Fehlerwiderstand<br />
I K<br />
R K<br />
U B<br />
Besonders gefährlich wird es, wenn<br />
ein Strom über 50 mA länger als<br />
eine Sekunde über das Herz<br />
fließt!!!!<br />
R St<br />
Die höchstzulässige Berührungsspannungen:<br />
● Bei Menschen<br />
Wechselspannung (AC) max. 50 V<br />
Gleichspannung (DC) max. 120 V<br />
● Bei Tieren<br />
Wechselspannung max. 25 V<br />
Gleichspannung max.60 V
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39<br />
Fachbegriffe – Schutzmaßnahmen<br />
Aktives Teil<br />
Leiter oder leitfähiges Teil, der (das) dazu bestimmt ist, bei ungestörten Betrieb unter Spannung zu<br />
stehen, einschließlich der Neutralleiter (N), aber vereinbarungsgemäß nicht der PEN-Leiter.<br />
Elektrische Betriebsmittel<br />
Ist alles was Energie leistet, erzeugt, umwandelt, überträgt, verteilt und anwendet (z.B. Generator,<br />
Motor, Schaltgeräte, Leitungen, Messinstrumente usw.)<br />
Elektrische Verbrauchsmittel<br />
Wandeln elektrische Energie in andere Formen der Energie um (Wärme, Licht, Bewegung)<br />
Erde<br />
Ist die Bezeichnung für das leitfähige Erdreich mit dem elektrischen Potenzial „0“.<br />
<strong>Der</strong> Erder<br />
Ist ein leitfähiges Teil, das in guten Kontakt zur Erde steht und eine elektrische Verbindung herstellt.<br />
Fehlerstrom<br />
Ist der Strom, der durch einen Isolationsfehler zum Fließen kommt.<br />
Isolationsfehler<br />
Ist ein fehlerhafter Zustand in der Isolierung (mechanische Schäden, Überhitzung).<br />
Körper
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40<br />
berührbares, leitfähiges Teil eines elektrischen Betriebsmittel, das normal nicht unter Spannung<br />
steht, das jedoch im Fehlerfall unter Spannung stehen kann.<br />
Körperschluss<br />
Ist eine durch einen Fehler entstandene, leitende Verbindung zwischen Körper und aktiven Teilen<br />
elektrischer Betriebsmittel.<br />
Neutralleiter<br />
Sind unmittelbar geerdete Leiter in welchen Betriebsstrom fließt.<br />
PEN-Leiter<br />
Geerdeter Leiter, der zugleich die Funktion des Schutzleiters und des Neutralleiters übernimmt.<br />
Überstromschutzorgane<br />
Überstromschutzorgane, die sogenannten Sicherungen befinden sich meist im Stromkreisverteiler<br />
und haben die Aufgabe bei Überlastung oder Kurzschluss abzuschalten, um die Leitungen und die<br />
Angeschlossenen Geräte zu schützen.<br />
Schaltzeichen:<br />
Sicherung (F1)<br />
Übersicht der Überstromschutzorgane:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Schmelzsicherung<br />
Diazed Sicherung<br />
Neozed Sicherung<br />
NH-Sicherung<br />
HH-Sicherung<br />
Geräteschutzsicherung<br />
Schutzschalter
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41<br />
<br />
<br />
<br />
Leitungsschutzschalter<br />
Motorschutzschalter<br />
Leistungsschalter<br />
Wichtig:<br />
Leitungen dürfen nicht höher als zulässig abgesichert werden. Überstromschutzeinrichtungen sind<br />
überall dort einzubauen wo sich:<br />
<br />
<br />
<br />
der Leiterquerschnitt verringert z.B. beim Übergang von 4 mm² auf 1,5 mm².<br />
die Verlegeart ändert.<br />
die Leitungsart ändert.<br />
<strong>Der</strong> Kurzschlussschutz muss am Anfang der Leitung angeordnet sein, dagegen kann der<br />
Überlastschutz in unverzweigten Stromkreisen an beliebiger Stelle eingebaut werden.<br />
Auswahlkriterien für Überstromschutzorgane:<br />
- Bemessungsspannung<br />
- Bemessungsstrom<br />
- Betriebsklasse (Strom-Zeit-Verhalten)<br />
- Bauform<br />
Schutzklassen und Arten<br />
Elektrische Betriebsmittel müssen im Fehlerfall einen Schutz gegen elektrischen Schlag haben, damit<br />
in Büros, Werkstätten und Schulen gefahrlos gearbeitet werden kann.<br />
Die elektrischen Betriebsmittel werden je nach Schutz gegen direktes und indirektes Berühren in<br />
Schutzklassen 1-3 eingeteilt.<br />
Schutzklasse „I“ (1)<br />
Kennzeichen:<br />
Verwendung:<br />
Mit Schutzleiter (Betriebsmittel ist mit Schutzleiter mit der Anlage verbunden).<br />
Beispiel:<br />
Elektromotor
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42<br />
Schutzklasse „II“ (2)<br />
Kennzeichen:<br />
Verwendung:<br />
Schutzisolierung (Betriebsmittel mit Basisisolierung und zusätzlicher oder verstärkten Isolierung).<br />
Beispiel:<br />
Föhn, Bohrmaschine<br />
Schutzklasse „III“ (3)<br />
Kennzeichen:<br />
Verwendung:<br />
Schutzkleinspannung (Anschluss nur an SELV und PELV-Stromkreisen).<br />
Beispiel:<br />
Fassleuchten, Spielzeugtrafos<br />
Fehlerarten in elektrischen Anlagen<br />
Leiterschluss<br />
Ist eine fehlerhafte Verbindung zwischen Leitern, wenn im Fehlerstromkreis ein Nutzwiderstand liegt.<br />
Kurzschluss<br />
Ist eine leitende Verbindung zwischen gegeneinander unter Spannung stehenden Leitern. Im<br />
Fehlerstromkreis befindet sich kein Nutzwiderstand.
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43<br />
Körperschluss<br />
Ist eine leitende Verbindung zwischen Körper (Gehäuse) und aktiven Teilen des Betriebsmittel<br />
(Ursache meist Isolationsfehler).<br />
Erdschluss<br />
Entsteht bei der Verbindung eines Außenleiters (L1, L2, L3) oder eines Betriebsmäßig Isolierten<br />
Neutralleiters mit Erde oder geerdeten Teilen.<br />
Spannungsfall auf Leitungen<br />
Versuch:<br />
Zwei Kochplatten je 1500 Watt/230 Volt werden über eine Leitung 30 m Länge 1,5 mm² Querschnitt<br />
(Kupfer) versorgt. Am Anfang und am Ende der Leitung wird die Spannung gemessen<br />
Ersatzschaltbild:<br />
R-Leitung<br />
L1<br />
Kochplatte 1 U 1<br />
Kochplatte 2<br />
N<br />
R-Leitung<br />
Beobachtung:<br />
Beim Anschalten der Kochplatte sinkt „U 1 “ etwas ab.<br />
Ursache: <strong>Der</strong> Laststrom verursacht auf der Leitung einen Spannungsabfall. Es handelt sich um<br />
einen Reihenschaltung von R-Leitung und R-Last (Kochplatten).<br />
Merke: <strong>Der</strong> Spannungsabfall ist umso größer je:<br />
-größer der Leiterwiderstand ist.<br />
- größer der Laststrom ist.
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44<br />
Zulässiger Spannungsabfall:<br />
Nach TAB (technische Anschlussbedingung) des EVU (VNB = Verteilungsnetzbetreiber)<br />
Hausanschluss Zähler Verbraucher<br />
KwH<br />
DIN 18015<br />
bis 100 kVA ∆U ≤ 0,5 %<br />
100-250 kVA ∆U ≤ 1 %<br />
250-400 kVA ∆U ≤ 1,25 %<br />
Über 400 kVA ∆U ≤ 1,5 %<br />
∆U max. 3%<br />
Max. 4%<br />
Widerstand der Leitung ist abhängig von:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Material<br />
Länge der Leitung<br />
Querschnittsfläche<br />
Temperatur<br />
Formel:<br />
R =<br />
ρ = rho = spezifischer Widerstand<br />
l = Länge in Meter<br />
A = Querschnitt in mm²<br />
I = Strom in Ampere<br />
Delta = Unterschied<br />
∆U =<br />
<strong>Der</strong> Spannungsfall ∆U wird prozentual bzw. als Spannungswert angegeben<br />
- ∆U Spannungswert z.B. 6,9 V<br />
- A U prozentualer Spannungsfall z.B. 3%
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45<br />
<strong>Ausbildung</strong>sjahr 2 – Steuerungstechnik<br />
Zahlensysteme<br />
Hexadezimal (Sedezimalsystem)<br />
● Verwendung: Zahlenausgabe in Computern<br />
● Zahlenbasis: 16 (0,1,2,3…,9,A,B,C,D,E,F)<br />
Beispiel:<br />
16³ 16² 16 1 16 0 Stellenwert<br />
1 3 F A Hexcode<br />
1 ∙ 16³ 3 ∙ 16² 15 ∙ 16 1 10 ∙ 1 5114 10<br />
Hinweis:<br />
A = 10<br />
B = 11<br />
C = 12<br />
D = 13<br />
E = 14<br />
F = 15<br />
→ Rückwandlung:<br />
Das niedergestellte „10“<br />
bedeutet dass es sich hier um<br />
eine Dezimalzahl handelt<br />
5114 : 16 = 319 Rest: 10 -> A<br />
319 : 16 = 19 Rest: 15 -> F<br />
19 : 16 = 1 Rest: 3 -> 3 Leserichtung<br />
1 : 16 = 0 Rest: 1 -> 1<br />
Resultat: 13FA<br />
Dezimalsystem<br />
● Zeichenvorrat: 0,1,2,3…,9; Möglichkeiten pro Stelle: 10<br />
● Zahlenbasis: 10<br />
● Kenzeichnung: Index „10“ oder „D“<br />
123 10 oder 123 D<br />
Hinweis:<br />
10³ 10² 10 1 10 0 Stellenwert<br />
1 0 2 9 Dezimalzahl<br />
1 ∙ 10³ 0 ∙ 10² 2 ∙ 10 1 9 ∙ 1 1029 10<br />
Sobald eine Zahl, z.B. 10, hoch 0 (10 0 ) ist, ist der Wert immer 1.
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46<br />
Weitere Zahlensysteme<br />
Duodezimalzahlsystem<br />
● Zahlenbasis: 12 --> z.B. Uhrensysteme<br />
Binäres Zahlensystem<br />
● Systeme, die auf der Basis 2 (0 und 1) aufbauen<br />
Dualzahlensystem<br />
● Wichtiges Zahlensystem<br />
2 3 2 2 2 1 2 0 Stellenwert<br />
8 4 2 1 Dezimalwertigkeit<br />
1 0 1 1 Dualzahl<br />
1 ∙ 2 3 0 ∙ 2 2 1 ∙ 2 1 1 ∙ 2 0 11 10<br />
Erklärung:<br />
Ist in der Tabellenspalte „Dualzahl“ eine „1“ wird der Wert, der in der Tabelle unter<br />
„Stellenwert“ steht mit „1“ Multipliziert, und wenn der Wert „0“ ist wird der Stellenwert mit<br />
„0“ Multipliziert (was immer 0 ist) und dann werden die Ergebnisse addiert.<br />
Beispiel<br />
1 ∙ 2 3 + 0 ∙ 2 2 + 1 ∙ 2 1 + 1 ∙ 2 0<br />
= 8 + 0 + 2 + 1<br />
= 11 10
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47<br />
Oktalsystem<br />
● Verwendung: Darstellung der Dateizugriffsrechte bei Unix (Art von Linux)<br />
Fleuzeugtranspondercode<br />
● Zahlenbasis: 8<br />
8³ 8² 8 1 8 0 Stellenwert<br />
2 6 5 4 Oktalzahl<br />
2 ∙ 8³ 6 ∙ 8² 5 ∙ 8 1 4 ∙ 1 1452 10<br />
Auch hier werden die Werte in der Spalte „Oktalzahl“ mit dem Werten aus der Spalte<br />
„Stellenwert“ multipliziert und dann die addiert.<br />
Rechnen mit Dualzahlen<br />
Addition und Subtraktion von Dualzahlen:<br />
Rechnungsregel:<br />
Addition:<br />
0 + 0 = 0<br />
0 + 1 = 1<br />
1 + 0 = 1<br />
1 + 1 = 10<br />
1+1+1 = 11<br />
Beispiel:<br />
10110<br />
+ 11101<br />
= 100011<br />
Beispiel:<br />
10111<br />
- 1011<br />
= 01100<br />
Subtraktion:<br />
1 - 0 = 1<br />
1 - 1 = 0<br />
0 - 0 = 0<br />
0 - 1 = 11<br />
1-1-1 = 11
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48<br />
BCD-Code<br />
<strong>Der</strong> BCD (= binary coded decimals) dient der binar verschlüsselten Darstellung von<br />
Dezimalstellen.<br />
Merkmale:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Die jeweiligen Dezimalziffern werden durch ein entsprechendes Bitmuster ersetzt.<br />
Auf Grund der direkten dualen Zuordnung wird der BCD-dual-Code, auch 8421-Code<br />
bezeichnet<br />
<strong>Der</strong> BCD-dual-Code eignet sich nur für Additionen (Für Subtraktion wird der BCD-<br />
Aiken-Code verwendet)<br />
Ergibt sich bei der Addition ein Tetradenübertrag oder eine Pseudotetrade, wird zur<br />
Ergebnisstetrade „0110“ addiert<br />
Wertigkeitstabelle<br />
0 0 0 0 0<br />
1 0 0 0 1<br />
2 0 0 1 0<br />
3 0 0 1 1<br />
4 0 1 0 0 Tetraden<br />
Dezimal 2³ 2² 2 1 2 0<br />
5 0 1 0 1<br />
6 0 1 1 0<br />
7 0 1 1 1<br />
8 1 0 0 0<br />
9 1 0 0 1
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49<br />
<strong>Der</strong> Mikrokontroller<br />
I/O-Unit (Ein/Ausgabeeinheit)<br />
Die I/O Unit des Mikrokontrollers umfasst alle Eingänge und Ausgänge, mit denen der<br />
Mikrokontroller mit der Außenwelt (Peripherie, z.B. Schalter, Sensoren, Relais, Anzeigen<br />
usw.) in Verbindung steht.<br />
Binäre Ausgänge geben in einer Mikrokontrollerschaltung eine Spannung von 0V (GND) oder<br />
5V (VCC) aus. Damit kann zum Beispiel eine LED oder ein Relais geschalten werden.<br />
Beispiel: LED<br />
Erklärung:<br />
Vorwiderstand<br />
VCC:<br />
LED<br />
GND<br />
Unter VCC versteht man bei<br />
elektronischem Bauteil immer die<br />
Versorgungsspannung.<br />
GND:<br />
Mikrokontroller<br />
GND ist die Masse, das heißt hier<br />
muss in der Schaltung die Masse<br />
(0V) angeschlossen werden.<br />
GND
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50<br />
Einspeisung des Taster-Signals in den Mikrokontroller<br />
Pull-Down Widerstand<br />
Schalter<br />
VCC<br />
Erklärung:<br />
Pull-Down Widerstand:<br />
Mikrokontroller<br />
GND<br />
Pull-Up Widerstand<br />
Pull-Down<br />
Widerstand<br />
Schalter<br />
<strong>Der</strong> Pull-Down Widerstand zieht den<br />
Mikrokontroller auf GND (Low), wird<br />
der Schalter geschlossen bekommt<br />
der Mikrokontroller VCC (High).<br />
Würde man den P-U Widerstand<br />
weglassen, und der Schalter wäre<br />
offen, würde der Mikrokontroller<br />
ein undefinierbares Signal<br />
bekommen und nicht richtig<br />
schalten.<br />
Pull-Up Wiederstand:<br />
Pull-Up<br />
Widerstand<br />
GND<br />
<strong>Der</strong> Pull-Up Widerstand funktioniert<br />
genau wie der Pull-Down, nur das er<br />
kein Low-Signal (GND) sondern ein<br />
High-Signal (VCC) zur Verfügung<br />
Stellt.<br />
Mikrokontroller<br />
VCC
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51<br />
Serielle Schnittstelle<br />
Die Serielle Schnittstelle bezeichnet man einen Ein-/Ausgang eines Computers oder eines<br />
Peripheriegerätes. Bei der seriellen Datenübertragung werden die Bits nacheinander über<br />
eine einzige Datenleitung übertragen. Wenn ohne nähere Kennzeichnung von einer<br />
„Seriellen Schnittstelle“ gesprochen wird, ist fast immer die RS-232-Schnittstelle gemeint.<br />
● Vorteil: Nur wenige Leitungsadern sind notwendig, dadurch geringe Kosten. Relativ<br />
große Kabellänge möglich.<br />
● Nachteil: Ursprünglich niedrige Übertragungsrate. Protokollkenndaten müssen ggf.<br />
vorher vereinbart werden.<br />
Aufgrund der wenigen notwendigen Leitungsadern können bei geringen Kosten aus<br />
hochwertigem Material (Verdrillung und Schirmung) hergestellt werden. Dies erlaubt dann<br />
höhere Geschwindigkeiten als bei einem parallelen Bus bestehend aus niederwertigem<br />
Material (einfaches Flachbandkabel). Besonderes bei sehr hohen<br />
Übertragungsgeschwindigkeiten haben serielle Verbindungen entscheidende Vorteile<br />
gegenüber parallelen, da keine Laufzeitunterschiede durch verschieden lange<br />
Leitungsbahnen und kein Übersprechen (Störung von Signalen durch die benachbarten<br />
Leitungen) stattfinden. Daher wurden in den Letzten Jahren immer mehr ehemalige parallele<br />
Übertragungsstandards durch neue serielle ersetzt.<br />
● Die Übertragung erfolgt in Wörtern. Ein Wort entspricht dabei je nach<br />
Konfiguration 5 bis 9 Bits, in dem dann ein einzelnes Zeichen kodiert ist. Meistens<br />
erfolgt die Kodierung gemäß ASCII-Code. Häufig kommen auch (ASCII-)Steuercodes<br />
für die Ansteuerung eines Terminals wie VT100 zum Einsatz. Üblich ist daher, 7 bzw. 8<br />
Bits zu übertragen<br />
● Eine EIA-232-Verbindung arbeitet (bit-)seriell mit je einer Datenleitung für beide<br />
Übertragungsrichtungen. Das heißt, die Bits werden nacheinander auf einer<br />
Datenleitung übertragen, im Gegensatz zur parallelen Datenübertragung. Die dafür<br />
nötige Seriell-Parallel-Wandlung geschieht meistens im sog. UARTs (entweder als<br />
integriertes Modul in einem Mikrokontroller oder als Stand-Alone-Baustein). Die EIA-<br />
232 wird deshalb häufig salopp „serielle Schnittstelle“ genannt, obwohl es zahllose<br />
andere serielle Schnittstellarten gibt.<br />
● Die Datenübertragung erfolgt asynchron. Das heißt, es wird kein zusätzliches<br />
Synchronisationssignal (Clock-Signal) übertragen. Die Synchronisation geschieht<br />
ausschließlich über die Datenleitung. Das geschieht, indem sich der Empfänger auf<br />
die erste negative Flanke nach einer Ruhepause (1) synchronisiert und die folgenden
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52<br />
Bits des Byte mit „seiner“ Baudrate abtastet. Damit das funktioniert, muss die<br />
Baudrate von Sender und Empfänger ungefähr (bis auf einige Prozent)<br />
übereinstimmen und jedes übertragene Byte muss von einer negativen Flanke<br />
eingeleitet werden. Letzteres wird durch Start- (0 als Einleitung) und Stopbit(s) (1 als<br />
Abschluss) sichergestellt. Außerdem muss die Ruhepause vor der ersten<br />
Synchronisierung genügend lang sein (damit die erste negative Flanke auch wirklich<br />
von einem Startbit stammt). Zwischen Start- und Stopbit werden die eigentlichen<br />
Nutzdaten unverändert (NRZ-codiert), also ohne Synchronisierungs-Informationen,<br />
übertragen.<br />
● EIA-232 ist eine Spannungsschnittstelle (im Gegensatz, z.B. zu einer<br />
Stromschnittstelle). Die Information (Bit) wird durch eine elektrische Spannung<br />
kodiert. Für die Datenleitungen (TxD und RxD) wird eine negative Logik verwendet,<br />
wobei eine Spannung zwischen -3 Volt und -12 Volt eine logische „1“ und eine<br />
Spannung zwischen +3 Volt und +12 Volt eine logische „0“ darstellt. Bei den<br />
Steuerleitungen (DCD, DTR, DSR, RTS, CTS, RI) wird der aktive Zustand durch eine<br />
Spannung zwischen +3 Volt und +12 Volt dargestellt, der inaktive Zustand durch eine<br />
Spannung zwischen -3 Volt und -12 Volt.<br />
● Als Steckverbindung wurden nach der ursprünglichen Norm 25-polige Sub-D-<br />
Stecker für DTE und Buchsen für DCE benutzt. Da viele der 25 Leitungen reine<br />
Drucker- bzw. Terminal-Steuerleitungen aus der elektromechanischen Ära sind, die<br />
für die meisten Verbindungen mit moderneren Peripheriegeräten nicht benötigt<br />
werden, haben sich heut 9-Polige Sub-D-Stecker und Buchsen etabliert, die beim<br />
ersten IBM PC ursprünglich als reine Notlösung zum Platzsparen eingeführt worden<br />
waren (damals ging es darum, den Stecker zusammen mit einer ebenfalls<br />
verkleinerten Centronics-Schnittstelle auf einer Steckkarte unterzubringen).<br />
● Zur Vermeidung von Datenverlusten muss der Empfänger die Datenübertragung<br />
anhalten können, wenn keine weiteren Daten mehr verarbeitet werden können.<br />
Dieses sogenannte „Handshake“ kann auf zwei Arten realisiert werden, entweder<br />
softwareseitig über bestimmte Steuercodes oder über spezielle Leitungen.<br />
● Beim Software-Handshake (Xon/Xoff-Protokll) sendet der Empfänger zur<br />
Steuerung des Datenflusses spezielle Zeichen an den Sender (Xon = 17 und<br />
Xoff = 19). Entsprechend werden für die Datenübertragung lediglich 3<br />
Leitungen (RxD, TxD und GnD) benötigt. Im jeweiligen Stecker müssen dann<br />
RTS mit CTS gebrückt werden und DTR mit DSR und DCD. Andernfalls wartet<br />
die Hardware weil die Handshakeleitung nicht richtig bedient werden.<br />
● Beim Hardware-Handshake steuert der RxD-Empfänger über<br />
Steuerleitungen die Handshake-Eingänge CTS, DSR, und DCD des TxD-Senders<br />
mit seinen Handshake-Ausgängen RTS -> CTS und DTR -> DSR & DCD. Ein
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53<br />
Minimal-Interface mit Hardware-Handshake besteht demzufolge aus 5<br />
Leitungen (TxD, RxD, GnD, RTS und CTS).<br />
Timing:<br />
übliche Bitraten<br />
Bitrate<br />
(bit/s)<br />
Bitdauer<br />
50 20 ms<br />
300 3,3 ms<br />
1.200 833 µs<br />
2.400 417 µs<br />
4.800 208 µs<br />
9.600 104 µs<br />
19.200 52 µs<br />
38.400 26 µs<br />
57.600 17 µs<br />
115.200 8,68 µs<br />
230.400 4,34 µs<br />
460.800 2,17 µs<br />
500.000 2,00 µs<br />
Leitungslänge und Übertragungsrate<br />
Da wegen der verwendeten Spannungsübertragung die Spannung am Empfänger mit<br />
zunehmender Leitungslänge (wegen des größer werdenden elektrischen Kabelwiderstandes<br />
und der Kabelkapazität) abnimmt, ist die Leitungslänge begrenzt.<br />
Ein weiterer begrenzender Faktor ist die Laufzeit des Signals. Da eine EIA-232-Schnittstelle<br />
am Leitungsende nicht mit ihrem Wellenwiederstand abgeschlossen werden kann ( zu große<br />
Verlustleistung), gibt es unweigerlich Leitungsreflektionen. Mit zunehmender<br />
Übertragungsrate und Kabellänge stören die Reflexionen immer mehr die
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54<br />
Datenübertragung. Die Norm schreibt Flankensteilheiten vor, die der Sender nicht<br />
überschreiten darf, um die Auswirkung der Reflexion zu begrenzen.<br />
Ersatzschaltbild Kabel (längshomogene Leitung)<br />
Ein weiterer Aspekt ist, dass die Signalübertragung nicht differentiell, sondern „singleended“<br />
(unbalanced) erfolgt. Das zu übertragende Signal beinhaltet also einen<br />
Gleichspannungsanteil und ist deshalb relativ empfindlich auf Gleichtaktstörung. Solche<br />
Störungen können z.B. entstehen durch induktive Einkopplung in die Schleife RxD-GnD, weil<br />
sich alle Signale auf das gleiche GnD-Signal beziehen, kann ein Strom auf der TxD -Leitung<br />
einen Spannungsabfall auf der GnD-Leitung erzeugen, welcher zu einer<br />
Potentialverschiebung zwischen den beiden Kommunikationspartnern führt und<br />
beispielsweise auf der RxD-Leitung gesehen wird und Störungen verursacht.<br />
Laut ursprünglichen Standard ist eine Kabelkapazität von maximal 2500 pF zulässig, was bei<br />
Standardkabeln einer Kabellänge von maximal 15 Meter (50 Fuß) entspricht. Mit Kabeln,<br />
welche eine besonders niedrige Kapazität aufweisen (beispielsweise UTP CAT-5 Kabel mit<br />
55pF/Meter), lassen sich konform zur Definition 45 Meter erreichen.<br />
Die Probleme der gegenseitigen Beeinflussung über GnD, fehlender Abschlusswiderstand<br />
etc. lassen sich durch eine differentielle Übertragung wie bei RS-485, LVDS etc. behebn.
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55<br />
I²C-Bus<br />
<strong>Der</strong> I²C-Bus besteht aus zwei Busleitungen:<br />
SCL:<br />
SDA:<br />
serial clock<br />
serial data<br />
(Wird auch TWI-Bus gennant: Tow Wire Interface)<br />
Die I²C-Bausteine besitzen Open-Drain- oder Open-Collector Ausgänge. Die Busleitungen<br />
müssen deshalb mit jeweils einem Pull-Up-Widerstand beschaltet werden (z.B. 3K3 Ohm)<br />
<strong>Der</strong> I²C-Bus ist ein Master-Slave-Bus.<br />
<strong>Der</strong> Master (der Mikrocontroller)<br />
<br />
<br />
<br />
bestimmt den Baustein, mit dem er kommunizieren möchte.<br />
bestimmt die Datenrichtung (Read /Write)<br />
erzeugt die Impulse auf der Clock-Leitung (synchrone Übertragung!)<br />
<strong>Der</strong> Slave ist der Baustein, der vom Master angesprochen wird.<br />
Damit ein Slave gezielt angesprochen werden kann, besitzt jeder Baustein eine eigene 7-Bit<br />
Adresse (A6..A0). Das R/W-Bit teilt dem Slave mit, ob der Master etwas vom Slave lesen<br />
(R/W-Bit == 1) oder in diesen schreiben (R/W-Bit == 0) möchte.<br />
Aufbau des Adressbytes:<br />
A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 R/W<br />
Typ-Adresse Bausteinadresse<br />
Adressen-Beispiel:<br />
Uhrenbaustein: DS1307 : 1101000X X: Richtungsbit
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56<br />
Temperatursensor: LM75A : 1001YYYX Y: Bausteinadresse - mit 3 Bit(Y) können 8 Temperatursensoren des<br />
Typs LM75A addressiert werden<br />
Buszustände<br />
SCL SDA Status<br />
H H Ruhezustand<br />
H<br />
H<br />
H/L-Flanke Startbedingung<br />
L/H-Flanke Stoppbedingung<br />
Zwischen der Start- und Stoppbedingung werden immer Blöcke von 8 Bit gesendet (vom<br />
Master oder Slave), deren Empfang vom jeweiligen Empfänger (Slave oder Master) bestätigt<br />
werden muss (engl. acknowledge). Die Bestätigung geschieht, indem der Empfänger die<br />
Busleitung SDA während des auf das Senden folgenden Taktes auf `Low` zieht.<br />
Beim Acknowledge-Bit (ACK) wird während der HIGH-Zeit des 9.Clockimpulses, d.h. erster<br />
Impuls nach den Daten, der Zustand auf der SDA-Leitung überprüft. Ist der Zustand „LOW“<br />
so ist das eine Bestätigung dafür, dass der Slave die Daten erhalten hat. Ist der Zustand<br />
jedoch „HIGH“ wird das als `Not Acknowledge` interpretiert. Ist dies der Fall heißt das, dass<br />
z. B. ein angesprochener Slave an der Übertragung nicht mehr teilnimmt.
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57<br />
<strong>Ausbildung</strong>sjahr 2 – Systeme und Geräte<br />
Wechselstromtechnik<br />
Spannungserzeugung durch Induktion<br />
Nord<br />
Eine Spannung wird induziert durch<br />
● Bewegung eines Leiters im<br />
Magnetfeld<br />
● Magnetische Flussänderung in<br />
einer Spule<br />
Generatorprinzip: Magnetfeld und<br />
Bewegung eines Leiters erzeugen<br />
eine Spannung.<br />
Süd
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58<br />
Lenische Regel<br />
<strong>Der</strong> durch eine Induktionsspannung hervorgerufener Strom ist stets so gerichtet, dass er der<br />
Ursache der Induktion entgegenwirkt.<br />
Induktionsgesetzt:<br />
Die in eine Spule induzierte Spannung ist umso größer, je..<br />
●..größer die Windungszahl „N“<br />
●..stärker die magn. Flussänderung und je..<br />
●..kürzer die Zeitdauer ist in der die magn. Flussänderung erfolgt<br />
Formeln:<br />
Frequenz f =<br />
Kreiswinkelfrequenz Ѡ =<br />
Index:<br />
F = Frequenz<br />
T = Zeit<br />
π = 3,14159<br />
ɑ = Alpha (Winkel)<br />
t = Momentaner Zeitpunkt<br />
Momentanswert<br />
U = û ∙ sin ɑ<br />
U = û ∙ sin ( 360° ∙ f ∙ t)<br />
Das Oszilloskop<br />
Das Oszilloskop ist ein Messgerät zur Darstellung eines zeitlichen Verlaufs einer Messgröße<br />
z.B. Spannung in Abhängigkeit von der Zeit.<br />
Messen mit dem Oszilloskop<br />
Das Oszilloskop misst grundsätzlich nur Spannung gegen Masse. (falls Oszigehäuse<br />
mit Schutzleiter verbunden Trenntrafo verwenden!<br />
Einstellungen<br />
- Nullwert mit dem Y-Pos-Regler einstellen, dabei Stromartschalter auf GND stellen<br />
- Steller für Vertikal-und Horizontalablenkung möglichst groß einstellen
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59<br />
Focus = Bildschärfesteller<br />
Intens. = Helligkeitssteller<br />
Power On/Off = Ein/Auschalten<br />
X Position = Horizontalablenkung<br />
Y Position = Vertikalablenkung<br />
Timebase = Zeiteinsteller in X-Richtung +/Div.<br />
Autoset = Automatische Triggerung<br />
Eingang = CHN 1 (Signaleingang)<br />
GND = CHN 1 (Erdungsanschluss)<br />
AC/DC/GND = Stromartschalter<br />
V/Div. = Steller für Vertikalamplitude<br />
Dual = Schalter für 1 oder 2 Kanalbetrieb
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60<br />
Kondensator im Wechselstrom<br />
1.Laden und Entladen eines Kondensators<br />
Ersatzschaltbild:<br />
I c<br />
Ladestrom<br />
I c<br />
Entladestrom<br />
Ladekurve<br />
Ladeverhalten:<br />
Formel:<br />
Die Ladezeit eines Kondensators<br />
wird in Tau (T) angegeben. Ein<br />
Kondensator ist nach einem Tau 63%<br />
geladen. Im nächsten „Tau“ wird<br />
vom Rest, also den 37%, nochmal<br />
63% geladen. Nach Insgesamt 5 Tau<br />
ist der Kondensator dann<br />
Vollgeladen. Das gleiche passiert<br />
auch bei der Entladung.<br />
T = R ∙ C<br />
T = Tau (Ladezeit)<br />
R = Vorwiederstand<br />
C = Kapazität in Farad
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61<br />
2.Kapazitiver Blindwiderstand<br />
Eine Kapazität „C“ hat im Wechselstromkreis einen kapazitiven<br />
Blindwiderstand, der auf ständige Lade- und Entladevorgängen beruht.<br />
X c =<br />
X c = Blindwiderstand<br />
f = Frequenz<br />
C = Kapazität in Farad<br />
= Pi (rund 3,14)
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62<br />
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1.3 Andreas R. 26.02.13 QR-Code und Downloadlink ergänzt<br />
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