Cv = 0553F Icv = 1,74A IA=2,45A UL=980V UA=9,5kV P=1,8kW n

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MINISTERIUM FÜR KULTUS, JUGEND UND SPORT BADEN-WÜRTTEMBERG
Hauptprüfung 2005/2006
1.5.1
Berufliches Gymnasium (TG)
Technik (Elektrotechnik)
Teil 2 (Pflichtbereich)
Aufgabe 3 (3 Seiten)
Punkte
Elektronisches Mini-Roulette-Spiel
Die vorliegende Schaltung simuliert ein vereinfachtes
Roulette-Spiel. Die kreisförmig angeordneten LEDs L2
L0 bis L11 (Abbildung 1) werden bei Spielbeginn
(= Tastendruck) zunächst in rascher zeitlicher Folge
einzeln nacheinander angesteuert, was dem Spieler den L3
Eindruck einer schnell umlaufenden Kugel vermittelt.
Nach dem Loslassen des Tasters Ta nimmt die
L4
„Umlaufgeschwindigkeit“ kontinuierlich ab, bis die „Kugel
schließlich liegen bleibt“, d. h. bis nur noch eine LED
leuchtet.
L0
L1
L11
L10
L9
L8
L5
L6
L7
Abbildung 1
Das Blockschaltbild der Schaltung zeigt Abbildung 2.
Durch Betätigen des Tasters Ta wird der Taktgenerator mit einer Taktfrequenz von 120 Hz
gestartet. Die Ausgänge des Dekoders werden nacheinander High. Die Schaltverstärker
schalten nacheinander jeweils eine LED.
Ta
Taktgenerator
0 bis 120 Hz
Zähler
0...11DEZ
C
A (20) Dekoder Q0
Q1
.
1
.
B (2 )
2
C (2 )
D (23)
Schaltverstärker
.
.
.
.
.
.
Q10
Q11
L0
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
L11
Abbildung 2
1
Synchroner Zähler
Der Zähler mit den Ausgangssignalen A, B, C, D ist als Synchronzähler mit der Zählfolge
0, 1, 2, ... 10, 11, 0 ... zu entwerfen. Zur Verfügung stehen D-Flipflops oder JK-Flipflops.
1.1
Erklären Sie kurz, warum die gegebene Zählfolge für die Funktion der Schaltung
geeignet ist. Begründen Sie, dass noch weitere geeignete Zählfolgen existieren.
2
1.2
Ergänzen Sie die Funktionstabelle des Synchronzählers auf dem Arbeitsblatt.
3
1.3
Ermitteln Sie möglichst einfache Schaltfunktionen für die Vorbereitungseingänge der
Flipflops mit Hilfe der KV-Diagramme auf dem Arbeitsblatt.
1.4
Skizzieren Sie die Schaltung des Synchronzählers.
2
4,5
2
Dekoder
Aus den Ausgangssignalen A, B, C und D des Zählers erzeugt der Dekoder die
Ansteuersignale Q0 bis Q11 für die Schaltverstärker der Leuchtdioden L0 bis L11. Beim
Zählerzustand 0dez (0000) soll Q0 = 1 sein, beim Zählerzustand 1dez (0001) soll Q1 = 1 sein
usw. Beim Zählerzustand 11dez schließlich ist Q11 = 1.
2.1 Stellen Sie die Funktionstabelle des Dekoders auf.
2.2
Ermitteln Sie für den Ausgang Q11 eine möglichst einfache Schaltfunktion.
2.3
Skizzieren Sie die Schaltung für den Ausgang Q11 unter ausschließlicher Verwendung
von NAND- Elementen mit 2 Eingängen.
-1-
3
1,5
1
1.5.1
Punkte
3
RC
Schaltverstärker
+ 10 V
Abbildung 3 zeigt die Schaltverstärkerschaltung für die Ausgänge Q0 bis Q2,
die Ausgänge Q3 bis Q11 sind
entsprechend geschaltet.
Q0
Q1
Dekoder
Daten:
UF = 1,65 V
IF = 20 mA
Transistoren:
B = 120
UCErest = 0,1 V
UBE = 0,7 V
Dekoderausgang: UQHigh = 3,6 V
L1
RB1
LED:
.
.
.
.
.
.
.
.
L2
RB2
L3
RB3
Q10
Q11
UQ
0V
Abbildung 3
3.1
Begründen Sie, warum man in der Schaltung mit nur einem gemeinsamen
Kollektorwiderstand RC auskommt.
1
3.2
Berechnen Sie die Werte des gemeinsamen Kollektorwiderstandes RC und der
Basisvorwiderstände RB, wenn der Übersteuerungsfaktor der Transistoren ü = 2
betragen soll.
4
3.3
Durch einen Fehler liefern alle Ausgänge Q0 bis Q11 gleichzeitig High-Signal.
Welche Auswirkungen hat dieser Fehler auf die Transistoren und die Leuchtdioden?
2
4
Taktgenerator mit veränderlicher Taktfrequenz
+10 V
R1
100 Ω
f
in Hz
Taktgenerator
120
Ta
E
C
4,7 µF
R2
UE
680 kΩ
0V
0
Abbildung 4
10 UE in V
Abbildung 5
Der Taktgenerator ist ein spannungsgesteuerter Rechteckgenerator. (Abbildung 4).
Die Taktfrequenz hängt linear von der Spannung UE am Eingang E ab (Abbildung 5).
Der Kondensator ist zunächst ungeladen.
4.1 Erklären Sie, warum sich bei gedrücktem Taster Ta die Taktfrequenz 120Hz einstellt.
4.2
4.3
2
Der Taster Ta wird nach einigen Sekunden losgelassen. Erläutern Sie, warum die
Frequenz des Generators kleiner wird.
2
Skizzieren Sie den zeitlichen Verlauf der Spannung UE .
Welche Auswirkung hat eine Verkleinerung der Kapazität?
2
30
-2-
Schulnummer
Schülernummer
Zu- und Vorname:
1.5.1
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Schulnummer
Schülernummer
1.5.1
Arbeitsblatt
Teil 2
Aufgabe 3
(Pflichtbereich)
Punkte
Zu 1. Synchronzähler:
1.2 Funktionstabelle
D C B A D C B A
1.3 KV-Diagramme und Funktionsgleichungen
-3-
1.5.1
Punkte
Zahlenspiel
Die unten angegebene Schaltung soll folgende(n) Funktionen (Ablauf) erfüllen:
Der Zähler läuft ununterbrochen.
Schritt 1: Æ Q0…Q2 werden in SPA gespeichert (Zählerstand 1).
Schritt 2: Æ Q0…Q2 werden in SPB gespeichert (Zählerstand 2). Wenn beide Zahlen gleich
sind, wechselt eine Anzeige von rot auf grün.
Schritt 3: Æ SPA und SPB werden gelöscht.
-
ein Schritt =ˆ 1x Taster-Betätigung
Schritt 4 =ˆ Schritt 1 (Wiederholung / Neustart)
der Takt startet automatisch
die Speicherausgänge Qn sind nach dem Einschalten Null (Startwert =ˆ 0) - die grüne
Lampe leuchtet
1. Zähler 3 - 4 - 1...
Ein Synchronzähler erzeugt die Zahlenfolge 3-4-1-6-5-2-3… im BCD-Code und wird mit hoher
Frequenz angesteuert, damit durch die Tasterbetätigungen quasi zufällige Treffer entstehen.
1.1 Wie viele Speicherelemente (Flipflops) sind mindestens notwendig, um die 6 unterschiedlichen Zustände zu kodieren? Geben Sie eine Begründung an!
1
1.2 Zeichnen Sie das Zustandsdiagramm des Zählers mit Angabe der Ausgangsgrößen.
3
1.3 Ermitteln Sie die minimierten Gleichungen für die Vorbereitungseingänge der Flipflops.
5
1.4 Zeichnen Sie die Schaltung und überprüfen Sie, welcher Folgezustand entsteht, wenn
durch irgendeine Ursache der Zähler den Wert 7 annimmt.
5
-1-
1.5.1
Punkte
2. Zahlenspeicherung
Zwei 3-Bit-Speicher (SPA und SPB) werden so
angesteuert, dass sie nacheinander zwei Zahlen
des Synchronzählers speichern.
Ein synchron getaktetes Schaltwerk (Steuerung)
stellt die Steuersignale S0, S1und S2 so zur Verfügung, dass die Schritte 1 bis 3 erfüllt werden.
R
1
0
0
CS
x
0
1
Funktion
löschen
keine Änderung
speichern
Funktion der Steuerleitungen für die
Speicher SPA und SPB
2.1 Zeichnen Sie die Impulsfolge (Impulsdiagramm) für die Signale S0, S1 und S2 in Abhängigkeit von den Tasterbetätigungen (TB).
2
2.2 Entwickeln Sie eine Steuerschaltung. (Ein funktionsfähiger Schaltplan ist ausreichend).
5
3. Zahlenanzeige
a
Die Speicherinhalte sollen mit Hilfe des Codewandlers an
einer 7-Segmentanzeige als Ziffern dargestellt werden.
f
g
b
Q0A
3.1
3.2
Ermitteln Sie die minimierte Schaltfunktion für den
Leuchtbalken d.
e
Q1A
d
c
3
Q2A
Zeichnen Sie die Schaltung.
2
4. Komparator für zwei 3-Bit-Zahlen
Die beiden Zahlen werden verglichen. Es
stehen 1-Bit-Komparatoren zur Verfügung.
A
B
A<B
A=B
A>B
A
0
0
1
1
X
Y
Z
X
0
1
0
0
Y
1
0
0
1
Z
0
0
1
0
Funktionstabelle eines
1-Bit-Komparators
Im vorliegenden Fall ist es „nur“ wichtig,
Gleichheit – oder Ungleichheit zweier 3-BitZahlen festzustellen.
4.1
B
0
1
0
1
Zeichnen Sie eine Schaltung, die sich aus 1-Bit-Komparatoren (s. oben stehendes Schaltzeichen) und weiteren Grundbausteinen (AND; NOR; NOT…) zusammensetzt und bei
Zahlengleichheit eine grüne – ansonsten eine rote Signallampe ansteuert.
4
30
-2-
1.5.1
Teil 3 (Wahlbereich)
Aufgabe 6 (1 Seite)
Punkte
1.
Filter A
I1
U
1.1
U
L
IC
1
C
1
Daten
U1 = 10 V
fres= 100 kHz
L = 1,592 mH
R2 = 1 kΩ
I2
L
U
R
2
2
1
Zeichnen Sie für die Reihenschaltung aus L und R2 das Zeigerdiagramm
2
der Widerstände. Welcher Phasenwinkel ϕ=∡(R2,ZLR2) ergibt sich bei Resonanzfrequenz?
Maßstab: 1 cm ≙ 200Ω
1.2
Wandeln Sie diese Reihenschaltung in eine äquivalente Parallelschaltung bei fres um,
berechnen Sie XLp und R2p und zeichnen Sie die sich ergebende Gesamtschaltung.
2
1.3
Ermitteln Sie XC1, C1 und Z des Parallelschwingkreises bei fres=100 kHz.
3
1.4
Welches Spannungsverhältnis U2/U1 ergibt sich bei der oben abgebildeten Schaltung?
2
1.5
Der Widerstand R2 wird kurzgeschlossen.
Welche Resonanzfrequenz ergibt sich jetzt (Annahme: C1 = 796 pF)?
2
2.
Filter B
U
I1
L
IC 1
C
U
L
1
1
Daten
U2 = 10 V
fres = 100 kHz
C2 = 1,59 nF
R2 = 1 kΩ
I2
IL
IC 2
C
2
U
2
R
2
2.1
Berechnen Sie die Ströme I2, IC2 und IL
1,5
2.2
Zeichnen Sie das Zeigerdiagramm mit U2, I2, IC2, IL
2,5
und bestimmen Sie den Phasenwinkel ϕ =∡( IL, U2).
Maßstab: 1 cm ≙ 1 V, 1 cm ≙ 2 mA
2.3
Ermitteln Sie die Spannung UL für den Fall, dass U1 U2 um 90° vorauseilt.
Erweitern Sie dazu ihr Zeigerdiagramm aus 2.2.
4
2.4
Bestimmen Sie für diesen Fall XL und L
2
2.5
Berechnen Sie Ic1 (C1=C2).
Ergänzen Sie das Zeigerdiagramm von Aufgabe 2.3 mit diesem Stromzeiger.
2
3
Maßstab: 1 cm ≙ 2 mA
2.6
Welche Phasenlage hat der Strom I1 im Vergleich zu IC2 und U1?
2
2.7
Berechnen Sie den Gesamtwiderstand der Schaltung und vergleichen
Sie diesen mit dem Widerstand R2.
2
30
Abi 2006/2007
Elektrotechnik
Pflicht
3.1
Aufgabe 3 (1 Seite)
Punkte
Filterschaltungen
Ein RC-Tiefpass mit R = 1 k hat die Grenzfrequenz 1590 Hz. Der Effektivwert der
sinusförmigen Eingangsspannung beträgt 5,0 V.
3.1.1
Skizzieren Sie die Schaltung und zeichnen Sie die Spannungspfeile der
Eingangsspannung Ue und der Ausgangsspannung Ua ein. Berechnen Sie den
Spitzenwert ûe und die Kapazität C.
3
3.1.2
Am Ausgang der Tiefpass-Schaltung wird parallel zum Kondensator ein
Lastwiderstand Ra = 1 kΩ angeschlossen.
Bestimmen Sie die Spannung Ua bei der Frequenz f = 0 Hz und die Spannung Ua
bei der Frequenz f = 3,2 kHz.
6
3.1.3
Am Ausgang der Tiefpass-Schaltung aus 3.1.1 wird parallel zum Kondensator eine
Spule angeschlossen.
Skizzieren Sie für den Fall XL < XC ein nicht maßstäbliches Zeigerdiagramm aller
Spannungen und Ströme.
Welches Verhalten zeigt die Schaltung bei XL = XC?
4
3.2
Kompensation
An den Anschlüssen eines
Elektro-motors wurden die
zeitlichen Verläufe der Spannung
und des Stromes entsprechend
dem Diagramm ermittelt:
3
3.2.1
Berechnen Sie die Schein-, Wirkund Blindleistung des Motors und
die abgegebene mechanische
Leistung bei einem Wirkungsgrad
η = 0,82.
3.2.2
Zeichnen Sie das Reihenersatzschaltbild des Motors und berechnen Sie die
zugehörigen Widerstände R und XL.
3
3.2.3
Um den Leistungsfaktor auf cos φ2 = 0,95 zu verbessern, wird dem Motor ein
Kondensator parallel geschaltet. (Annahme: R = 55 Ω, XL = 40 Ω)
Bestimmen den Gesamtstrom I’ und die erforderliche Kapazität C des
Kondensators.
6
3.3
Verbraucher am Drehstromnetz
Versorgungsnetz:
400V / 230V / 50Hz,
3.3.1
Bestimmen Sie die Gesamtleistung
der nebenstehenden
Drehstromschaltung.
3.3.2
Wie ändert sich die Gesamtleistung,
wenn bei x in der Zuleitung L1 eine
Unterbrechung auftritt?
(Begründung oder Rechnung)
L1
L2
L3
R = 100Ω
X
2
R
U12
3
R
R
U23
U31
30
Abi 2006/2007
Elektrotechnik
Pflicht
Aufgabe 4 (1 Seite)
Leuchtstofflampe
Gegeben ist die nebenstehend abgebildete
Leuchtstofflampenschaltung. Sie besteht aus
einer unbekannten, realen Spule (Vorschaltgerät VG) und der Lampe, die im Nennbetrieb
als reiner Wirkwiderstand aufzufassen ist.
4.1
Punkte
Vorschaltgerät
Vorschaltgerät (VG)
Wenn man nur das Vorschaltgerät an einer Gleichspannung von U_ = 12 V betreibt,
fließt ein Strom von I_ = 133 mA.
4.1.1 Berechnen Sie Rsp.
4.2
3
Gegebene Schaltung im Nennbetrieb
Im Nennbetrieb (U~ = 230 V / 50 Hz ) kann die Leuchtstofflampe als ohmscher
Verbraucher mit RLa = 160 Ω betrachtet werden. An der Nennspannung ergibt sich
ein Strom von I~ = 518 mA. Das Kraftwerk schreibt einen cosϕ
ϕ > 0,9 vor.
4.2.1 Berechnen Sie die Wirkleistung PLa und bei RSp=90Ω die Induktivität LSp des VG.
5
4.2.2 Zeichnen Sie ein Zeigerdiagramm der Spannungen ULSp , URSp , URLa , U~
und des Stroms I~.
Maßstab: 1 cm ≙ 20 V; 1 cm ≙ 50 mA.
5
4.2.3 Verdeutlichen Sie, warum die Lampe nach der Vorschrift des Kraftwerks in der
Schaltung so nicht betrieben werden darf.
2
4.3
Parallelkompensation
Um den Betrieb der Lampe zu ermöglichen, wird ein Kondensator
mit der Kapazität C = 4,7 µF parallel zur abgebildeten Schaltung geschaltet.
4.3.1 Begründen Sie, wie dadurch die Leistung PLa der Lampe beeinflusst wird.
3
4.3.2 Ermitteln Sie die sich neu einstellende Gesamtstromstärke I' und den neuen
Phasenwinkel ϕ' und beurteilen Sie, ob die Lampe nun betrieben werden darf.
7
4.4
Betrieb mehrerer Lampen an Drehstrom
Mehrere dieser kompensierten Lampen sollen nun im Drehstromnetz 400/230V
betrieben werden, wobei der Strom IN im Neutralleiter möglichst klein bleiben soll.
4.4.1 Skizzieren Sie unter dieser Bedingung eine Schaltung für 4 Lampen.
Stellen Sie die jeweilige Lampenschaltung vereinfacht als Z dar.
2
4.4.2 Ermitteln Sie mit Hilfe des Zeigerdiagramms für diesen Fall die
Stromstärke IN im Neutralleiter.
2
4.4.3 Beschreiben Sie allgemein für n gleichartige Verbraucher die Abhängigkeit
von INmin vom Strom des einzelnen Verbrauchers.
1
30
Abi 2006 / 2007
Elektrotechnik
Wahl
Punkte
Drehzahlsteuerung eines Elektromotors
Mit der vorliegenden Schaltung soll die Einstellung der Drehzahl eines Gleichstrommotors realisiert werden.
Die unterschiedlichen Drehzahlen werden dadurch möglich, dass das Signal M unterschiedliche
Impulslängen ti aufweist, während die Periodendauer T konstant bleibt.
Die Taster C und R
sind entprellt.
HIGH
C
CTRDIV6
CLK
R
dn
up
0
A0
Zähler 1
R = 1 =ˆ geschlossen
R = 0 =ˆ offen
Mux
1 aus 6
G
A1
R
C
0
5
2
A2
Verstärker
M
→ Rückwärts
→ Clock
M wird für den Motor
verstärkt.
0...4 (zyklisch)
CTRDIV5
G
CLK
Kodierer
Q0
Q1
Zähler 2
Q2
M
M0
M1
M2
M3
M4
M5
Je größer das Tastverhältnis ti /T ist,
desto schneller dreht
sich der Motor.
Beschreibung der Schaltung
Die Ausgangskombinationen Q2, Q1, Q0 am Zähler 2 werden vom Kodierer in Signale M5... M0
mit unterschiedlichem Tastverhältnis ti /T umgewandelt.
M0
Signal
ti /T
M5
1
M4
4/5
M3
3/5
M2
2/5
M1
1/5
M0
0
Bei M5 liegt am Motor Dauer-Gleichspannung an, bei M0 ist der Motor
abgeschaltet.
M1
M2
M3
M4
M5
Der Multiplexer schaltet jeweils eines dieser Signale zum Ausgang M
durch. Von dort wird es verstärkt zum Motor geschaltet. Die Auswahl des
Motorsignals erfolgt über die Adresseingänge des Multiplexers. Die Adresskombinationen werden vom Zähler 1 erzeugt, indem man den Taster
C betätigt.
T
ti
z.B. M1
T
-1-
Abi 2006 / 2007
Wahl
Elektrotechnik
Punkte
Aufgaben
6.1
Kodierer
Q0
6.1.1
M0
M1
M2
M3
M4
M5
Kodierer
Q1
Stellen Sie die Wahrheitstabelle des Kodierers auf.
Q2
3
6.1.2 Ermitteln Sie alle Schaltfunktionen Mi = f(Q2,Q1,Q0) des Kodierers
6.2
4
Multiplexer
Geben Sie die Schaltfunktion M = f(Mi,A2,A1,A0) an
oder
zeichnen Sie die Schaltung des MUX mit Hilfe von Grundelementen (AND / OR / NOT).
6.3
Zähler 1
3
HIGH
C
Bei offenem Schalter R zählt der Zähler 1 die
Impulse am CLK-Eingang hoch, bis er den
Zustand mit der höchsten Drehzahl erreicht.
Weitere Impulse in Vorwärtsrichtung ändern
seinen Zustand nicht mehr.
R = 1 =ˆ geschlossen (rückwärts)
R = 0 =ˆ offen
CTRDIV6
CLK
R
dn
up
A0
Zähler 1
A1
A2
Bei geschlossenem Schalter R zählt er rückwärts bis der Motor stehen bleibt. Diesen Zustand kann er nur in Vorwärtsrichtung wieder verlassen.
6.3.1 Zeichnen Sie das Zustandsdiagramm des Zählers 1
2
6.3.2 Entscheiden Sie sich für geeignete FlipFlops und erstellen Sie eine Tabelle aus der die
Gleichungen für die Vorbereitungseingänge dieser Speicher abgeleitet werden können.
6
6.3.3 Geben Sie für den Speicher mit dem Ausgang A0 die minimierte(n) Gleichung(en) des
Vorbereitungseingangs (der Vorbereitungseingänge) an und zeichnen Sie die entsprechende Schaltung.
2
-2-
Abi 2006 / 2007
Elektrotechnik
Wahl
Punkte
6.4
Zähler 2
Für den Zähler 2, der im Normalfall zyklisch von 0 ... 4 zählt, wird nachstehende Schaltung vorgeschlagen.
6.4.1 Ermitteln Sie die Folgeszustände, wenn
der Zähler 2 durch Störungen in einen
der folgenden (nicht vorgesehenen)
Zustände gelangt.
Q2 Q1 Q0
D0
&
Q0
1D
C1
D1
=1
ZX
ZY
ZZ
101
110
111
3
Q1
1D
Anleitung:
C1
D2
&
Ermitteln Sie die Schaltfunktionen der
Vorbereitungssignale und setzen Sie
diese Zustände ein.
Q2
1D
G
C1
6.5
6.4.2 Zeichnen Sie das vollständige Zustandsdiagramm (auch ZX, ZY und ZZ)
mit allen Übergängen
2
Verstärker
Für den Verstärker wird die dargestellte Schaltung vorgeschlagen.
Eingangssignal:
+24V
M
UMLOW
UMHIGH
= 0V ... 1V
= 4V ... 5V
24V/6W
Transistor:
RB
UM
UBE
= 0,7V
UCEsat = 0V
B
= 200...250
1k Ω
6.5.1
Warum ist es sinnvoll eine Diode vorzusehen?
1
6.5.2
Untersuchen Sie, ob der angegebene Wert von RB korrekt ist, wenn der Verstärker mit
mindestens 3-facher Übersteuerung betrieben werden soll?
4
30
-3-
1.5.1
3
Punkte
Lauflichtpfeil
Schaltung
Start
S
Stop
R
Q
G
EN
Takt
Anzeige
Synchrone
FlipflopSchaltung
(Schaltwerk)
C
C
Treiber
(Transistorschalter)
C’
B
B’
A
A’
Darstellung des
Lauflichtpfeils
LED dunkel
LED leuchtet
alle dunkel
•
•
•
•
•
A=1
B=1
C=1
Die Schaltung zeigt die Fahrtrichtung in einem Aufzug mit einem Lauflichtpfeil an.
Zu Beginn steht der Aufzug, das SR-Flipflop ist rückgesetzt, das Signal EN
(Enable = Freigabe) ist logisch 0 und alle LEDs der Anzeige sind dunkel.
Setzt sich der Fahrstuhl in Bewegung, so ist das SR-Flipflop gesetzt, EN ist logisch 1,
die Anzeige zeigt einen nach oben wandernden Pfeil. Die dargestellten Abbildungen
werden dann mehrere Male periodisch von links nach rechts durchlaufen.
Sobald der Aufzug sein Ziel erreicht hat, wird das SR-Flipflop zurückgesetzt und EN
wird wieder logisch 0. Wenn gerade A=1 oder B=1 oder C=1 ist, läuft der Pfeil weiter, bis
wieder alle LEDs dunkel sind. Anschließend bleiben die LEDs dunkel, solange EN=0 ist.
Je 3 LEDs sind durch Leitungen fest verbunden und leuchten daher immer gleichzeitig.
3.1
SR-Flipflop
3.2
Zustandsdiagramm
2,5
E1
Q
Untersuchen Sie durch Angabe der Funktionstabelle,
≥1
E2
ob die rechtsstehende Schaltung als SR-Flipflop
&
verwendet werden kann.
Begründen Sie, welcher Eingang der Setz-Eingang ist!
Beschriften Sie die Zeilen Ihrer Funktionstabelle mit „Setzen“, „Rücksetzen“ und
„Speichern“.
Skizzieren Sie das Zustandsdiagramm der synchronen Flipflopschaltung.
Geben Sie die Zustandscodierungen an.
3.3
2
Zeitablaufdiagramm (Impulsdiagramm) - Arbeitsblatt Ergänzen Sie das Zeit-Ablaufdiagramm der Signale Takt, EN, A, B, C mit den
folgenden Bedingungen:
•
•
Zu Beginn sind alle LEDs dunkel und das Signal EN ist für 2 Takte logisch 0.
Dann wird EN für 4 Takte logisch 1, anschließend ist EN 4 Takte lang logisch 0.
-1-
3
1.5.1
3.4
Entwurf der synchronen Flipflop-Schaltung
3.4.1 Geben Sie die Zustandsfolgetabelle (Funktionstabelle)
der synchronen Flipflop-Schaltung in der
nebenstehenden Form an.
EN C B A C B A
6
3.4.2 Erklären Sie, warum in der Funktionstabelle Zeilen mit „Don’t-Care“ auftreten.
1,5
3.4.3 Geben Sie die minimierten Funktionsgleichungen der FF-Vorbereitungseingänge an.
(Flipflop-Art beliebig)
4,5
3.4.4 Zeichnen Sie die synchrone Flipflop-Schaltung.
1,5
3.5
Zähler
Alternative Schaltung mit Zähler und Codierer
EN
Die synchrone Flipflopschaltung soll alternativ aus einem
Zähler und einem Codierer (Codeumsetzer) aufgebaut
werden.
C
Codierer
C
n
B
A
3.5.1 Begründen Sie, wieviele Flipflops notwendig sind!
1
3.5.2 Geben Sie aufeinander abgestimmte Funktionstabellen des Zählers und Codierers an!
Hinweis: Berücksichtigen Sie den EN-Eingang.
3
3.6
Transistorschalter
UBatt= 5V
UBatt= 5V
Daten einer LED:
ULED = 1,8 V
A
ILED = 20 mA
IB
B
RC
RB
IB
RB
RC
3.6.1 Begründen Sie, welche der beiden Transitorschaltungen als Treiber verwendet werden
muß.
1,5
3.6.2 Erklären Sie die Aufgabe des Kollektorwiderstandes.
1,5
3.6.3 Wie groß muß der Stromverstärkungsfaktor B des Transistors mindestens sein, wenn
• die Digitalschaltung einen maximalen Basistrom von IBmax = 0,2 mA liefern kann und
• der Übersteuerungsfaktor mindestens 2 betragen soll?
2
30
-2-
Schulnummer Schülernummer
Zu- und Vorname:
1.5.1 Arbeitsblatt
Teil2 (Pflichtbereich) Aufgabe 3
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Schulnummer Schülernummer
1.5.1 Arbeitsblatt
Teil 2
Aufgabe 3
(Pflichtbereich)
3 Seiten
Punkte
Aufgabe
3.3
3.3;
3
Zeitablaufdiagramm
Takt
EN
C
B
A
-3-
1.5.1
Punkte
4. Säulenanzeige (Technologieschema / Blockschaltbild)
SW
CTRDIV8
UD
Takt
SN1
Anzeige
LED 7
LED 6
Q0
Q1
Q2
2Hz
LED 0
Umkehrschaltung
Ein Taktgenerator steuert einen Zähler (Schaltwerk =ˆ SW), der im Dualcode je nach
Ansteuerung vorwärts (UD=1) oder rückwärts (UD=0) zählt.
Das Schaltnetz 1 (SN1) wird durch Q2 Q1 Q0
nebenstehende Funktionstabelle
0
0
0
beschrieben.
0
0
1
0
1
0
Die Umkehrschaltung sorgt dafür,
0
1
1
dass, das Schaltwerk (SW)
1
0
0
zyklisch alle Zustände
1
0
1
(000 … 111 … 000 …) in beide
1
1
0
„Richtungen“ durchläuft.
1
1
1
4.1
L0 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7
1
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
0
1
1
1
0
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
1
1
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
Frequenzteiler
Der Takt (2Hz) soll mit Hilfe eines Frequenzteilers aus einem vorhandenen Systemtakt
gewonnen werden.
4.1.1 Beschreiben Sie stichwortartig den Unterschied zwischen einem Frequenzteiler und
einem Zähler.
2
4.1.2
Eine Teilung von 20:1 soll erreicht werden! Wie viele Speicher (FFs) sind mindestens
erforderlich? Begründen Sie Ihre Angabe und skizzieren Sie anhand eines
Blockschaltbildes einen Lösungsvorschlag für den Frequenzteiler
3
4.2
Synchronzähler (SW)
4.2.1 Zeichnen Sie ein Zustandsdiagramm, welches das o.a. Schaltwerk (SW) beschreibt.
3
4.2.2 Erstellen Sie die Zustandsfolgetabelle (Funktionstabelle) für den geforderten
Sychronzähler.
4
4.2.3 Ermitteln Sie die minimierten Gleichungen für die Vorbereitungseingänge der von Ihnen
verwendeten Speicher (FFs).
-1-
4
1.5.1
Punkte
4.3
Umkehrschaltung
4.3.1 Handelt es sich bei dieser Schaltung um ein Schaltwerk (Speicherverhalten) oder um
ein Schaltnetz (Schaltung ohne Speicherelemente)? Begründen Sie Ihre Antwort!
2
4.3.2 Beschreiben und skizzieren Sie einen konkreten Schaltungsvorschlag.
2
4.4
Alternativer Lösungsansatz
4.4.1 Zeichnen Sie das Impulsdiagramm der folgenden Schaltung (im Bereich von 5 Takten).
Beim Start sind alle Flipflopausgänge auf null (t=0 Q0=Q1=Q2=Q3=0).
3
+ 5V
D
Q
CLK
Q0
D
Q
Q1
CLK
D
CLK
Q
Q2
D
Q
Q3
CLK
Takt
2Hz
4.4.2 Wie kann man auf der Grundlage eines universellen Schieberegisters die o.a. Säulendarstellung realisieren? Zeichnen Sie ein Blockschaltbild Ihres Lösungsvorschlags und
beschreiben Sie stichwortartig die erforderlichen Änderungen.
4.5
5
LED - Arbeitspunkt
Wenn der Strom maximal 15mA beträgt, können die Leuchtdioden direkt (ohne
Verstärker) angeschlossen werden.
U
Für die LED’s gilt die abgebildete Kennlinie.
Die Spannung an den Ausgängen der Schaltung beträgt 4,5V.
4.5.1 Berechnen Sie den notwendigen Vorwiderstand.
2
-
ULED
-2-
30
1.5.1
Punkte
6. Motoren am Drehstromnetz
Am 400V/230V/50Hz Drehstromnetz sollen verschiedene Lastfälle
untersucht werden. Als Verbraucher sind ein Einphasen-Wechselstrommotor M1 und ein Drehstrommotor M2 mit symmetrischen
Wicklungen vorgesehen. Der Motor M1 und die Stränge des Motors M2 können als RL-Reihenschaltungen betrachtet werden.
IL1
L1
L2
L3
N
IM1
UL1N
ISTR1
M1
M2
Motor M1:
P1,zu = 1,1 kW
η1 = 95%
cos φ1 = 0,82
Motor M2:
für Stern- und Dreieckschaltung gilt:
η2 = 90%
cos φ2 = 0,65
für Sternschaltung gilt:
P2,ab ges = 3,5 kW
6.1
Motor M1
6.1.1
Berechnen Sie die Scheinleistung S1, den Strom IM1 und die an der Welle
zur Verfügung stehende Leistung P1,ab
6.1.2 Berechnen Sie den Wirkwiderstand R1 und die Induktivität L1 des Motors M1.
6.2
2
3
Motor M2
6.2.1 Warum muss bei Motor M2 der N-Leiter nicht angeschlossen werden? Begründung!
2
6.2.2 Berechnen Sie den Strangstrom ISTR1 und den Scheinwiderstand ZSTR eines
Strangs bei Betrieb in Sternschaltung.
4
6.3
Gesamtschaltung
Die Motoren M1 und M2 (Sternschaltung) sind gleichzeitig in Betrieb.
6.3.1
Zeichnen Sie ein Zeigerdiagramm ausschließlich mit der Spannung UL1N
und den Strömen IM1 und ISTR1. Ermitteln Sie den Außenleiterstrom IL1.
3
Beginnen Sie das Zeigerdiagramm mit dem Zeiger UL1N in waagrechter Lage in 5 cm
Entfernung vom linken Blattrand.
(Hinweis: IM1 = 5,83 A; ISTR1 = 8,7 A)
Maßstab: 1 cm ≙ 50 V ; 1 cm ≙ 1 A
6.3.2 Ermitteln Sie den Phasenwinkel φL1 = ∡ (UL1N, IL1).
6.4
1
Drehstrommotor M2 in Dreieckschaltung
6.4.1 Skizzieren Sie das Ersatzschaltbild des Motors M2 am Drehstromnetz
in Dreieckschaltung.
2
6.4.2 Berechnen Sie den Strangstrom ISTR∆ und den Außenleiterstrom IL∆ bei Betrieb
des Drehstrommotors M2 in Dreieckschaltung.
2
1
1.5.1
Punkte
6.5
Kompensation des Motors M2
Der Motor M2 soll bei Betrieb in Dreieckschaltung vollständig kompensiert
werden (cos φK = 1). Dazu wird jedem
Strang ein Kompensationskondensator C parallel geschaltet. Die Kompensation soll an dem Motorstrang, der an der
Außenleiterspannung U12 liegt, untersucht werden.
Ig
ISTR∆
R2
L2
UR2
UL2
IC
C
U12
Es gelten folgende Strangwerte:
R2 = 17,2 Ω
L2 = 63,9 mH
6.5.1 Berechnen Sie die Spannungen UR2 und UL2.
6.5.2
Zeichnen Sie ein Zeigerdiagramm des Stromes ISTR∆ sowie der
Spannungen UR2, UL2 und U12.
2
2
(Maßstab: 1 cm ≙ 50 V ; 1 cm ≙ 1 A)
6.5.3 Ermitteln Sie die Ströme IC und Ig, indem Sie das Zeigerdiagramm aus 6.5.2
für vollständige Kompensation des Stranges von Motor M2 ergänzen.
3
6.5.4 Berechnen Sie die Kapazität C des Kompensationskondensators.
1
6.5.5 Für welche maximale Spitzenspannung muss der Kondensator C mindestens
ausgelegt sein?
1
6.5.6 Wie groß ist der Leistungsfaktor cos φ mit dem berechneten Kompensationskondensator, wenn der Motor M2 nicht in Dreieckschaltung, sondern in Sternschaltung betrieben wird? (Begründung!)
2
30
2
Abiturprüfung TG 08/09
3
Aufgabe 3
Seite 1 von 2
Punkte
Countdown-Timer für 1 Minute
Schaltungsbeschreibung:
Die Schaltung zeigt einen
Rückwärtszähler mit
folgender Zählweise:
59, 58, 57 ... 02, 01, 00
Nach Tastendruck auf
„Start“ zählt die Schaltung
im Sekundentakt rückwärts
bis zur 00 und bleibt dann
stehen.
G
50Hz
CTR DIV 10
Einerstelle
1Hz
H
„Start“
Q
1C EN1
0..9
SW
Q0e
Q1e
Q2e
Q3e
Logik1
SW = Schaltwerk
Funktion der Zähler:
Frequenzteiler
50 : 1
CTR DIV 6
7SEG
Zehnerstelle
1C Logik2
EN1
EN1 ist high: Zähler zählt
mit ansteigender Flanke
am 1C - Eingang rückwärts.
0..5
Q0z
Q1z
Q2z
7SEG
EN1 ist low: Zähler bleibt
stehen.
(EN = Enable = Zähler-Freigabe)
3.1
a
Codeumsetzer 0..5 / 7Seg
f
Entwerfen Sie die Funktionstabelle des Codeumsetzers 0..5 / 7Seg.
Beachten Sie, dass am Ausgang des Zählers CTR DIV 6 nur die
Dualzahlen 0 bis 5 vorkommen können.
3.2
e
g
d
b
dp
Logikschaltungen
Logik 1 liefert 1, wenn beide Zähler 0 sind.
Logik 2 liefert 1, wenn die Einerstelle 0 und der Ausgang
des Schaltwerks (SW) Q = 1 ist.
Geben Sie mögliche Funktionsgleichungen von Logik1 (L1 = ) und Logik2 (L2 = ) an.
3.3
3
c
2
Synchroner Rückwärts-Zähler 5 bis 0 (CTR DIV 6)
Der Zähler der Zehnerstelle soll rückwärts von 5 bis 0 zählen und dann wieder
bei 5 beginnen. Beachten Sie, dass der Zähler nur bei EN1 = 1 zählen darf !
(Hinweis: Überlegen Sie, welche Funktion der Zähler ausführen muss,
wenn EN1 = 0 ist und eine ansteigende Flanke an 1C – auftritt.)
3.3.1
Skizzieren Sie das Zustandsdiagramm der synchronen Zählschaltung.
Geben Sie die Zustandskodierungen an.
3.3.2
Entwerfen Sie die Zustandsfolgetabelle (Funktionstabelle) der synchronen
Zählschaltung aus D-FFs oder JK-FFs.
5
3.3.3
Geben Sie die vereinfachten Funktionsgleichungen der FF-Vorbereitungseingänge
an.
4
09-A3 Countdown-Timer.odt
3
3.4
Aufgabe 3
Seite 2 von 2
Schaltwerk SW
Es soll untersucht werden, ob ein SR-Flipflop mit der Funktionsgleichung
Q=S∨R∧Q als Schaltwerk SW verwendet werden kann.
3.4.1
3.4.2
3.4.3
3.5
Skizzieren Sie die Schaltung der Funktionsgleichung, aufgebaut aus
Grundelementen (Und, Oder, Nicht).
(Hinweis zur Skizze: Eingänge S und R links; Ausgang Q rechts.
Eingang S mit „Start“ und Eingang R mit „Logik 1“ verbinden).
1
Geben Sie die Funktionstabelle dieses Flipflops an.
Wie verhält sich das Flipflop, wenn beide Zähler Null sind und gleichzeitig der StartTaster gedrückt wird? Begründen Sie Ihre Aussage! (Hinweis: S=R=1 ist erlaubt.)
2,5
1
Wie lange muss man den Start-Taster drücken, damit der Rückwärtszähler
in jedem Fall gestartet wird? Begründen Sie Ihre Antwort!
Frequenzteiler
Aus einem 50Hz-Takt soll ein 1 Hz-Takt mit dem Impuls-Pausen-Verhältnis 1:1
(Impulsdauer ti = Pausendauer tp) gewonnen werden.
Dazu sind ein Frequenzteiler 25:1 und ein Frequenzteiler 2:1 hintereinander zu
schalten. Es stehen beliebige Flipflops mit Rücksetz-Eingang zur Verfügung.
3.5.1
Wie viele Flipflops sind insgesamt notwendig?
3.5.2
Skizzieren Sie die Schaltung.
3.6
1
3
Transistorschaltung mit Relais und LED
An den Ausgang Q des Schaltwerks SW wird
die nebenstehende Schaltung angeschlossen.
Das Relais R schaltet einen Verbraucher für
eine Minute ein.
Daten V1:
UF = 2V, IF = 2 mA
Daten V3:
B = 500, UCesat = 0,3V, UBE = 0,7V
ü=3, UQ = 3V
+12V
R
RV
V2
V1
RB
V3
100Ω
Verbraucher
UQ
Betrachten Sie das Relais R bei der Berechnung als ohmschen Widerstand von
R=100Ω.
V2 ist für die Berechnung ohne Bedeutung.
3.6.1
Berechnen Sie RV und RB
3.6.2
Warum werden Transistoren im Schalterbetrieb übersteuert?
3.6.3
Welche Aufgabe hat die Diode V2?
3
1
0,5
30
09-A3 Countdown-Timer.odt
Aufgabe 4
Seite 1 von 2
Punkte
4
Klanggenerator
Die Schaltung dient dazu, eine Tonfolge aus drei verschiedenen Frequenzen über Verstärker und Lautsprecher in fest eingestellter Folge hörbar zu machen. Mit Druck auf den
Taster Ta wird im Monoflop MF ein Impuls ti gestartet, der den Takt 1 für den Zähler
freigibt. Zähler und Umschaltlogik erzeugen fortlaufend verschiedene Steuersignale S0 und
S1, die an den Adresseingängen des Multiplexers MUX eine der drei Frequenzen f1, f2 oder
f3 auswählen und dem Lautsprecher zuführen. Die drei Tonfrequenzen werden von der
hohen Taktfrequenz des Taktgenerators Takt 2 durch den Frequenzteiler abgeleitet.
4.1
Monoflop
Der Zeitimpuls ti wird durch eine negative Flanke am Eingang „Trigger“ des Monoflops gestartet, wobei der Eingang E den Kondensator C zur Aufladung frei gibt. Die
Impulsdauer ti entspricht der Zeit, die der Kondensator braucht, um vom ungeladenen Zustand UC = 0 V auf 2/3 der Betriebsspannung UB aufgeladen zu werden.
4.1.1
Berechnen Sie die Impulsdauer ti.
4.1.2
Die Taste Ta wird betätigt und triggert das Monoflop. Der Ladevorgang des
Kondensators C über den Widerstand R1 beginnt. Solange das Monoflop nicht
getriggert ist, ist der Anschluss E auf 0 V. Skizzieren Sie den zeitlichen Verlauf der
Spannung UC in Abhängigkeit von der Zeit t für die Impulsdauer ti.
4.1.3
Erklären Sie die Funktion des Widerstandes R2.
09-A4 Klanggenerator.odt
4
2
2
4.2
4.2.1
4.3
Aufgabe 4
Seite 2 von 2
Umschaltlogik
Zeichnen Sie mit Hilfe von logischen Grundbausteinen und einem RS-Flipflop die
Umschaltlogik für die Umschaltung der Zählrichtung. Der Ausgang des Flipflops
dient als Richtungssignal D für den Zähler. Das Flipflop soll beim Zählerstand 0 (S1
= S0 = 0) gesetzt und beim Zählerstand 3 (S1 = S0 = 1) zurückgesetzt werden.
3
Synchronzähler
Der Zähler erzeugt die Steuersignale S1 und S0 gemäß dem folgendem Zustandsdiagramm.
Das Richtungssignal D gibt an, ob der Zähler vorwärts oder rückwärts zählt.
Zählrichtung vorwärts: up → D = 1 ; Zählrichtung rückwärts: dn → D = 0
4.3.1
Entwerfen Sie die Zustandsübergangstabelle des Synchronzählers mit den
Ausgangssignalen S1 und S0 aus D-FFs oder JK-FFs.
4.3.2
Ermitteln Sie die minimierten Funktionsgleichungen der Vorbereitungseingänge.
4.3.3
Zeichnen Sie die Schaltung des Synchronzählers.
4.4
2
3
2
Frequenzteilerlogik
Die drei Tonfrequenzen f1, f2 und f3 werden aus der höheren Frequenz fTakt2 = 2664 Hz
durch einen Frequenzteiler abgeleitet. Alle drei Tonfrequenzen entsprechen symmetrischen
Rechtecksignalen, dies bedeutet, Impulsdauer und Pausendauer sind jeweils gleich groß,
Tastgrad g = 0,5.
4.4.1
Ermitteln Sie mit Hilfe des Signal-Zeit-Diagrammes die Periodendauern Tf1, Tf2 und
Tf3 sowie die Tonfrequenzen f1, f2 und f3.
3
4.4.2
Berechnen Sie die Frequenz-Teilerverhältnisse fTakt2/f1, fTakt2/f1 und fTakt2/f1. Die Taktfrequenz fTakt2 ist jeweils ein ganzzahliges Vielfaches der Tonfrequenzen f1, f2 und f3.
1
4.4.3
Entwickeln und zeichnen Sie die Frequenzteiler für 666 Hz, 333 Hz, 444 Hz
5
4.5
Multiplexer
Nach dem Drücken der Taste Ta erzeugt der Zähler Steuersignale entsprechend dem
Zustandsdiagramm. Der Multiplexer soll vom Zähler gesteuert folgenden Klangablauf an
den Lautsprechen ausgeben: kein Ton (Startzustand) => f3 => f2 => f1 => f2 => f3 =>
kein Ton (Startzustand). Skizzieren Sie die Schaltung des Multiplexers.
09-A4 Klanggenerator.odt
3
30
Aufgabe 6
Seite 1 von 2
Punkte
6 Windkraftanlage
Ein Aussiedlerhof möchte seine Milchaufbereitungsanlage, bestehend aus Heizung (RH)
und Rührmotor (RM / LM), mit moderner erneuerbarer Energie betreiben.
Eine für den Betrieb ausreichende Windkraft steht auf einer ca. 200 m entfernten Anhöhe
zur Verfügung.
Vom Hof zum Windgenerator wird deshalb eine Leitung mit einem Widerstandswert von
RL = 3,0 Ω verwendet. Der Windgenerator liefert eine konstante Wechselspannung von
UGEff = 230V mit einer Frequenz von f = 50 Hz.
U RL
Heizung
Rührmotor
RL
G
1∼
UG
RM
UM
LM
U LM
UKL
RH
Leitung
Fall1
Fall2
Maßstab für zeichnerische Lösungen, außer Aufgabe 6.6:
1 cm ≙ 20V; 1 cm ≙ 0,5 A; 1cm ≙ 100 VA, W, var
6.1
Berechnen Sie den Scheitelwert ûGS der Generatorspannung.
6.2
Last-Fall 1: Nur die Heizung wird mit einem Strom von IH = 4 A betrieben.
6.2.1
Bestimmen Sie UKL der Heizung.
6.2.2
Bestimmen Sie den prozentualen Verlust pL, der von der erzeugten Leistung PG des
Generators in der Leitung verloren geht.
6.3
1
2
2,5
Last-Fall 2: Nur der Rührmotor für die Milchaufbereitung wird betrieben.
Der Rührmotor mit dem Leistungsfaktor cos φ1 = 0,8 nimmt an der
Anschlussspannung UKL = 218 V einen Strom von IM = 4 A auf.
UKL wird für den gesamten Aufgabenteil 6.3 als konstant betrachtet.
Der Leistungsfaktor des Rührmotors soll durch Parallelschaltung eines
Kondensators CP auf cos ϕ 2 = 0,95 verbessert werden.
6.3.1
Zeichnen Sie die Gesamtschaltung unter Berücksichtigung von RL..
6.3.2
Bestimmen Sie die Kapazität des Kondensators.
09-A6 Windkraftanalage.odt
0,5
5
Aufgabe 6
Seite 2 von 2
3
6.3.3
Bestimmen Sie RM und XLM des Rührmotors
6.3.4
Zeichnen Sie das Zeigerdiagramm der Gesamtschaltung (6.3.1) mit allen
Spannungen und Strömen.
7
Bestimmen Sie den sich ergebenden Gesamtstrom sowie ϕ 2 = ∢( UG, IG).
6.4
Rührmotoren am Drehstromnetz
Weil die Windkraftanlage nicht ausreicht, werden drei Rührmotoren Z1 bis Z3
(gleicher Motortyp wie bei Aufgabe 6.3, RM = 43,6 Ω, XL = 32,7 Ω), unabhängig von
der Windkraftanlage, unkompensiert, an das 400/230V Vierleiter-Drehstromnetz
nach der unten abgebildeten Schaltung angeschlossen.
L1
L2
L3
U1
I1
I2
I3
U2
U3
Z1
N
6.4.1
6.5
Z2
Z3
IN
Bestimmen Sie den Strom IN und die gesamte Wirkleistung Pges der 3 Motoren.
3
Aufgrund von Alterserscheinungen ändert sich der Wirkwiderstand des
Rührmotors Z3 auf RM3 = 100 Ω, XL3 bleibt unverändert.
6.5.1
Berechnen Sie cos ϕ3 (cos ϕ1 = cos ϕ2 = 0 ,8).
1
6.5.2
Erstellen Sie für die sich ergebenden Ströme ein maßstäbliches Zeigerdiagramm
und bestimmen Sie die neue Stromstärke IN im Neutralleiter.
5
Maßstab: 1 cm ≙ 1 A
30
09-A6 Windkraftanalage.odt
Aufgabe 3
Seite 1 von 2
Punkte
3
Motoren am Drehstromnetz
Am 400V/230V Drehstromnetz werden die beiden Motoren M1 und M2
betrieben.
IL1
L1
L2
L3
Der Motor M2 ist ein
symmetrisch aufgebauter
Drehstrommotor mit
folgenden Daten:
N
PSTR = 1,25 kW
ISTR = 7 A
IM1
ISTR
ISTR
ISTR
R1
R2
R2
R2
L1
L2
L2
L2
UM1
Motor M1
3.1
Motor M2
Wechselstrommotor M1
Die Werte für R1 und L1 werden mit Hilfe einer Gleichspannungsmessung und einer
Wechselspannungsmessung bestimmt.
Bei einer Gleichspannung von UM1 = 10 V wird der Strom IM1 = 333 mA gemessen. Bei einer Wechselspannung von UM1 = 230 V / 50 Hz fließt ein Strom von IM1 = 6,39 A.
3.1.1 Berechnen Sie die Werte für R1 und L1 des Motors M1.
3
3.1.2 Zeichnen Sie das Zeigerdiagramm der Spannungen UR1, UL1, UM1 sowie des Stromes IM1 für den Fall der Wechselspannungsmessung und ermitteln Sie die Phasenverschiebung φM1 = ∡ (UM1, IM1).
3
Maßstab: 1 cm ≙ 25 V ; 1 cm ≙ 1 A
3.2
Kompensation des Wechselstrommotors M1
Der Leistungsfaktor des Motors M1 soll durch Parallelschalten eines Kompensationskondensators CK von cos φM1 = 0,833 auf cos φK1 = 0,95 (induktiv) verbessert werden.
3.2.1 Zeichnen Sie das Zeigerdiagramm sämtlicher Leistungen (PM1, QL1, QCK, Svor, Snach)
des Wechselstrommotors M1 vor und nach der Kompensation.
Maßstab: 1 cm ≙ 200 W (var, VA)
3
3.2.2. Ermitteln Sie die kapazitive Blindleistung QCK und dimensionieren Sie die
erforderliche Kapazität CK des Kompensationskondensators.
3
3.3
Drehstrommotor M2
3.3.1 Ermitteln Sie die aus dem Netz entnommenen Leistungen SM2, PM2, QM2
sowie den Leistungsfaktor cos φM2.
4
3.3.2 Berechnen Sie die Werte für R2 und L2 eines Stranges.
3
10_A3_Motoren-Drehstromnetz.odt
Aufgabe 3
Seite 2 von 2
Punkte
3.4
Belastung am Außenleiter L1
Nun wird die Schaltung aus dem kompensierten Wechselstrommotor M1 und
dem Drehstrommotor M2 am Außenleiter L1 betrachtet.
IL1
L1
IM1
R1
UL1N
L1
ICK
CK
ISTR
R2
L2
N
Dabei gelten folgende Werte:
Widerstände der Schaltung:
R1 = 30 Ω, XL1 = 19,9 Ω, XCK = 129 Ω, R2 = 25,5 Ω, XL2 = 20,7 Ω
Ströme und Phasenverschiebungen φ = ∡ (UL1N, I):
IM1 = 6,39 A, φM1 = -33,6°, ICK = 1,78 A, φCK = +90°, ISTR = 7 A, φM2 = -39°
Ermitteln Sie den Außenleiterstrom IL1 und den Scheinwiderstand ZL1 für die Belastung am Außenleiter L1 sowie den Phasenwinkel φL1 = ∡ (UL1N, IL1).
7
Wenn Sie den Strom IL1 mit Hilfe eines Zeigerdiagramms ermitteln, verwenden
Sie folgenden Maßstab: 1 cm ≙ 25 V ; 1 cm ≙ 1 A
3.5
Gesamtschaltung
Ermitteln Sie den im Neutralleiter fließenden Strom IN der Gesamtschaltung.
4
Wenn Sie den Strom IN mit Hilfe eines Zeigerdiagramms ermitteln, verwenden
Sie folgenden Maßstab: 1 cm ≙ 40 V ; 1 cm ≙ 2 A
(Hinweis: IL1 = 12,4 A, φL1 = -30°)
30
10_A3_Motoren-Drehstromnetz.odt
4
Aufgabe 4
Seite 1 von 2
Punkte
Klangregler
Ein Verstärker enthält einen Klangregler für die hohen Töne mit folgender Schaltung:
R1 ist ein Potenziometer
(Widerstand mit verschiebbarer Mittenanzapfung)
R2
C1
C1 = C2
(Nähere Angaben sind für den
Aufgabenteil 4.1 nicht erforderlich)
R2 = R3 = 10 kΩ
oben
UE
R1
unten
Die Eingangsspannung UE beträgt für die gesamte
Aufgabe 10V.
Die Frequenz ist einstellbar.
4.1
Betrachtung von UA in Abhängigkeit von f
4.1.1
Stellung „Potenziometer oben“
C2
UA
R3
Die nebenstehende Schaltung entsteht bei
Potenziometerstellung „oben“.
C1
Ermitteln Sie, welche Ausgangsspannung UA sich
jeweils einstellt und begründen Sie Ihre Angaben:
UE
R1
R3
UA
4.1.1.1 bei sehr kleiner Frequenz
2
4.1.1.2 bei sehr großer Frequenz
4.1.2
2
C2
(R gegenüber XC vernachlässigbar)
Stellung „Potenziometer unten“
Die nebenstehende Schaltung entsteht bei
Potenziometerstellung „unten“.
C1
Ermitteln Sie, welche Ausgangsspannung UA sich jetzt
jeweils einstellt und begründen Sie Ihre Angaben:
UE
R1
R2
2
4.1.2.1 bei sehr kleiner Frequenz
(R gegenüber XC vernachlässigbar)
4.1.2.2 bei sehr großer Frequenz
4.1.3
C2
UA
Skizzieren Sie mit Ihren Ergebnissen aus 4.1.1 und 4.1.2
zwei Kurven in ein gemeinsames Diagramm das den Verlauf der
Ausgangsspannung UA bei den Schleiferstellungen „oben“ und „unten“ jeweils
in Abhängigkeit von der Frequenz aufzeigt. Kennzeichnen Sie die Kurven.
10_A4_Klangregler.odt
2
4
Aufgabe 4
Seite 2 von 2
Punkte
4.2
Berechnung der Ausgangsspannung UA bei f = 1,66 kHz; UE = 10 V
Die Bauteile haben für diesen Aufgabenteil folgende Werte:
C1 = C2 = 15 nF;
4.2.1
R1 = 100 kΩ; R2 = R3 = 10 kΩ;
Potenziometer in Stellung „oben“
4.2.1.1 Berechnen Sie die Ausgangsspannung UA der Schaltung
4.2.1.2 Zeichnen Sie ein maßstäbliches Zeigerdiagramm aller Spannungen und ermitteln
Sie die Phasenverschiebung φ=(UA,UE)
Geben Sie an, ob UA oder UE voreilt.
(Maßstab 1 cm ≙ 1V).
4.2.2
3
4
Potenziometer in Stellung „unten“
4.2.2.1 Bestimmen Sie die Ausgangsspannung UA der Schaltung
2
4.2.2.2 Zeichnen Sie ein maßstäbliches Zeigerdiagramm aller Spannungen und ermitteln
Sie die Phasenverschiebung φ=(UA,UE)
Geben Sie an, ob UA oder UE voreilt.
2
4.2.3
Potenziometer in Stellung „Mitte“
Das Potenziometer ist jetzt so eingestellt, dass sich der Schleifer exakt in der
Mitte befindet, d.h. der Widerstand oberhalb des Schleifers und der
Widerstand unterhalb des Schleifers haben beide einen Wert von je 50 kΩ.
4.2.3.1 Zeichnen Sie das Ersatzschaltbild der Schaltung.
Verwenden Sie dort anstatt des Potenziometers zwei 50 kΩ- Widerstände.
1
4.2.3.2 Weisen Sie nach, dass UA =½UE beträgt.
2
4.2.3.3 Zeichnen Sie ein maßstäbliches Zeigerdiagramm aller Spannungen
3
4.2.3.4 Bewerten Sie folgende Aussage:
bei der Potenziometer-Stellung „Mitte“ stellt sich bei allen Frequenzen die
1
Spannung UA =1/2 UE ein.
30
10_A4_Klangregler.odt
6.1
Aufgabe 6
Seite1 von 2
RC-Schaltung
Punkte
Beim Einschalten der Versorgungsspannung ist der Kondensator entladen. Das NAND-Gatter
wertet Eingangssignale im Bereich von 0V ... 1,2V als log. <0> und Werte zwischen 2,4V
und 5V als log <1>
+5V
6.1.1 Zeichnen Sie den Verlauf der Spannung am
Kondensator innerhalb von 2 Sekunden
nach dem Einschalten. Wählen Sie einen
geeigneten Maßstab.
3
R=68k
6.1.2 Skizzieren Sie den Verlauf der Spannung am
Ausgang des NAND-Gatters.
2
&
UC
U2
C=10µF
6.2
Spannungsmessung
Der Wert einer Spannung Ux soll im Bereich 0...9 mit einer 7-Segmentanzeige dargestellt
werden.
Im folgenden Blockschaltbild liefert das Bauelement XY eine Impulslänge die proportional
zur Eingangsspannung Ux ist. Der Impuls wird durch eine positive Taktflanke ausgelöst.
Der Rechteckgenerator liefert eine symmetrische Rechteckspannung mit einer Frequenz von
10Hz.
XY
Ux
Impulszähler
CTR DIV10
0...1s
Q1
SN1
Rechteckgenerator
C
SN2
Q0
Y
Q2
10Hz
Impulslänge = f(Ux)
Takt
T
CLK
R
Frequenzteiler
Q3
A
B
C
D
DPY
a
b
c
d
e
f
g
a
f
g
b
c
e
d
dp
Monoflop
1µs
12:1 (symmetrisch)
Blockschaltbild
6.2.1 Schaltnetz 1 (SN1) sorgt dafür, dass der Impulszähler nur dann mit Taktsignalen
versorgt wird, wenn das Element XY am Ausgang Y den Wert <1> liefert.
Welches Element eignet sich für diesen Zweck.
10_A6_Spannungsmessung.odt
1
6.3
Aufgabe 6
Seite2 von 2
Impulszähler (BCD-Zähler)
Der Impulszähler ist als synchroner BCD-Zähler zu entwerfen. Zur Verfügung
stehen dynamische FFs mit einem asynchronen Reset-Eingang.
6.3.1 Erstellen Sie die minimierten Funktionsgleichungen für die Vorbereitungseingänge
der FFs. Anmerkung: Das Resetsignal ist in der Tabelle nicht zu berücksichtigen.
6
6.3.2 Zeichnen Sie die Schaltung für den Vorbereitungseingang des FFs mit dem Ausgang
Q3 (... für beide Vorbereitungseingänge bei Verwendung von JK-FFs).
1
6.4
Zeichnen Sie das Zeitablaufdiagramm mit den Signalen Takt, C, Y, T, Q0, Q1,
Q2 und Q3 für den Fall, dass das Element XY einen Impuls der Dauer 0,7 Sekunden
liefert im Bereich der ersten 15 Taktimpulse. Beginnen Sie mit einer positiven
Taktflanke am Ausgang des symmetrischen Frequenzteilers (12:1).
3
6.5
Entwurf ohne Eingriff in die Taktleitung
Nun soll ein Zähler entwickelt werden, der nur dann zählt, wenn
eine Steuerleitung "CE" den Wert <1> hat
(bei "CE" = <0> stoppt der Zähler auch dann, wenn weiterhin
Taktflanken an den Takteingängen der FFs ankommen).
6.5.1 Zeichnen Sie das Zustandsdiagramm.
Impulszähler
Q0
CE
Q1
Q2
CLK
Q3
3
R
6.5.2 Erstellen Sie die codierte Zustandsübergangstabelle.
Es genügt, wenn Sie die Kopfzeile der Tabelle und 4 beliebige
Zeilen angeben (mindestens zwei Zeilen müssen sich bezüglich
CE unterscheiden)
6.6
3
SN2 (Decoder)
6.6.1 Entwickeln Sie die minimierte Schaltung für das Segment <a> der 7-SegmentAnzeige.
3
6.6.2 Zeichnen Sie die Schaltung unter ausschließlicher Verwendung von NAND-Gattern.
1
6.7
4
Datenspeicherung
In regelmäßigem Abstand wird der Zähler zurückgesetzt und ein neuer Zählvorgang
gestartet - die Anzeige läuft mit.
Durch zusätzliche Maßnahmen soll nun dieses "Mitlaufen" verhindert werden. Die
Anzeige soll immer nur den zuletzt erreichten Höchstwert anzeigen. Beschreiben Sie
mit wenigen Stichworten und einer Skizze einen Lösungsansatz.
30
10_A6_Spannungsmessung.odt

Cv = 0553F Icv = 1,74A IA=2,45A UL=980V UA=9,5kV P=1,8kW n

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