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Aufgabe

Zweiweggleichrichtung

Schwierigkeitsgrad: mittelschwere Aufgabe

Joachim Herz Stiftung Joachim Herz Stiftung
Abb. 1 Schaltskizze einer Zweiweggleichrichtung

Flexon möchte die Zweiweggleichrichtung an einem Gleichstrommotor ausprobieren. Damit sich der Motor in der richtigen Richtung dreht, muss der mit (+) gekennzeichnete Anschluss des Motors mit dem Pluspol der Gleichspannung verbunden sein. Der Scheitelwert der Wechselspannung beträgt \(U_0=3{,}0\,\rm{V}\).

a)

Erläutere, was beim Anschluss der Wechselspannungsquelle geschieht.

b)

Die Sicherung wird durch einen Widerstand mit dem Wert \(R_{\rm{S}}\) ersetzt.

Berechne, wie groß \(R_{\rm{S}}\) mindestens gewählt werden muss, damit keine Zerstörung der Dioden droht. Die Schwellenspannung der Dioden sei jeweils \(U_{\rm s}=0{,}70\,\rm{V}\), der maximale Strom durch eine Diode soll \(100\,\rm{mA}\) nicht überschreiten. Beim Überschreiten der Knickspannung sollen die Dioden idealerweise keinen Widerstand mehr besitzen.

c)

Der Anker des Gleichstrommotors hat den Widerstand \(R_{\rm{A}}=4{,}0\,\Omega\). Damit der Motor anläuft sollten mindestens \(100\,\rm{mA}\) durch den Anker fließen.

Untersuche, ob der Motor bei obiger Schaltung anlaufen wird.

d)

Obige Schaltung hat Nachteile, die durch eine kleine Schaltungsänderung beseitigt werden können.

Erstelle eine Schaltskizze für die abgeänderte Schaltung.

Erläutere, wie die Nachteile durch deine Schaltung beseitigt werden.

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a)

Falls der Pluspol der Wechselspannungsquelle gerade oben ist, wird die links liegende Diodenkette leitend, sie stellt nahezu einen Kurzschluss dar. Somit brennt die Sicherung durch.

b)

Für die Berechnung des Schutzwiderstandes \(R_{\rm{S}}\) wird wieder die linke Diodenstrecke betrachtet, da die rechte Diodenstrecke samt dem eingebauten Motor einen höheren Widerstand besitzt.

Im Fall der Durchlasspolung fällt an den beiden linken Dioden die Spannung \({U^*}\) ab:\[{U^*} = 2 \cdot 0{,}7\,\rm{V} = 1{,}4\,\rm{V}\]Am Schutzwiderstand muss demnach die Spannung\[{U_S} = {U_0} - {U^*} \Rightarrow {U_S} = 3{,}0\,\rm{V} - 1{,}4\,\rm{V} = 1{,}6\,\rm{V}\] abfallen. Damit gilt für den Widerstandswert \(R_{\rm{S}}\)\[{R_{\rm{S}}} = \frac{{{U_S}}}{{{I_{\max }}}} \Rightarrow {R_{\rm{S}}} = \frac{{1{,}6}\,\rm{V}}{100 \cdot 10^{-3}\,\rm{A}} = 16\,\Omega \]

 

c)

Ist die rechte Diodenstrecke in Durchlassrichtung gepolt (unterer Pol der Spannungsquelle positiv), so könnte der Motor laufen. Er wird aber bei dem berechneten Schutzwiderstand nicht laufen, da aufgrund der Serienschaltung von Schutzwiderstand, Ankerwiderstand und Dioden der Strom kleiner als \(100\,\rm{mA}\) sein wird.

d)
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Abb. 2 Skizze zu Aufgabenteil d)

Mit der Schaltung in Abb. 2 kann der Motor zu einem relativ gleichmäßigen Lauf gebracht werden. Unabhängig davon, ob der Pluspol der Spannungsquelle oben oder gerade unten ist, stimmt die Polung am Motor. Der Vorwiderstand muss allerdings etwas kleiner gewählt werden als in Teilaufgabe b) berechnet.

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Elektronik

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