Die Elektrotechnik-APP der HFH · Hamburger Fern-Hochschule

Autor/Entwickler: Othmane Kettani, M. Sc. (Physik)
Mitwirkender: Dipl.-Phys. Sascha Warnecke

Herausge­geben durch den Fach­bereich Tech­nik der HFH · Ham­burger Fern-Hochschule, ver­treten durch den Dekan des Fach­bereichs.
(Impressum)


Auszeichnungen:

Comenius EduMedia Logo Die Elektrotechnik-APP der HFH wurde ausgezeichnet mit dem

Comenius-EduMedia-Siegel 2019

der GPI Gesellschaft für Pädagogik, Information und Medien e. V.


Beschreibung:

Die Elektrotechnik-APP der HFH dient dazu, ausgewählte Rechenbeispiele aus dem Modul "Elektrotechnik/Elektronik", das in den Bachelorstudiengängen Wirtschaftsingenieurwesen, Maschinenbau und Mechatronik angeboten wird, interaktiv mit eigenem Rechner oder Smartphone zu erkunden. Dabei sind die ausgewählten Rechenbeispiele, die aus den ELT-Studienbriefen und der ELT-Aufgabensammlung stammen, mithilfe von Schiebereglern dynamisch zu variieren, sodass die Studierenden die zentralen physikalischen Zusammenhänge bereits rein optisch erkennen können. Die Elektrotechnik-APP der HFH stellt ein grundlegendes Beispiel für die Mensch-Maschine-Interaktion im Lernprozess dar.

© Othmane Kettani, M. Sc.

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2  Schaltvorgänge

2.3  Schaltvorgänge in Stromkreisen mit Kapazitäten

Aufladen und Entladen einer Kapazität

Spannungs- und Stromverlauf beim Auf- und Entladen eines Kondensators über einen
OHM´schen Widerstand (vgl. Abschnitte 2.3.1 und 2.3.2 aus SB3)
Beschreibung ein-/ausblenden: Ein vollständig entladener Kondensator mit der Kapazität C wird zum Zeitpunkt  t = 0  über einen Widerstand R1 an eine Gleichspannungsquelle mit der Quellenspannung Uq angeschlossen und somit aufgeladen (s. Abb. 2.4). Der Widerstand R1 soll den resultierenden Stromkreiswiderstand darstellen, der den Leitungswiderstand, den Innenwiderstand der Quelle und eventuell vorhandene Netzwerkwiderstände enthält. Deshalb gilt immer  R1 ≠ 0 .

Der gleiche Kondensator mit gleicher Kapazität C wird zu einem neuen Zeitpunkt  t = 0  über einen Widerstand R1 entladen (s. Abb. 2.6). Unmittelbar vor dem Schalten liegt am Kondensator die Spannung  UC(-0)= Uq .

Abb. 2.4:
Aufladen eines Kondensators
Abb. 2.6:
Entladen eines Kondensators

Abb. 2.5: Strom- und Spannungsverlauf einer Kapazität beim a) Aufladen; b) Entladen


Simulation:
Erkunden Sie mit den Schiebereglern unten interaktiv die oben stehende Abbildung 2.5 aus dem SB3.
Bitte legen Sie anhand der Schieberegler den Wert des jeweiligen Eingangsparameters fest:


 0.42 

 115 

 0.72 

Alleine mithilfe der Schieberegler können Sie interaktiv erkunden, welchen Zusammenhang zwischen der oben dargestellten zeitlichen Größen uC(t), iC(t) und den Eingangsparametern R1, R2 und C besteht, ohne dass Sie Ihre Kenntnis über deren Formeln nutzen. Hierzu sind unten stehende Verständnisaufgaben zu lösen. Bitte erst auf "Antwort ein-/ausblenden" klicken, wenn Sie mit Ihrer Überlegung fertig sind.

Verständnisaufgaben:
  1. Lesen Sie jeweils die Halbwertzeit tH1 bzw. tH2 des Stroms aus der Kurve iC(t) für das Aufladen bzw. Entladen des so von Ihnen simulierten Kondensators ab und geben Sie diese jeweils an.
    Antwort ein-/ausblenden:   ● Für das Aufladen:  tH1 = 33.5 
      ● Für das Entladen:  tH2 = 57.4 

  2. Lesen Sie jeweils mithilfe der eingezeichneten Tangenten die Zeitkonstante 𝜏1 bzw. 𝜏2 des Stroms aus der Kurve iC(t) für das Aufladen bzw. der Spannung aus der Kurve uC(t) für das Entladen des so von Ihnen simulierten Kondensators ab.
    Antwort ein-/ausblenden:   ● Für das Aufladen:  𝜏1 = 48.3 
      ● Für das Entladen:  𝜏2 = 82.8 

  3. Was lässt sich zum Auf- und Entladen im Vergleich feststellen, wenn R1 und R2 gleich groß sind?
    Antwort ein-/ausblenden: Wenn R1 und R2 gleich groß sind, dann sind die Halbwertzeiten tH1 und tH2 bzw. die Zeitkonstanten 𝜏1 und 𝜏2 auch gleich groß.

  4. Wie lange dauert es, bis der so von Ihnen simulierte Kondensator auf genau 75% bzw. 25% seiner maximal aufzunehmenden Ladung aufgeladen bzw. entladen wird?
    Hinweis: Beim Kondensator sind Ladung Q und Spannung U direkt proportional zu einander.
    Antwort ein-/ausblenden:   ● Für das Aufladen:  t75% = 67.0 
      ● Für das Entladen:  t25% = 114.8 

© Othmane Kettani, M. Sc.