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ET2_L_B17_A8.tex 6.2KB

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  1. \section{Wechselstrombrücke}
  2. a) Zustand abgeglichenen Brücke $\mathbf{(U_{ab}=0})$\\
  3. Welches Bauteil muss fur $X$ eingesetzt werden, um diese Voraussetzung zu erfüllen?\\
  4. Berechnen Sie den Wert des Bauteils als Funktion von $R$ und $X_L$.\\[\baselineskip]
  5. b) Zustand nicht abgeglichene Brücke: $\mathbf{(U_{ab}\neq 0)}$\\[\baselineskip]
  6. Zeichnen Sie ein qualitatives Zeigerdiagramm aller eingezeichneten Spannungen\\
  7. (Bezug $\uline{U}=U\cdot e^{j0\,\degree}$), so dass $\uline{U}_{ab}$ auf $\uline{U}$ senkrecht steht (rechte Winkel müssen gekennzeichnet werden).\\
  8. Welches Bauteil muss fur $X$ eingesetzt werden, um diese Voraussetzung zu erfüllen?\\ Berechnen Sie den Wert dieses Bauteils als Funktion von $R$ und $X_L$ anhand der Beziehung zwischen den Zeigerlängen.
  9. \begin{align*}
  10. \begin{tikzpicture}[very thick,scale=2.5]
  11. \begin{scope}[>=latex,very thick,xshift=0.5cm,yshift=-1cm,rotate=90]%Widerstand - nach EN 60617
  12. \draw (0,0)--(.3,0) (.3,-0.0667)rectangle(.7,0.0667) (.7,0)--(1,0)node at (.5,-.0667) [right] {$R$};
  13. \draw [<-,blue] (.3,.35)--(.7,.35)node at(.5,.35)[right]{\footnotesize$\uline{U}_{R}$};
  14. \end{scope}
  15. \begin{scope}[>=latex,very thick,xshift=1.5cm,yshift=0cm,rotate=90]%Widerstand - nach EN 60617
  16. \draw (0,0)--(.3,0) (.3,-0.0667)rectangle(.7,0.0667) (.7,0)--(1,0)node at (.5,-.0667) [right] {$R$};
  17. \draw [<-,blue] (.3,.2)--(.7,.2)node at(.5,.2)[left]{\footnotesize$\uline{U}_{b}$};
  18. \end{scope}
  19. \begin{scope}[>=latex,very thick,xshift=.5cm,yshift=-0cm,rotate=90]%Spule |
  20. \draw (0,0)--(.3,0) (.7,0)--(1,0)node at(.5,-.0667) [right] {$X_L$};
  21. \fill (.3,-0.0667)rectangle(.7,0.0667);
  22. \draw [<-,blue] (.3,.2)--(.7,.2)node at(.5,.2)[left]{\footnotesize$\uline{U}_{a}$};
  23. \end{scope}
  24. \begin{scope}[>=latex,very thick,xshift=1.5cm,yshift=-1cm,rotate=90]%Widerstand - nach EN 60617
  25. \draw (0,0)--(.3,0) (.3,-0.0667)rectangle(.7,0.0667) (.7,0)--(1,0)node at (.5,-.0667) [right] {$X$};
  26. \draw [<-,blue] (.3,.2)--(.7,.2)node at(.5,.2)[left]{\footnotesize$\uline{U}_{X}$};
  27. \draw node at (.5,0){?};
  28. \end{scope}
  29. \begin{scope}[>=latex,very thick,xshift=-.5cm,yshift=-.5cm,rotate=90]%Spannungsquelle
  30. \draw (0,0)--(1,0)node at(.5,-.133)[right]{$\uline{U}$};
  31. \draw (.5,0)circle(.133);
  32. \draw [<-,blue] (.3,.2)--(.7,.2) node at (.5,.2)[left]{\footnotesize$\uline{U}$};
  33. \end{scope}
  34. \begin{scope}[>=latex,very thick]%Knotenpunkte
  35. \draw (1.5,.8)--(1.5,1)--(-.5,1) (1.5,-.8)--(1.5,-1)--(-.5,-1)(-.4,1)--(-.5,1)--(-.5,.5)(-.4,-1)--(-.5,-1)--(-.5,-.5);
  36. % \fill (-.5,1)circle(.025) (-.5,-1)circle(.025);
  37. \draw [->,blue] (.6,0)--(1.4,0)node at(1,0)[below]{$\underline{U}_{ab}$};
  38. \fill (.5,0)circle(.025) node at (.5,0)[left]{a};
  39. \fill (1.5,0)circle(.025)node at (1.5,0)[right]{b};
  40. \end{scope}
  41. \end{tikzpicture}
  42. \end{align*}
  43. \ifthenelse{\equal{\toPrint}{Lösung}}{%
  44. %\begin{align}
  45. %\intertext{Formeln:}
  46. %\end{align}
  47. Berechnung: (Platzbedarf in x: $9\,\centi\metre$; in y: $\pm 5\,\centi\metre$)\\
  48. \begin{align*}
  49. \intertext{a) Zum Brückenabgleich muß $X$ eine Kapazität sein.}\\
  50. \intertext{Abgleichbedingung:}\\
  51. \frac{jX_L}{R}&=\frac{R}{jX_C}\\
  52. X&=\uuline{-\frac{R^2}{X_L}} \qquad\text{ neg. VZ $\Rightarrow$ Kapazität $X=X_C$} \\
  53. -\frac{1}{j\omega C}&=-\frac{R^2}{j\omega L}\Rightarrow \quad\text{oder}\quad C=\frac{L}{R^2}
  54. \end{align*}
  55. \clearpage
  56. \begin{align*}
  57. \intertext{b) Bedingung: $\uline{U}_{ab}\,\bot\,\uline{U}$; gleiche Zeigerlängen.}
  58. \begin{tikzpicture}[very thick,scale=1]
  59. \begin{scope}[>=latex,very thick,xshift=0cm,yshift=0cm]
  60. \draw[ultra thin,black!50!](0,-5)grid(8,5);
  61. \draw[thin,->](0,0)--(8.5,0)node[right]{$\Re$};
  62. \draw[thin,->](0,-5.5)--(0,5.5)node[above]{$\Im$};
  63. \foreach \y in {5,4,...,-5}
  64. \draw(0,\y)--(-.1,\y)node[left]{$\y$};
  65. \draw[black!50!,dashed](0,0)+(20:4.2cm)arc(20:-20:4.2cm);
  66. \draw[black!50!,dashed](8,0)+(160:4.2cm)arc(160:200:4.2cm);
  67. \draw[black!50!,dashed](4,1.5)--(4,-1.5);
  68. \fill(4,0)circle(0.075cm);
  69. \draw[blue,->](0,0)--(8,0)node at(7.5,.25){$\uline{U}$};
  70. \draw[black!50!](4,0)circle(4cm);
  71. \draw[blue,->](0,0)--(30:6.93)node at(2.5,1.75){$\uline{U}_a$};
  72. \draw[blue,->](0,0)--(-30:6.93)node at(2.5,-1.75){$\uline{U}_{b}$}; \draw[blue,->](30:6.93)--(-30:6.93)node at(5.5,-1.25){$\uline{U}_{ab}$};
  73. \draw[blue,->](30:6.93)--(8,0)node at(6.75,1.5){$\uline{U}_{R}$}; \draw[blue,->](-30:6.93)--(8,0)node at(6.75,-1.5){$\uline{U}_{X}$};
  74. \draw node at (6,3.75){a};
  75. \draw node at (6,-3.75){b};
  76. \draw[red](30:6.93)+(210:.5cm)arc(210:300:.5cm);
  77. \fill[red](30:6.93)+(255:.25cm)circle(.05cm);
  78. \draw[red](-30:6.93)+(150:.5cm)arc(150:60:.5cm);
  79. \fill[red](-30:6.93)+(105:.25cm)circle(.05cm);
  80. \draw[red](0:6)+(0:.5cm)arc(0:90:.5cm);
  81. \fill[red](0:6)+(45:.25cm)circle(.05cm);
  82. \draw node at(8.5,4.5)[right]{$\diamond$\ \ \footnotesize{$\uline{U}$}};
  83. \draw node at(8.5,4)[right]{$\phantom{\diamond x}$\footnotesize{Thaleskreis, da $\uline{U}_q \bot \uline{U}_R$ und $\uline{U}_b \bot \uline{U}_X$}};
  84. \draw node at(8.5,3.5)[right]{$\diamond$\ \footnotesize{$\uline{U}_a+\uline{U}_R=\uline{U}$}};
  85. \draw node at(8.5,3)[right]{$\phantom{\diamond x}$\footnotesize{$\uline{U}_a$ und $\uline{U}_R$ zeichnen}};
  86. \draw node at(8.5,2.5)[right]{$\diamond$\ \footnotesize{$\uline{U}_a+\uline{U}_{ab}-\uline{U}_b=0$ und $\uline{U}_{ab} \bot\uline{U}$}};
  87. \draw node at(8.5,2)[right]{$\phantom{\diamond x}$\footnotesize{$\uline{U}_{ab}$ und $\uline{U}_b$ zeichnen}};
  88. \draw node at(8.5,1.5)[right]{$\diamond$\ \footnotesize{$\uline{U}_b+\uline{U}_X=\uline{U}$}};
  89. \draw node at(8.5,1)[right]{$\phantom{\diamond x}$\footnotesize{$\uline{U}_X$ zeichnen}};
  90. \end{scope}
  91. \end{tikzpicture}
  92. \end{align*}
  93. Bei der nicht abgeglichenen Brücke mit der Bedingung $\uline{U}_{ab}\,\bot\,\uline{U}$, muss $X$ eine Induktivität sein.\\
  94. Rechnerisch:
  95. \begin{align*}
  96. |U_a|&=|U_b|\Rightarrow |X_L\cdot I_a|=|R\cdot I_b|\tag{1}\\
  97. |U_R|&=|U_X|\Rightarrow |R\cdot I_a|=|X\cdot I_b| \tag{2}\\
  98. \frac{X_L}{R}&=\frac{R}{X}\tag{1:2}\\
  99. X&=\uuline{+\frac{R^2}{X_L}}
  100. \end{align*}
  101. \clearpage
  102. }{}%