Strom- und Spannungsversorgung

Aufbaukurs N -> A

Spannungsquellen

Die für uns Funkamateure wichtigste Spannungsquelle ist, neben Batterien, das Netzgerät. Es wird über das Stromnetz mit $230 V$ Wechselspannung versorgt und erzeugt eine Gleichspannung von $13,8 V$. Damit lassen sich Funkgeräte und Zubehör versorgen.
Wichtig ist, dass die Ausgangsspannung bei Last konstant bleibt.

Bei Netzgeräten, besonders mit einem Metallgehäuse, ist ein normgerechter Anschluss an das Stromnetz wichtig. Der Schutzleiter (grün/gelb) hat dabei die Aufgabe im Fehlerfall die Spannung zur "Erde" abzuleiten und damit die Haussicherung auszulösen, damit keine gefährliche Spannung am Metallgehäuse anliegt. Bei einer 3-adrigen Leitung sind die Adernkennfarben wie folgt festgelegt:

* Außenleiter (L) $\rightarrow$ braun * Neutralleiter (N) $\rightarrow$ blau * Schutzleiter (PE) $\rightarrow$ grün/gelb

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<li>
<p>Kurzzusammenfassung: Weiße Seite mit drei Einzelbeschriftungen „L“, „N“ und „PE“ entlang des rechten Randes.</p>
</li>
<li>
<p>Detaillierte Beschreibung: Das Bild ist im Hochformat und ansonsten leer/weiß. Oben rechts steht der einzelne Buchstabe „L“. Weiter unten, etwa im unteren rechten Drittel, steht der einzelne Buchstabe „N“. Ganz unten rechts befindet sich die Beschriftung „PE“. Es sind keine Linien, Symbole, Bauteile, Rahmen, Achsen oder weiteren Elemente sichtbar."></p>
<figcaption>Abbildung EA-7.1.1: Aderfarben einer 3-adrigen Leitung</figcaption>
</li>
</ol>
</figure>
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Innenwiderstand von Strom- und Spannungsquellen

TODO — Abbildung EA-7.2.1: Ersatzschaltbild Stromquelle $R_i$ hochohmig

* Liefert konstanten Strom * Unabhängig von der angeschlossenen Last * Theorie: Unendlich großer Innenwiderstand * Praxis: Sehr hoher Innenwiderstand

Labornetzgeräte
Ladetechnik von Akkus

### Spannungsquelle

* Nicht messbar mit einem Multimeter * Rechnerisch ermitteln:
$R_i = \frac{\Delta U}{\Delta I}$

* Leerlauf: $I = 0 A$ * Belastung mit $R_L$:
$I_L = \frac{U_L}{R_L}$

$(\Delta U = 0 V)$; $R_i = \frac{\Delta U}{\Delta I} = \frac{0}{x} = 0 Ω$

Ideale Spannungsquellen sollen einen sehr niedrigen Innenwiderstand $R_i \ll R_L$ aufweisen

Idealfall: $0 Ω$, dann bleibt die Ausgangsspannung bei Belastung unverändert.

In Labornetzteilen eingebaut
Laststrom übersteigt eine maximale Stromstärke
$\rightarrow$ Klemmenspannung wird abgesenkt
$\rightarrow$ Laststrom bleibt konstant
Funktion der Konstantstromquelle

$R_i = \frac{\Delta U}{\Delta I}$; $(\Delta I \to 0 A)$; $R_i = \frac{\Delta U}{\Delta I} \to \infty Ω$

Ideale Stromquellen sollen einen sehr hohen Innenwiderstand $R_i \gg R_L$ aufweisen.

Idealfall: $\infty Ω$, dann bleibt der Laststrom bei Änderung des Lastwiderstandes konstant, deshalb spricht man auch von Stromanpassung.

Optimale Leistungsabgabe von Sender zu Antenne
$R_i = R_L$

Tabelle EA-7.2.1: Zusammenfassung zum Innenwiderstand
Zusammenfassung Innenwiderstand	Innenwiderstand
Spannungsanpassung bei einer Konstantspannungsquelle	$R_i$ ist sehr niederohmig; theoretisch $0 Ω$; $R_i \ll R_L$ identisch mit $R_L \gg R_i$
Stromanpassung bei einer Konstantstromquelle	$R_i$ ist sehr hochohmig; $R_i \gg R_L$ identisch mit $R_L \ll R_i$
Leistungsanpassung bei Verstärkern	$R_L = R_i$

gegeben: $U_0 = 13,5 V$
gegeben: $U_{Kl} = 13 V$
gegeben: $I = 2 A$
gesucht: $R_i$

$R_i = \frac{U_i}{I} = \frac{U_0-U_{Kl}}{I} = \frac{13,5 V - 13 V}{2 A} = 0,25 Ω$

gegeben: $U_0 = 13,8 V$
gegeben: $U_{Kl} = 13,6 V$
gegeben: $I = 20 A$
gesucht: $R_i$

$R_i = \frac{U_i}{I} = \frac{U_0-U_{Kl}}{I} = \frac{13,8 V - 13,6 V}{20 A} = 10 mΩ$

gegeben: $U_0 = 13,5 V$
gegeben: $U_{Kl} = 12,4 V$
gegeben: $I = 0,9 A$
gesucht: $R_i$

$R_i = \frac{U_i}{I} = \frac{U_0-U_{Kl}}{I} = \frac{13,5 V - 12,4 V}{0,9 A} = 1,22 Ω$

gegeben: $U_0 = 5,0 V$
gegeben: $U_{Kl} = 4,8 V$
gegeben: $R_L = 1,2 Ω$
gesucht: $R_i$

$I = \frac{U_{Kl}}{R_L} = \frac{4,8 V}{1,2 Ω} = 4 A$

$R_i = \frac{U_i}{I} = \frac{U_0 - U_{Kl}}{I} = \frac{5,0 V - 4,8 V}{4 A} = 0,05 Ω$

Akkus

Die häufigsten Akku-Typen im Amateurfunk:

Bleiakku (Pb)
Nickel-Metallhydrid (NiMH)
Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4)

* Kapazität: $4200 mA\hour$ * Spannung: 4S1P / $13,2 V$

* Entladung: 30C Constant / 40C Burst * Balance-Stecker: JST-XH

Beispiele:

4S1P: 4 Zellen in Serie, 1 in Parallel
4S2P: 4 Zellen in Serie, 2 in Parallel

Pro Zelle ca. $3,2 V$ bis $3,3 V$, also
$3,3 V \cdot 4 = 13,2 V$

Beispiel-Akku: $4200 mA\hour = 4,2 A\hour$

$\rightarrow$ 1 Stunde mit $4,2 A$ oder 2 Stunden mit $2,1 A$ belasten

$t = \frac{Q}{I}$

$t = \frac{4,2 A\hour}{4,2 A} = 1 \hour$

Gespeicherte elektrische Energie im Akku

$E = Q \cdot U$

Beispiel-Akku: $E = 4,2 A\hour \cdot 13,2 V = 55,44 W\hour$

Angabe auf dem Beispiel-Akku: 30C

Die Entladung kann mit 30 mal der Kapazität $Q$ erfolgen

Entladestrom = $30 \cdot \frac{1}{\hour} \cdot 4,2 A\hour = 126 A$

Der Akku wäre in 128 Sekunden entladen.

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<p>Kurzfassung: Ein Schaltbild zeigt vier in Reihe geschaltete Zellen B1–B4 mit jeweils 3,3 V und 4200 mAh, die zusammen eine Gesamtspannung von 13,2 V (4200 mAh) ergeben.</p>
<p>Detailbeschreibung: Links ist ein Pluszeichen, rechts ein Minuszeichen; dazwischen verläuft eine horizontale Leitung. Am oberen Rand zeigt ein Pfeil nach rechts mit der Beschriftung „13,2 V 4200 mAh“. Darunter markieren weitere Pfeile Teilspannungen: von links bis etwa drei Viertel „9,9 V“ und rechts ein kurzer Pfeil „3,3 V“. Auf mittlerer Höhe sind zwei Pfeile nach rechts mit „6,6 V“ beschriftet, jeweils über der linken und rechten Hälfte. Vertikale gestrichelte Linien teilen die Grafik in vier gleiche Abschnitte. Unten sind vier Batteriesymbole nebeneinander mit den Bezeichnungen „B1“, „B2“, „B3“, „B4“ darüber; unter jedem Symbol steht ein Pfeil nach rechts mit „3,3 V“ und darunter „4200 mAh“. Die Anordnung visualisiert die Spannungsaufsummierung der vier Zellen bei gleichbleibender Kapazität.">
<figcaption>Abbildung EA-7.3.1: Reihenschaltung</figcaption></p>
</figure>
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<p>Kurzfassung: Schaltbild eines Batteriepacks mit acht Zellen: zwei parallel geschaltete Vierer-Serien, Gesamtwert 13,2 V und 8400 mAh.</p>
<p>Detaillierte Beschreibung: Die Zeichnung zeigt links einen Pluspol und rechts einen Minuspol als offene Kreise mit +/–. Zwischen zwei seitlichen Sammelschienen liegen acht als Kondensator-Symbole gezeichnete Batteriezellen B1 bis B8. Obere Reihe: B1–B4 in Serie von links nach rechts; untere Reihe: B5–B8 in Serie von rechts nach links; beide Reihen sind an den Seiten leitend verbunden (Parallelschaltung der beiden Serienstränge). Jede Zelle ist mit „3,3 V“ und „4200 mAh“ sowie einem kleinen Pfeil nach rechts beschriftet. Oben markieren Pfeile die Summenspannungen: über die gesamte Breite „13,2 V 8400 mAh“, darüber hinaus Teilpfeile mit „9,9 V“, „6,6 V“ und „3,3 V“ entsprechend der Abschnittslängen; gestrichelte Vertikallinien teilen das Schema in vier gleich breite Abschnitte. Gefüllte Punkte kennzeichnen die Seitenschienen‑Anschlüsse der Serienstränge.">
<figcaption>Abbildung EA-7.3.1: Parallelschaltung</figcaption></p>
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<p>Zusammenfassung: Foto von mehreren Kabeln mit einem weißen 5-poligen JST‑XH‑Stecker und zwei 5,5‑mm‑Rundkontakten, einem schwarzen Stecker (−) und einer roten Buchse (+).</p>
<p>Detaillierte Beschreibung: In der Mitte befindet sich ein weißer 5-poliger JST‑XH‑Steckverbinder; links gehen fünf dünne, unterschiedlich farbige Leitungen ab (blau, gelb, weiß, gelb, orange). Rechts neben dem Stecker sind Linien mit Beschriftungen zu sehen: oben ein Minuszeichen, darunter U12, U23, U34, unten ein Pluszeichen; darüber steht „JST‑XH für Balancer“. Darunter verlaufen zwei dicke Silikonkabel: oben ein schwarzes Kabel mit vergoldetem 5,5‑mm‑Rundstecker, daneben die Aufschrift „− Pol“; darunter ein rotes Kabel mit vergoldeter 5,5‑mm‑Rundbuchse, daneben „+ Pol“. Rechts unten steht der Text „5,5 mm Stecker/Buchse für Lastanschluss“. Der Hintergrund ist weiß, der Fokus liegt auf den Anschlüssen.">
<figcaption>Abbildung EA-7.3.1: LiFePO4 Anschlüsse</figcaption></p>
</figure>
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gegeben: $U = 2 V$
gegeben: $Q = 10 A\hour$
gegeben: $N = 6$
gesucht: $U_{\mathrm{ges}}, Q_{\mathrm{ges}}$

$U_{\mathrm{ges}} = N \cdot U = 6 \cdot 2 V = 12 V$

$Q_{\mathrm{ges}} = Q \cdot 1 = 10 A\hour$

gegeben: $Q_{\mathrm{max}} = 60 A\hour$
gegeben: $Q_{10 %} = 0,1 \cdot Q_\mathrm{max} = 6 A\hour$
gegeben: $I = 0,8 A$
gesucht: $t$

$Q = I \cdot t \Rightarrow t = \frac{Q}{I} = \frac{Q_{\mathrm{max}} - Q_{10\%}}{I} = \frac{54 A\hour}{0,8 A} = 67,5 \hour$

gegeben: $U = 12 V$
gegeben: $Q = 5 A\hour$
gesucht: $W$

$W = P \cdot t = U \cdot I \cdot t = U \cdot Q = 12 V \cdot 5 A\hour = 60,0 W\hour$

Photovoltaik

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<li>
<p>Kurze Zusammenfassung: Eine horizontale Leitung wird in der Mitte von einer senkrechten Linie mit zwei schrägen Pfeilen darauf gekreuzt; rechts an der Leitung sitzt ein kleines, schwarzes Rechteck.</p>
</li>
<li>
<p>Detaillierte Beschreibung: Auf weißem Hintergrund verläuft eine dünne horizontale Linie von links nach rechts. In der Bildmitte steht eine dünne senkrechte Linie, die die horizontale Leitung kreuzt; die Senkrechte ragt oben und unten etwas über die Waagerechte hinaus. Von rechts oben kommen zwei kurze, schräg nach links unten gerichtete Pfeile und zeigen auf den oberen Bereich der senkrechten Linie. Direkt rechts neben der Senkrechten befindet sich auf der horizontalen Leitung ein kurzes, schmaleres, schwarzes, vertikales Rechteck. Weitere Symbole, Beschriftungen oder Werte sind nicht vorhanden."></p>
<figcaption>Abbildung EA-7.4.1: Schaltzeichen Photoelement (Solarzelle)</figcaption>
</li>
</ol>
</figure>
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<p>Kurzbeschreibung: Schematische Darstellung eines mehrschichtigen Bauteils, auf das gelbe Pfeile mit der Beschriftung „Sonnenlicht“ treffen, mit zwei Leitungen zu einem „Verbraucher“ und der Spannungsangabe „0,5 V“.</p>
<p>Detaillierte Beschreibung: Perspektivische Zeichnung eines quaderförmigen Stapels aus drei farbigen Lagen, von oben nach unten beschriftet „N-Dotiert“ (hellblau), „Dünne Sperrschicht“ (hellgrau) und „P-Dotiert“ (orange). Die Oberseite zeigt mehrere parallele graue Streifen auf einer blauen Fläche. Von links oben fallen mehrere gelbe Pfeile schräg nach unten rechts auf die Oberfläche; darüber steht in Gelb „Sonnenlicht“. Rechts führen zwei schwarze Leitungen vom Stapel weg; jede Leitung ist am Stapel mit einem schwarzen Punkt markiert (oben und unten). Die Leitungen gehen zu einem rechteckigen Symbol, daneben steht „Verbraucher“. Rechts davon befindet sich eine vertikale Markierung mit der Beschriftung „0,5 V“ und einem Pfeil nach oben. Weitere Bauteile, Skalen oder Achsen sind nicht eingezeichnet.">
<figcaption>Abbildung EA-7.4.2: Aufbau einer monokristallinen Silizium Solarzelle</figcaption></p>
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</left>
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Kenngrößen von Solarzellen

Tabelle EA-7.4.1: Kenngrößen von Solarzellen
Bezeichnung	c: Abkürzung	Erklärung
Leerlaufspannung	${U}_{OC}$	Ist die Spannung, die ohne Last bei voller Sonneneinstrahlung anliegt.
Kurzschlussstrom	${I}_{SC}$	Ist der Strom, welcher bei einem Kurzschluss am Ausgang, bei voller Sonneneinstrahlung, fließen wird.

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<p>Kurzzusammenfassung: Schaltbild mit mehreren in Reihe geschalteten Solarzellen in vier parallelen Zweigen zwischen einer oberen und unteren Sammelschiene; rechts ist eine Last eingezeichnet, daneben sind Spannung U und Strom I markiert.</p>
<p>Detaillierte Beschreibung: Oben und unten verläuft je eine durchgehende Leiterbahn (Sammelschiene) mit mehreren schwarzen Verbindungspunkten; ganz rechts enden beide Leiterbahnen jeweils in einem kleinen offenen Anschlusskreis. Dazwischen sind vier senkrechte Stränge eingezeichnet. Jeder Strang besteht aus mehreren identischen Solarzellen‑Symbolen (zwei kurze, parallele Platten) mit zwei kleinen Pfeilen, die von rechts auf die Platten zeigen. Der linke Strang ist als lange Reihenschaltung dargestellt; in seiner Mitte steht „30 St.“ mit einer gestrichelten Senkrechten, die die ausgelassenen Bauteile andeutet; links unten neben diesem Strang steht „0,6 V“. Links oben zeigt ein nach oben gerichteter Strompfeil mit der Beschriftung „1 A“. Über drei der Stränge sind an der oberen Sammelschiene kleine, schwarz ausgefüllte, nach oben zeigende Dreiecke an den Knoten eingezeichnet. In den drei rechten Strängen verlaufen zusätzlich gestrichelte senkrechte Linien von einzelnen Zellen zur unteren Sammelschiene. Rechts außerhalb des Zellfeldes markiert eine lange geschweifte Klammer mit Pfeil nach unten die Größe „U“. Im rechten Außenleiter ist ein schmales Rechteck als Lastsymbol eingefügt; daneben steht ein nach unten gerichteter Strompfeil mit der Beschriftung „I“.">
<figcaption>Abbildung EA-7.4.1: Solarzellenverbund in einem Solarmodul</figcaption></p>
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gegeben: $U_0 = 0,6 V$
gegeben: $I_k = 1 A$
gegeben: $N_R = 30, N_P = 4$
gesucht: $U_{0,\mathrm{ges}}, I_{k,\mathrm{ges}}$

$U_{0,\mathrm{ges}} = N_R \cdot U_0 = 30 \cdot 0,6 V = 18 V$

$I_{0,\mathrm{ges}} = N_P \cdot I_k = 4 \cdot 1 A = 4 A$

Spannungswandler

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<p>Kurzfassung: Nahaufnahme einer kleinen grünen Elektronikplatine mit dreistelliger 7‑Segment‑Anzeige, zwei blauen Schraubklemmen (Eingang/Ausgang) und beschrifteten Bauteilen wie „Speicherinduktivität“, „Elektronische Schalter“ und „PWM Steuerung“.</p>
<p>Detaillierte Beschreibung: Die rechteckige Leiterplatte hat abgerundete Ecken mit weißen Befestigungsflächen. Unten mittig sitzt eine schwarze, dreistellige 7‑Segment‑Anzeige mit hellgrauen Segmentumrissen. Links und rechts unten befinden sich je eine blaue Zweipol‑Schraubklemme; links ist sie mit „Eingang“, rechts mit „Ausgang“ beschriftet, am linken Eingang sind gelbe und blaue Drähte angeschlossen. Nahe jeder Klemme steht ein großer, silberner Elektrolytkondensator mit der Aufschrift „CK 330 35V“. Oben mittig ist ein grauer, quaderförmiger Bauteilblock (Speicherdrossel) montiert, darüber ein weißes Textfeld „Speicherinduktivität“. Rechts daneben liegen mehrere schwarze, flache Halbleitergehäuse mit dem Textfeld „Elektronische Schalter“. In der Platinemitte sind zahlreiche SMD‑Widerstände, ‑Kondensatoren und ICs zu sehen; ein weißes Textfeld „PWM Steuerung“ zeigt auf einen kleinen IC. Rechts der Mitte sitzt ein blaues Trimm‑Potentiometer mit der Markierung „203“ und einer messingfarbenen Stellschraube. Zwischen den Bauteilen liegen eine kleine rote LED (nicht leuchtend), diverse Testpunkte und weiße Bestückungsaufdrucke (z. B. R‑, C‑, Q‑ und D‑Bezeichnungen). Unten rechts ist „ON/OFF“ aufgedruckt, daneben ein kleiner Taster. Die Platine ist grün lackiert, die Lötpads und Leiterbahnen sind sichtbar.">
<figcaption>Abbildung EA-7.5.1: Abwärts- (Buck) Aufwärts- (Boost) Wandler</figcaption></p>
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</left>
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Gleichrichter I

* Um die Wechselspannung zu einer Gleichspannung zu wandeln, benötigen wir einen Gleichrichter. * Die einfachste Möglichkeit ist die Gleichrichtung mit einer Diode, denn eine Diode leitet den Strom nur in eine Richtung.

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<p>Kurzzusammenfassung: Schaltplan mit einem Transformator, einer Diode D und einem vertikalen Lastwiderstand RL in Reihe; Pfeile kennzeichnen die Spannungen UE und UL.</p>
<p>Detaillierte Beschreibung: Links sind zwei offene Klemmen mit einem sinusförmigen Symbol, das auf eine Wechselspannung hinweist, an die Primärwicklung eines Transformators (gezeichnet mit zwei Spulen, getrennt durch zwei parallele Striche) angeschlossen. Die Sekundärseite führt in einen rechteckigen Stromkreisrahmen. Auf der oberen horizontalen Leitung sitzt mittig eine Diode, darüber mit „D“ beschriftet; das Diodensymbol zeigt ein gefülltes Dreieck, das nach rechts auf einen vertikalen Strich weist. Rechts befindet sich ein vertikal gezeichneter rechteckiger Widerstand, mit „RL“ beschriftet. Neben dem Widerstand zeigt ein Pfeil mit der Beschriftung „UL“ nach unten. Links im Rahmen, neben der Sekundärseite, zeigt ein weiterer Pfeil mit der Beschriftung „UE“ nach unten. Die untere Leitung verläuft zurück zum unteren Anschluss der Sekundärwicklung und schließt den Stromkreis. Es sind keine weiteren Bauteile oder Achsen vorhanden.">
<figcaption>Abbildung EA-7.6.1: Einweggleichrichter</figcaption></p>
</figure>
</div>
</section>
<section><ul>
<li>Damit "schneiden" wir von der Wechselspannung die negative Halbwelle ab.</li>
<li>Weitere Bauelemente sind notwendig um aus den positiven Halbwellen eine stabile Gleichspannung zu machen, diese lernen wir im Klasse A Kurs kennen.
</left></li>
</ul>
<div class=

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<ol>
<li>
<p>Zusammenfassung: Eine dicke, sinusförmige Kurve ist in einem Koordinatendiagramm mit der senkrechten Achse „U_E“ und der waagerechten Achse „t“ dargestellt.</p>
</li>
<li>
<p>Detaillierte Beschreibung: Links steht eine senkrechte Achse mit Pfeil nach oben und der Beschriftung „U_E“. Eine dünne waagerechte Linie verläuft von links nach rechts durch das Bild, trägt am rechten Ende einen Pfeil und die Beschriftung „t“, und dient als Nulllinie/Bezugsgerade. Eine schwarze, im Vergleich zu den Achsen deutlich dickere, glatte sinusförmige Linie erstreckt sich über die gesamte Breite des Bildes; sie verläuft abwechselnd ober- und unterhalb der waagerechten Linie, bildet mehrere Wellenberge und -täler und schneidet die waagerechte Linie an mehreren Stellen. Am linken Rand schneidet die Kurve die senkrechte Achse oberhalb der waagerechten Linie; nahe dem rechten Rand liegt ein Wellenberg, danach fällt die Kurve leicht ab bis zum Bildrand. Es sind keine Zahlenmarkierungen, Gitterlinien oder Einheiten angegeben."></p>
<figcaption>Abbildung EA-7.6.1: Eingangsspannung Einweggleichrichter</figcaption>
</li>
</ol>
</figure>
<figure class=

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<ol>
<li>
<p>Kurzfassung: Schaltplan mit Transformator, in Serie liegender Diode D sowie einem Kondensator C_L und einem Lastwiderstand R_L, die beide zwischen oberer Leitung und Rückleitung angeschlossen sind; Pfeile U_E und U_L markieren Spannungsrichtungen.</p>
</li>
<li>
<p>Detaillierte Beschreibung: Ganz links ein zweipoliger Eingang mit Wechselspannungs‑Symbol (~), angeschlossen an die Primärwicklung eines Transformators; rechts davon die Sekundärwicklung mit zwei Anschlüssen. Der obere Sekundäranschluss führt nach rechts durch eine Diode mit der Beschriftung D (Symbol: Dreieck auf senkrechte Linie, Spitze nach rechts) zu einem Knoten, der als ausgefüllter Punkt gezeichnet ist. Von diesem Knoten geht nach unten ein Kondensator mit der Beschriftung C_L (zwei parallele Platten) zur unteren Rückleitung, die am unteren Sekundäranschluss des Transformators endet; der untere Kondensatoranschluss ist ebenfalls mit einem ausgefüllten Punkt markiert. Vom gleichen oberen Knoten führt rechts ein Lastwiderstand als Rechteck mit der Beschriftung R_L nach unten zur Rückleitung. Neben der Sekundärwicklung steht ein nach unten gerichteter Pfeil mit der Beschriftung U_E; rechts neben dem Lastwiderstand steht ein nach unten gerichteter Pfeil mit der Beschriftung U_L. Die Leitungen verlaufen als durchgehende Linien, die alle Bauteile verbinden."></p>
<figcaption>Abbildung EA-7.7.1: Einweggleichrichtung mit Kondensator</figcaption>
</li>
</ol>
</figure>
</left>
<div class=

1) Kurzbeschreibung: Diagramm aus einem rechteckigen Gitter und mit einer horizontalen Achse „5 ms/Div.“ und einer vertikalen Achse „3 V/Div.“; periodisch verlaufende Kurve, zunächst steil beginnend mit abgerundetem Maximum und flacher nach unten auslaufend.
<ol start= — Abbildung EA-7.7.1: Welligkeit der Ausgangsgleichspannung $U_L$

Am Lastwiderstand $R_L$ stellt sich eine pulsierende Gleichspannung $U_L$ ein

* Je größer die Kapazität, umso geglätteter die Gleichspannung * Die Trafospannungen sind Effektivspannungen * Für die Bemessung des Kondensators muss die Spitzenspannung bestimmt werden * Für die Diode ist die Spitzen-Spitzen-Spannung relevant

gegeben: $U_{\mathrm{eff}} = 15 V$
gesucht: $\hat{U}$

$\hat{U} = U_{\mathrm{eff}} \cdot \sqrt{2} = 15 V \cdot 1,41 = 21,21 V$

gegeben: $U_P = 230 V$
gegeben: $ü = 20:1$
gesucht: $\hat{U} + 50 %$

$ü = \frac{U_P}{U_S} \Rightarrow U_S = \frac{U_P}{ü} = \frac{230 V}{20} = 11,5 V$

$\hat{U} = U_S \cdot \sqrt{2} = 11,5 V \cdot 1,41 \approx 16,26 V$

$\hat{U} + 50 % \approx 25 V$

gegeben: $U_P = 230 V$
gegeben: $ü = 5:1$
gesucht: $U_{SS} + 20 %$

$ü = \frac{U_P}{U_S} \Rightarrow U_S = \frac{U_P}{ü} = \frac{230 V}{5} = 46 V$

$\hat{U} = U_S \cdot \sqrt{2} = 46 V \cdot 1,41 \approx 65,05 V$

$U_{SS} + 20 % = 2 \cdot \hat{U} + 20 % \approx 156 V$

Brückengleichrichter

Mit dem folgenden Applet kann man beide Halbperioden getrennt anschauen.

1) Kurzbeschreibung: Schaltplan in rechteckiger Leitungsführung mit horizontalen Leitern und mit jeweils zwei Anschlusspunkten links („~ 230 V“) und rechts (unbeschriftet), dazwischen ein Transformator, ein Brückengleichrichter und eine Spule mit zwei Kondensatoren.
<ol start= — Abbildung EA-7.8.1: Gleichrichterschaltung mit Siebung

* Mit Ladekondensator $C_L$ und LC-Siebglied mit $C_S$ * Kleinere Amplituden der pulsierenden Gleichspannung * Kondensatoren laden sich auf die sekundäre Spitzenspannung auf

gegeben: $U_P = 230 V$
gegeben: $ü = 8:1$
gegeben: $U_D = 0,6 V$
gesucht: $\hat{U}$

$ü = \frac{U_P}{U_S} \Rightarrow U_S = \frac{U_P}{ü} = \frac{230 V}{8} = 28,75 V$

Im Leerlauf kann die Diodenspannung vernachlässigt werden. $\hat{U} = U_S \cdot \sqrt{2} = 28,75 V \cdot 1,41 \approx 40 V$

Schaltnetzteil II

1) Kurzbeschreibung: Schaltplan in rechteckiger Leitungsführung mit jeweils zwei Anschlusspunkten links („230 V“ und Wellenlinie) und rechts (ohne Beschriftung), dazwischen ein Brückengleichrichter; im oberen horizontalen Zweig ein elektronischer Schalter („E“), einem Siebkondensator zum unteren horiontalen Leiter, und einem Transformator; im rechten oberen Teil eine Diode und einem Kondensator zwischen beiden horizontalen Leitern.
<ol start= — Abbildung EA-7.12.1: Prinzipschaltbild Schaltnetzteil

* Elektronischer Schalter E regelt eine konstante Ausgangsspannung * Schaltzeit wird variiert * Schalter ist länger geschlossen $\rightarrow$ mehr Energie zur Lastseite $\rightarrow$ Ausgangsspannung steigt an * Dieses ist der *Impulsbreitenmodulator*

* Trennung der Eingangs- und Ausgangsseite * Hält Störsignale der Schaltung von der Netzspannungseite fern * Andernfalls wirkt das Stromnetz wie eine Antenne

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<p>Zusammenfassung: Blaue Spektrums-/Wasserfallanzeige mit vielen schmalen, senkrechten hellen Streifen und einer gelb markierten Skala am unteren Rand.</p>
<p>Detaillierte Beschreibung: Das Bild zeigt eine rechteckige, farbcodierte Darstellung in überwiegend dunklen Blautönen mit körniger Textur. Über die gesamte Höhe verlaufen zahlreiche schmale, helle vertikale Linien in Cyan bis Türkis; sie sind links und im mittleren Bereich dichter und variieren in Helligkeit und Breite. Rechts sind die Linien insgesamt schwächer und teilweise regelmäßiger verteilt. Über die Breite liegen zusätzlich gleichmäßig verteilte, sehr feine vertikale Hilfslinien. Am äußersten linken Rand ist ein schmaler, dunkler Rot- bis Purpurstreifen sichtbar. Unten verläuft ein dunkler Balken mit gelben Markierungen und Zahlen von 0 bis 1300 (Einheit nicht angegeben); eine vertikale grüne Markierungslinie steht ungefähr bei der 600, weitere grüne Linien sind über die Breite verteilt. Insgesamt wechselt die Helligkeit in den blauen Flächen leicht, wodurch ein unruhiges, rauschähnliches Muster entsteht.">
<figcaption>Abbildung EA-7.12.1: Störspektrum eines Schaltnetzteils</figcaption></p>
</figure>
</div>
</div>
</section>
<section></section>
<section></section>
<section><figure class=

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<ol>
<li>
<p>Kurzzusammenfassung: Schaltplan mit einem gekoppelten Spulenelement „T“ zwischen linken Anschlüssen „L1/PE/N“ und rechten Anschlüssen „L1’/N’“, dazu die Kondensatoren „C1“, „C2“ und „C3“.</p>
</li>
<li>
<p>Detailbeschreibung: Links sind drei Anschlussbezeichnungen mit kleinen Anschlusskreisen: oben „L1“, mittig „PE“ (mit kurzer waagerechter Leitung nach rechts), unten „N“. Zwischen der oberen und unteren linken Leitung liegt ein Kondensator „C1“, als zwei parallele Platten dargestellt; vom mittleren Bereich dieses Symbols führt eine kurze Leitung nach links zu „PE“. Die obere linke Leitung (von „L1“) geht nach rechts, passiert einen Knoten (schwarzer Punkt) und führt zum Anschluss „1“ des mittleren Bauteils „T“. Die untere linke Leitung (von „N“) geht nach rechts, passiert einen Knoten und führt zum Anschluss „3“ von „T“. In der Mitte ist „T“ beschriftet; es zeigt zwei Spulensymbole: oben zwischen „1“ (links) und „2“ (rechts), unten zwischen „3“ (links) und „4“ (rechts). Links neben den Spulen sind zwei schwarze Markierungspunkte. Zwischen den beiden Spulen ist ein kleines, unlabeled Kondensatorsymbol (zwei parallele Platten) gezeichnet. Rechts führen die Anschlüsse „2“ und „4“ jeweils zu einer senkrechten rechten Leitung mit Anschlusskreisen „L1’“ (oben) und „N’“ (unten); an dieser rechten Leitung sind drei Knoten (oben, Mitte, unten). Seitlich an der rechten Leitung sind zwei Kondensatoren eingezeichnet: oben „C2“, unten „C3“, übereinander angeordnet; ihr gemeinsamer Zwischenknoten in der Mitte ist als schwarzer Punkt markiert, von dem eine kurze waagerechte Leitung nach links abgeht und offen endet."></p>
<figcaption>Abbildung EA-7.12.1: Filter am 230V Eingang eines Schaltnetzteils</figcaption>
</li>
</ol>
</figure>
Tiefpassfilter auf Eingangsseite
</left>
<div class=

Spannungsstabilisierung

Beispielsweise bei durch Akku betriebenen Geräten
Empfindliche Baugruppen (z.B. Oszillatoren) würden die Frequenz ändern
Abhilfe: Spannungsstabilisierung

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<p>Schaltplan zeigt eine Spannungsquelle mit +13,8 V und 0 V. Ein Widerstand ( R_V ) ist in Reihe geschaltet. Ein Zener-Diode ist parallel zu einem anderen Widerstand ( R_L ) verbunden. Die Ströme ( I_Z ) durch die Diode und ( I_L ) durch den Widerstand ( R_L ) sind mit Pfeilen markiert.">
<figcaption>Abbildung EA-7.13.1: Spannungsstabilisierung mit Z-Diode</figcaption></p>
</figure>
</div>
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Lösungsweg

gegeben: $R_L = 470 Ω$
gegeben: $I_L = 10 mA$
gegeben: $I_Z = 15 mA$
gegeben: $U_{\mathrm{in}} = 13,8 V$
gesucht: $\eta = \frac{P_L}{P_{\mathrm{in}}}$

$P_L = I_L^2 \cdot R_L = (10 mA)^2 \cdot 470 Ω = 47 mW$

$P_{\mathrm{in}} = U_{\mathrm{in}} \cdot I_{\mathrm{in}} = U_{\mathrm{in}} \cdot (I_Z + I_L) = 13,8 V \cdot (15 mA + 10 mA) = 345 mW$

$\eta = \frac{P_L}{P_{\mathrm{in}}} = \frac{47 mW}{345 mW} \approx \num{0,14}$

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<p>Ein Schaltplan zeigt mehrere elektrische Bauteile: Ein Widerstand mit der Beschriftung "470Ω", eine Zenerdiode mit "5,6V", ein Transistor, und ein Kondensator mit "47μF" und einem positiven Pol. Weiterhin gibt es einen anderen Widerstand mit der Beschriftung "1kΩ". Die Schaltung verbindet Verbindungspunkte A und B.">
<figcaption>Abbildung EA-7.13.1: Schaltbild eines linearen Spannungsreglers</figcaption></p>
</figure>
</div>
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gegeben: $U_{\mathrm{in}} = 13,8 V$
gegeben: $U_{\mathrm{out}} = 9 V$
gegeben: $I = 900 mA$
gesucht: $P_V$

$U_{IC1} = U_{\mathrm{in}} - U_{\mathrm{out}} = 13,8 V - 9 V = 4,8 V$

$P_V = U_{IC1} \cdot I = 4,8 V \cdot 900 mA = 4,32 W$

gegeben: $U_{\mathrm{in}} = 13,8 V$
gegeben: $U_{\mathrm{out}} = 5 V$
gegeben: $I_{\mathrm{in}} = 455 mA$
gegeben: $I_{\mathrm{out}} = 450 mA$
gesucht: $\eta$

$\eta = \frac{P_{\mathrm{out}}}{P_{\mathrm{in}}} = \frac{U_{\mathrm{out}} \cdot I_{\mathrm{out}}}{U_{\mathrm{in}} \cdot I_{\mathrm{in}}} = \frac{5 V \cdot 450 mA}{13,8 V \cdot 455 mA} \approx \num{0,36}$

1) Kurzbeschreibung: Schaltplan mit zwei parallelen horizontalen Leitern; beide mit Anschlusspunkten an beiden Enden; unterer horizontaler Leiter an Masse liegend; im oberen horizontalen Leiter Baustein „IC1“ mit Verbindung zum unteren horizontalen Leiter; links und rechts davon eine vertikale Verbindung zwischen beiden horizontalen Leitern mit jeweils einem Kondensator; zwischen den Anschlusspunkten links ein vertikaler Pfeil nach unten („U_E“), rechts ein vertikaler Pfeil nach unten („U_A“).
<ol start= — Abbildung EA-7.13.1: Festspannungsregler

* Ausgelegt als IC * Arbeiten wie linare Spannungsregler mit sehr genauer Spannungsreferenzquelle und optimaler elektronischer Regelung * Auch bei starker Schwankung auf der Eingangsseite ist die Ausgangsseite sehr stabil

gegeben: $U_{\mathrm{in}} = 13,8 V$
gegeben: $U_{\mathrm{out}} = 5 V$
gegeben: $R_L = 10 Ω$
gesucht: $P_V$

$I = \frac{U_{\mathrm{in}}}{R_L} = \frac{5 V}{10 Ω} = 500 mA$

$U_{IC1} = U_{\mathrm{in}} - U_{\mathrm{out}} = 13,8 V - 5 V = 8,8 V$

$P_V = U_{IC1} \cdot I = 8,8 V \cdot 500 mA = 4,4 W$

flink	F	max. $30 ms$
mittelträge	MT	max. $90 ms$
träge	T	max. $300 ms$

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