Author Topic: ET Klausur 2008 Aufgabe 7 OPV  (Read 6302 times)

fgh

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ET Klausur 2008 Aufgabe 7 OPV
« on: February 14, 2009, 08:41:04 pm »
Hallo, ich habe leider feststellen müssen,
dass ich trotz Lösung mir keinen Reim auf die Teilaufgabe C und D.
der 7. Aufgabe 2008 machen kann.
Könnte mir bitte jemand eine ausführliche Erklärung liefern?
thx

fgh

Hochbett

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ET Klausur 2008 Aufgabe 7 OPV
« Reply #1 on: February 15, 2009, 05:02:12 am »
Quote from: fgh
Hallo, ich habe leider feststellen müssen,
dass ich trotz Lösung mir keinen Reim auf die Teilaufgabe C und D.
der 7. Aufgabe 2008 machen kann.
Könnte mir bitte jemand eine ausführliche Erklärung liefern?
thx

Hallo,

ich hoffe, die Berechnung ist ausführlich genug. Normalerweise faßt man viele Schritte im Kopf zusammen, wenn man bei den OPV-Aufgaben Übung hat.

Aufgabe C)
-------------

der Ausgangspunkt der Überlegungen ist:
Am (+)Eingang von OPV2 herrscht Massepotential.

Begründung:
Beide OPV sind in Gegenkopplung betrieben. Das erkennst Du daran, daß bei jedem OPV der Ausgang mit dem (-)Eingang verbunden ist. Die Folge davon ist, daß die Spannung vom (+)Eingang zum (-)Eingang jeweils zu Null geregelt wird.
Und jetzt hangeln wir uns von unten nach oben durch:
Das (+) von OPV1 ist an der Masse angeschlossen.  Wegen der Gegenkopplung von OPV1 ist auch der (-)Eingang von OPV1 auf Masse. Da S1 geschlossen ist, hat auch der (+)Eingang von OPV2 Massepotential und wegen der Gegenkopplung von OPV2 hat folglich der (-)Eingang von OPV2 Massepotential.


Dieses Massepotential nutzen wir jetzt zur Berechnung:

- Die Spannung U1 geht vom oberen Ende der Spannungsquelle nach unten zur Masse. Da am (-)Eingang von OPV2 auch Massepotential ist, liegt U1 auch über R1 an.

Also gilt:
I1 = U1/R1                                (I1 von links nach rechts)

- Die Ausgangsspannung Ua1 geht vom Ausgang von OPV2 zur Masse. Da am (-)Eingang aber auch Massepotential ist, geht Ua1 auch vom Ausgang zum (-)Eingang. Über diesen Weg kannst Du Ua1 mithilfe von Bauelementegleichungen schreiben:

Ua1 = (R4 + jwL)*(-I4)               (I4 von links nach rechts, -I4 also von rechts nach links)


- Jetzt mußt Du noch nutzen, daß der OPV-Eingang hochohmig ist (d. h. es fließt kein Strom in den Eingang oder hinaus):

Also gilt:
I1=I4

Die Formeln kannst Du schrittweise ineinander einsetzen:

Ua1 = (R4 + jwL) * (-I4)
       = (R4 + jwL) * (-I1) =
       = (R4 + jwL) * (-1) * (U1/R1)

                       R4 + jwL
Ua1/U1 = -   -----------------
                          R1



Aufgabe D)
--------------

Die erste Formel ist einfach. Du gehst von der Basis des Pfeiles Ud zu seiner Spitze, und zwar über Ua2, die Masse an Ua2, die Masse bei Ua1 und entgegen dem Pfeilsinn entlang Ua1.
Es kommt heraus: Ud = Ua2 - Ua1
Die zweite Formel ist zum Einsetzen.



Grüße vom Hochbett



PS: Nimm die Aufgabe nicht zu ernst. Du kannst an ihr die Grundgleichungen üben; das war's dann aber auch. Aus Sicht der Praxis ist die Schaltung kompletter Unsinn. Sie kann insofern als ein gutes Beispiel dafür dienen, wie man Prüfungsaufgaben nach Möglichkeit nicht stellen sollte.

Begründung:
1) Die Dimensionierung der Bauteile ist sehr unrealistisch:
Es fängt bei den 5 Ohm Eingangswiderstand an. 5 Ohm ist nahezu ein Kurzschluß. Übliche Signalgeneratoren haben Innenwiderstände von 50 Ohm. Daher wird in der Praxis kaum ein Signal am OPV ankommen.
Nun sagt die Aufgabenstellung, daß eine ideale Spannungsquelle vorliegt. Aufgrund des kleinen Eingangswiderstandes fließt dementsprechend ein hoher Eingangsstrom. In Aufgabenteil b) berechnest Du I2=1A. Dieser Strom führt zu einer Wärmeleistung von 25W an R3. Das ist die halbe Leistung, die ein Laptop verbraucht. Und diese Leistung soll dann auch noch ein OPV liefern.
Zum Vergleich: Übliche Widerstände für elektronische Schaltungen vertragen 0,25W, und typische Operationsverstärker können 20mA liefern.
Von der Firma Apex gibt es aber tatsächlich Operationsverstärker, die derartige Leistungen im Notfall liefern können. Die Leistung hat allerdings auch ihren Preis von mehreren Hundert Euro (statt üblicher 0,1€-5€ für Operationsverstärker).
Die dargestellte Schaltung kann also nur unter großer Mühe überhaupt hergestellt werden und ist dann vor allen Dingen eine Heizung. Nun sagen Dozenten ja immer, man solle die Größenordnung der Ergebnisse werten. Hier kann ich mir gut vorstellen, daß jemand sein "richtiges" Ergebnis wieder durchgestrichen hat, weil er es richtigerweise für kompletten Unsinn gehalten hat.

2) Die Schaltung erzeugt unerwünschtes Übersprechen:
Der (+)Eingang von OPV2 wird zu einer virtuellen Masse geschaltet. Damit soll einerseits vorgetäuscht werden, daß beide OPV-Schaltungen miteinander verkoppelt sind. Die Lernenden sollen sich mit der Schaltung beschäftigen und ihren anfänglichen "Irrtum" durch ihre Rechnungen widerlegen. Das Hilfsmittel bei der Rechnung ist, daß die virtuelle Masse auch nur GND-Potential hat. Soweit die "pädagogische" Überlegung.

Der pädagogische Anstrich verliert sofort seinen Glanz, wenn man sich die tatsächlichen Verhältnisse vor Augen führt:  
Virtuelle Massen weisen in der Praxis immer einen Spannungsoffset und signalabhängige Potentialschwankungen auf (virtueller Ground = nur ungefährer Ground). Die Bezugnahme auf die virtuelle Masse führt daher zu einem unerwünschten  Übersprechen zwischen den Kanälen. Das heißt: Die Schaltungen sind eben doch miteinander verkoppelt. Der scheinbare "Irrtum", den die Studenten durch ihre Rechnungen widerlegen sollten, ist in Wirklichkeit gar kein Irrtum. Kein Schaltungsdesigner würde ohne große Not eine solche Verkopplung durchführen. Also gehört es auch nicht in die Grundlagenausbildung.
Der (+)Eingang von OPV2 sollte stattdessen an die tatsächliche Masse angeschlossen werden.

3) Ganz ähnlich verhält es sich mit Schalter S1. Der Schalter ist komplett unnötig:
Wenn man nicht gerade Störungen erzeugen will, so muß er in der Praxis nämlich immer geschlossen sein. Denn wäre S1 offen, so wäre das Potential am (+)Eingang von OPV2 unbestimmt. Der OPV2-Ausgang neigt dann zu heftigen Schwingungen von +Umax nach -Umax. Das verursacht Signalstörungen, die über die Versorgungsleitungen an die anderen auf der Schaltung befindlichen Bauelemente übertragen werden.

4) Im Vergleich dazu klein ist die seltsame Namensgebung: U1 liegt an OPV2 an und U2 an OPV1.

fgh

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ET Klausur 2008 Aufgabe 7 OPV
« Reply #2 on: February 15, 2009, 04:02:34 pm »
Salut,
erstmal danke schön für die Antwort.

Aber ich meinte eigentlich die Arbeit vom SS 2008.
Und mir ging es im wesentlichen um den Drehwinkel phi und wie ich auf diese Formel komme die in der Lösung genannt wird.

mfg fgh:)

lilalori

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ET Klausur 2008 Aufgabe 7 OPV
« Reply #3 on: February 16, 2009, 08:53:39 am »
tan(phi) = Im(Z)/Re(Z)
also hier: phi=arctan( wL/R) mit R=R4

Hochbett

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ET Klausur 2008 Aufgabe 7 OPV
« Reply #4 on: February 17, 2009, 03:27:46 am »
Quote from: fgh
Salut,
erstmal danke schön für die Antwort.

Aber ich meinte eigentlich die Arbeit vom SS 2008.
Und mir ging es im wesentlichen um den Drehwinkel phi und wie ich auf diese Formel komme die in der Lösung genannt wird.


Also irgendwas hast Du mit den Zahlen oder mit den Jahreszeiten. Oder mit beiden. Oder ich brauche jetzt ne Brille. Zumindest finde ich kein tan(phi).

Aufgabe 7, Sommersemester 2008: OPV
Aufgabe 7, Wintersemester 07/08: OPV
Aufgabe 7, Sommersemester 2007: OPV
Aufgabe 7, Wintersemester 06/07: OPV

Weißt Du mehr als alle anderen? Vielleicht meinst Du ja Aufgabe 7, WS 08/09? :-p


Grüße von unter dem Hochbett

rudelmops

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ET Klausur 2008 Aufgabe 7 OPV
« Reply #5 on: February 17, 2009, 04:32:20 pm »
Moin!

hab ne frage zur 2 b) der et klausur ws 07/08. mit dem überlagerungssatz möchte ich die spannung Uab ausrechnen. Uab setz sich ja aus den zwei teilspannungen zusammen, die man durch eliminieren der jeweiligen stromquelle erhält. wenn ich die stromquelle Iq2 eliminiere (Ri=unendlich) müsste doch der innenwiderstand für Iq1 R1 parallel zu R2+R3 sein, oder sehe ich das falsch? denn in der lösung steht was anderes.

MRT83

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ET Klausur 2008 Aufgabe 7 OPV
« Reply #6 on: February 17, 2009, 10:09:35 pm »
Das mit dem Innenwiderstand stimmt schon so.
Aber dann musst du ja immer noch U_ABL ausrechnen (U_ABL1 ist nicht Iq1*Ri !)

Du hast also Uq1=Iq1*R1||(R2+3)

Und da UABL das gleiche Potential ist, das über R2 abfällt kommst du jetzt über die Spannungsteilerregel (und den Maschensatz) auf

U_ABL1=Uq1*R2/(R2+R3)=Iq1*R1*R2/(R2+R3+R1)

wie in der Lösung.

Einfach gehts allerdings direkt über die Stromteilregel

Strom über Widerstand R2 ist dann

I2=Iq1*R1/(R1+R2+R3)

Und U2=U_ABL=I2*R2=Iq1*R1*R2/(R1+R2+R3)

Hoffe ich konnte dir helfen.

(und ich verspreche nächstes mal TeX zu benutzen :whistling: )

Hochbett

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ET Klausur 2008 Aufgabe 7 OPV
« Reply #7 on: February 17, 2009, 10:49:45 pm »
Quote from: rudelmops
Moin!

hab ne frage zur 2 b) der et klausur ws 07/08. mit dem überlagerungssatz möchte ich die spannung Uab ausrechnen. Uab setz sich ja aus den zwei teilspannungen zusammen, die man durch eliminieren der jeweiligen stromquelle erhält. wenn ich die stromquelle Iq2 eliminiere (Ri=unendlich) müsste doch der innenwiderstand für Iq1 R1 parallel zu R2+R3 sein, oder sehe ich das falsch? denn in der lösung steht was anderes.

Das hast Du soweit richtig gesehen: Wenn Du Iq2=0 setzt, fließt Iq1 durch R1 || (R3 + R2).
Damit kannst Du die Spannung U1 am Widerstand R1 (Pfeil von oben nach unten) wie folgt ausrechnen:

[latex]
U_1 = I_{q1} \cdot \frac{R_1 \cdot (R_3 + R_2)}{R_1 + (R_3 + R_2}}
[/latex]

Die Hilfsregel "Produkt durch Summe" für zwei parallele Widerstände kennst Du ja wahrscheinlich.

Die gesuchte Spannung [latex]U_a[/latex] ist ein Anteil der Spannung [latex]U_1[/latex]. Diesen Anteil berechnest Du über den Spannungsteiler:

[latex]
U_a = \frac{R_2}{R_2+R_3} U_1 = I_{q1} \cdot \frac{R_2}{R_2+R_3} \frac{R_1 \cdot (R_3 + R_2)}{R_1 + (R_3 + R_2)}
[/latex]

und hier kürzt sich [latex]R_2 + R_3[/latex]. Daher findest Du den Term nicht mehr in der Lösung wieder.


Grüße vom Hochbett

rudelmops

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ET Klausur 2008 Aufgabe 7 OPV
« Reply #8 on: February 18, 2009, 05:06:54 pm »
Hallo!

erstmal danke für die antworten. dann hab ich noch eine frage zum drehstrom. das netz wird ja 230v/400V betrieben. wie ist es nun mit den spannungen? ist 400V die spannung zwischen 2 leitern und 230V die spannung zwischen leiter und neutralleiter?

danke

uetzenknueff

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ET Klausur 2008 Aufgabe 7 OPV
« Reply #9 on: February 18, 2009, 05:12:17 pm »
ja rudelmops genau so! 400/wurzel3=230
grüße