Übungsaufgaben zur Energieversorgung eines Geräts

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Bauplan: Halte Dich an Aufbau, Kompetenzstufen, Operatoren,
Anforderungsbereiche, Punkte und Zeitschätzung, die im Artikel
https://oer-informatik.de/aufgaben-aufbau beschrieben sind.

Fachliche Grundlage:
- https://oer-informatik.de/energieversorgung-planen
- https://oer-informatik.de/linearregler
- https://oer-informatik.de/schaltregler-dcdc
- https://oer-informatik.de/verlustleistung-kuehlung
- Stilbeispiel: https://oer-informatik.de/energieversorgung-planen-uebungsaufgaben

Die Aufgaben sollen Inhalte zu diesen Schlagwörtern abdecken:
- Energieversorgung
- Hutschienennetzteil
- Kleinsteuerung
- Labornetzgerät
- Steckernetzteil
- Leistungsbilanz
- Betriebsspannung
- Schutzklasse III
- Schutzkleinspannung
- IP-Code

Kompetenzstufe: Basiskompetenz (alternativ: Kernkompetenz, Profilkompetenz, Expertise)
Anzahl: 1 Aufgabe mit Teilaufgaben
Bearbeitungszeit in Minuten ca.: <5 bis 30 min>
Szenario: eines der Szenarien aus dem Bauplan

Vorgehen:
1. Lies zuerst die verlinkten Artikel. Kannst Du keine Webseiten
   abrufen, sag mir das, statt zu raten.
2. Steht bei einer Angabe noch ein Platzhalter in <…>, frag mich
   zuerst danach. Richte Punkte und Zahl der Teilaufgaben nach der
   Bearbeitungszeit (ca. 0,9 min je Punkt).
3. Gib je Aufgabe Titel mit Kompetenzstufe, Ausgangssituation und
   Teilaufgaben mit Operator und Punktzahl aus, dazu die geschätzte
   Bearbeitungszeit.
4. Gib die Beispiellösungen mit Punkteverteilung erst aus, wenn ich
   danach frage.

Geg.: Steuerkreis 24\ \mathrm{V} DC im Schaltschrank mit Kleinsteuerung, Gebern und Aktoren; Verbraucher laut Tabelle

Ges.: Betriebsmittel, zwei Auswahlmerkmale

Ein Hutschienennetzteil 230\ \mathrm{V} AC / 24\ \mathrm{V} DC (Stromversorgung für die Tragschiene) (1 Punkt).

Merkmale (je 0,5 Punkte, zwei genügen), z. B.:

• Nennstrom bzw. Nennleistung am Ausgang mit Reserve, ggf. Spitzenleistungsreserve für Einschaltströme,

• Eingangsspannungsbereich (z. B. 100 \dots 240\ \mathrm{V} AC),

• sichere Trennung (SELV/PELV-Ausgang),

• Wirkungsgrad und Wärmeabgabe im Schaltschrank,

• Signalkontakt „DC OK“, Baubreite auf der Tragschiene.

Ges.: I_\mathrm{ges}

Die Ströme der Magnetventile und der Signalleuchte folgen aus der Leistung:

\begin{aligned} &\text{(I)} && P = U \cdot I \\ &\text{(II)} && I_\mathrm{ges} = I_\mathrm{St} + 8 \cdot I_\mathrm{NS} + 2 \cdot I_\mathrm{MV} + I_\mathrm{SL} \end{aligned}

I umgestellt:

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} P & = & U \cdot I & \color{gray}{: U} \\ I & = & \frac{P}{U} & \\ I_\mathrm{MV} & = & \frac{6{,}5\ \mathrm{W}}{24\ \mathrm{V}} \approx 0{,}271\ \mathrm{A} & \\ I_\mathrm{SL} & = & \frac{2{,}4\ \mathrm{W}}{24\ \mathrm{V}} = 0{,}100\ \mathrm{A} & \end{array}

Ströme der Lasten 1 Punkt. Eingesetzt in II:

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} I_\mathrm{ges} & = & 0{,}120\ \mathrm{A} + 8 \cdot 0{,}012\ \mathrm{A} + 2 \cdot 0{,}271\ \mathrm{A} + 0{,}100\ \mathrm{A} \approx \underline{\underline{0{,}858\ \mathrm{A}}} & \end{array}

Summe mit allen Verbrauchern 2 Punkte (1 Punkt Abzug, wenn die Anzahl der Näherungsschalter oder Ventile fehlt).

Mit gerundeten Zwischenergebnissen ergibt sich: 0{,}120\ \mathrm{A} + 0{,}096\ \mathrm{A} + 0{,}542\ \mathrm{A} + 0{,}100\ \mathrm{A} = 0{,}858\ \mathrm{A}.

Ohne gerundete Zwischenergebnisse ergibt sich: I_\mathrm{ges} = 0{,}120\ \mathrm{A} + 0{,}096\ \mathrm{A} + 13\ \mathrm{W} : 24\ \mathrm{V} + 0{,}100\ \mathrm{A} \approx 0{,}858\ \mathrm{A} (gleiches Ergebnis).

Geg.: Reserve 25\ \%; Baugrößen 1{,}3\ \mathrm{A}, 2{,}5\ \mathrm{A}, 5\ \mathrm{A}

Ges.: I_\mathrm{N,min}, Baugröße

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} I_\mathrm{N,min} & = & 1{,}25 \cdot I_\mathrm{ges} = 1{,}25 \cdot 0{,}858\ \mathrm{A} \approx \underline{\underline{1{,}07\ \mathrm{A}}} & \end{array}

Gewählt wird das Netzteil mit 1{,}3\ \mathrm{A}, die kleinste Baugröße über 1{,}07\ \mathrm{A}. Rechnung 1 Punkt, Auswahl 1 Punkt. Sollen die Ventile beim Einschalten deutlich mehr Strom ziehen oder ist eine Erweiterung der Strecke absehbar, ist auch 2{,}5\ \mathrm{A} vertretbar, wenn es begründet wird.

Geg.: \eta = 0{,}88

Ges.: P_\mathrm{zu}

\begin{aligned} &\text{(I)} && P_\mathrm{ab} = U \cdot I_\mathrm{ges} \\ &\text{(II)} && \eta = \frac{P_\mathrm{ab}}{P_\mathrm{zu}} \end{aligned}

II umgestellt, I in II:

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} \eta & = & \frac{P_\mathrm{ab}}{P_\mathrm{zu}} & \color{gray}{\cdot P_\mathrm{zu}} \\ \eta \cdot P_\mathrm{zu} & = & P_\mathrm{ab} & \color{gray}{: \eta} \\ P_\mathrm{zu} & = & \frac{U \cdot I_\mathrm{ges}}{\eta} & \\ P_\mathrm{ab} & = & 24\ \mathrm{V} \cdot 0{,}858\ \mathrm{A} \approx 20{,}6\ \mathrm{W} & \\ P_\mathrm{zu} & = & \frac{20{,}6\ \mathrm{W}}{0{,}88} \approx \underline{\underline{23{,}4\ \mathrm{W}}} & \end{array}

P_\mathrm{ab} 1 Punkt, P_\mathrm{zu} 1 Punkt.

Mit gerundeten Zwischenergebnissen ergibt sich: P_\mathrm{zu} \approx 23{,}4\ \mathrm{W}.

Ohne gerundete Zwischenergebnisse ergibt sich: P_\mathrm{zu} = 24\ \mathrm{V} \cdot 0{,}8577\ \mathrm{A} : 0{,}88 \approx 23{,}4\ \mathrm{W} (gleiches Ergebnis).

Ges.: geeignete Quelle mit Begründung

Geeignet ist (B), das Labornetzgerät: Es lässt sich auf 24\ \mathrm{V} DC einstellen, liefert genug Strom für Steuerung, Näherungsschalter und Ventil (etwa 0{,}12\ \mathrm{A} + 0{,}012\ \mathrm{A} + 0{,}271\ \mathrm{A} \approx 0{,}4\ \mathrm{A}), und mit der Strombegrenzung (z. B. auf 0{,}6\ \mathrm{A}) richtet ein Verdrahtungsfehler im Testaufbau keinen großen Schaden an (1 Punkt).

Nicht geeignet (2 Punkte für alle drei Begründungen):

• (A) Die 9-V-Blockbatterie liefert zu wenig Spannung und könnte den Ventilstrom nicht lange liefern.

• (C) Das USB-Steckernetzteil liefert nur 5\ \mathrm{V}; die 24-V-Betriebsmittel arbeiten damit nicht.

• (D) Der Steuertransformator liefert Wechselspannung; Kleinsteuerung, Näherungsschalter und Ventil sind für Gleichspannung ausgelegt. Außerdem hat er keine einstellbare Strombegrenzung.

Geg.: Gerät im Gewächshaus mit 3{,}3\ \mathrm{V}, 5\ \mathrm{V}, 24\ \mathrm{V}; geplant: externes Steckernetzteil 24\ \mathrm{V} DC

Ges.: je zwei Vor- und Nachteile eines eingebauten Netzteils, Entscheidung

Je Vor- bzw. Nachteil 0,5 Punkte (zusammen 2 Punkte), z. B.:

• Vorteile eingebaut: nur ein Netzkabel, kein Steckernetzteil, das verloren geht oder vertauscht wird; keine Steckdose in der Nähe nötig, wenn ohnehin eine Netzleitung verlegt wird; ordentliches Erscheinungsbild; Weitbereichseingang für alle Länder.

• Nachteile eingebaut: Im Gerät liegt Netzspannung, in der feuchten Umgebung ein höheres Risiko; Schutzklasse I oder II mit Isolation, Luft- und Kriechstrecken, Netzsicherung und eigener Sicherheits- und EMV-Prüfung durch den Hersteller; die Verlustwärme bleibt im dichten Gehäuse; ein Defekt am Netzteil erfordert das Öffnen des Geräts durch eine Elektrofachkraft.

Entscheidung mit Begründung (2 Punkte), z. B.: Das externe Steckernetzteil ist hier die bessere Lösung, weil im Gewächshaus nur Schutzkleinspannung am Gerät liegt (Schutzklasse III), das zugelassene Netzteil die Sicherheitsprüfung mitbringt, in einer trockenen Steckdose außerhalb des Spritzbereichs sitzen kann und sich ohne Öffnen des Geräts tauschen lässt. Eine begründete Entscheidung für das eingebaute Netzteil wird ebenfalls gewertet, wenn die Sicherheitsmaßnahmen genannt werden.

Geg.: I_{3,3} = 120\ \mathrm{mA}, I_\mathrm{SA} = 180\ \mathrm{mA}, I_\mathrm{Rel} = 25\ \mathrm{mA}; Schaltregler \eta = 0{,}85; LDO mit I_\mathrm{zu} \approx I_\mathrm{ab}

Ges.: P_\mathrm{V,LDO}, P_\mathrm{zu,SR}, I_{24}

LDO: Er nimmt denselben Strom auf, den er abgibt; die Spannungsdifferenz wird zu Wärme:

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} P_\mathrm{V,LDO} & = & (U_\mathrm{E} - U_\mathrm{A}) \cdot I_{3,3} = (5\ \mathrm{V} - 3{,}3\ \mathrm{V}) \cdot 0{,}120\ \mathrm{A} = \underline{\underline{0{,}204\ \mathrm{W}}} & \end{array}

(1 Punkt)

5-V-Ebene und Schaltregler: Auf der 5-V-Ebene hängen die Sensoren mit Anzeige und der LDO:

\begin{aligned} &\text{(I)} && P_5 = U_5 \cdot (I_\mathrm{SA} + I_{3,3}) \\ &\text{(II)} && \eta = \frac{P_5}{P_\mathrm{zu,SR}} \end{aligned}

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} P_5 & = & 5\ \mathrm{V} \cdot (0{,}180\ \mathrm{A} + 0{,}120\ \mathrm{A}) = 1{,}50\ \mathrm{W} & \\ \eta & = & \frac{P_5}{P_\mathrm{zu,SR}} & \color{gray}{\cdot P_\mathrm{zu,SR}} \\ \eta \cdot P_\mathrm{zu,SR} & = & P_5 & \color{gray}{: \eta} \\ P_\mathrm{zu,SR} & = & \frac{P_5}{\eta} = \frac{1{,}50\ \mathrm{W}}{0{,}85} \approx \underline{\underline{1{,}76\ \mathrm{W}}} & \end{array}

(P_5 1 Punkt, P_\mathrm{zu,SR} 1 Punkt)

24-V-Ebene: Schaltregler und Relais hängen am Steckernetzteil:

\begin{aligned} &\text{(I)} && I_\mathrm{SR} = \frac{P_\mathrm{zu,SR}}{U_{24}} \\ &\text{(II)} && I_{24} = I_\mathrm{SR} + I_\mathrm{Rel} \end{aligned}

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} I_\mathrm{SR} & = & \frac{1{,}76\ \mathrm{W}}{24\ \mathrm{V}} \approx 0{,}0733\ \mathrm{A} & \\ I_{24} & = & 0{,}0733\ \mathrm{A} + 0{,}025\ \mathrm{A} \approx \underline{\underline{0{,}0983\ \mathrm{A}}} & \end{array}

(I_\mathrm{SR} 1 Punkt, I_{24} 1 Punkt)

Mit gerundeten Zwischenergebnissen ergibt sich: I_{24} \approx 0{,}0983\ \mathrm{A} = 98{,}3\ \mathrm{mA}.

Ohne gerundete Zwischenergebnisse ergibt sich: I_{24} = 1{,}5\ \mathrm{W} : 0{,}85 : 24\ \mathrm{V} + 0{,}025\ \mathrm{A} \approx 0{,}0985\ \mathrm{A} = 98{,}5\ \mathrm{mA}.

Zusammengefasst:

Ges.: Beurteilung Linearregler 24\ \mathrm{V} \to 5\ \mathrm{V}

Ein Linearregler nimmt den Strom der 5-V-Ebene (0{,}300\ \mathrm{A}) auch aus den 24\ \mathrm{V} auf:

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} P_\mathrm{V,LR} & = & (24\ \mathrm{V} - 5\ \mathrm{V}) \cdot 0{,}300\ \mathrm{A} = \underline{\underline{5{,}70\ \mathrm{W}}} & \\ P_\mathrm{V,SR} & = & P_\mathrm{zu,SR} - P_5 = 1{,}76\ \mathrm{W} - 1{,}50\ \mathrm{W} \approx \underline{\underline{0{,}265\ \mathrm{W}}} & \end{array}

(Rechnung 1 Punkt; ohne gerundete Zwischenergebnisse 1{,}7647\ \mathrm{W} - 1{,}5\ \mathrm{W} \approx 0{,}265\ \mathrm{W}.)

Der Linearregler würde mehr als zwanzigmal so viel Wärme erzeugen wie der Schaltregler – fast viermal so viel, wie die ganze 5-V-Ebene verbraucht. In dem dichten Gehäuse ohne Lüftung bräuchte er einen Kühlkörper, und das Netzteil müsste mehr als dreimal so viel Strom liefern. Der Vorschlag ist deshalb abzulehnen; der LDO lohnt sich nur für den kleinen Schritt von 5\ \mathrm{V} auf 3{,}3\ \mathrm{V} (1 Punkt).

Ges.: Steckernetzteil mit Begründung

Gewählt wird 24\ \mathrm{V}/0{,}25\ \mathrm{A} (1 Punkt): Die Spannung passt zur 24-V-Ebene, an der das Relais direkt hängt. Der Bedarf von etwa 0{,}0985\ \mathrm{A} mit 25\ \% Reserve (\approx 0{,}123\ \mathrm{A}) liegt sicher darunter; es bleibt auch Luft für den Einschaltstrom (1 Punkt).

Die anderen scheiden aus: 12\ \mathrm{V} ist zu wenig für das 24-V-Relais; 24\ \mathrm{V}/0{,}1\ \mathrm{A} wäre ohne jede Reserve fast voll ausgelastet; 24\ \mathrm{V}/1{,}5\ \mathrm{A} funktioniert, ist aber unnötig groß (Kosten, Baugröße, Leerlaufverluste).

Ges.: Beurteilung Spartransformator mit Gleichrichter; Schutzwirkung Schutzklasse III

Ein Gerät der Schutzklasse III hat weder Schutzleiter noch doppelte Isolierung. Es ist nur deshalb sicher, weil es ausschließlich mit Schutzkleinspannung (SELV) betrieben wird: Die Spannung ist klein genug (höchstens 50\ \mathrm{V} AC bzw. 120\ \mathrm{V} DC), dass auch beim Berühren aktiver Teile kein gefährlicher Körperstrom fließt, und sie ist vom Netz sicher getrennt, sodass auch bei einem Fehler keine Netzspannung in den Kleinspannungskreis gelangt (2 Punkte).

Der Spartransformator erfüllt die zweite Bedingung nicht: Ein- und Ausgangswicklung sind leitend verbunden, der Ausgang führt Netzpotenzial gegen Erde, und bei einer Unterbrechung im Wicklungsteil kann die volle Netzspannung am Ausgang liegen. Der Ersatz ist deshalb unzulässig; als Ersatz kommt nur ein Netzteil mit SELV-Ausgang (bzw. ein Sicherheitstransformator mit Gleichrichter) in Frage (1 Punkt).

Ges.: Schutzart mit Bedeutung der Ziffern

Gewählt wird IP65 (1 Punkt).

• Erste Ziffer 6: staubdicht – kein Staub von Erde und Dünger dringt ein (1 Punkt).

• Zweite Ziffer 5: Schutz gegen Strahlwasser aus beliebiger Richtung – das Abspritzen der Tische mit dem Schlauch schadet nicht (1 Punkt).

IP44 und IP54 schützen nur gegen Spritzwasser, IP20 gar nicht gegen Wasser. Für Kabeleinführungen und Steckverbinder gilt dieselbe Schutzart.

Ges.: zwei Maßnahmen für Reparaturfreundlichkeit

Je Maßnahme 1 Punkt, z. B.:

• Gehäuse verschraubt statt verklebt, mit Standardwerkzeug zu öffnen; Dichtung austauschbar.

• Steckernetzteil, Sensoren und Relais über Steckverbinder oder Klemmen angeschlossen, damit sie ohne Löten getauscht werden können.

• Verschleiß- und Ersatzteile (Netzteil, Relais, Sensoren) als Standardteile oder vom Hersteller lange lieferbar; Schaltplan und Reparaturanleitung verfügbar.

• Modularer Aufbau: Funkmodul und Mikrocontroller auf eigener Platine, Firmware-Aktualisierung ohne Hindernisse.