Übungsaufgaben zu Leiterwiderstand, Spannungsfall und Temperaturabhängigkeit
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Leiterwiderstand, Leiterbahn, Spannungsfall, Leiterquerschnitt, Übergangswiderstand, Temperaturbeiwert, Kupferwicklung, Pt100, Silizium-Temperatursensor, Stromschleife, Übungsaufgaben, Prüfungsvorbereitung
tl/dr; (Bearbeitungszeit insgesamt 62 min, mehrere Aufgaben): Vier Übungsaufgaben zu Leiterwiderstand, Spannungsfall und Temperaturabhängigkeit – vom Widerstand einer Leiterbahn und eines Spulendrahts über Spannungsfall, Querschnittswahl und heiße Klemmstellen bis zu erwärmten Wicklungen, Heizwiderständen, Glühlampen, Pt100 und Silizium-Sensoren an langen Messleitungen. Zu jeder Teilaufgabe lässt sich eine Beispiellösung einblenden [AI-Assisted]. (Zuletzt geändert am 11.11.2026)
Diese Übungsaufgaben gehören zum Artikel Leiterwiderstand, Spannungsfall und Temperaturabhängigkeit von Widerständen. Die Grundlagen zu Ohmschem Gesetz und Reihenschaltung findest Du im Artikel Der Gleichstromkreis.
Hinweise zur Bearbeitung: Bis zur Teil-1- bzw. Zwischenprüfung der Elektroberufe solltest Du die Basiskompetenz beherrschen, also Aufgabe 1.1, Aufgabe 1.2 und Aufgabe 1.3. Als EGS oder IEGS musst Du zur Teil-2- bzw. Abschlussprüfung Aufgaben auf Kernkompetenz-Ebene lösen können, das ist Aufgabe 2.1. Die Beispiellösungen sind immer gleich aufgebaut: Unter Geg. steht, was gegeben ist (bei mehreren Teilaufgaben gemeinsam in der ersten), unter Ges., was gesucht ist. Jede Formel steht zuerst in ihrer Grundform; Umstellungen sind Äquivalenzumformungen, deren Rechenschritt grau rechts neben dem senkrechten Strich steht (Division mit „:“). Einfache Formeln werden römisch nummeriert und ineinander eingesetzt („I in II“), längere Rechnungen nacheinander mit drei signifikanten Stellen. Ergebnisse stehen mit drei signifikanten Stellen doppelt unterstrichen, gerundete mit \approx; wurde mit gerundeten Zwischenergebnissen gerechnet, steht das Ergebnis ohne Rundung darunter. Rechne selbst ebenso mit Formel, eingesetzten Werten und Einheit. Wenn nichts anderes angegeben ist, rechnest Du mit \kappa_\mathrm{Cu} = 56\,\mathrm{m/(\Omega \cdot mm^2)} bzw. \rho_\mathrm{Cu} = 0{,}0178\,\Omega \cdot \mathrm{mm^2/m} und \alpha_{20,\mathrm{Cu}} = 0{,}0039\,\mathrm{1/K}. Bei „nennen“ genügen Stichworte, bei „beschreiben“, „erklären“ und „beurteilen“ antwortest Du in ganzen Sätzen. Schreib Deine Lösung zuerst vollständig auf, bevor Du die Beispiellösung einblendest.
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Kopiere den Text in ein KI-Sprachmodell Deiner Wahl und passe Kompetenzstufe, Anzahl, Bearbeitungszeit und Szenario bei Bedarf an. Wie die Aufgaben aufgebaut sind, beschreibt der Artikel Wie sind die Aufgaben aufgebaut?. Prüfe die Ergebnisse mit dem Lehrartikel: KI-Sprachmodelle machen Fehler.
Erstelle neue Übungsaufgaben zum Thema „Leiterwiderstand, Spannungsfall
und Temperaturabhängigkeit“.
Bauplan: Halte Dich an Aufbau, Kompetenzstufen, Operatoren,
Anforderungsbereiche, Punkte und Zeitschätzung, die im Artikel
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Fachliche Grundlage:
- https://oer-informatik.de/leiterwiderstand-temperatur
- https://oer-informatik.de/gleichstromkreis
- Stilbeispiel: https://oer-informatik.de/leiterwiderstand-temperatur-uebungsaufgaben
Die Aufgaben sollen Inhalte zu diesen Schlagwörtern abdecken:
- Leiterwiderstand
- Leiterbahn
- Spannungsfall
- Leiterquerschnitt
- Übergangswiderstand
- Temperaturbeiwert
- Kupferwicklung
- Pt100
- Silizium-Temperatursensor
- Stromschleife
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.
Aufgabe 1.1: Steuerplatine für eine Bewässerungsanlage (Basiskompetenz)
(ca. 15 min Bearbeitungszeit)
Für die Bewässerungsanlage eines Gewächshauses wird eine Steuerplatine entworfen. Sie schaltet Magnetventile und eine Pumpe.
a) Nenne die vier Größen, von denen der Widerstand eines Leiters abhängt, und gib jeweils an, ob der Widerstand bei einer Vergrößerung dieser Größe steigt oder sinkt. (4 Punkte)
Ges.: Einflussgrößen auf den Leiterwiderstand und ihre Wirkung
Länge l: größere Länge – größerer Widerstand (1 Punkt)
Querschnitt A: größerer Querschnitt – kleinerer Widerstand (1 Punkt)
Werkstoff (spezifischer Widerstand \rho bzw. Leitfähigkeit \kappa): größerer spezifischer Widerstand – größerer Widerstand; größere Leitfähigkeit – kleinerer Widerstand (1 Punkt)
Temperatur \vartheta: bei Metallen (Kaltleitern) steigt der Widerstand mit der Temperatur, bei Heißleitern sinkt er (1 Punkt)
b) Die Leiterbahn zur Pumpenendstufe ist 85\,\mathrm{mm} lang und 0{,}4\,\mathrm{mm} breit, die Kupferschicht ist 35\,\mu\mathrm{m} dick. Berechne den Widerstand der Leiterbahn und den Spannungsfall auf ihr bei 1{,}2\,\mathrm{A}. (4 Punkte)
Geg.: Leiterbahn l = 85\ \mathrm{mm}, b = 0{,}4\ \mathrm{mm}, d = 35\ \mu\mathrm{m}, I = 1{,}2\ \mathrm{A}, später 3\ \mathrm{A}; Ventilspule R = 85\ \Omega, d_\mathrm{D} = 0{,}15\ \mathrm{mm}; \kappa_\mathrm{Cu} = 56\ \mathrm{m/(\Omega \cdot mm^2)}
Ges.: R, \Delta U
\begin{aligned} &\text{(I)} && A = b \cdot d \\ &\text{(II)} && R = \frac{l}{\kappa \cdot A} \\ &\text{(III)} && \Delta U = R \cdot I \end{aligned}
Querschnitt aus I (1 Punkt):
A = 0{,}4\ \mathrm{mm} \cdot 0{,}035\ \mathrm{mm} = 0{,}014\ \mathrm{mm^2}
Widerstand aus II mit l = 0{,}085\ \mathrm{m} (2 Punkte):
R = \frac{0{,}085\ \mathrm{m}}{56\ \frac{\mathrm{m}}{\Omega \cdot \mathrm{mm^2}} \cdot 0{,}014\ \mathrm{mm^2}} \approx \underline{\underline{0{,}108\ \Omega}}
Spannungsfall aus III (1 Punkt):
\Delta U = 0{,}108\ \Omega \cdot 1{,}2\ \mathrm{A} \approx \underline{\underline{0{,}130\ \mathrm{V}}}
Mit gerundeten Zwischenergebnissen ergibt sich: \Delta U \approx 0{,}130\ \mathrm{V}
Ohne gerundete Zwischenergebnisse ergibt sich: R \approx 0{,}1084\ \Omega, \Delta U \approx 0{,}130\ \mathrm{V}
c) In einer späteren Ausbaustufe soll dieselbe Leiterbahn 3\,\mathrm{A} führen. Lege mit der Tabelle eine geeignete Leiterbahnbreite fest und begründe Deine Wahl. (2 Punkte)
| Leiterbahnbreite | 0,5 mm | 0,8 mm | 1,0 mm | 1,5 mm | 2,0 mm |
|---|---|---|---|---|---|
| zulässiger Strom | 1,4 A | 2,0 A | 2,4 A | 3,2 A | 3,9 A |
Ges.: Leiterbahnbreite für 3\ \mathrm{A} mit Begründung
Gewählt wird \underline{\underline{b = 1{,}5\ \mathrm{mm}}} (1 Punkt). Begründung: Es ist die kleinste Breite, deren zulässiger Strom (3{,}2\ \mathrm{A}) mindestens so groß ist wie der Betriebsstrom von 3\ \mathrm{A}; mit 1{,}0\ \mathrm{mm} (2{,}4\ \mathrm{A}) würde sich die Bahn stärker als zulässig erwärmen (1 Punkt). Eine breitere Bahn (z. B. 2{,}0\ \mathrm{mm}) ist ebenfalls richtig, wenn der Platz es erlaubt; sie senkt zusätzlich den Spannungsfall.
d) Nenne drei Arten von Leiterplatten. (3 Punkte)
Ges.: drei Arten von Leiterplatten
Je 1 Punkt, drei davon:
einseitige Leiterplatte
doppelseitige Leiterplatte (mit Durchkontaktierungen)
Mehrlagen-Leiterplatte (Multilayer)
flexible bzw. starrflexible Leiterplatte
Metallkern-Leiterplatte (IMS, z. B. für Leistungs-LEDs)
e) Die Spule eines Magnetventils hat einen Widerstand von 85\,\Omega und ist aus Kupferlackdraht mit 0{,}15\,\mathrm{mm} Durchmesser gewickelt. Berechne die Drahtlänge. (3 Punkte)
Ges.: Drahtlänge l der Ventilspule
\begin{aligned} &\text{(I)} && A = \frac{\pi \cdot d_\mathrm{D}^2}{4} \\ &\text{(II)} && R = \frac{l}{\kappa \cdot A} \end{aligned}
Querschnitt aus I (1 Punkt):
A = \frac{\pi \cdot (0{,}15\ \mathrm{mm})^2}{4} \approx 0{,}0177\ \mathrm{mm^2}
II nach l umstellen (2 Punkte):
\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} R & = & \dfrac{l}{\kappa \cdot A} & \color{gray}{\cdot \kappa \cdot A} \\ l & = & R \cdot \kappa \cdot A = 85\ \Omega \cdot 56\ \frac{\mathrm{m}}{\Omega \cdot \mathrm{mm^2}} \cdot 0{,}0177\ \mathrm{mm^2} \approx \underline{\underline{84{,}3\ \mathrm{m}}} & \end{array}
Mit gerundeten Zwischenergebnissen ergibt sich: l \approx 84{,}3\ \mathrm{m}
Ohne gerundete Zwischenergebnisse ergibt sich: l \approx 84{,}1\ \mathrm{m}
Aufgabe 1.2: Zuleitung zur Teichpumpe (Basiskompetenz)
(ca. 15 min Bearbeitungszeit)
Eine Gleichstrom-Teichpumpe (24\,\mathrm{V}, 4{,}5\,\mathrm{A}) wird über eine 38\,\mathrm{m} lange Kupferleitung 2 \times 1{,}5\,\mathrm{mm^2} aus einem Netzteil mit 24\,\mathrm{V} versorgt. Rechne mit dem Nennstrom.
a) Berechne den Widerstand der Leitung (Hin- und Rückleiter). (2 Punkte)
Geg.: U_0 = 24\ \mathrm{V}, I = 4{,}5\ \mathrm{A}, l = 38\ \mathrm{m}, A = 1{,}5\ \mathrm{mm^2} Cu, \kappa = 56\ \mathrm{m/(\Omega \cdot mm^2)}; zulässig \Delta u = 5\ \%; Klemme R_\mathrm{\ddot{U}} = 80\ \mathrm{m\Omega}
Ges.: R_\mathrm{L}
\begin{aligned} &\text{(I)} && R_\mathrm{L} = \frac{2 \cdot l}{\kappa \cdot A} \end{aligned}
Hin- und Rückleiter zählen, also 2 \cdot l (2 Punkte):
R_\mathrm{L} = \frac{2 \cdot 38\ \mathrm{m}}{56\ \frac{\mathrm{m}}{\Omega \cdot \mathrm{mm^2}} \cdot 1{,}5\ \mathrm{mm^2}} \approx \underline{\underline{0{,}905\ \Omega}}
b) Berechne den Spannungsfall auf der Leitung, die Spannung an der Pumpe und den Spannungsfall in Prozent. (3 Punkte)
Ges.: \Delta U, U_\mathrm{V}, \Delta u
\begin{aligned} &\text{(I)} && \Delta U = I \cdot R_\mathrm{L} \\ &\text{(II)} && U_\mathrm{V} = U_0 - \Delta U \\ &\text{(III)} && \Delta u = \frac{\Delta U}{U_0} \cdot 100\ \% \end{aligned}
(je 1 Punkt)
\Delta U = 4{,}5\ \mathrm{A} \cdot 0{,}905\ \Omega \approx \underline{\underline{4{,}07\ \mathrm{V}}}
U_\mathrm{V} = 24\ \mathrm{V} - 4{,}07\ \mathrm{V} \approx \underline{\underline{19{,}9\ \mathrm{V}}}
\Delta u = \frac{4{,}07\ \mathrm{V}}{24\ \mathrm{V}} \cdot 100\ \% \approx \underline{\underline{17{,}0\ \%}}
Mit gerundeten Zwischenergebnissen ergibt sich: \Delta U \approx 4{,}07\ \mathrm{V}, U_\mathrm{V} \approx 19{,}9\ \mathrm{V}, \Delta u \approx 17{,}0\ \%
Ohne gerundete Zwischenergebnisse ergibt sich: \Delta U \approx 4{,}07\ \mathrm{V} (4{,}071\ \mathrm{V}), U_\mathrm{V} \approx 19{,}9\ \mathrm{V}, \Delta u \approx 17{,}0\ \%
Die Pumpe erhält deutlich zu wenig Spannung.
c) Der Spannungsfall soll höchstens 5\,\% betragen. Berechne den erforderlichen Querschnitt, wähle einen Normquerschnitt und überprüfe rechnerisch, ob der Spannungsfall damit eingehalten wird. (5 Punkte)
Ges.: A_\mathrm{erf}, Normquerschnitt, Kontrolle
\begin{aligned} &\text{(I)} && \Delta U_\mathrm{zul} = \frac{\Delta u}{100\ \%} \cdot U_0 \\ &\text{(II)} && \Delta U = \frac{2 \cdot l \cdot I}{\kappa \cdot A} \end{aligned}
Zulässiger Spannungsfall aus I (1 Punkt):
\Delta U_\mathrm{zul} = 0{,}05 \cdot 24\ \mathrm{V} = 1{,}2\ \mathrm{V}
II nach A umstellen (2 Punkte):
\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} \Delta U & = & \dfrac{2 \cdot l \cdot I}{\kappa \cdot A} & \color{gray}{\cdot A \ : \Delta U} \\ A & = & \dfrac{2 \cdot l \cdot I}{\kappa \cdot \Delta U} = \dfrac{2 \cdot 38\ \mathrm{m} \cdot 4{,}5\ \mathrm{A}}{56\ \frac{\mathrm{m}}{\Omega \cdot \mathrm{mm^2}} \cdot 1{,}2\ \mathrm{V}} \approx \underline{\underline{5{,}09\ \mathrm{mm^2}}} & \end{array}
| Normquerschnitte in mm² | 1,5 | 2,5 | 4 | 6 | 10 |
|---|---|---|---|---|---|
| Eignung für 5{,}09\ \mathrm{mm^2} | zu klein | zu klein | zu klein | geeignet | geeignet |
Gewählt wird der nächstgrößere Normquerschnitt \underline{\underline{A = 6\ \mathrm{mm^2}}} (1 Punkt). Kontrolle mit II (1 Punkt):
\Delta U = \frac{2 \cdot 38\ \mathrm{m} \cdot 4{,}5\ \mathrm{A}}{56\ \frac{\mathrm{m}}{\Omega \cdot \mathrm{mm^2}} \cdot 6\ \mathrm{mm^2}} \approx \underline{\underline{1{,}02\ \mathrm{V}}} \ \hat{=}\ 4{,}24\ \% \le 5\ \%
Der Spannungsfall wird eingehalten.
d) Nach einigen Monaten ist eine Schraubklemme im Anschlusskasten der Pumpe verfärbt. Eine Messung unter Last ergibt einen Übergangswiderstand von 80\,\mathrm{m\Omega}. Erkläre zwei mögliche Ursachen und die Wirkung eines hohen Übergangswiderstands und berechne die Leistung, die an der Klemme in Wärme umgesetzt wird. (6 Punkte)
Ges.: zwei Ursachen, Wirkung, P an der Klemme
\begin{aligned} &\text{(I)} && P = I^2 \cdot R_\mathrm{\ddot{U}} \end{aligned}
Ursachen (je 1 Punkt, zwei davon): Die Schraube wurde nicht mit dem vorgeschriebenen Drehmoment angezogen oder hat sich durch Erwärmung und Abkühlung gelockert; die Kontaktflächen sind durch Feuchtigkeit im Außenbereich oxidiert oder korrodiert; die feindrähtige Ader wurde ohne passende Aderendhülse eingeklemmt, sodass die Kontaktfläche zu klein ist.
Wirkung (2 Punkte): Am Übergangswiderstand wird Leistung in Wärme umgesetzt, die Klemme erhitzt sich. Dadurch oxidiert der Kontakt stärker, der Übergangswiderstand steigt weiter und die Erwärmung nimmt zu, bis die Isolierung verschmort oder ein Brand entsteht. Zusätzlich fehlt die Spannung, die an der Klemme abfällt, an der Pumpe.
Leistung an der Klemme (2 Punkte):
P = (4{,}5\ \mathrm{A})^2 \cdot 0{,}08\ \Omega = \underline{\underline{1{,}62\ \mathrm{W}}}
Aufgabe 1.3: Wicklungen und Heizungen in der Werkstatt (Basiskompetenz)
(ca. 13 min Bearbeitungszeit)
In einer Werkstatt werden ein Getriebemotor, eine Schaltschrankheizung und alte Leuchten geprüft.
a) Die Kupferwicklung des Getriebemotors hat bei 20\,°\mathrm{C} einen Widerstand von 3{,}60\,\Omega. Direkt nach einer Stunde Betrieb werden 4{,}38\,\Omega gemessen. Berechne die mittlere Temperatur der Wicklung. (4 Punkte)
Geg.: Wicklung R_{20} = 3{,}60\ \Omega, R_\mathrm{w} = 4{,}38\ \Omega, Kupfer \alpha_{20} = 0{,}0039\ \mathrm{1/K}; Heizwiderstand R_{20} = 9{,}6\ \Omega, \alpha_{20} = 0{,}0008\ \mathrm{1/K}, U = 24\ \mathrm{V}, \vartheta = 180\ °\mathrm{C}
Ges.: \vartheta_\mathrm{w}
\begin{aligned} &\text{(I)} && R_\mathrm{w} = R_{20} \cdot (1 + \alpha_{20} \cdot \Delta\vartheta) \\ &\text{(II)} && \vartheta_\mathrm{w} = 20\ °\mathrm{C} + \Delta\vartheta \end{aligned}
I nach \Delta\vartheta umstellen (2 Punkte):
\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} R_\mathrm{w} & = & R_{20} \cdot (1 + \alpha_{20} \cdot \Delta\vartheta) & \color{gray}{:R_{20}} \\ \dfrac{R_\mathrm{w}}{R_{20}} & = & 1 + \alpha_{20} \cdot \Delta\vartheta & \color{gray}{-1 \ : \alpha_{20}} \\ \Delta\vartheta & = & \dfrac{\dfrac{R_\mathrm{w}}{R_{20}} - 1}{\alpha_{20}} = \dfrac{\dfrac{4{,}38\ \Omega}{3{,}60\ \Omega} - 1}{0{,}0039\ \tfrac{1}{\mathrm{K}}} \approx 55{,}6\ \mathrm{K} & \end{array}
Temperatur aus II (2 Punkte):
\vartheta_\mathrm{w} = 20\ °\mathrm{C} + 55{,}6\ \mathrm{K} \approx \underline{\underline{75{,}6\ °\mathrm{C}}}
b) Der Heizwiderstand der Schaltschrankheizung hat bei 20\,°\mathrm{C} einen Widerstand von 9{,}6\,\Omega; laut Datenblatt ist \alpha_{20} = 0{,}0008\,\mathrm{1/K}. Im Betrieb an 24\,\mathrm{V} erreicht er 180\,°\mathrm{C}. Berechne den Widerstand bei Betriebstemperatur und vergleiche die Heizleistung im kalten und im warmen Zustand. (5 Punkte)
Ges.: R_{180}, P_\mathrm{kalt}, P_\mathrm{warm}
\begin{aligned} &\text{(I)} && R_\vartheta = R_{20} \cdot (1 + \alpha_{20} \cdot \Delta\vartheta) \\ &\text{(II)} && P = \frac{U^2}{R} \end{aligned}
Widerstand aus I mit \Delta\vartheta = 180\ °\mathrm{C} - 20\ °\mathrm{C} = 160\ \mathrm{K} (2 Punkte):
R_{180} = 9{,}6\ \Omega \cdot (1 + 0{,}0008\ \tfrac{1}{\mathrm{K}} \cdot 160\ \mathrm{K}) \approx \underline{\underline{10{,}8\ \Omega}}
Leistungen aus II (je 1 Punkt):
P_\mathrm{kalt} = \frac{(24\ \mathrm{V})^2}{9{,}6\ \Omega} = \underline{\underline{60{,}0\ \mathrm{W}}} \qquad P_\mathrm{warm} = \frac{(24\ \mathrm{V})^2}{10{,}8\ \Omega} \approx \underline{\underline{53{,}3\ \mathrm{W}}}
Vergleich (1 Punkt): Beim Aufheizen steigt der Widerstand um knapp 13\ \%, die Heizleistung sinkt um etwa 11\ \%. Für die Auslegung zählt die Leistung bei Betriebstemperatur.
Mit gerundeten Zwischenergebnissen ergibt sich: P_\mathrm{warm} \approx 53{,}3\ \mathrm{W}
Ohne gerundete Zwischenergebnisse ergibt sich: R_{180} \approx 10{,}83\ \Omega, P_\mathrm{warm} \approx 53{,}2\ \mathrm{W}
c) Für einen Präzisions-Messwiderstand wird ein Werkstoff gesucht, dessen Widerstand sich mit der Temperatur möglichst wenig ändert. Welcher Werkstoff eignet sich? (2 Punkte)
- A: Kupfer
- B: Wolfram
- C: Konstantan
- D: Platin
Ges.: geeigneter Werkstoff
Richtig ist \underline{\underline{\text{C}}} (2 Punkte): Konstantan hat einen Temperaturbeiwert von nahezu null, sein Widerstand bleibt bei Erwärmung fast gleich.
A ist falsch: Kupfer ändert seinen Widerstand um etwa 0{,}39\ \% je Kelvin.
B ist falsch: Wolfram hat einen noch etwas größeren Temperaturbeiwert; es wird für Glühwendeln genutzt.
D ist falsch: Platin ändert seinen Widerstand gezielt und gleichmäßig mit der Temperatur; deshalb dient es als Temperatursensor (Pt100), nicht als temperaturunabhängiger Widerstand.
d) In einer alten Leuchte brennt die Glühlampe fast immer im Moment des Einschaltens durch. Erkläre, warum beim Einschalten einer Glühlampe ein hoher Strom fließt. (3 Punkte)
Ges.: Erklärung des hohen Einschaltstroms
Die Glühwendel besteht aus Wolfram, einem Kaltleiter: Ihr Widerstand steigt mit der Temperatur (1 Punkt). Im Betrieb ist die Wendel weit über 2000\ °\mathrm{C} heiß und hat einen hohen Widerstand; kalt beträgt ihr Widerstand nur etwa ein Zehntel davon (1 Punkt). Im Einschaltaugenblick ist die Wendel kalt, deshalb fließt nach I = \frac{U}{R} kurzzeitig ein Vielfaches des Nennstroms, bis sich die Wendel aufgeheizt hat. Diese Stromspitze belastet die dünnste Stelle der Wendel besonders, dort brennt sie durch (1 Punkt).
Aufgabe 2.1: Temperaturüberwachung im Kühlraum einer Gärtnerei (Kernkompetenz)
(ca. 19 min Bearbeitungszeit)
Im Kühlraum einer Gärtnerei werden Schnittblumen bei 10\,°\mathrm{C} gelagert. Ein Pt100 ist in Zweileiterschaltung über eine 25\,\mathrm{m} lange Kupferleitung 2 \times 0{,}5\,\mathrm{mm^2} an ein Auswertegerät angeschlossen, das mit einem Messstrom von 1\,\mathrm{mA} arbeitet.
| \vartheta in °C | 0 | 5 | 10 | 15 | 20 |
|---|---|---|---|---|---|
| R (Pt100) in Ω | 100,00 | 101,95 | 103,90 | 105,85 | 107,79 |
a) Bestimme den Widerstand des Pt100 bei 10\,°\mathrm{C} und berechne den Spannungsfall am Sensor bei dem gegebenen Messstrom. (3 Punkte)
Geg.: Pt100 in Zweileiterschaltung, \vartheta = 10\ °\mathrm{C}, I_\mathrm{M} = 1\ \mathrm{mA}; Leitung l = 25\ \mathrm{m}, A = 0{,}5\ \mathrm{mm^2} Cu; Grundwertetabelle; Si-Sensor laut Datenblatt; Übertragung 120\ \mathrm{m}
Ges.: R_{10}, U_\mathrm{S}
\begin{aligned} &\text{(I)} && U_\mathrm{S} = R_\vartheta \cdot I_\mathrm{M} \end{aligned}
Aus der Tabelle (1 Punkt): \underline{\underline{R_{10} = 103{,}90\ \Omega}}
Spannungsfall aus I (2 Punkte):
U_\mathrm{S} = 103{,}90\ \Omega \cdot 1\ \mathrm{mA} \approx \underline{\underline{104\ \mathrm{mV}}}
b) Berechne den Widerstand der Messleitung und bestimme, welche Temperatur das Auswertegerät anzeigt, wenn es den Leitungswiderstand nicht berücksichtigt. Gib den Messfehler an. (5 Punkte)
Ges.: R_\mathrm{L}, angezeigte Temperatur \vartheta_\mathrm{anz}, Messfehler
\begin{aligned} &\text{(I)} && R_\mathrm{L} = \frac{2 \cdot l}{\kappa \cdot A} \\ &\text{(II)} && R_\mathrm{mess} = R_{10} + R_\mathrm{L} \\ &\text{(III)} && \vartheta_\mathrm{anz} = \vartheta_1 + \frac{R_\mathrm{mess} - R_1}{R_2 - R_1} \cdot (\vartheta_2 - \vartheta_1) \end{aligned}
Leitungswiderstand aus I (1 Punkt):
R_\mathrm{L} = \frac{2 \cdot 25\ \mathrm{m}}{56\ \frac{\mathrm{m}}{\Omega \cdot \mathrm{mm^2}} \cdot 0{,}5\ \mathrm{mm^2}} \approx \underline{\underline{1{,}79\ \Omega}}
Gemessener Widerstand aus II (1 Punkt):
R_\mathrm{mess} = 103{,}90\ \Omega + 1{,}79\ \Omega = 105{,}69\ \Omega
Der Wert liegt zwischen 10\ °\mathrm{C} (103{,}90\ \Omega) und 15\ °\mathrm{C} (105{,}85\ \Omega). Linear interpolieren mit III (2 Punkte):
\vartheta_\mathrm{anz} = 10\ °\mathrm{C} + \frac{105{,}69\ \Omega - 103{,}90\ \Omega}{105{,}85\ \Omega - 103{,}90\ \Omega} \cdot 5\ \mathrm{K} \approx \underline{\underline{14{,}6\ °\mathrm{C}}}
Messfehler (1 Punkt): Das Gerät zeigt etwa \underline{\underline{4{,}6\ \mathrm{K}}} zu viel an – im Kühlraum ein erheblicher Fehler.
Mit gerundeten Zwischenergebnissen ergibt sich: \vartheta_\mathrm{anz} \approx 14{,}6\ °\mathrm{C}
Ohne gerundete Zwischenergebnisse ergibt sich: R_\mathrm{L} \approx 1{,}786\ \Omega, \vartheta_\mathrm{anz} \approx 14{,}6\ °\mathrm{C}
c) Nenne zwei Maßnahmen, mit denen sich der Fehler aus b) vermeiden lässt, und erkläre bei einer davon, warum sie wirkt. (3 Punkte)
Ges.: zwei Maßnahmen, Erklärung einer davon
Maßnahmen (je 1 Punkt, zwei davon):
Vierleiterschaltung (oder Dreileiterschaltung) statt Zweileiterschaltung
Messumformer direkt am Sensor, der den Messwert vor Ort in ein Stromsignal 4 \dots 20\ \mathrm{mA} oder einen Digitalwert umsetzt
Leitungswiderstand im Auswertegerät abgleichen (Leitungsabgleich)
Pt1000 statt Pt100 (der Fehler sinkt auf ein Zehntel) bzw. größerer Querschnitt (verkleinert den Fehler nur)
Erklärung, z. B. Vierleiterschaltung (1 Punkt): Zwei Adern führen den Messstrom, zwei weitere greifen die Spannung direkt an den Anschlüssen des Sensors ab. In den Spannungsadern fließt wegen des hochohmigen Messeingangs praktisch kein Strom, also fällt an ihnen keine Spannung ab; gemessen wird nur der Spannungsfall am Sensor selbst.
d) Als günstigere Alternative wird ein Silizium-Temperatursensor vorgeschlagen. Bestimme aus dem Datenblattauszug den Widerstand bei 10\,°\mathrm{C}, den Spannungsfall am Sensor beim empfohlenen Messstrom und die mittlere Widerstandsänderung je Kelvin zwischen 0\,°\mathrm{C} und 20\,°\mathrm{C}. Berechne damit, wie stark sich der Leitungswiderstand aus b) bei diesem Sensor auf die Anzeige auswirkt. (6 Punkte)
| Kennwert | Wert |
|---|---|
| Nennwiderstand R_{25} | 1000\,\Omega \pm 1\,\% |
| Temperaturbeiwert bei 25\,°\mathrm{C} | 0{,}79\,\%/\mathrm{K} |
| empfohlener Messstrom | 1\,\mathrm{mA} |
| Einsatzbereich | -55 \dots +150\,°\mathrm{C} |
| Widerstand bei 0\,°\mathrm{C} / 10\,°\mathrm{C} / 20\,°\mathrm{C} | 815\,\Omega / 886\,\Omega / 961\,\Omega |
Ges.: R_{10}, U_\mathrm{S}, \frac{\Delta R}{\Delta\vartheta}, Auswirkung von R_\mathrm{L}
\begin{aligned} &\text{(I)} && U_\mathrm{S} = R_\vartheta \cdot I_\mathrm{M} \\ &\text{(II)} && \frac{\Delta R}{\Delta\vartheta} = \frac{R_{20} - R_0}{20\ \mathrm{K}} \\ &\text{(III)} && \Delta\vartheta_\mathrm{F} = \frac{R_\mathrm{L}}{\Delta R / \Delta\vartheta} \end{aligned}
Aus dem Datenblatt (1 Punkt): \underline{\underline{R_{10} = 886\ \Omega}}, empfohlener Messstrom 1\ \mathrm{mA}.
Spannungsfall aus I (1 Punkt):
U_\mathrm{S} = 886\ \Omega \cdot 1\ \mathrm{mA} \approx \underline{\underline{0{,}886\ \mathrm{V}}}
Widerstandsänderung je Kelvin aus II (2 Punkte):
\frac{\Delta R}{\Delta\vartheta} = \frac{961\ \Omega - 815\ \Omega}{20\ \mathrm{K}} = \underline{\underline{7{,}30\ \tfrac{\Omega}{\mathrm{K}}}}
Auswirkung des Leitungswiderstands aus III (2 Punkte):
\Delta\vartheta_\mathrm{F} = \frac{1{,}79\ \Omega}{7{,}30\ \tfrac{\Omega}{\mathrm{K}}} \approx \underline{\underline{0{,}245\ \mathrm{K}}}
Mit dem Silizium-Sensor zeigt die Zweileiterschaltung nur etwa 0{,}25\ \mathrm{K} zu viel an, weil sich sein Widerstand je Kelvin fast zwanzigmal so stark ändert wie beim Pt100.
Mit gerundeten Zwischenergebnissen ergibt sich: \Delta\vartheta_\mathrm{F} \approx 0{,}245\ \mathrm{K}
Ohne gerundete Zwischenergebnisse ergibt sich: R_\mathrm{L} \approx 1{,}786\ \Omega, \Delta\vartheta_\mathrm{F} \approx 0{,}245\ \mathrm{K}
e) Später soll der Messwert über eine 120\,\mathrm{m} lange Leitung an die zentrale Steuerung im Betriebsgebäude übertragen werden. Ein Messumformer am Kühlraum kann wahlweise ein Signal 0 \dots 10\,\mathrm{V} oder 4 \dots 20\,\mathrm{mA} ausgeben. Beurteile, welches Signal Du wählst, und nenne zwei weitere Möglichkeiten, das Signal über die weite Entfernung störsicher zu übertragen. (4 Punkte)
Ges.: Beurteilung der Signalart, zwei weitere Möglichkeiten
Beurteilung (2 Punkte): Gewählt wird das Stromsignal 4 \dots 20\ \mathrm{mA}. Der Messumformer prägt den Strom ein; in der Reihenschaltung ist er überall gleich, sodass der Leitungswiderstand von etwa 2 \cdot 120\ \mathrm{m} Leitung den Messwert nicht verfälscht, solange die Versorgungsspannung für Bürde und Leitung reicht. Eingekoppelte Störspannungen wirken sich auf einen eingeprägten Strom kaum aus, und ein Drahtbruch fällt auf, weil der Strom dann unter 4\ \mathrm{mA} sinkt. Beim Spannungssignal 0 \dots 10\ \mathrm{V} verschieben Spannungsfälle (z. B. durch Versorgungsströme auf einer gemeinsamen Masseader) und eingekoppelte Störspannungen den Messwert direkt.
Weitere Möglichkeiten (je 1 Punkt, zwei davon):
verdrillte und geschirmte Signalleitung, Schirm nach Herstellervorgabe aufgelegt
Signalleitung getrennt von Energieleitungen verlegen
differenzielle Übertragung (z. B. RS-485) oder digitale Schnittstelle bzw. Feldbus statt analogem Signal
getrennte Adern für Versorgung und Signal bzw. galvanische Trennung am Eingang
Links und weitere Informationen
zum Nachlesen: Leiterwiderstand, Spannungsfall und Temperaturabhängigkeit von Widerständen
als Nachschlagewerk: Wikipedia: Spezifischer Widerstand
zu Platin-Messwiderständen: Wikipedia: Platin-Messwiderstand
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Dieser Artikel und seine Texte, Bilder, Grafiken, Code und sonstiger Inhalt sind - sofern nicht anders angegeben - lizenziert unter CC BY 4.0. Nennung gemäß TULLU-Regel bitte wie folgt: “Übungsaufgaben zu Leiterwiderstand, Spannungsfall und Temperaturabhängigkeit” von oer-informatik.de (H. Stein), Lizenz: CC BY 4.0. Der Artikel wurde unter https://oer-informatik.de/leiterwiderstand-temperatur-uebungsaufgaben veröffentlicht, die Quelltexte sind in weiterverarbeitbarer Form verfügbar im Repository unter https://gitlab.com/oer-informatik/elektrotechnik/grundlagen. Erstellt mit KI-Assistenz; von mir umfassend redaktionell überarbeitet, geprüft und freigegeben. Stand: 11.11.2026.
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