Analoge und digitale Signale
Analoge und digitale Signale
Analoge und digitale Signale
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Begriff..................................................................................................................4<br />
Wie sieht nun das mechatronische System aus?......................................................4<br />
Steuerungs- <strong>und</strong> Digitaltechnik................................................................................4<br />
Unterschied zwischen Steuern <strong>und</strong> Regeln..............................................................5<br />
Steuern.........................................................................................................5<br />
Regeln..........................................................................................................5<br />
Elemente der Steuerungstechnik.......................................................................6<br />
<strong>Analoge</strong> <strong>und</strong> <strong>digitale</strong> <strong>Signale</strong>....................................................................................6<br />
<strong>Analoge</strong> <strong>Signale</strong>.................................................................................................6<br />
Digitale <strong>Signale</strong> (digitus – (lat.) = Finger)..............................................................6<br />
Digitale Systeme............................................................................................6<br />
Duales Zahlensystem......................................................................................7<br />
Rechnen mit Dualzahlen..................................................................................8<br />
Gr<strong>und</strong>rechnungsarten..................................................................................8<br />
Addition.................................................................................................8<br />
Subtraktion............................................................................................8<br />
Multiplikation..........................................................................................9<br />
Binäroperationen <strong>und</strong> Verknüpfungen........................................................................9<br />
Logische Gr<strong>und</strong>schaltungen...................................................................................11<br />
Die Und-Schaltung (Verwendung der Simmulationssoftware „Electronic Workbanche<br />
bzw. Solve Elec“).............................................................................................11<br />
Die Oder-Schaltung...........................................................................................12<br />
Die Nicht-Schaltung..........................................................................................12<br />
Schaltalgebra...................................................................................................12<br />
Symbolik der Schaltalgebra ...........................................................................13<br />
UND-Gatter..................................................................................................13<br />
ODER-Gatter................................................................................................13<br />
NICHT-Gatter...............................................................................................14<br />
Zusammenfassung........................................................................................14<br />
Rechneregeln – Gesetze von de Morgan ..........................................................17<br />
Gesetze...................................................................................................17<br />
Gesetze von de Morgan..............................................................................18<br />
Zusammenfassung....................................................................................21<br />
Vereinfachung von Schaltungen mit den Regeln der Boolschen Schaltalgebra.....21<br />
Steuern..............................................................................................................23<br />
Schützensteuerungen........................................................................................23<br />
Teile einer Steuerkette.......................................................................................24<br />
Führungssteuerung...........................................................................................25<br />
Haltegliedsteuerung..........................................................................................25<br />
Programmsteuerung..........................................................................................25<br />
Ordnungsziffern ...................................................................................26<br />
Kennzahlen......................................................................................................27<br />
Funktion..........................................................................................................27<br />
Arten..............................................................................................................27<br />
Gr<strong>und</strong>schaltungen der Steuerungstechnik (Schütz)....................................................29<br />
Gr<strong>und</strong>schaltung................................................................................................29<br />
UND - Verknüpfung...........................................................................................30<br />
ODER - Verknüpfung.........................................................................................30<br />
NICHT - Verknüpfung........................................................................................31<br />
Festhalteschaltung............................................................................................31<br />
Praxisbezogene Schützschaltungen......................................................................33<br />
Dauerkontaktgeberschaltung..........................................................................34<br />
Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08<br />
2
Dauerkontaktschaltung..................................................................................35<br />
Selbsthalteschaltung.....................................................................................36<br />
Selbsthalteschaltung mit 2 Ein - <strong>und</strong> Austaster..................................................37<br />
Eine einfache Befehlssteuerung mit einem Motor ..............................................38<br />
Zusammenfassung........................................................................................40<br />
UND - Schaltung.......................................................................................40<br />
ODER - Schaltung.....................................................................................41<br />
ÖNORM - Richtlinien von Schaltplänen <strong>und</strong> Betriebsmittel ..........................................42<br />
Grafische Symbole (graphical symbols)....................................................................42<br />
Darstellung der Symbole................................................................................42<br />
Pneumatik...........................................................................................................44<br />
Physikalische Überlegungen zur Pneumatik...........................................................44<br />
Funktionsweise von Ventilen <strong>und</strong> Zylindern...........................................................48<br />
Ventilarten:..................................................................................................48<br />
Zylinderarten................................................................................................48<br />
Prinzip der Pneumatik.......................................................................................48<br />
Schaltplan....................................................................................................49<br />
Teile einer pneumatischen Anlage........................................................................49<br />
Verdichterarten.............................................................................................49<br />
Verdrängungsprinzip..................................................................................49<br />
Strömungsprinzip......................................................................................50<br />
Druckluftspeicher..........................................................................................50<br />
Wartungseinheit............................................................................................50<br />
Druckluftfilter...........................................................................................51<br />
Druckregelventil (Regler)............................................................................51<br />
Druckluftöler............................................................................................51<br />
Pneumatische Ventile.....................................................................................51<br />
Wegeventil...............................................................................................51<br />
Anschlussbezeichnungen bei Wegeventilen....................................................52<br />
Pneutmatikzylinder in Ruhestellung..............................................................52<br />
Pneumatikzylinder bei der Arbeit (Energie)....................................................53<br />
Literaturliste........................................................................................................56<br />
Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08<br />
3
Begriff<br />
Mechatronik ist kein neuer Begriff, sondern ist erwachsen aus der Forderung, technische<br />
Systeme global zu erfassen. In der Berufswelt werden bei Konstruktionen von<br />
maschinellen Systemen hohe technische Anforderungen an den Konstrukteur, den<br />
Anwender <strong>und</strong> den Facharbeiter gestellt. Es ist vielfach erforderlich, elektrische <strong>und</strong><br />
mechanische Abläufe zu erfassen <strong>und</strong> zu verstehen. Ob in Maschinenbau, Informatik,<br />
Aktorik, Prozessorleittechnik <strong>und</strong> Sensorik, überall muss das System in seiner Gesamtheit<br />
betrachtet werden.<br />
Aus diesen Überlegungen heraus prägte 1969 die japanische Firma Yaskawa Electric<br />
Cooperation den Begriff „Mechatronik“ (Mechanical Engineering-Electronic).<br />
Der „Mechatroniker“ ein neuer Beruf, ein Flächenberuf: Viele Berufe sind darin integriert<br />
(Mechaniker, Elektromechaniker, Elektrotechniker, Elektroniker, an IT-Techniker...)<br />
Das Zusammenwirken von Maschinenbau, Elektrotechnik <strong>und</strong> Informationstechnik(IT-<br />
Technik) beim Herstellen industrieller Erzeugnisse sowie bei der Prozessgestaltung<br />
bezeichnet man heute als Mechatronik.<br />
An das Anforderungsprofil des Mechatronikers sind hohe kognitive <strong>und</strong> manuelle<br />
Leistungen gestellt. Der Mechatroniker von heute stellt in der technisierten Welt eine<br />
Schnittstelle zwischen Technik <strong>und</strong> Mensch dar, wobei die Technik Naturvorgänge<br />
beschreibt, somit ein Element der Natur ist.<br />
Wie sieht nun das mechatronische System aus?<br />
Das mechatronische System bildet einen in sich geschlossenen Kreislauf, welcher in eine<br />
physikalische <strong>und</strong> eine logische Ebene eingebettet ist.<br />
Eingangsgröße<br />
Physikalische Ebene<br />
Aktorik<br />
Logische Ebene<br />
Mechanisches Hauptsystem<br />
Informatik<br />
Energiefluss<br />
Das mechatronische System stellt einen so genannten Regelkreis dar. Steuer- <strong>und</strong><br />
Regelkreise sind wesentliche Elemente der Mechatronik.<br />
Steuerungs- <strong>und</strong> Digitaltechnik<br />
Sensorik<br />
Informationsfluss<br />
Eine wichtige Aufgabe der Technik ist es, Energie-, Materie- oder Informationsflüsse zu<br />
Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08<br />
4
steuern. Zielgerichtetes Steuern ermöglicht es, dass Energie bedarfsorientiert <strong>und</strong> vor<br />
allem wirtschaftlich- <strong>und</strong> umweltfre<strong>und</strong>lich verteilt genutzt werden kann. Erst ein<br />
zielgerichteter Materiefluss führt zu einem brauchbaren Produkt oder einer Information,<br />
welche zur rechten Zeit am rechten Ort ist.<br />
Unterschied zwischen Steuern <strong>und</strong> Regeln<br />
Steuern<br />
Die Eingangsgröße (Schalter) beeinflusst die Ausgangsgröße (Ergebnis).<br />
Beispiel: Elektrische Kochplatte: Sie wird mit einem Mehrfachtaktschalter gesteuert. Je<br />
nach Stufe wird die Herdplatte mehr oder weniger wärmer.<br />
Regeln<br />
System<br />
(Gerät)<br />
Eingangsgröße Ausgangsgröße<br />
Schalter<br />
Kochplatte<br />
Die Steuerung wird so erweitert, dass die Ausgangsgröße fortwährend mit den<br />
Eingangsgrößen, welche eingestellt werden, verglichen wird. Es bildet sich ein<br />
geschlossener Kreis, ein so genannter Regelkreis.<br />
System<br />
Regelstrecke<br />
Um auf die Kochplatte zurückzukommen, sieht der Regelkreis so aus:<br />
Informationsfluss<br />
Regelkreis - prüfen<br />
Wärme<br />
Ausgangsgröße<br />
Kontrolle der<br />
Ausgangsgröße<br />
Kochplatte mit Thermostat<br />
Schalter Wärme<br />
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5
Elemente der Steuerungstechnik<br />
Ä Schalter<br />
Ä Stellglieder (geben Energiestrom oder Massestrom frei oder sie sperren Ventile)<br />
Ä Kontrollorgane (Lampen, LED, Schnarren, Hupen...)<br />
Ä Relais <strong>und</strong> Schütz (Schaltfunktionen ausführen)<br />
Ä PTC, NTC, Fotowiderstände, pneumatische Schalter, Fühler...<br />
Ä Dioden, Transistoren, Thyristoren<br />
Ä Treiber<br />
Ä Timer<br />
Ein wesentliches Merkmal von Steuerungen ist, dass sie mit <strong>digitale</strong>n <strong>und</strong> analogen<br />
<strong>Signale</strong>n arbeiten können.<br />
<strong>Analoge</strong> <strong>und</strong> <strong>digitale</strong> <strong>Signale</strong><br />
<strong>Analoge</strong> <strong>Signale</strong><br />
Naturvorgänge, ändern sich nicht sprunghaft. Temperatur, Luftdruck, Licht <strong>und</strong><br />
Flussmenge, … ändern sich stufenlos. Sie können jeden beliebigen Wert erreichen <strong>und</strong><br />
annehmen. Des öfteren muss man sogar interpolieren (Zwischenwerte annehmen).<br />
Im Allgemeinen erfolgen also Änderungen stetig (stetige Funktion in der Mathematik).<br />
Digitale <strong>Signale</strong> (digitus – (lat.) = Finger)<br />
Digitale <strong>Signale</strong> kennen keinen Zwischenwert. Wenn man mit den Fingern zählt, gibt es<br />
keine Zwischeschenwerte (1 ½ Finger). Bei Auftreten von Zwischenwerten wird ab- bzw.<br />
aufger<strong>und</strong>et. Man bezeichnet einen solchen Vorgang als Quantelung.<br />
Digitale Systeme<br />
Ä Zehnersystem (siehe Mathematik – HS – AHS – HTL ): Gr<strong>und</strong>lage ist die Anzahl<br />
unserer Finger<br />
Ä Zwanzigersystem: angewendet im Mittelalter – Gr<strong>und</strong>lage waren damals 10 Finger<br />
<strong>und</strong> 10 Zehen, wobei unsere Zahlen aus dem indischen Raum kommen.<br />
Ä Achtersystem<br />
Ä Sechszehnersystem<br />
Ä Dual System (Binär System): Es kennt nur zwei (2) Zustände: Ein - Aus, richtig -<br />
falsch, Strom kein Strom, geladen - ungeladen, magnetisch – nicht magnetisch,<br />
Leben - Tod,...<br />
Als Zahl: 0 – 1<br />
Elektrisch: L H (Low – High)<br />
Diese Eigenschaft macht sich die IT-Technik zu Nutze.<br />
Jeder analoge Wert wird digitalisiert, das heißt – auf zwei Zustände (Ja - Nein)<br />
Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08<br />
6
zurückgeführt.<br />
Duales Zahlensystem<br />
Die kleinste Informationseinheit „Lampe leuchtet“ – „Lampe leuchtet nicht“ bezeichnet<br />
man als Bit.<br />
Zunächst zum Aufbau des Zehnersystems: a0 = 1<br />
2793 = 2T + 7H + 9Z + 3E<br />
Million<br />
(M)<br />
H<strong>und</strong>ert=<br />
tausender<br />
(HT)<br />
Zehntausender<br />
(ZT)<br />
Tausender<br />
(T)<br />
H<strong>und</strong>erter (H) Zehner (Z) Einer (E)<br />
10 6 10 5 10 4 10 3 10 2 10 1 10 0<br />
10*10*10*1<br />
0*10*10<br />
10*10*10*1<br />
0*10<br />
2*10 3 + 7*10 2 + 9*10 1 + 3*10 0 = 2793<br />
Beachte:<br />
10*10*10*10 10*10*10 10*10 10 1<br />
2 7 9 3<br />
Man erkennt, dass man mit 4 Stellen (THZE) einer Dezimalzahl 10 000 Werte von 0 –<br />
9999 angeben kann. Die Anzahl der Kombinationen ist hier durch die Angabe N = 10 4<br />
(bzw. allgemein ausgedrückt: N = 10 n ) festgelegt.<br />
Diesen Zusammenhang transferieren wir nun auf zwei Zeichen: 0 <strong>und</strong> 1.<br />
Million<br />
(M)<br />
H<strong>und</strong>erttausender<br />
(HT)<br />
Zehntausender<br />
(ZT)<br />
Tausender<br />
(T)<br />
2 6 2 5 2 4 2 3<br />
H<strong>und</strong>erter (H) Zehner (Z) Einer (E)<br />
2 2 2 1 2 0<br />
2*2*2*2*2*2 2*2*2*2*2 2*2*2*2 2*2*2 2*2 2*1 1<br />
64 32 16 8 4 2 1<br />
1 0 1 1 0<br />
2 Einer ergeben einen Zehner im Binärsystem – hingegen im Zehnersystem ergeben zehn<br />
Einer einen Zehner<br />
10 E = 1Z 2 E = 1Z<br />
Die obige Zahl im Dual-System 101102 würde demnach so dargestellt werden:<br />
1*2 4 + 0*2 3 + 1*2 2 + 1*2 1 + 0*2 0 : umgewandelt in das Zehnersystem:<br />
16 + 0 + 4 + 2 + 0 = 2210<br />
Wie man sieht, ergibt die HT-Stelle N = 2 5 Möglichkeiten, also 32 Möglichkeiten bzw.<br />
Kombinationen.<br />
Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08<br />
7
Wie viele Möglichkeiten ergeben sich bei 4 Stellen? N = ?<br />
Lösung: N = 2 4 = 16 Möglichkeiten (von 0-15)<br />
Rechnen mit Dualzahlen<br />
Gr<strong>und</strong>rechnungsarten<br />
Ä Addition<br />
Ä Subtraktion<br />
Ä Multiplikation<br />
Ä Division<br />
Addition<br />
Beachten Sie, dass bei nur zwei Ziffernwerten (0, 1) viele Stellen benötigt werden <strong>und</strong><br />
sich daher häufig Überträge bilden, was im Zehnersystem nicht so oft vorkommt, weil ja<br />
10 Einer einen Zehner ergeben.<br />
0+0 = 0; 0+1 = 1; 1+0 =1 (Vertauschungsgesetz gilt), aber:<br />
1+1 = 0 1 Übertrag (behalte);<br />
1+1+1 = 1 1 Übertrag<br />
Beispiel:<br />
Folgende 2 Dualzahlen sollen addiert werden:<br />
+<br />
Übertrag 1 1 1<br />
1 0 1 0 0 0 1<br />
1 1 1 0 1 1 0<br />
1 1 0 0 1 1 1 1<br />
1 + 1 = 0 das bedeutet 0 anschreiben <strong>und</strong> 1 weiter (Übertrag)<br />
Subtraktion<br />
Wie sieht das bei der Subtraktion aus?<br />
Wir wollen 382 von 675 abziehen:<br />
Wir schreiben an:<br />
Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08<br />
8
6 7 5 Minuend<br />
- 3 8 2 Subtrahend<br />
Übertrag 1<br />
Rechenvorgang:<br />
2 9 3 Differenz<br />
2 <strong>und</strong> wie viel ist 5? 2 <strong>und</strong> 3 ist 5<br />
8 <strong>und</strong> wie viel ist 17? 8 <strong>und</strong> 9 ist 17 ->Übertrag 1 (ausborgen)<br />
1 + 3 ist 4 <strong>und</strong> wie viel ist 6? 4 <strong>und</strong> 2 ist 6<br />
Wenn der Minuend kleiner als der Subtrahend ist, muss aus der höheren Stelle eine 1<br />
ausgeborgt werden. Dieser ausgeborgte Wert wird zunächst zum Subtrahenden dazu<br />
gezählt <strong>und</strong> das Ergebnis vom Minuend abgezogen.<br />
Genauso geht man bei der Subtraktion von Dualzahlen vor:<br />
-<br />
1 0 1 0 0 0 1<br />
0 1 1 0 1 0 0<br />
Übertrag 1 1 1 1<br />
Multiplikation<br />
0 0 1 1 1 0 1<br />
Die Multiplikation mit 2 erfolgt durch Verschieben um eine Stelle nach links:<br />
Division<br />
10102 * 102 = 101002<br />
Bei der Divison wird um eine Stelle nach rechts gerückt:<br />
10102 * 102 = 1012<br />
Binäroperationen <strong>und</strong> Verknüpfungen<br />
Wenn man sich auf nur zwei Spanunngszustände beschränkt, dann gelangt man zu<br />
Digitalschaltungen.<br />
Man unterscheidet zwei Spannungszustände oder Spannungspegel:<br />
Ä „L“ (Low) 0 : nein<br />
Ä „H“ (High) 1: ja<br />
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9
Für die Darstellung von so genannten Wahrheitstabellen werden häufig die Signalzustände<br />
„0“ <strong>und</strong> „1“ verwendet. Für die positive Logik gilt:<br />
Ä „0“: L-Pegel<br />
Ä „1“: H-Pegel<br />
Binär (lat.) bedeutet aus zwei Teilen bestehend.<br />
Der Schalter „S“ arbeitet binär – er kann nur 2 Zustände einnehmen:<br />
Ä eingeschaltet: Pegel 1 (L)<br />
Ä ausgeschaltet: Pegel 0 (H)<br />
Wahrheitstabelle:<br />
Schalter (S) Signalzustand (Eingangsgröße) Ergebnis (Ausgangsgröße)<br />
S H Lampe leuchtet (H)<br />
S L Lampe leuchtet nicht (L)<br />
ODER<br />
Schalter (S) Signalzustand (Eingangsgröße) Ergebnis (Ausgangsgröße)<br />
S 1 Lampe leuchtet (1)<br />
S 0 Lampe leuchtet nicht (0)<br />
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10
Logische Gr<strong>und</strong>schaltungen<br />
Ä Und-Schaltung<br />
Ä Oder-Schaltung<br />
Ä Nicht-Schaltung<br />
Die Und-Schaltung (Verwendung der Simmulationssoftware „Electronic Workbanche bzw.<br />
Solve Elec“)<br />
Die Lampe leuchtet, wenn beide Schalter den Signalwert „1“ haben bzw. den Signalwert<br />
„H“ (High) haben.<br />
Die Wahrheitstabelle sieht folgendermaßen aus.<br />
S1 S2 Q<br />
1 1 1<br />
0 1 0<br />
1 0 0<br />
0 0 0<br />
Mit Solve Elec:<br />
Gn<br />
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11
Die Oder-Schaltung<br />
Einer der beiden Schalter muss den Signalwert „1“ haben, damit die Lampe leuchtet.<br />
Wahrheitstabelle:<br />
S1 S2 Q<br />
1 1 1<br />
1 0 1<br />
0 1 1<br />
0 0 0<br />
Die Nicht-Schaltung<br />
Wenn der Schalter (Öffner) nicht betätigt wird, leuchtet die Lampe. Das Signal<br />
wird umgedreht.<br />
Wahrheitstabelle:<br />
S Q<br />
0 1<br />
1 0<br />
Mit Hilfe der Boolschen Schaltalgebra lässt sich das Verhalten binärer Schaltungen<br />
erfassen. Wesentlich ist, dass man den Baugruppen mathematische Funktionen <strong>und</strong> den<br />
physikalischen Größen bzw. Zuständen mathematische Werte zuordnet.<br />
Schaltalgebra<br />
L S0<br />
N<br />
S1<br />
Der Mensch ist immer bestrebt, physikalische Vorgänge zu abstrahieren. Er versuchte<br />
immer wieder das Unberechenbare zu berechnen. Schon Leibnitz versuchte in seiner<br />
„Mathese universalis“ ein mathamatisch aufgebautes Logikkalkül aufzustellen (1700). Mit<br />
Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08<br />
E1<br />
12
Hilfe dieser Logik wollte er komplexe Sätze auf ihre einfachsten Elemente reduzieren.<br />
Genau dieses logische Kalkül machte sich George Bolle im 19. Jahrh<strong>und</strong>ert zu nutze <strong>und</strong><br />
baute es weiter aus. So entstand die „Boolsche Algebra“, die auch als „Algebra der Logik“<br />
bezeichnet wird. Philosophische Probleme sollen auf zwei Aussagewerte reduziert werden,<br />
wahr oder falsch. „Wahr“ ordnete Bool den Ziffernwert „1“ zu <strong>und</strong> „unwahr“ den<br />
Ziffernwert „0“.<br />
Für folgende Bereiche in der Technik wird diese Algebra angewendet:<br />
Ä elektrische Steuerschaltungen<br />
Ä elektronische Digitalschaltungen<br />
Ä mechanische Steuerungen<br />
Ä hydraulische Anlagen<br />
Ä pneumatische Systeme<br />
Wie man sieht kommt diese Überlegung auch in mechatronischen Systemen zur<br />
Anwendung.<br />
Durch die Informationstheorie von Elwood Shannon konnte man nachweisen, dass sich die<br />
Boolsche Schaltalgebra hervorragend zur Lösung von schaltungstechnischen Problemen<br />
eignet.<br />
Symbolik der Schaltalgebra<br />
(Anwendung von LOGO der Fa. Siemens)<br />
UND-Gatter<br />
Q = I1 <strong>und</strong> I2<br />
Q = I1 ^ I2<br />
Erst wenn beide Eingänge (I1 <strong>und</strong> I2) ein Spannungssignal erhalten, schaltet der Ausgang<br />
Q auf ein H-Signal, entspricht einer Reihenschaltung.<br />
Wie man der Tabelle entnehmen kann, entspricht die Konjunktion einer mathematischen<br />
Multiplikation: Q = I1.I2<br />
ODER-Gatter<br />
Wenn einer der beiden Eingänge (Input: I1 oder I2) ein Spannungssignal erhält, schaltet<br />
der Ausgang Q auf ein H-Signal.<br />
Q = I1 oder I2<br />
I1<br />
I2<br />
Symbolzeichen<br />
Q = I1 v I2 (ausschließliches ODER)<br />
Die ODER-Verknüpfung (Disjunktion) entspricht einer mathematischen Addition:<br />
Q = I1 + I2<br />
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Q<br />
Q<br />
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NICHT-Gatter<br />
Wenn der Eingang (I – Input) ein L-Signal hat, ergibt sich am Ausgang Q ein H-Signal.<br />
Wenn I ein H-Signal hat, ist am Ausgang Q ein L-Signal.<br />
Diese drei Schaltungen sind die wichtigsten in der Digitaltechnik. Mit deren Hilfe dieser<br />
drei, kann man viele mögliche Schaltkombinationen zusammenstellen.<br />
Zusammenfassung<br />
Kontaktart Schaltung mit<br />
Kontakten<br />
Schließer in Reihe<br />
Verknüpfung Schaltsymbol<br />
UND<br />
I1<br />
Schließer parallel ODER<br />
Öffner<br />
Öffner parallel<br />
I Q<br />
I1 I2<br />
I<br />
NICHT<br />
NAND<br />
Öffner in Reihe NOR<br />
I1<br />
I2<br />
I2<br />
Wechsel - Antivalenz<br />
Q<br />
Q<br />
Q<br />
I1 I2 Q<br />
Q<br />
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H L<br />
entgegengesetzt exklusives ODER<br />
I1 I2<br />
Q XOR<br />
Wechsel gleich<br />
gesetzt<br />
H-Signal: Strom<br />
L-Signal: Kein Strom<br />
Ein praktisches Beispiel:<br />
Äquivalenz<br />
XNOR<br />
Eine Glühlampe (Q1) wird mit 2 Schaltern (I1 <strong>und</strong> I2) betrieben. Die Lampe soll leuchten<br />
(Q erhält ein H-Signal), wenn nur der eine oder der andere Schalter betätigt wird (XOR).<br />
Die beiden Schalter entsprechen den beiden Eingängen der kontaktlosen Schaltung.<br />
Lösung:<br />
Die Lampe Q = 1 (H-Signal) soll leuchten, wenn entweder I1 = 1 oder I2 = 1 (H-Signal).<br />
Wie sieht das mathematisch aus?<br />
Bedingung:<br />
Mit zwei NICHT, zwei UND <strong>und</strong> zwei ODER-Schaltungen kann dieses Beispiel realisiert<br />
werden.<br />
Wie geht man bei der Lösung vor?<br />
1. Zerlegen in Einzelschritte.<br />
2. Dann die ODER-Verknüpfung bilden.<br />
I1<br />
L<br />
L L<br />
Verwendung der Logiksoftware LOGO-SOFT der Fa. Siemens<br />
H<br />
H<br />
H<br />
I2<br />
Q = ( I I) ( I I )<br />
1 2 1 2<br />
Q<br />
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Man beachte hier die Unübersichtlichkeit der Schaltung. Die Leitungen sollen sich nicht<br />
über kreuzen.<br />
Wahrheitstabelle:<br />
I1 I2 Nicht<br />
I1<br />
Nicht<br />
I2<br />
I1 <strong>und</strong> NICHT<br />
I2<br />
A B<br />
NICHT I1 Oder I2 A ODER B Q<br />
1 1 0 0 0 1 1 1<br />
1 0 0 1 1 0 1 1<br />
0 1 1 0 0 1 1 1<br />
0 0 1 1 0 1 1 1<br />
Die NOR-Stufe besteht aus einer ODER-Stufe mit anschließendem NICHT.<br />
Die NAND-Stufe besteht aus einer UND-Stufe mit anschließendem NICHT.<br />
(NICHT I1 <strong>und</strong> NICHT I2)<br />
UND-Stufe: Q = I1 ^ I2<br />
NAND-Tabelle:<br />
NOR-Tabelle:<br />
I1 I2 I1 UND I2 Nicht (I1 <strong>und</strong> I2)<br />
1 1 1 0<br />
0 1 0 1<br />
1 0 0 1<br />
0 0 0 1<br />
I1 I2 I1 ODER I2 Nicht (I1 oder I2)<br />
1 1 1 0<br />
0 1 1 0<br />
1 0 1 0<br />
0 0 0 1<br />
Mit Hilfe von LOGO-Conform V3.0 der Firma Siemens lassen sich komfortabel logische<br />
Schaltungen auf dem PC realisieren.<br />
Natürlich kann man mit Halbleiterelementen logische Schaltungen unkompliziert herstellen<br />
(LED, Dioden <strong>und</strong> Transistoren).<br />
NICHT-Schaltung mit einem Transistor<br />
UND-Schaltung mit zwei Halbleiterdioden<br />
NAND-Schaltung mit 2 Halbleiterdioden <strong>und</strong> einem Transistor<br />
NOR-Schaltung mit 2 Halbleiterdioden <strong>und</strong> einem Transistor<br />
Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08<br />
16
Rechneregeln – Gesetze von de Morgan<br />
Veränderliche Größen, wie Spannung usw. können am Eingang oder am Ausgang eines<br />
<strong>digitale</strong>n Bauelementes zwei Zustände einnehmen (1, 0).<br />
Ä Zweifache Negation ergibt das ursprüngliche Signal<br />
Zweifaches NICHT I = I<br />
Die de Morgan-Regeln sagen aus, dass ein am Ausgang negiertes UND-Gatter die gleiche<br />
Funktion erfüllt, wie ein an allen Eingängen negiertes ODER-Gatter <strong>und</strong> auch umgekehrt.<br />
Daraus ergibt sich, dass an allen Eingängen <strong>und</strong> am Ausgang negiertes UND einem ODER<br />
entspricht <strong>und</strong> umgekehrt.<br />
Mathematisch ausgedrückt: Wenn der Negierungsstrich über einer Verknüpfung<br />
aufgetrennt <strong>und</strong> auf die einzelnen Variablen verlagert wird, muss auch das<br />
Verknüpfungszeichen geändert werden, was bedeutet, dass aus einem UND ein ODER wird<br />
<strong>und</strong> umgekehrt.<br />
Für die Schaltungstechnik heißt das, dass wenn ein NICHT von einem Eingang zum<br />
Ausgang oder von einem Ausgang zu einem Eingang über ein Gatter verschoben wird,<br />
geht ein UND in ein ODER oder ein NAND in ein NOR <strong>und</strong> umgekehrt über.<br />
Gesetze<br />
Ä Kommutativgesetz: I1 <strong>und</strong> I2 = I2 <strong>und</strong> I1 I1 v I2 = I2 v I1<br />
I1 . I2 = I2 . I1<br />
I1 + I2 = I2 + I1<br />
Ä Assoziativgesetz (Verbindungsgesetz) : I1 ^ I2 ^ I3 = (I1^I2)^I3<br />
I1 + I2 + I3 = (I1+I2)+I3<br />
I1 +I2 + I3 = I1 +(I2+I3<br />
I1 (I2 . I3 )= (I1 *I2 )*I3 = I1 *I2 * I3<br />
Ä Distributivgesetz (Verteilungsgesetz):<br />
(I1 ^ I2) v (I1 ^I3 ) = I1 .(I2 + I3)<br />
(I1 v I2) ^(I1 v I3) = I1 +(I2 .Î3)<br />
UND-Verknüpfungen sind zusammengefasste ODER-Verknüpfungen, die gleichen Variablen<br />
können herausgehoben werden:<br />
(I1.I2) + (I1.I3)<br />
I1.(I2 + I3)<br />
Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08<br />
17
Veranschaulichung des Distributivgesetzes in einer Schaltung:<br />
Gesetze von de Morgan<br />
I1 . I2 = (NICHT I1 + Nicht I2) Nicht UND -> ODER<br />
I1 + I2 = (NICHT I1 * Nicht I2) Nicht ODER -> UND<br />
Stellen Sie die beiden fehlenden Gleichungen auf:<br />
=<br />
NAND -> NOR<br />
NOR -> NAND<br />
An Hand der NAND-Schaltung <strong>und</strong> der NOR-Schaltung wollen wir de Morgan untersuchen.<br />
Q = NICHT Gr<strong>und</strong>form der NAND-Schaltung (I1*I2)<br />
Ä Trennung <strong>und</strong> Umwandlung:<br />
Q = NICHT I1 + NICHT I2 (NICHT A v NICHT B)<br />
Ä Negation:<br />
NICHT Q = NICHT(NICHT I1 + NICHT I2)<br />
Ä Trennung <strong>und</strong> Umwandlung<br />
NICHT Q = NICHT NICHT I1 * NICHT NICHT I2<br />
Ä Doppelte Negation:<br />
NICHT Q = I1*I2<br />
Ä Negation:<br />
NICHT NICHT Q = NICHT (I1*I2)<br />
Ä Gr<strong>und</strong>form der NAND-Schaltung:<br />
Q = NICHT (I1*I2)<br />
Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08<br />
18
Man beachte: Das „NICHT“ wird als waagrechter Strich oberhalb der Variablen gesetzt.<br />
Wahrheitstabelle dieser Untersuchung:<br />
I1 I2 I1*I2 NICHT(I1*I2) I1 I2 NICHT I1 NICHT I2 NICHT I1 + NICHT I2<br />
0 0 0 1 0 0 1 1 1<br />
0 1 0 1 0 1 1 0 1<br />
1 0 0 1 1 0 0 1 1<br />
1 1 1 0 1 1 0 0 0<br />
Wie man deutlich erkennen kann, erhält man dasselbe Ergebnis.<br />
Nun wollen wir eine NOR-Schaltung <strong>und</strong> eine eingangseitige negierte UND-Schaltung<br />
untersuchen:<br />
Q = NICHT (I1+I2) Gr<strong>und</strong>form der NOR-Schaltung<br />
Ä Trennung <strong>und</strong> Umwandlung:<br />
Q = NICHT I1 * NICHT I2 (NICHT A UND NICHT B)<br />
Ä Negation:<br />
NICHT Q = NICHT (NICHT I1 * NICHT I2)<br />
Ä Trennung <strong>und</strong> Umwandlung:<br />
NICHT Q = NICHT NICHT I1 + NICHT NICHT I2<br />
Ä Doppelte Negation:<br />
NICHT Q = I1+I2<br />
Ä Negation:<br />
NICHT NICHT Q = NICHT (I1+I2)<br />
Ä Gr<strong>und</strong>form der NAND-Schaltung:<br />
Q = NICHT (I1+I2)<br />
Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08<br />
19
I1 I2 I1+I2 NICHT (I1+I2) I1 I2 NICHT I1 NICHT I2 NICHT I1 * NICHT I2<br />
0 0 0 1 0 0 1 1 1<br />
0 1 1 0 0 1 1 0 0<br />
1 0 1 0 1 0 0 1 0<br />
1 1 1 0 1 1 0 0 0<br />
Auch hier sehen wir, dass das Ergebnis gleich ist.<br />
Beispiel:<br />
a) Untersuche ein NAND- <strong>und</strong> ein ODER-Gatter:<br />
b) Untersuche ein eingangs negiertes NOR-Gatter mit einem UND-Gatter:<br />
Stelle für beide Fälle eine Wahrheitstabelle auf.<br />
Lösung<br />
a)<br />
I1 I2 I1*I2 Nicht I1 Nicht I2 Nicht I1 * Nicht I2 Nicht(Nicht I1 * Nicht I2) I1 +12<br />
0 0 0 1 1 1 0 0<br />
0 1 0 1 0 0 1 1<br />
1 0 0 0 1 0 1 1<br />
1 1 1 0 0 0 1 1<br />
Auch hier sehen wir das gleiche Endergebnis.<br />
b)<br />
I1 I2 Nicht I1 Nicht I2 Nicht (I1 + I2) Nicht(Nicht I1 + Nicht I2) I1 * I2<br />
0 0 1 1 1 0 0<br />
0 1 1 0 1 0 0<br />
1 0 0 1 1 0 0<br />
1 1 0 0 0 1 1<br />
Wie wir sehen ist auch hier das gleiche Endergebnis festzustellen.<br />
In der Digitaltechnik spielen das NAND- <strong>und</strong> das NOR-Gatter eine wesentliche Rolle. Es ist<br />
jedes <strong>digitale</strong> Netz mit diesen beiden Schaltungen lösbar.<br />
Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08<br />
20
Zusammenfassung<br />
Ä Eine NAND-Schaltung kann durch eine ODER-Schaltung mit negierten Eingängen<br />
ersetzt werden.<br />
Ä Eine NOR-Schaltung kann durch eine UND-Schaltung mit negierten Eingängen<br />
ersetzt werden.<br />
Ä Die de Morganschen Gesetze ermöglichen es, mit nur NAND- bzw. NOR-Gattern<br />
arbeiten zu können.<br />
Vereinfachung von Schaltungen mit den Regeln der Boolschen Schaltalgebra<br />
Schaltfunktionen können einem Schaltplan oder einer Wertetabelle (Wahrheitstabelle)<br />
entnommen werden, wobei dabei alle Zeilen mit den Ergebnissen (Schaltwert) „1“<br />
berücksichtigt werden. Die betreffenden Eingangsvariablen einer Zeile sind in UND-<br />
Verknüpfung <strong>und</strong> die betreffenden Zeilen in ODER-Verknüpfung. Solche Formen nennt man<br />
ODER-Normalform (disjunktive NF).<br />
Eingänge Ausgänge Zeilen ODER-NF<br />
I1 I2 Q<br />
0 0 0<br />
0 1 1 Z1 = Nicht I1*I2 Q = Z1 + Z2<br />
1 0 1 Z2 = I1 * Nicht I2<br />
1 1 0<br />
Ein Beispiel soll die ODER-Normalform (NF) veranschaulichen:<br />
Eine Glühlampe kann von drei Stellen geschaltet werden. Die Lampe soll leuchten, wenn<br />
Schalter A eingeschaltet (1) UND Schalter B UND Schalter C ausgeschaltet (0) sind, ODER<br />
wenn Schalter B eingeschaltet, jedoch Schalter A UND C ausgeschaltet sind, ODER wenn<br />
alle drei Schalter ausgeschaltet (0) sind:<br />
Ä Erstellen Sie eine Wahrheitstabelle<br />
Ä Lesen Sie aus der Wahrheitstabelle die Schaltfunktion (ODER-NF) ab<br />
Ä Vereinfachen Sie die Schaltfunktion<br />
Ä Zeichnen Sie die kontaktlose Schaltung unter Verwendung von LOGO-Soft Conform<br />
der Fa. Siemens (oder mit einem CAD-Programm).<br />
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21
Wahrheitstabelle:<br />
Schalter C Schalter B Schalter A Ergebnis Q<br />
0 0 0 1 Forderung<br />
0 0 1 1 Forderung<br />
0 1 0 1 Forderung<br />
0 1 1 0<br />
1 0 0 0<br />
1 0 1 0<br />
1 1 0 0<br />
1 1 1 0<br />
Schaltfunktion:<br />
Wie kommt man zu der gestellten Forderung:<br />
Alle drei Schalter haben den Schaltwert 0 – aber die Lampe soll leuchten – also Q = 1<br />
(Zeile 0)<br />
Schalter A hat den Schaltwert 1 <strong>und</strong> die Schalter B <strong>und</strong> C haben den Schaltwert 0 – aber<br />
die Lampe soll leuchten – also Q = 1 (Zeile 1)<br />
Schalter B hat den Schaltwert 1 <strong>und</strong> die beiden Schalter A <strong>und</strong> C habne den Schaltwert 0 -<br />
- aber die Lampe soll leuchten – also Q =1 (Zeile 2)<br />
Man erreicht das, indem man folgendermaßen vorgeht:<br />
Zeile 0 : Nicht A * Nicht B * Nicht C -> Schaltwert 1<br />
Zeile 1 : A * Nicht B * Nicht C -> Schaltwert 1<br />
Zeile 2: Nicht A * B * Nicht C -> Schaltwert 1<br />
Nun stellt man die ODER-Normalform auf:<br />
Q = Z0 v Z1 v Z2 (Z0 + Z1 + Z2)<br />
Q = Nicht A.Nicht B.Nicht C v A.Nicht B.Nicht C v Nicht A.B.Nicht C<br />
Beachten Sie: Das Nicht wird als waagrechter Strich über der Schaltvariablen plaziert.<br />
Vereinfachen der Schaltung:<br />
Man hebt geeignete Variablen heraus:<br />
Nicht B.Nicht C(Nicht A v A)v Nicht A.B.Nicht C<br />
Jetzt löst man die Klammer auf:<br />
Q = Nicht B.Nicht C v Nicht A.B.Nicht C<br />
Nun hebt man Nicht C heraus:<br />
Q = Nicht C (Nicht B v Nicht A.B) = Endergebnis<br />
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22
Schaltplan:<br />
Steuern<br />
Schützensteuerungen<br />
In der Technik gibt es viele Funktionen, die von Schützen übernommen werden können.<br />
Schützensteuerungen für Motorantriebe, notwendige Funktionen mehrerer Antriebe<br />
untereinander oder äußerer Einflüsse wie beispielsweise Weg, Druck, Zeit, Temperatur,.....<br />
Schützensteuerungen sind ein wichtiges Mittel in der Antriebstechnik.<br />
Zwei wichtige Begriffe sind untrennbar mit Schützensteuerungen verb<strong>und</strong>en:<br />
STEUERUNG <strong>und</strong> REGELUNG:<br />
In vielen Bereichen des Lebens werden physikalische Größen gesteuert oder geregelt:<br />
a) Ein- <strong>und</strong> Ausschalten von Elektromotoren<br />
b) Lenken von Kraftfahrzeugen<br />
c) Öffnen <strong>und</strong> Schließen von Wasserventilen<br />
d) Rechnen mit einem Taschenrechner,...<br />
Der Begriff STEUERN ist genormt (DIN, ÖVE):<br />
Eingangsgrößen beeinflussen Ausgangsgrößen der Steuerung. Die Eingangsgrößen oder<br />
Programme gehen vom Menschen aus.<br />
Alle Elemente, die an einer Steuerung beteiligt sind, bilden eine Kette. Die Steuerbefehle<br />
können nur in einer Richtung vom Eingang zum Ausgang gelangen.<br />
Aufbau einer Steuerkette am Beispiel einer Steuerung eines Elektromotors:<br />
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23
L1<br />
L2<br />
L3<br />
L<br />
Schütz-Stellgerät<br />
N<br />
Teile einer Steuerkette<br />
Energiefluß<br />
a) Steuerstrecke (Motor) mit Steuergröße (Drehzahl)<br />
b) Steuereinrichtung: Steuergerät (Taster S1), Stellglied (Schütz), Stellgröße (elektr.<br />
Spannung am Hilfskontakt), Führungsgröße (Taster gedrückt oder nicht gedrückt)<br />
Die Steuerstrecke ist der Energiewandler, wie beispielsweise ein Motor oder eine<br />
Glühlampe bzw. ein Hydraulikzylinder...<br />
Im Motor wird die Drehzahl gesteuert (verändert), in der Glühlampe wird die Helligkeit<br />
verändert ...<br />
Die Steuereinrichtung beherbergt all jene Teile, welche den Energiefluss: steuern, z. B.<br />
Taster, Schütz, Messwertgeber, Programme...<br />
Das Stellgerät liegt am Beginn der Steuerstrecke <strong>und</strong> steuert den Energiefluss:<br />
Schaltschütz, Stromstoßschalter, Schalter, Magnetventile...<br />
Der Taster dient zum Steuern <strong>und</strong> wird als Steuergerät bezeichnet. Auf einen Schalter<br />
wirkt eine Führungsgröße ein.<br />
Die Stellgröße ist die elektrische Spannung am Hilfkontakt des Schütz.<br />
Die Führungsgröße wirkt während des Steuervorganges auf das Steuergerät (Taster<br />
gedrückt oder nicht gedrückt...).<br />
Man unterscheidet verschiedene Steuerarten:<br />
a) Führungssteuerung<br />
Steuergröße<br />
Drehzahl n<br />
Motor<br />
(Steuerstrecke)<br />
Stellgröße (elektr. Spannung am Kontakt)<br />
Steuerkette<br />
Steuergerät<br />
(Taster, Schalter v. Menschen<br />
bzw. Programm) = S1<br />
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M<br />
3<br />
Steuereinrichtung Steuerstrecke Steuerung<br />
n<br />
24
) Haltegliedsteuerung<br />
c) Programmsteuerung<br />
Führungssteuerung<br />
Der Wert der Ausgangsgröße hängt immer vom Momentanwert der Führungsgröße ( Taster<br />
gedrückt Taster nicht gedrückt ) ab. Durch den Menschen wird die Führungsgröße stetig<br />
geändert, was eine stetige Änderung der Steuergröße (Helligkeit...) hervorruft.<br />
a) stufenlose Helligkeitssteuerung von Glühlampen<br />
b) stufenlose Drehzahlsteuerung von DC-Motoren<br />
Haltegliedsteuerung<br />
Wenn die Führungsgröße (Taster gedrückt Taster nicht gedrückt) weggenommen wird,<br />
bleibt die Stellgröße erhalten. Erst bei neuerlich eintreffender Führungsgröße nimmt die<br />
Stellgröße den ursprünglichen Wert an:<br />
Beispielsweise beim Ein- <strong>und</strong> Ausschalten von Verbrauchern durch einen Schütz mit<br />
Selbsthaltekontakt.<br />
Programmsteuerung<br />
Ein Programm steuert automatisch die ablaufenden Arbeitsvorgänge.<br />
Man unterscheidet 3 verschiedene Programmsteuerungen:<br />
a) Zeitplansteuerung<br />
Eine Schaltuhr bewirkt das Ein- <strong>und</strong> Ausschalten einer Lampe<br />
(Straßenbeleuchtung...).<br />
Die Führungsgröße erzeugt ein zeitabhängiger Programmgeber.<br />
b) Wegplansteuerung<br />
Durch Schaltnocken werden Endschalter betätigt, die Arbeitsvorgänge starten bzw.<br />
benden können, wobei die Führungsgröße ein wegabhängiger Programmgeber erzeugt.<br />
c) Folgesteuerung<br />
Die Steuerung bekommt die Führungsgröße von einem Programm. Erst, wenn der<br />
vorherige Arbeitsablauf beendet ist, wird der neue Arbeitsablauf gestartet:<br />
Beispielsweise bei der Waschautomatensteuerung, Stern-Dreieck...<br />
STEUERUNGEN HABEN IMMER EINEN OFFENEN WIRKUNGSABLAUF.<br />
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25
SCHÜTZ<br />
Betriebsmittelkennzeichnung: K<br />
Schaltzeichen: a) Schützspule<br />
b) gesamter Schütz<br />
K<br />
Hauptkontakte<br />
A1<br />
A2<br />
von der Stromquelle<br />
1 3 5<br />
2 4 6<br />
zum Verbraucher<br />
A1<br />
Schützspule<br />
11 23 31 43<br />
A2 12 24 32 44<br />
Hilskontakte<br />
1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6 Hauptkontakte<br />
11 - 12, 23 - 24, 31 - 32, 43 - 44 Hilfskontakte (belastet bis 5A)<br />
23 - 24, 43 - 44 Arbeitskontakte Schließer<br />
11 - 12, 31 - 32 Ruhekontakte Öffner<br />
Hilfskontakte sind mit zweistelligen Kontaktbezeichnungen festgelegt.<br />
Ordnungsziffern<br />
Schaltteile, welche dieselbe Funktion ausüben, unterscheidet man nach Ordnungsziffern,<br />
wie beispielsweise bei:<br />
Schließer: 13 - 14; 33 - 34<br />
Öffner: 21 - 22; 41 - 42<br />
Spule<br />
Spulenkontakt - Netz<br />
Spulenkontakt - Netz<br />
Die erste Ziffer (Zehnerstelle) gibt die Anschlussbezeichnung wieder.<br />
Die zweite Ziffer stellt die Funktion dar.<br />
Z.B.: beim Schließer stellen die Kontakte 3 - 4 die Arbeitskontakte <strong>und</strong> beim Öffner 1 - 2<br />
die Ruhekontakte dar.<br />
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26
Kennzahlen<br />
Schützen mit bestimmter Anzahl von Hilfskontakten haben eine Kennzahl. Sie ist<br />
zweiziffrig <strong>und</strong> gibt die Anzahl der Schließer <strong>und</strong> Öffner an.<br />
ZB.:<br />
Kennzahl 42 bedeutet 4 Schließer <strong>und</strong> 2 Öffner<br />
Kennzahl 44 bedeutet 4 Schließer <strong>und</strong> 4 Öffner<br />
Kennzahl 04 bedeutet 0 Schließer <strong>und</strong> 4 Öffner<br />
Schützen sind unverklinkte, fernbetätigte Schalter mit elektromagnetischem<br />
Antrieb.<br />
Unter unverklinkt versteht man, dass die Schaltkontakte nicht in der Ein-Stellung gehalten<br />
werden, wie das beim Stromstoßschalter der Fall ist. Wenn also der Spulenstromkreis<br />
unterbrochen ist, fallen die Schaltkontakte sofort in die Ausgangsstellung zurück.<br />
Funktion<br />
Wird die Schützspule (A1/A2) an Spannung gelegt, erzeugt der durch die Spule fließende<br />
Strom eine elektromagnetische Kraft, die den Anker anzieht <strong>und</strong> das mit ihm verb<strong>und</strong>ene,<br />
bewegliche Schaltstück schließt bzw. öffnet die Schaltkontakte.<br />
Arten<br />
K1<br />
A1<br />
A2 12<br />
Ordnungsziffer<br />
(Kontaktnummer)<br />
11 23 31 43<br />
24 32 44<br />
Funktionsziffer<br />
a) Luftschütz: Die Kontakte schalten in Luft. Es entsteht ein Abschaltlichtbogen, der in<br />
einer Lichtbogenkammer gelöscht wird.<br />
Vorzüge:<br />
a) geringer Wartungsaufwand<br />
b) große Zuverlässigkeit<br />
c) geringer Platzbedarf<br />
d) geringer Preis.<br />
b) Ölschütz: Die Kontakte schalten in einem mit Transformatoren- bzw. Schalteröl<br />
gefüllten Behälter. Man erreicht dadurch ein schnelles Löschen des Abschaltlichtbogens,<br />
wobei auch der Kontaktverschleiß gering gehalten wird.<br />
Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08<br />
27
Nachteile:<br />
a) größerer Wartungsaufwand<br />
b) größerer Platzbedarf<br />
c) teuer<br />
c) Relais: Ein Relais ist so wie ein Luftschütz gebaut, ist aber jedoch ein bisschen kleiner.<br />
Es dient zum Schalten kleiner Leistungen <strong>und</strong> ist meist steckbar. Anwendung findet es in<br />
der KFZ-Technik usw.<br />
Schaltzeichen<br />
Es gibt auch Relais mit Schutzgaskontakten.<br />
d) Elektronikschütz<br />
Sie können wie normale elektromechanische Schütze angeschlossen werden, wobei dabei<br />
der Lastkreis (Arbeitskreis) kontaktlos über ein Halbleiterbauelement (Triac) geschaltet<br />
wird. Verwendet werden sie zum Schalten für kleinere Leistungen bis ca. 20 kW.<br />
Vorteile:<br />
Anwendung:<br />
Blatt=<br />
federn<br />
Magnet=<br />
joch<br />
Isolierstücke<br />
Spule<br />
a) keine Kontaktabnutzung<br />
b) kurze <strong>und</strong> gleichmäßige Schaltzeiten<br />
c) kleine Steuerleistungen<br />
Kontakte<br />
Abstandhalter<br />
Klappanker<br />
Eisenkern<br />
a) als Leistungsschütz (Hauptschütz): Sie werden meist zum Schalten von Motor-,<br />
Licht- <strong>und</strong> Kraftstromkreisen verwendet. Sie besitzen in der Regel 3<br />
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28
Hauptkontakte <strong>und</strong> einige Hilfskontakte (Öffner <strong>und</strong> Schließer).<br />
Gr<strong>und</strong>schaltungen der Steuerungstechnik (Schütz)<br />
Für Schützenschaltungen sind folgende Betriebsmittel notwendig:<br />
a) Taster S0, S1, S2,...<br />
b) Meldelampe (Motor,....) H (eventuell 2 Lampen)<br />
c) Relais [K1]- Spule mit den beiden Kontakten A1 <strong>und</strong> A2 (eventuell 2 Schütze):<br />
1. Relaiskontakte : 13, 14, 23, 24,...<br />
1. Ziffer: Kontaktnummer<br />
2. Ziffer: Funktionsnummer:3-4 Schließer<br />
1-2 Öffner<br />
Bei gängigen Relais gibt es nur mehr Wechsler <strong>und</strong> keine getrennten Öffner <strong>und</strong> Schließer.<br />
Ein RELAIS schaltet Ströme - ein SCHÜTZ ist ein Relais, mit dem man Leistung<br />
(Strom) schalten kann.<br />
Gr<strong>und</strong>schaltung<br />
L<br />
N<br />
K1<br />
S0<br />
Gr<strong>und</strong>steuerung<br />
A1<br />
A2<br />
F2<br />
Einfache Schützschaltung mit Dauerkontaktgeber durch S0. Wird der Schalter S0<br />
geschlossen, erhält der Schütz (die Schützspule von K1 (A1-A2-Kontakte) Spannung, zieht<br />
an <strong>und</strong> das Schütz K1 schaltet den Verbraucher (entweder im Lastkreis–Kontakte 1-<br />
6=Lastkontakte) ein. Wird S0 ausgeschaltet, fällt das Schütz K1 wieder ab (magnetische<br />
Kraft) <strong>und</strong> schaltet den angeschlossenen Verbraucher wieder ab. Wenn man den Schalter<br />
S0 durch einen Taster ersetzt, bezeichnet man das einen TIP-Betrieb. Das Schütz schaltet<br />
nur solange ein, wie auf den Taster gedrückt wird, <strong>und</strong> fällt ab, wenn man den Taster los<br />
lässt. Diesen Schaltplan bezeichnet man als Steuerkreis, wobei A1/A2 als Steuerspule<br />
bezeichnet wird.<br />
Mit Hilfe von Schützschaltungen ist es möglich, alle logischen Gr<strong>und</strong>funktionen<br />
auszuführen.<br />
(Anwendung der Sodtware Autosketch)<br />
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29
UND - Verknüpfung<br />
L<br />
N<br />
S1<br />
S2<br />
K1<br />
ODER - Verknüpfung<br />
L<br />
N<br />
A1<br />
A2<br />
S0<br />
K1<br />
S1<br />
Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08<br />
K1<br />
H<br />
30
NICHT - Verknüpfung<br />
L<br />
N<br />
K<br />
Festhalteschaltung<br />
L<br />
N<br />
I<br />
K Öffner<br />
Die Stromrichtung ist immer von L nach N zu zeichnen.<br />
So<br />
A1<br />
A2<br />
S1<br />
K1<br />
S0<br />
1<br />
2<br />
A1<br />
A2<br />
K1 13<br />
14<br />
Hilfskontakte von K1<br />
Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08<br />
31
L<br />
N<br />
1 Last<br />
2<br />
Hauptstromkreis<br />
S1<br />
K1<br />
S0<br />
1<br />
2<br />
A1<br />
A2<br />
K1<br />
Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08<br />
13<br />
14<br />
Hilfskontakte von K1<br />
Die Stromrichtung ist immer von oben (L1) nach unten (N)<br />
zu kennzeichnen.<br />
32
Praxisbezogene Schützschaltungen<br />
L<br />
N<br />
S0<br />
S1<br />
K1<br />
Diese Schaltung wird als 2-Handsicherungsschaltung verwendet. (Schneidmaschinen,...)<br />
S0, S1 sind so genannte Taster. Der Schütz wird mit K1 bezeichnet.<br />
13, 14, 31, 32 sind Hilfskontakte.<br />
Die Endziffern 3–4 kennzeichnen einen Schließer<br />
Die Endziffern 1–2 kennzeichnen einen Öffner<br />
E1 <strong>und</strong> E2 sind Anzeigelampen <strong>und</strong> kennzeichnen die Ausgänge Q1 <strong>und</strong> Q2.<br />
An Stelle der Lampen können auch andere elekgtrische Verbraucher geschaltet werden.<br />
Diese Schaltung bezeichnet man als „UND-Schaltung“. Erst wenn beide Taster S0 UND S1<br />
gedrückt sind, zieht der Schütz an <strong>und</strong> schließt den Hilfskontakt 13-14, wobei der<br />
Hilfskontakt 31–32 geöffnet wird.<br />
Dieser Plan ist der so genannte Steuerkreis, wobei in den meisten Fällen vor dem Taster<br />
S0 eine Sicherung geschaltet wird.<br />
L stellt die Phase dar (beispielsweise 24V AC=Wechselstrom–Leiterfarbe schwarz oder<br />
braun).<br />
N stellt den so genannten Neutralleiter dar (Leiterfarbe blau)<br />
A1<br />
A2<br />
Spulenkontakte<br />
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K1<br />
Tippschaltung<br />
13<br />
14<br />
Hilfskontakte von K1<br />
E1 E2<br />
K1<br />
31<br />
32<br />
33
Dauerkontaktgeberschaltung<br />
K1<br />
L1<br />
L2<br />
L3<br />
N<br />
F1<br />
Hauptstromkreis<br />
E1<br />
Wenn der Schalter S0 geschlossen wird, erhält die Spule des Schütz K1 eine Spannung,<br />
zieht an <strong>und</strong> das Schütz K1 schaltet, der Verbraucher E1 wird eingeschaltet. Der<br />
Verbraucher E1 wird ausgeschaltet, wenn auch der Schalter S0 geöffnet wird.<br />
Ersetzt man den Schalter durch einen Taster, ändert sich ein wenig das Schaltvermögen.<br />
Man erhält einen so genannten Tipp-Betrieb. Das bedeutet, dass das Schütz nur so lange<br />
schaltet, wie der Taster gredrückt wird. Das Schütz fällt jedoch ab, wenn der Taster<br />
losgelassen wird.<br />
Diese Schaltung verwendet man sehr häufig, um mit geringen Steuerstömen große Lasten<br />
(große Ströme, Heizung, Beleuchtungen,...) zu steuern.<br />
Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08<br />
L<br />
N<br />
F2<br />
Steuerkreis<br />
S0<br />
K1<br />
A1<br />
A2<br />
Spule<br />
34
Dauerkontaktschaltung<br />
L1<br />
N<br />
1<br />
2<br />
F1<br />
Hauptkontakte<br />
E1<br />
Schutzsicherung<br />
Hauptstromkreis<br />
An Stelle des Verbrauchers (Lampe) kann auch ein Motor angeschlossen werden.<br />
Wird der Schalter S1 gedrückt, so schaltet das Schütz K1 die Hauptkontakte (Schließer)<br />
1-2 werden geschlossen, der Verbraucher (Lampe) ist eingeschaltet, die Lampe leuchtet<br />
(der Motor läuft).<br />
Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08<br />
S1<br />
K1<br />
21<br />
22<br />
S0<br />
13<br />
14<br />
A1<br />
A2<br />
Hilfskontakte<br />
Steuerstromkreis<br />
35
Selbsthalteschaltung<br />
N<br />
L1<br />
E1<br />
F1<br />
1<br />
2 Last<br />
Hauptstromkreis<br />
S1<br />
K1<br />
S0<br />
1<br />
Öffner<br />
2<br />
Schließer<br />
A1<br />
A2<br />
Steuerstromkreis<br />
Wenn jetzt der Taster S1 (Schließer) gedrückt wird, werden die beiden Hilfskontakte, die<br />
S1 überbrücken, geschlossen (Schließer), die beiden Hilfskontakte 13-14 sind parallel zu<br />
S1 (ODER). Daher schaltet das Schütz K1 <strong>und</strong> schließt die Hauptkontakte 1-2. Der<br />
Schaltzustand „geschlossen“ bleibt aufrecht.<br />
Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08<br />
K1<br />
13<br />
Schließer<br />
14<br />
Hilfskontakte von K1<br />
36
Selbsthalteschaltung mit 2 Ein - <strong>und</strong> Austaster<br />
L<br />
S3<br />
N<br />
F1<br />
K1<br />
S2<br />
Wird ein Taster S3 ODER S2 betätigt, zieht das Schütz an, die Hilfskontakte 13-14; 23-24<br />
schließen <strong>und</strong> 11-12 öffnet.<br />
Die Hilfskontakte 13-14, 23-24 sind Schließer <strong>und</strong> der Hilfskontakt 11-12 ist ein Öffner.<br />
Das bedeutet, dass E1 leuchtet <strong>und</strong> E2 leuchtet nicht.<br />
S0<br />
S1<br />
1<br />
2<br />
A1<br />
A2<br />
Öffner<br />
1<br />
2 Öffner<br />
K1 13<br />
14<br />
Hilfskontakt<br />
K1<br />
E1 E2<br />
Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08<br />
23<br />
24<br />
Hilfskontakte von K1<br />
K1<br />
11<br />
12<br />
37
Eine einfache Befehlssteuerung mit einem Motor<br />
L1<br />
L2<br />
L3<br />
M1<br />
F1<br />
K1<br />
1<br />
2<br />
1<br />
2<br />
U<br />
3<br />
4<br />
3<br />
4<br />
V<br />
M<br />
AC 3<br />
(Wechselstrom)<br />
5<br />
6<br />
5<br />
6<br />
W<br />
Strompfad 1 (Hauptstromkreis)<br />
Thermische Überstromauslöser<br />
Vom Vorteil <strong>und</strong> der besseren Übersicht wegen, trennt man umfangreiche Schaltungen in<br />
so genannte Strompfade auf:<br />
Strompfad 1 wäre demnach der Hauptstromkreis<br />
Strompfad 2 <strong>und</strong> 3 der Steuerstromkreis, wobei der Strompfad 3 nur den Anzeiger hat,<br />
also das Ergebnis des Strompfades 2 liefert.<br />
Zusätzlich wird dann noch beim Steuerkreis, Strompfad 2 die Anzahl der Öffner <strong>und</strong><br />
Schließer an gegeben:<br />
N<br />
L<br />
E S Ö<br />
1 2 -<br />
1 - -<br />
1 - -<br />
Wenn der Taster S3 ODER S4 gedrückt wird, zieht das Schütz K1 über F2 (Sicherung)-S1-<br />
S2 (Strompfad 2) an <strong>und</strong> schaltet den Hauptstromkreis (Pfad 1) ein. Das Schütz K1 hält<br />
(Selbsthaltekontakt) über die Hilfskontakte 13-14 von K1, so dass beim Auslassen des<br />
betätigten Tasters (EIN) das Schütz eingeschaltet bleibt.<br />
Wird der Taster S1 oder S2 gedrückt (Öffner), oder der thermische Überstromauslöser F2,<br />
so wird der Stromkreis unterbrochen <strong>und</strong> das Schütz K1 fällt ab. Der Hauptstromkreis wird<br />
Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08<br />
F3<br />
F2<br />
S1<br />
S2<br />
95<br />
96<br />
97<br />
98<br />
S3 S4 K1 13<br />
3 3<br />
4 4 14<br />
K1<br />
2<br />
2<br />
1<br />
1<br />
A1<br />
A2 E1<br />
2<br />
3<br />
Strompfad 2 Strompfad 3<br />
38
daher unterbrochen.<br />
F2 ist ein so genanntes Motorschutzrelais, welches dann anspricht, weil das Schütz fällt.<br />
Die Anzeigelampe E1, welche „STÖRUNG“ bedeutet, wird über F2 (Strompfad 3)<br />
eingeschaltet.<br />
Beachten, dass beim Drücken eines Öffners(„Austaster) das Schütz nicht mehr<br />
einschaltbar sein darf. Eintaster (Schließer) <strong>und</strong> der Haltekontakt (13-14) müssen daher<br />
parallel geschaltet sein.<br />
Überstromauslöser (Schutz) müssen in Reihe geschaltet werden.<br />
Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08<br />
39
Zusammenfassung<br />
UND - Schaltung<br />
Erst wenn beide Schalter (Schließer) geschlossen sind (gehalten werden), leuchtet die<br />
Lampe E1.<br />
Aufgabe:<br />
N<br />
L<br />
F1<br />
Ändere die Schaltung so um, damit die Lampe dauernd leuchtet.<br />
S0<br />
K1<br />
S1<br />
A1<br />
A2<br />
Spule<br />
2<br />
Strompfad 2<br />
Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08<br />
K1<br />
13<br />
14<br />
Hilfskontakte<br />
E1<br />
3<br />
Strompfad 3<br />
40
ODER - Schaltung<br />
N<br />
Wenn einer der beiden Schalter S0 ODER S1 den Schaltwert 1 (H-Signal) haben, schaltet<br />
das Schütz <strong>und</strong> die Lampe leuchtet.<br />
Aufgabe:<br />
L<br />
F1<br />
Ä Ändere die Schaltung so um, dass die Lampe ständig leuchtet.<br />
Ä Ändere die Schaltung in eine Reihen- kombiniert mit einer Parallelschaltung um.<br />
Verwende einen zusätzlichen dritten Schalter (S3)<br />
E1 = (S0 v S1) ^ S3<br />
S0<br />
K1<br />
A1<br />
A2<br />
S1<br />
Spule<br />
Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08<br />
K1<br />
13<br />
14<br />
Hilfskontakte<br />
E1<br />
2<br />
3<br />
Strompfad 2 Strompfad 3<br />
41
ÖNORM - Richtlinien von Schaltplänen <strong>und</strong> Betriebsmittel<br />
Der Schaltplan (engl. Diagram) verbindet verschiedene Betriebsmittel miteinander <strong>und</strong> er<br />
zeigt auch wie diese zueinander stehen. Daher schreibt die ÖNORM für Symbole,<br />
Leitungen <strong>und</strong> Betriebsmittel Regeln vor:<br />
Grafische Symbole (graphical symbols)<br />
Die Regeln für die grafischen Sysmbole stehen in der ÖNORM E 1002 bis E 1012, wobei<br />
für die Darstellung die einfachste Form gewählt werden soll.<br />
Darstellung der Symbole<br />
Ä Einlinige Darstellung (single-line representation)<br />
Ä Mehrlinige Darstellung (multiline representation)<br />
Ä Nach der unterschiedlichen Anordnung der Schaltsymbole für elektrische<br />
Betriebsmittel wird weiters unterschieden:<br />
Ä Zusammenhängende Darstellung (semi-assembled representation)<br />
K1<br />
1 3 5<br />
2 4 6<br />
Hauptkontakte<br />
K1<br />
A1<br />
A2<br />
Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08<br />
13<br />
14<br />
Hilfskontakte<br />
42
Ä Aufgelöste Darstellung (detached representation)<br />
Ä Verbindungslinien<br />
Ä Einlinig<br />
Ä Mehrlinig<br />
K1<br />
1 3 5<br />
2 4 6<br />
Hauptkontakte<br />
Ä Teilweise werden sie auch vernachlässigt.<br />
K1<br />
Hauptstromkreis<br />
Wenn man unterschiedliche Stromkreise darstellen möchte, kann man sie auch mehrfarbig<br />
oder in verschiedenen Linienstärken darstellen.<br />
In der einlinigen Darstellung wird es notwendig sein, die Anzahl der Leiter oder<br />
Bauelemente anzugeben.<br />
Ä Darstellung des Betriebszustandes<br />
Gr<strong>und</strong>sätzlich wir das Betriebsmittel im stromlosen Zustand, beim Schalter im nicht<br />
betätigten Zustand dargestellt.<br />
Ä Kennzeichnung der elektrischen Betriebsmittel (item designation)<br />
Gr<strong>und</strong>sätzlich wird jedes elektrische Betriebsmittel durch ein Schaltzeichen<br />
(Maschinen, Motor,, Klemmen,.....) dargestellt.<br />
Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08<br />
A1<br />
A2<br />
K1<br />
13<br />
14<br />
Hilfskontakte<br />
Steuerkreis<br />
43
Pneumatik<br />
Physikalische Überlegungen zur Pneumatik<br />
Die Frage stellt sich, womit beschäftigt sich die Pneumatik. Das Wort kommt aus der<br />
griechischen Sprache (pneuma) <strong>und</strong> bedeutet „Atem“.<br />
In Wissenschaft <strong>und</strong> Technik versteht man unter Pneumatik den Einsatz von Druckluft.<br />
Also Luft.<br />
Was ist Luft? Physikalisch betrachtet ein Gasgemisch, welches folgende Zusammensetzung<br />
hat:<br />
Ä ca. 78 Volumsprozent Stickstoff (N) (Vol.%)<br />
Ä ca. 21 Vol.% Sauerstoff (O)<br />
Ä Spuren von Kohlendioxid (CO2), Argon (Ar – Edelgas), Wasserstoff (H), Neon (Ne),<br />
Helium (He), Krypton (Kr) <strong>und</strong> Xenon (Xe).<br />
Ar, H, Ne, He, Kr <strong>und</strong> Xe sind Edelgasse. Kennzeichnend sind Edelgase, dass sie<br />
eine gesättigte Außenschale besitzen <strong>und</strong> chemisch träge sind.<br />
Physikalische Eigenschaften der Luft:<br />
Luft ist eines der wichtigsten Gase. Ohne Luft ist unser Leben nicht möglich. Sie schützt<br />
uns auch weitgehend gegen Einflüsse aus dem Weltall. Denken wir nur an die schützende<br />
Ozonschicht (O3). Sie enthält, wie schon oben erwähnt, den lebensnotwendigen Sauerstoff<br />
(O).<br />
Die auf uns lastenden Luftmassen besitzen eine Gewichtskraft. Die Kraft, welche pro<br />
Flächeneinheit wirkt, bezeichnet man Druck. Daher sagt man auch Luftdruck, der messbar<br />
ist.<br />
Ä Druck – Einheit 1 Pascal (1 Pa). Wenn eine senkrecht wirkende Kraft von 1 Newton<br />
(1 N) auf eine Fläche von 1 m² einen Druck ausübt, bezeichnet man dies als 1 Pa.<br />
Ä Luft ist nahe der Erdoberfläche dichter <strong>und</strong> schwerer als weiter oben. Der Luftdruck<br />
ist von der Höhe abhängig. Der Druck, der direkt auf der Erdoberfläche herrscht,<br />
wird als atmosphärischer Druck (Patm) bezeichnet.<br />
Ä Historisch: Den Druck einer Quecksilbersäule (Hg) von 1 mm Höhe bezeichnete<br />
man damals als 1 Torr (Evangelista Torricelli 1608-1647). Torricelli war der erste,<br />
der den Luftdruck bestimmte. Viele Luftdruckmesser (griech. Barometer) arbeiten<br />
heute noch nach dem „torricellischen Prinzip“.<br />
Beim Aneroidbarometer zeigt ein Zeiger die vom Luftdruck abhängige Verformung<br />
einer Luft leeren Metalldose an.<br />
Ä Geringe Kohäsion. Darunter versteht man die geringen Kräfte zwischen den<br />
Luftmolekülen. Diese geringen Kräfte sind in der Pneumatik bei den üblichen<br />
Betriebsbedingungen eher zu vernachlässigen.<br />
Ä Luft hat keine bestimmte Gestalt (wie bei allen Gasen)<br />
Ä Luft verändert die Form bei geringster Krafteinwirkung <strong>und</strong> nimmt den maximal ihr<br />
zur Verfügung stehenden Raum ein.<br />
Ä Luft lässt sich verdichten (komprimieren–zusammen drücken)<br />
Ä Lust ist bestrebt, sich aus zu dehnen (expandieren).<br />
Verdichten <strong>und</strong> ausdehnen beschreibt das so genannte Boyle-Mariot'sche Gesetz, das<br />
besagt, dass das Volumen einer abgeschlossenen Gasmenge bei konstanter Temperatur<br />
Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08<br />
44
indirekt proportional zum absoluten Druck ist.<br />
Das Produkt aus Volumen <strong>und</strong> absoluten Druck ist für eine bestimmte Gasmenge<br />
immer konstant.<br />
p1 . V1 = p2 . V2 = p3 . V3 = konstant<br />
Der absolute Druck (Pabs) ist der Druck Null–Vakuum–bezogene Wert. Er entspricht der<br />
Summe des atmosphärischen Drucks <strong>und</strong> des Über- bzw. Unterdrucks. Der Überdruck ist<br />
der Druck oberhalb des Normaldrucks (Pe >0)<br />
Wenn Pe 7.V2 = 1.V1 -----> =<br />
V1 7 1 V2<br />
P amb<br />
Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08<br />
Pabs<br />
Pe<br />
45
p2 = p1 . V1<br />
V2<br />
p1 =pamb = 100 kPa = 1 bar -------> (pamb)<br />
p2 = 1 . 7 = 700 kPa = 7 bar absolut ----> (pabs)<br />
pe = pabs – pamb = 700 – 100 = 600 kPa = 6 bar<br />
Antwort: Ein Verdichter, der einen Überdruck (pe) von 6 bar erzeugt, hat ein<br />
Verdichtungsverhältnis von 7:1.<br />
Nun ist der Druck konstant. Wie verhält sich die Luft, wenn sich die Temperatur ändert?<br />
Die Luft dehnt sich bei konstantem Druck einer Temperatur von 273 K (00 C) <strong>und</strong> einer<br />
Erwärmung um 1 K um 1<br />
seines Volumens aus. Diese Eigenschaft beschreibt das Gay-<br />
273<br />
Lussac'sche Gesetz:<br />
„Das Volumen einer abgeschlossenen Gasmenge ist der absoluten Temperatur<br />
proportional, solange der Druck konstant bleibt.“<br />
V1<br />
V2<br />
= T1<br />
T2<br />
V1 ist das Volumen bei T1 <strong>und</strong> V2 bei T2.<br />
Allgemein: V<br />
T<br />
ist konstant.<br />
Die Volumsänderung DV = V2 – V1 = V1 * ÄT2ÅT1Ç<br />
T1<br />
V2 = V1 + DV = V1 + V1<br />
(T2 – T1)<br />
T1<br />
Dies gilt nur, wenn die Temperatur in K angegeben ist. Bei Celsiusgraden wird eine andere<br />
Formel angewendet:<br />
V1<br />
V2 = V1 +<br />
Ä273ÉT1Ç (T2 – T1) (2730 C)<br />
Ein Beispiel soll das Gay-Lussac'sche Gesetz veranschaulichen:<br />
0,8 m³ Luft mit der Temperatur von 293 K (T1) {+273 K = 00C + 20 = 293 K = + 200 C}<br />
wird auf 344 K (T2) erwärmt. (344 – 273 = 710 C)<br />
Frage: Wie stark dehnt sich die Luft aus ? (Das Volumen V2 ist gefragt)<br />
Lösung:<br />
V2 = 0,8m3 + 0,8<br />
293K<br />
V2 = 0,8m3 + 0,8<br />
293K<br />
m³ (344K – 293K)<br />
m³ . 51 K<br />
Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08<br />
46
V2 = 0,8m 3 + 40,8 m3K<br />
293K<br />
V2 = 0,8m 3 + 0,139 m³<br />
V2 = 0,939 m³<br />
Wir sehen, dass sich die Luft um ca. 0,139 m 3 ausgedehnt hat. Das ursprüngliche Volumen<br />
von 0,8 m 3 hat sich auf 0,939m 3 geändert.<br />
Wenn das Volumen bei der Erwärmung konstant bleibt, ändert sich der Druck. Es kommt<br />
zu einer Druckzunahme nach der Formel:<br />
p1<br />
p2<br />
p<br />
T<br />
= T1<br />
T2<br />
= konstant<br />
Wenn beide Gasgesetze vereinigt, erhält man die allgemeine Gasgleichung:<br />
p1* V1<br />
T1 =<br />
p2* V2<br />
T2<br />
= konstant<br />
„Bei einer abgeschlossenen Gasmenge ist das Produkt aus Druck (p) <strong>und</strong><br />
Volumen (V) geteilt durch die absolute Temperatur (T) immer konstant.“<br />
Wenn jeweils einer der drei Größen konstant ist, erhält man die vorher genannten Gestze<br />
(Boyle-Marioett <strong>und</strong> Gay-Lussac).<br />
Pneumatische Überlegungen<br />
Voraussetzung für eine gut funktionierende pneumatische Anlage ist ein gleich bleibender<br />
Luftdruck (Arbeitsdruck). Um dies gewährleisten zu können, werden so genannte<br />
Druckregler, die zentral an das Druckluftnetz angeschlossen sind, verwendet.<br />
Sie halten den Luftdruck im Sek<strong>und</strong>ärkreis (Sek<strong>und</strong>ärdruck) konstant, obwohl im<br />
Primärkreis (Hauptsteuerkreis) Druckschwankungen auftreten können. Der Druckregler,<br />
der dem Druckfilter nachgeschaltet ist, hält den Arbeitsdruck konstant.<br />
In der Technik werden häufig Arbeitsdrücke von 600kPa (6 bar) (100kPa = 1 bar) mit<br />
Leistungsteil verwendet. Im Steuerteil arbeitet man mit 300 bis 400 kPa (3 – 4 bar). Diese<br />
Werte haben sich als sehr wirtschaftlich erwiesen.<br />
Wenn man mit höherem Betriebsdruck arbeitete, könnte es zu negativer Energienutzung<br />
<strong>und</strong> höherem Verschleiß der Bauteile kommen. Ein niedrigerer Druck führt zu einen<br />
schlechten Wirkungsgrad im Leistungsteil.<br />
Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08<br />
47
Funktionsweise von Ventilen <strong>und</strong> Zylindern<br />
Ventilarten:<br />
Ä 3/2 – Wegeventil – 3 Anschlüsse <strong>und</strong> 2 Schaltstellungen<br />
Ä 5/2 – Wegeventil – 5 Anschlüsse <strong>und</strong> 2 Schaltstellungen<br />
Zylinderarten<br />
Ä Einfach wirkender Zylinder mit Rückholfeder<br />
Ä Doppelter Anschluss ohne Rückholfeder<br />
Prinzip der Pneumatik<br />
Arbeiten<br />
Motor, Zylinder<br />
Steuern<br />
Ventile<br />
Erzeuger<br />
Verdichter<br />
Rückholfeder<br />
Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08<br />
48
Schaltplan<br />
Verdichter<br />
mit Ansaugfilter<br />
Teile einer pneumatischen Anlage<br />
Ä Kompressor (Verdichter)<br />
Ä Druckluftspeicher<br />
Ä Wartungseinheit (Filter, Druckregler, Öler)<br />
Ä Ventile (Hauptventil, Stellglieder)<br />
Ä Arbeitselement (Zylinder)<br />
Ä Druckluftleitungen<br />
Der Verdichter, auch Kompressor bezeichnet, erzeugt die notwendige Druckluft. Häufig<br />
wird der Verdichter von einem Elektromotor angetrieben. Luft ist Energieträger für die<br />
Steuerung <strong>und</strong> den Arbeitsprozess. Die Luft wir aus der Umgebung angesaugt <strong>und</strong><br />
gefiltert, danach zusammen gedrückt (komprimiert–verdichtet). Dadurch, dass das<br />
Volumen sich nicht ändert, steigt der Luftdruck. Die Druckluft wird dann im so genannten<br />
Druckluftspeicher gespeichert.<br />
Verdichterarten<br />
E-Motor<br />
Ä Verdrängungsprinzip<br />
Ä Strömungsprinzip<br />
Verdrängungsprinzip<br />
Die Luft wird in einem Raum eingeschlossen <strong>und</strong> anschließend durch einen Kolben<br />
verdichtet. Der Kolben bewegt sich <strong>und</strong> verkleinert das Volumen. Häufig nach diesem<br />
Prinzip werden Hubkolbenverdichter, die für einen Druckbereich von 1 bar bis ca. 40 bar<br />
eingesetzt werden, verwendet.<br />
Wenn man höhere Drücke erzielen will (bis 10 bar), verwendet man mehrstufige<br />
Verdichter:<br />
Ä Hubkolbenverdichter<br />
Ä Zweistufiger Hubkolbenverdichter<br />
M<br />
Druckluft=<br />
speicher<br />
Wartungs=<br />
einheit<br />
Hauptventil<br />
Zylinder<br />
(einfachwirkend)<br />
Stellglied<br />
(z.B. 3/2 - Wege=<br />
ventil)<br />
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49
Ä Drehkolbenverdichter (rotierende Kolben)<br />
Ä Vielzellen-Rotationsverdichter (Rotor im Gehäuse)<br />
Ä Schraubenverdichter<br />
Strömungsprinzip<br />
Luft wird an der Seite des Verdichters durch Schaufelräder angesaugt <strong>und</strong> beschleunigt.<br />
Im nachfolgenden Verdichter wird die Strömungsenergie der Luft in Druckenergie<br />
umgewandelt. Solche Verdichter, die nach diesem Prinzip arbeiten, erreichen Drücke bis zu<br />
10 bar. Sie sind gut geeignet für große Luftmengen (über 130 m 3 /min). Die Bauweise ist<br />
mehrstufig:<br />
Ä Axialverdichter<br />
Ä Radialverdichter<br />
Häufig werden sie in der Technik als Turboverdichter bezeichnet.<br />
Zu beachten ist auch, dass beim Verdichten der Luft nicht Druck, sondern auch Wärme<br />
entsteht, die durch Wasser oder Luftkühlung abgekühlt werden muss.<br />
Druckluftspeicher<br />
Druckluftspeicher haben nicht nur die Funktion der Speicherung, sondern sie sollen auch<br />
Druckluftschwankungen im Netz (System) ausgleichen. Diese Schwankungen entstehen,<br />
wenn man Luft abnimmt.<br />
Da sie eine große Oberfläche besitzen, werden sie auch als Luftkühler verwendet.<br />
Druckluftspeicher unterliegen strengen Sicherheitsvorschriften, da sie Druckbehälter sind.<br />
Schaltsymbol:<br />
Wartungseinheit<br />
Sie besteht aus drei wichtigen Teilen:<br />
Ä Druckluftfilter<br />
Ä Druckregelventil<br />
Ä Druckluftöler<br />
Da die Luft verunreinigt ist (Feuchtigkeit, Rost, feine Schmutzteilchen,...) <strong>und</strong> dies zu<br />
Störungen im System <strong>und</strong> zur Zerstörung pneumatischer Teile führen könnte, muss sie<br />
gewartet (gereinigt) werden. Sie muss aufbereitet werden. Das erfolgt in der<br />
Wartungseinheit.<br />
Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08<br />
50
Druckluftfilter<br />
Das Filter, wie der Name schon sagt, filtert Verunreinigungen aus der Luft heraus<br />
(Kondensationswasser regelmäßig entfernen–Ablassschraube).<br />
Druckregelventil (Regler)<br />
Durch dieses Ventil wird der Arbeitsdruck im System weitgehends konstant gehalten<br />
(Sek<strong>und</strong>ärdruck).<br />
Der Netzdruck (Primärdruck) muss immer größer als der Sek<strong>und</strong>ärdruck sein.<br />
Der Luftverbrauch <strong>und</strong> die Verdichterleistung bestimmen den Primärdruck.<br />
Druckluftöler<br />
Die nach geschaltenen pneumatischen Teile müssen genügend geschmiert werde. Diese<br />
Aufgabe übernimmt der Öler. Dadurch ist der Verschleiß der Ventile <strong>und</strong> Zylinder relativ<br />
gering (Reibung). Auch vor Korrosion sind die pneumatischen Elemente zu schützen.<br />
Pneumatische Ventile<br />
Ä Wegeventile<br />
Ä Sperrventile<br />
Ä Druckventile<br />
Ä Stromventile<br />
Ä Absperrventile<br />
Gr<strong>und</strong>sätzlich haben Ventile eine Steuerfunktion. Sie können einen Weg freigeben oder ihn<br />
sperren.<br />
Hier werden folgende Ereignisse gesteuert <strong>und</strong> geregelt:<br />
Ä Druck<br />
Ä Durchfluss<br />
Ä Start (Beginn)<br />
Ä Ende (Aus)<br />
Ä Richtung der Druckluft<br />
Wegeventil<br />
Die Richtung der Druckluft wird durch ein Wegeventil beeinflusst. Das Wegeventil wird<br />
durch 2 Ziffern gekennzeichnet, wobei die erste Ziffer die Anzahl der steuerbaren<br />
Anschlüsse angibt <strong>und</strong> die zweite Ziffer die Anzahl der Schaltstellungen kennzeichnet.<br />
Legende<br />
1. Druckluftanschluss<br />
2. Arbeitsleitung (Energie ---> Zylinder)<br />
3. Entlüftung<br />
ZB.: 3/2 Wegeventil heißt: 3 steuerbare Anschlüsse<br />
2 Schaltstellungen möglich<br />
Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08<br />
51
3<br />
3<br />
Dieses Ventil besitzt keinen Rohranschluss<br />
Dieses Wegeventil besitzt einen Rohranschluss<br />
Die Steuerung erhält das Signal vom Wegeventil. Dadurch wird der Zylinder ausgefahren.<br />
Anschlussbezeichnungen bei Wegeventilen<br />
Anschlussnummer 1: Druckluftanschluss<br />
Anschlussziffern 2,4,6: Arbeitsleitungen (Energie)<br />
Anschlussziffern 3, 5, 7: Entlüftung<br />
Anschlussziffern 10, 12, 14: Steuerung<br />
Pneutmatikzylinder in Ruhestellung<br />
Druckluftquelle<br />
(Kompressor)<br />
1A1<br />
Zylinder<br />
3/2 Wegeventil<br />
1V1<br />
2<br />
a b<br />
1 3<br />
Wartungseinheit<br />
Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08<br />
2<br />
1<br />
3<br />
52
Erklärung der Schaltung:<br />
Die Druckluft gelangt über die Druckluftquelle <strong>und</strong> Wartungseinheit zum 3/2-Wegeventil<br />
(1V1). In der Ruhestellung ist der Druckluftanschluss (1) gesperrt. Der Kolben des<br />
Zylinders befindet sich vermittels Rückstellfeder in der Ausgangsstellung, wobei die Luft<br />
am Kolbenboden über die Leitung 2 (Arbeitsleitung) <strong>und</strong> Leitung 3 (Entlüftung) in die<br />
Umgebung entweichen kann. Das Ventil ist in Stellung b.<br />
Pneumatikzylinder bei der Arbeit (Energie)<br />
Erklärung:<br />
Zylinder<br />
3/2 Wegeventil<br />
Druckluftquelle<br />
(Kompressor)<br />
a b<br />
Jetzt hat sich die Situation geändert. Das Ventil (1V1) schaltet nun in Stellung a. Die<br />
Druckluft gelangt über den Anschluss 1 in die Arbeitsleitung (Energie) 2 <strong>und</strong> drückt den<br />
Zylinder gegen die Federkraft hinaus (Vorhub). Die Luft entweicht über die<br />
Entlüftungsbohrung in die Umgebung. Der Kolben verbleibt in der ausgefahrenen Stellung.<br />
Man erkennt, dass das 3/2-Wegeventil 2 Schaltstellungen besitzt „a“ <strong>und</strong> „b“.<br />
Druckluftquelle<br />
Taste<br />
Signal=<br />
ventil<br />
Wartungseinheit<br />
1A1<br />
2<br />
1S1 2<br />
a b<br />
1 3<br />
Wartungseinheit<br />
1V1 4<br />
14 a b<br />
1 3<br />
Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08<br />
1V1<br />
1A1 Zylinder mit Kolben<br />
2<br />
12<br />
1 3<br />
a1<br />
1S2 2<br />
a b<br />
1 3<br />
1S2<br />
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Diese Schaltstellung wird durch die beiden Felder symbolisch dargestellt.<br />
Die Wartungseinheit:<br />
Beispiel<br />
Filter Regler<br />
Öler<br />
Es soll in einem pneumatischen System der Kolben automatisch zurückfahren, wenn er die<br />
vordere Endposition erreicht <strong>und</strong> das Werkstück aus der Vorrichtung auf einen Rollenband<br />
ausgestoßen hat. Das Ausfahren des Zylinderkolbens erfolgt durch Tastendruck<br />
Zylinder mit Kolben<br />
Dazu werden folgende pneumatische Bauteile verwendet:<br />
Ä Doppelwirkender Zylninder (einseitiger Kolbenstange)<br />
Ä 4/2-Wegeventil - Impulsventil(1V1)<br />
Ä Signalventile (1S1) für den Vorhub<br />
Werkstück<br />
Grenztaster<br />
Rollenband<br />
Ä Signalventil (1S2) für den Rückhub – ausgestattet mit einer Rolle – betätigt von der<br />
Kolbenstange des Zylinders 1A1 in der vorderen Endlage 1S2 .<br />
Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08<br />
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Erklärung der Funktion:<br />
Taste von 1S1 gedrückt -->das Signalventil 1S1 schaltet in den Zustand „a“. Das 4/2-<br />
Wegeventil (Impilsventil – verändert erst durch einen Impuls an der anderen Steuerseite<br />
die Lage) erhält über 12 (Steueranschluss) einen Impuls. Es schaltet ebenfalls in die<br />
Stellung „a“, in der es bleibt (wenn die Taste zusätzlich gedrückt wird). Die Druckluft<br />
strömt dann über das Ventil 1V1 in den Zylinder. Der Kolben fährt aus. Das Ventil 1S1 wird<br />
beim Loslassen der Taster durch die Federkraft wieder in die Stellung „b“<br />
zurückgeschaltet.<br />
Wen die Kolbenstange die Endposition erreicht hat, wird der Grenztaster 1S2 ausgelöst<br />
(gedrückt). Das Ventil 1S2 schaltet in die Stellung „a“. Das 4/2-Wege-Impulsventil erhält<br />
über den Steueranschluss „14“ einen Impuls. Es schaltet in die Stellung „b“. Der Kolben<br />
des Zylinders fährt zurück.<br />
Das Ventil 1S2, welches kurz über den Grenztaster betätigt wird, schaltet durch die<br />
Federkraft wieder in Stellung „b“. Das Ventil 1V1 bleibt in seiner Schaltstellung<br />
(Reibungskraft), der Stellung „b“ solange, bis der Kolben in die hintere Endposition<br />
gefahren ist. Der Kolben bleibt hier stehen, bis erneut der Taster betätigt wird <strong>und</strong> sich der<br />
Vorgang wiederholt.<br />
Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08<br />
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Literaturliste<br />
Ä Siemens Handbuch LOGO Ausgabe 05/2000 – A5E00067780 01<br />
Ä Einführung in die Elektronik Jean Pütz VGS ISBN 3-8025-1022-4<br />
Ä Elektronik mit Hertz – Strasshofer<br />
Ä Fachk<strong>und</strong>e Elektrotechnik FS Fachbuch Buch Nr.: 0841 VG m.b.H. Wien<br />
Ä Europa - Lehrmittel Wuppertal<br />
Ä Gr<strong>und</strong>kenntnisse Elektrotechnik – Handwerk <strong>und</strong> Technik / Hamburg<br />
DI Dipl. VW Klaus Beuth, Freiburg<br />
DI Rudolf Glass, Backnang<br />
DI Richard Hanebuth, Freiburg<br />
DI Eugen Huber, Merzhausen<br />
DI Peter Jordan, Karlsruhe<br />
DI Roland Poppe, Freiburg<br />
DI Wolfgang Schmidt, Ettlingen<br />
DI Herbert Werner, Stuttgart<br />
DI – GWL. Alfred W<strong>und</strong>erlin, Esslingen<br />
Ä Fachk<strong>und</strong>e Elektrotechnik, Europa-Lehrmittel<br />
Ä Gr<strong>und</strong>ausbildung Elektrotechnik – Steuerungstechnik AI (Austrian Industries)<br />
Ä Fachk<strong>und</strong>e Metall-Elektro, Ing. Thomas Gnedt, Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk, Ing.<br />
Josef Lidinger; ISBN 3-7002-1331-X Verlag Jugend & Volk (Fachbuchverlag<br />
Bohmann)<br />
Ä Technisches Seminar Elektro, Dr. Franz Neufingerl, Ing. Thomas Gnedt, Dipl. Päd.<br />
SR Johann Krafczyk; ISBN 3-7002-1335-2; Verlag Jugend & Volk (Fachbuchverlag<br />
Bohmann)<br />
Ä Praxisbuch Werkstätte – Metall-Elektro, Ing. Thomas Gnedt, Dipl. Päd. SR Johann<br />
Krafczyk, Ing. Josef Lidinger, BL Karl Semrad; ISBN 3-7002-1435-9; Verlag Jugend<br />
& Volk (Fachbuchverlag Bohmann)<br />
Ä Gr<strong>und</strong>lagen der Elektrotechnik , Dr. Ing. Hans Fricke , Uni Braunschweig<br />
Dr. Ing. Franz Moeller, Uni Braunschweig, B. G. Teubner Stuttgart<br />
Ä PC-Elektronik Labor, Herbert Bernstein; Verlag Franzis Poing<br />
Ä Mechatronik; Gr<strong>und</strong>stufe; Elpers, Meyer, Marquart, Nabbefeld, Skornitzke, Willner,<br />
Ruwe; Bildungsverlag Eins; ISBN: 3-8242-2080-6<br />
Dipl. Päd. SR Johann Krafczyk 2007/08<br />
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