10 Leistungselektronik

Unter Leistungselektronik versteht man alles, was mit dem Steuern, Umformen oder Schalten von elektrischer Energie mithilfe von elektronischen Bauteilen zu tun hat. Dabei können hohe Spannungen und große Ströme entstehen.

1. Große Kräfte und hohe Leistungen stellen immer eine potenzielle Gefahr dar. Beim Umgang mit mechanischen und elektrischen Geräten und Maschinen müssen daher Maßnahmen getroffen werden, um Risiken so gering wie möglich zu halten.

Nenne Beispiele, wo große Energiemengen durch kleine Energiemengen gesteuert und kontrolliert werden.

2. Von elektrischem Strom kann eine große Gefahr durch hohe Spannungen und große Ströme ausgehen.

a) Welche technischen Erfindungen sollen Unfälle durch Stromschläge, z. B. im Haushalt, verhindern? Ergänze die Übersicht und nenne ein weiteres Beispiel.

Sie schützen die Anwender und Anwenderinnen vor Überspannungen in Geräten und schalten ggf. die Stromversorgung ab.

Fehlerstromschutzschalter

b) Elektrische Geräte im Haushalt (z. B. Smartphones) benötigen oft eine vergleichsweise geringe Leistung. Doch wie sieht es z. B. bei Elektroautos aus? Recherchiere die elektrische Leistung eines USB-Netzteils und eines Elektroautos.

3. Zum Schalten und Verstärken von Signalen und Strömen werden bestimmte Bauteile eingesetzt.

a) Ordne die Begriffe „Relais“ und „Bipolartransistor“ den folgenden Beschreibungen zu und skizziere die jeweiligen Schaltzeichen.

Ein schwacher Steuerstrom betätigt einen Elektromagneten. Dieser zieht an einer Metallwippe, die vorher durch eine Feder nach unten gezogen wurde. Durch den aktiven Elektromagneten stellt die angezogene Wippe eine Verbindung mit einem Kontakt her. Es fließt ein starker Laststrom von der Wippe auf den Kontakt. Ohne Elektromagnet zieht die Feder so an der Wippe, dass es keine Verbindung von Wippe und Kontakt gibt. Zwei leitende Schichten werden von einer isolierenden Schicht getrennt. Es kann kein Strom fließen. Wenn aber ein schwacher Strom auf die Isolationsschicht geleitet wird, isoliert diese nicht mehr und der starke Strom, der an den beiden leitenden Schichten außen anliegt, kann fließen. Sobald kein schwacher Steuerstrom an der Isolationsschicht in der Mitte liegt, kann auch der Laststrom nicht mehr fließen.

b) Ergänze und beschrifte die Funktionsskizzen der Bauteile. Beschreibe ihre Vor- und Nachteile und recherchiere den ungefähren Preis.

Relais Bipolartransistor

Skizze

Vorteile

Nachteile

Preis

4. Beurteile, warum weder Relais noch Bipolartransistoren in Elektroautos für die Übertragung der Batterieenergie auf den Motor eingesetzt werden können.

5. Um die großen Ströme in Elektroautos zu schalten, werden Hochleistungstransistoren verwendet. Stelle eine Hypothese auf, welche Eigenschaften diese Leistungselektronik haben muss.

6. In der Leistungselektronik werden sogenannte Feldeffekttransistoren verbaut.

Recherchiere den Unterschied zwischen Feldeffekttransistoren und Bipolartransistoren. Skizziere das Schaltzeichen und beschreibe die Funktion von Feldeffekttransistoren.