Opgave
Jaap doet onderzoek aan een kleine elektromotor. De spanning over de motor regelt hij met een spanningsbron van 12 V en een schuifweerstand die in te stellen is van 0 Ω tot 40 Ω. Jaap tekent eerst het schakelschema.
Jaap heeft de apparatuur gefotografeerd.
De aansluitpunten voor de verbindingsdraden zijn in de figuur aangegeven met een wit rondje. De foto staat vergroot op de bijlage.
a) Teken in de foto op de bijlage de verbindingsdraden zodat de schakeling van figuur 1 ontstaat.
Jaap laat de motor in 12,0 s een gewichtje ophijsen. De motor gebruikt daarbij een elektrisch vermogen van 3,0 W. Tijdens het ophijsen stijgt de temperatuur van de motor van 21,0 °C tot 22,4 °C. Er verdwijnt geen warmte naar de omgeving. De motor bevat 19 g koper en 18 g ijzer. De massa van het overige materiaal is te verwaarlozen.
b) Bereken het rendement van de motor tijdens het ophijsen.
Om te voorkomen dat de motor doorbrandt, bouwt Jaap een automatisch systeem. Daartoe plakt hij een temperatuursensor op de motor. In figuur 3 staat de ijkgrafiek van deze sensor.
Hij gebruikt verder een relais en een aantal verwerkers. De motor is alleen ingeschakeld als het relais een hoog signaal krijgt. Het systeem zorgt ervoor dat de stroom verbroken wordt als de temperatuur van de motor hoger is dan 60 °C. Als de temperatuur gedaald is tot 40 °C begint de motor weer te lopen. In de figuur op de bijlage is een deel van het systeem getekend.
c) Teken in de rechthoek op de bijlage de ontbrekende verwerkers en hun verbindingen. Noteer bij gebruik van een comparator ook de gewenste referentiespanning.
Uitwerking vraag (a)
Uitwerking vraag (b)
Voor het verwarmen van de motor is nodig:
• (mkoper * ckoper * Δt) + ( mijzer * cijzer * Δt)
• (19.10-3 * 0,389.10-3 * 1,4) + (18.10-3 * 0,46.10-3 * 1,4) = 21,9 J
• Dit in 12,0 sec, dus dit is in 1 sec 1,825 J
• Het opgenomen vermogen is 3 W
• Het verlies is 1,825 J, dus het nuttig vermogen is 1,175 J/s
• Het rendement η = 1,175 / 3 = 39 %
Uitwerking vraag (c)
Volgens de grafiek geeft de sensor bij 40°C een spanning af van 1,6 V en bij 60°C een spanning van 2,2 V. Verzin dus een schakeling waarbij:
• en geheugenuitgang laag is als de uitgang van een comparator met referentiespanning 2,2 V hoog is
• dezelfde geheugenuitgang hoog is als de uitgang van een andere comparator met referentiespanning 1,6 V laag is
