Anleitung 5 - Kapazitaet

Elektrotechnik Grundlagen Labor
579900733
12.2005
Kapazität
1 Lernziel
Mit der Durchführung der Übung vertieft der/die Studierende sein Verständnis der physikalischen Größe Kapazität und ihrer
Geometrie- und Materialabhängigkeit. Er/sie lernt experimentelle Methoden zur Bestimmung von Kapazitäten anzuwenden und
misst das Verhalten kapazitiver Bauelemente im Wechselstromkreis.
2 Vorbereitung
Vorlesungen "Elektrotechnik Grundlagen" und "Übertragungstechnik"
Einführung durch Laborbetreuer
3 Übungsdurchführung
3.1 Entladekurve
Ein auf die Gleichspannung U 0 geladener Elektrolytkondensators ( C > 1000µF; Polarität und Spannungsbelastbarkeit
beachten) soll über einen Widerstand R entladen werden. Der zeitliche Verlauf der Spannung ist mittels Spannungs- und
Zeitmessung aufzuzeichnen. Überschlagen Sie, wie groß R sein muss, dass mit dem gegebenen Kondensator die Zeitkonstante
 ~ 100s beträgt und wählen Sie von den vorhandenen Widerständen einen passenden aus. Messen Sie mit einem Multimeter
(der Innenwiderstand ist ausreichend hoch, und kann vernachlässigt werden) die exponentiell abfallende Spannung
U  U 0  e t / in kurzen Zeitabständen (Sekundenzeiger der Armbanduhr ablesen) und erstellen Sie ein U-t-Diagramm. Fügen
Sie in dieses Diagramm ebenfalls den mit obiger Formel berechneten Zeitverlauf ein (  exakt berechnet mit gewählten
Bauteilen und U 0 lt. Angabe). Fertigen Sie weiters ein Diagramm in halblogarithmischer Darstellung (ln U über t) an. Hierbei
sollten die Messpunkte auf einer Geraden liegen. Tragen Sie eine Ausgleichsgerade ein und bestimmen Sie aus deren Steigung
die Zeitkonstante   R  C und die Kapazität des Kondensators.
3.2 Vergleichsmessung zur Kapazitätsbestimmung
Es liegt eine bekannte Kapazität C1 und eine unbekannte Cx vor. Beide Werte liegen im Bereich 0,5µF < C < 5µF. Durch eine
Serienschaltung als Spannungsteiler soll durch Messung der Spannungsabfälle auf den unbekannten Kapazitätswert geschlossen
werden. Verwenden Sie den eingebauten Funktionsgenerator Wechselspannungsquelle. (Effektivwert Uo = 10V, f = 50Hz )
Cx
C1
V
V
Uo
3.3 Direkte Kapazitätsmessung mit Vielfachinstrument
Bestimmen Sie die Kapazitätswerte Cx und C1 der Kondensatoren aus Pkt. 3.2 mittels Digitalmultimeter mit
Kapazitätsmessfunktion. Vergleichen Sie das Ergebnis mit obiger Messung.
 Wie weit weichen die beiden Messergebnisse voneinander ab?
Schließen Sie ein Oszilloskop an das Digitalmultimeter an und stellen Sie die Messspannung dar. Variieren Sie den
Kapazitätswert und beobachten Sie die Veränderung des Signals am Oszilloskop.
Aigner, Jäger, Haiml, Lindmoser, Magauer,
ITS , ITS-B
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 Welches Signal ist zu erkennen? Nach welchem Prinzip erfolgt hierbei die Kapazitätsmessung?
3.4 Spannungs- und Frequenzabhängigkeit des Wechselstromwiderstandes
Bestimmen Sie den Wechselstromwiderstand eines Folienkondensators bei ca. 10 verschiedenen Spannungen und Frequenzen.
Verwenden Sie dazu eine R-C Serienschaltung mit einem Frequenzgenerator als Spannungsquelle und die eingebauten
Digitalmultimeter zur Spannungsmessung. (R1 = 10k, C1 ~ 10-20nF)
R1
C1
V
V
Uo
a.) Variation des Effektivwertes der Spannung: 1V < Uo < 10V, f = 1kHz
Fertigen Sie eine Tabelle mit folgenden Einträgen an:
Uo / V
1
2
..
Z C1gem 

UR1 / V
UC1 / V
IC1 / mA
ZC1gem / 
U C1
I C1
Wie hängt der Wechselstromwiderstand des Kondensators von Uo ab?
b.) Variation der Frequenz: 100Hz < f < 10kHz, Uo = 10V
Hinweis Frequenzschritte: (100Hz, 200Hz, 500Hz, 1kHz, ….)
Fertigen Sie eine Tabelle mit folgenden Einträgen an:
Frequenz / Hz
100
200
..
UR1 / V
UC1 / V
UR1 + UC1
IC1 / mA
ZC1gem / 
ZC1ger / 
Tragen Sie die ermittelten Wechselstromwiderstandswerte ZC1gem[] und ZC1ger[] in ein Diagramm über f ein .
Z C1ger 
1
1

 f 1 .
 C 2 C
Vergleichen Sie die beiden Verläufe und treffen Sie eine Aussage dazu.
 Vergleichen Sie die Summe UR1 + UC1 mit Uo. Sind die Werte ident ? Wenn Abweichungen vorliegen, geben sie die
prozentuellen Werte an begründen Sie deren Ursache.
 Im welchem Frequenzbereich sind zuverlässige Wechselspannungs- und Wechselstrommessungen möglich? (siehe
Gerätebeschreibung)
 Wie könnten Sie den Wert eines Elektrolytkondensators mittels Wechselstromwiderstandsmessung bestimmen, ohne ihn
durch periodische Falschpolung zu schädigen?
 Was bewirkt die Serienschaltung bzw. Parallelschaltung von Kondensatoren im Wechselstromkreis?
Aigner, Jäger, Haiml, Lindmoser, Magauer,
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