Beiblatt zum Grundlagenlabor - Institut für Grundlagen der
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Ei n fü h ru n g i n d a s El ektr ot echnisch e Gru nd lag e n la b o r Institut für Grundlagen der Elektrotechnik und Messtechnik Version 0.9.1 Inhaltsverzeichnis Vorwort 3 1 Laborgeräte 4 1.1 Spannungsschalttafel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2 Analoge Messgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2.1 Schalttafelmessgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.2.2 Analoges Multimeter Elavi 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2.3 Analoges Leistungsmessgerät . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3 Digitale Messgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.3.1 Digitales Multimeter PeakTech 3320 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.3.2 Tischmultimeter Uni-Trend 803 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.3.3 Digitales Multimeter Chauvin-Arnoux 3000 . . . . . . . . . . . . . . 13 1.4 Schiebewiderstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2 Grundsätzliches zur Strom- und Spannungsmessung 2 15 Vorwort Diese Einführung ist als Hilfestellung zur Durchführung der Versuche des Elektrotechnischen Grundlagenlabors gedacht. Sie soll kurz und knapp wichtiges Wissen zu den einzelnen Laborgeräten zusammenfassen und grundlegende Vorgehensweisen beim Aufbau der Versuchsschaltungen und Aufnahme der Messwerte vermitteln. Da die Bedienung aller in diesem Dokument beschriebenen Messgeräte nicht für alle Versuche relevant ist, wurde sich für eine größtenteils modulare Aufbauweise entschieden. Jedes Laborgerät besitzt eine eigene Seite, auf der das Gerät abgebildet ist und wichtige Hinweise zu finden sind. Zusätzlich gibt es allgemein gehaltene Abschnitte. Der Versuch, bei dem das jeweilige Gerät benutzt wird, ist in der Überschrift angegeben. Aufgrund der modularen Aufbauweise kommt es an manchen Stellen bewusst zu Wiederholungen. Es wird erwartet, dass man sich vor der Versuchsdurchführung mit den allgemeinen sowie den für den Versuch relevanten Hinweisen beschäftigt. Für tiefergehende Erklärungen wird auf die Literatur sowie auf die Bedienungsanleitungen der Messgeräte verwiesen. Dieses Dokument befindet sich aktuell in einer Entwicklungsphase und ist noch nicht vollständig. Sollten Sie Anmerkungen und Anregungen zu einzelnen Kapitel oder dem gesamten Dokument haben, sprechen Sie bitte Ihre Versuchsbetreuer an. 3 1 Laborgeräte 1.1 Spannungsschalttafel An jedem Versuchsplatz ist eine Spannungsschalttafel, die die für die Versuche erforderlichen Spannungen liefert und und einen Notausschalter umfasst. Auf der linken Seite befinden sich die jeweiligen Buchsen der Spannungsversorgung. Die Belegung der einzelnen Buchsen ist an jedem Versuchsplatz unterschiedlich. Das Beschriftungsfeld oberhalb der Buchsen gibt die Klemmenbelegung an. Die Beschriftung bezieht sich auf das Potential der zugehörigen Buchse. Je nach Buchsennutzung können unterschiedliche Spannungen abgenommen werden. Mit der Belegung nach Abbildung 1 kann man beispielsweise neben den Spannungen 36 V und 12 V (zwischen den Buchsen 36 V und 0 V bzw. 12 V und 0 V) 24 V abnehmen, indem die 36 V- und 12 V-Buchse als Anschlüsse benutzt werden. Die Erdungsbuchse wird bei den meisten Versuchen nicht benötigt; es sei denn, dies wird explizit angegeben. Im rechten Teil der Schalttafel befindet sich der Notausschalter und zusätzlich der Einund Ausschalter und der Leitungsschutzschalter (Platzsicherungsautomat) des Platzes. Der Notausschalter muss mit einem Schlüssel entriegelt und der Leitungsschutzschalter eingeschaltet sein, damit sich die Spannung anstellen lässt. Nach Abnahme der Schaltung durch einen Betreuer, geschieht dies durch das Drücken des grünen Knopfes. Die Spannungsversorgung ist nach dem Messen schnellstmöglich durch das Drücken des roten Knopfes auszuschalten. Auf der rechten Seite befinden sich zwei Sonderbuchsen für die Spannungsversorgung, die nur für den Versuch 2-3 benötigt werden. Abbildung 1: Schalttafel 4 Es gibt an jedem Platz zwei Arten von normalen Steckdosen, die der Versorgung der Geräte mit Netzteil dienen. 1. Nicht gesondert gekennzeichnet Dosen lassen sich über die Schalter der Tafel regeln. An dieser Sorte Dose sollten alle Geräte betrieben werden, die einen aktiven Einfluss auf den Versuchsaufbau haben (z.B. Funktionsgeneratoren oder regelbare Spannungsquellen). 2. Die mit Dauerspannung beschrifteten Dosen, deren Spannung unabhängig von dem Schaltungszustand des Ein-/Ausschalters ist und die zugehörigen Geräte immer mit Spannung versorgen. An dieser Dose können alle Geräte betrieben werden, die keinen Einfluss auf den Versuchsaufbau haben (z.B. Oszilloskope und Multimeter). Alle beschriebenen Sicherungen, Schalter und Notaustaster wirken nur an dem jeweiligen Versuchsplatz. Zusätzlich gibt es an den Innenwänden im Gangbereich vier zentrale Notausschalter im Labor, die die komplette Versorgung auf allen Plätzen abstellen. Diese sollten nur im Notfall gedrückt werden. 5 1.2 Analoge Messgeräte Jedes Messgerät ist beschriftet. Bei Multimetern (Messgeräten mit mehreren Messfunktionen) ist die jeweilige Messgröße (Spannung, Strom, Widerstand etc.) und ggf. der Messbereich vorher einzustellen. Ausgehend davon werden die passend beschrifteten Buchsen für den Anschluss gewählt. Eine Ausnahme bildet die COM-Buchse (Common). Sie ist der gemeinsam genutzte Anschluss aller Messbereiche und ist immer anzuschließen. Bei Gleichgrößenmessung bildet sie den negativen Pol des Messgeräts. Bei der Angabe der Bereiche steht eine Tilde (~) bzw. die Abkürzung AC (alternating current) jeweils für die Messung von Wechselgrößen und ein Querstrich (–) bzw. die Abkürzung DC (direct current) für die Messung von Gleichgrößen. Die jeweilige Abkürzung der Einheit ggf. mit Präfix gibt in der Beschriftung die Messfunktion bzw. den Messbereich an (V / Spannungsmessgerät; A / Strommessgerät; Ω / Widerstandsmessgerät). Ist die zu erwartende Dimension der Messgröße vorher nicht abschätzbar, ist, um eine Beschädigung der Geräte zu verhindern, immer der größtmögliche Messbereich bei Beginn der Messung einzustellen. Danach ist dieser anzupassen. Der aufgedruckte Wert für den Messbereichswahlschalter bei Analogmessgeräten gibt den Endwert des jeweiligen Bereichs an. Ein passender Umrechnungsfaktor von abgelesenem Skalenwert zum Messwert muss über Dreisatz aus dem Verhältnis von Messbereichsendwert zu maximalen Skalenwert ermittelt werden. Beispiel: Das Multimeter Elavi 5 in Abbildung 3 ist auf den Messbereich 150 V Gleichspannungsmessung bei positiver Polung eingestellt (vgl. beide Wahlschalter). Der maximale Skalenwert ist 30. Der angezeigte Skalenwert ist 8,4. Es ergibt sich folgende Rechnung: 30 = b 150 V ⇔ 1= b 150 V 30 ⇔ 8, 4 = b 42 V Für Analog-Messgeräte gilt als Faustregel, dass nach Möglichkeit im obersten Drittel der Skala gemessen werden sollte, da dort die relativen Messfehler am geringsten ausfallen. Es sollte beim Ablesen analoger Messgeräte senkrecht auf die Skala und den Zeiger geschaut werden, um eine Blickverzerrung zu verhindern. Manche Geräte haben einen kleinen Spiegelstreifen in der Skala eingebaut. Ist das Spiegelbild des Zeigers nicht zu sehen, ließt man korrekt ab. 6 1.2.1 Schalttafelmessgeräte ( Versuch 1-1, 1-4, 2-1, 2-4 ) Schalttafelmessgeräte sind Geräte, die nicht auf dem Tisch stehen, sondern senkrecht unter \ über der Spannungschalttafel hängen. In diesem Labor gibt es Schalttafelmessgeräte sowohl als Strommessgeräte und Spannungsmessgeräte mit unterschiedlichen Messbereichen. Das Anwendungsprinzip unterscheidet sich nicht. Die Geräte besitzen eine allgemeine Skala, die nicht den Messwert anzeigt. Dieser muss berechnet werden und hängt vom gewählten Messbereich ab. Die Wahl des Messbereichs wird über die Verschaltung der Buchsen getätigt. Es gibt eine meist schwarze und mit dem Minuszeichen beschriftete COM-Buchse, die messbereichsunabhängig angeschlossen werden muss. Alle anderen roten positiven Buchsen sind mit dem jeweiligen Messbereich beschriftet, bei dem sie benutzt werden. Der Messbereichsendwert entspricht dem über der Buchse angegebenen Wert. Beispiel: Der in Abbildung 2 gezeigte Messwert bedeutet bei Benutzung der 15 V Klemme, dass die gemessene Spannung 4,2 V beträgt, bei Benutzung der 150 V-Klemme den 10fachen Wert der Skalenanzeige (42 V). Abbildung 2: Exemplarisches Schalttafelspannungsmessgerät 7 1.2.2 Analoges Multimeter Elavi 5 ( Versuch 1-3, 2-3 ) Das Elavi 5 besitzt 4 Anschlussbuchsen und 3 Wahlschalter. Mit dem kleinen Wahlschalter auf der rechten Seite wird die grundsätzliche Art der Messung (Gleich/Wechselgrößen) eingestellt bzw. intern umgepolt. Mit dem großen Wahlschalter wird der genaue Messbereich eingestellt. Die übliche COM-Buchse ist hier mit VA gekennzeichnet. Für die meisten Messbereiche (mit Ausnahme von 15 A und 60 A Wechselstrommessung) wird die +-Buchse angeschlossen. Beispiel: Das Multimeter in Abbildung 3 ist auf den Messbereich 150 V Gleichspannungsmessung bei positiver Polung eingestellt (vgl. beide Wahlschalter). Der maximale Skalenwert ist 30. Der angezeigte Skalenwert ist 8,4. Es ergibt sich folgende Rechnung: 30 = b 150 V ⇔ 1= b 150 V 30 ⇔ 8, 4 = b 42 V Abbildung 3: Analoges Multimeter Elavi 5 8 1.2.3 Analoges Leistungsmessgerät ( Versuch 2-4 ) Um die Leistung, die in einem Bauteil umgesetzt wird, messen zu können, müssen Strom und Spannung multipliziert werden. Dazu müssen Strom und Spannung gleichzeitig gemessen werden. Für den Schaltungsaufbau kann das Leistungsmessgerät vereinfacht als zwei einzelne Messgeräte (ein Strom- und ein Spannungsmessgerät) betrachtet und angeschlossen werden. Die Anschlussbuchsen des Teils, der als Strommessgerät benutzt wird, befinden sich auf der linken Seite des Geräts. Er wird wie normale Strommessgeräte in Reihe geschaltet. Die Anschlussbuchsen des Teils, der als Spannungsmessgerät benutzt wird, befinden sich auf der rechten Seite des Geräts. Er wird wie normale Spannungsmessgeräte parallel zur Last geschaltet. Die zwei mit einem Punkt gekennzeichneten Buchsen können als COM-Buchse bezeichnet werden und müssen auf gleichem Potential liegen. Sie sind nicht intern verschaltet. Der Messbereich des Leistungsmessgeräts lässt sich nur über den Messbereich des Spannunsmessgerätteils einstellen. Für Versuch 2-4 ist der Messbereich von 600 W bzw. 120 V ausreichend. In der Buchse für den 48V-Messbereich steckt ein Nagel für die Kondensatorprobe. Diese wird durchgeführt, indem das eine Kabel des Kondensators in die 120V-Buchse gesteckt und das freie Kabel mit dem Ende auf den Nagel gehalten wird. Dadurch wird der Kondensator zu einem Teil des Vorwiderstandes parallel geschaltet und man kann eine Änderung in der Anzeige beobachten. Dies ist das einzige Kabel, das während des Betriebes umgesteckt werden darf! Abbildung 4: Leistungsmessgerät 9 1.3 Digitale Messgeräte Jedes Messgerät ist beschriftet. Bei Multimetern (Messgeräten mit mehreren Messfunktionen) ist die jeweilige Messgröße (Spannung, Strom, Widerstand etc.) und ggf. der Messbereich vorher einzustellen. Ausgehend davon werden die passend beschrifteten Buchsen für den Anschluss gewählt. Eine Ausnahme bildet die COM-Buchse (Common). Sie ist der gemeinsam genutzte Anschluss aller Messbereiche und ist immer anzuschließen. Bei Gleichgrößenmessung bildet sie den negativen Pol des Messgeräts. Bei der Angabe der Bereiche steht eine Tilde (~) bzw. die Abkürzung AC (alternating current) jeweils für die Messung von Wechselgrößen und ein Querstrich (–) bzw. die Abkürzung DC (direct current) für die Messung von Gleichgrößen. Die jeweilige Abkürzung der Einheit ggf. mit Präfix gibt in der Beschriftung die Messfunktion bzw. den Messbereich an (V / Spannungsmessgerät; A / Strommessgerät; Ω / Widerstandsmessgerät). Ist die zu erwartende Dimension der Messgröße vorher nicht abschätzbar, ist, um eine Beschädigung der Geräte zu verhindern, immer der größtmögliche Messbereich bei Beginn der Messung einzustellen. Danach ist dieser anzupassen. 10 1.3.1 Digitales Multimeter PeakTech 3320 ( Versuch 1-2, 1-3 ) Dieses Digitalmultimeter besitzt eine LCD-Anzeige, einen Funktionswahlschalter, vier Funktionstasten / Lichter und 3 Anschlussbuchsen. Mit dem Wahlschalter wird die grundsätzliche Art der Messung eingestellt. Die jeweilige Abkürzung der Einheit gibt in der Beschriftung die Messfunktion an (V / Spannungsmessgerät; A / Strommessgerät; Ω / Widerstandsmessgerät). Eine Tilde (~) steht für die Messung von Wechselgrößen und ein Querstrich (–) für die Messung von Gleichgrößen. Die Funktionstasten sind für die Versuchsdurchführung in diesem Labor ohne Bedeutung. Beispiel: Möchte man mit dem in Abbildung 5 dargestellten Digitalmultimeter PeakTech 3320 einen Gleichstrom messen, ist der Funktionswahlschalter zunächst auf 10 Ā zu stellen und die linke rote 10 A-Buchse sowie die COM-Buchse anzuschließen. Abbildung 5: Digitales Multimeter PeakTech 3320 11 1.3.2 Tischmultimeter Uni-Trend 803 ( Versuch 2-2 ) Das Multimeter besitzt 5 Anschlussbuchsen und einen Wahlschalter. Auf der Rückseite neben dem Netzstecker befindet sich der Hauptschalter. Betätigt man diesen und gleichzeitig den mittleren Knopf RS232 auf der Vorderseite, lässt sich die Zeitautomatik, die das Gerät nach einer gewissen Zeit in den Ruhezustand versetzt, ausschalten. Beim Messen von Wechselgrößen ist darauf zu achten, dass der Messbereich trotz Einstellung am Wahlschalter mit der Select Taste auf AC TrueRMS gestellt wird. Dies ist gegebenenfalls nach dem Aus-/Anschalten des Messgeräts zu wiederholen oder zu überprüfen. Die mV / mA-Buchsen können bis zu einer Messgröße von 600 mV bzw. 600 mA verwendet werden. Für höhere oder anfangs unbekannte Messsgrößen ist die 10 A- oder V-Buchse zu verwenden. Abbildung 6: Tischmultimeter Uni-Trend 803 12 1.3.3 Digitales Multimeter Chauvin-Arnoux 3000 ( Versuch 2-2 ) Das Multimeter besitzt 3 Anschlussbuchsen und einen Wahlschalter. Die COM-Buchse ist hier als Masse gekennzeichnet und ist der mittlere der drei Anschlüsse. Die A-Buchse wird nur für Strommessungen im Bereich > 1 A gebraucht. Für alle anderen Messungen ist die +-Buchse zu verwenden. Beim Messen von Wechselgrößen ist darauf zu achten, dass der Messbereich trotz Einstellung am Wahlschalter mit der Range Taste auf AC TrueRMS gestellt wird. Dies ist gegebenenfalls nach dem Aus-/Anschalten des Messgeräts zu wiederholen oder überprüfen. Die Batterien müssen sofort getauscht werden, sobald die zugehörige Anzeige dies signalisiert. Die Messwerte könnten falsch angezeigt werden. Abbildung 7: Digitales Multimeter Chauvin-Arnoux 3000 13 1.4 Schiebewiderstände Ein Schiebewiderstand, auch Potentiometer genannt, besitzt drei Anschlüsse. Zwischen den unteren schwarzen Buchsen befindet sich ein Widerstandsdraht, der auf ein nichtleidendes Trägermaterial aufgewickelt wurde. Dieser Drahtwiderstand hat einen festen Wert. Die obere rote Buchse ist über eine ideal leitende Schiene mit einem Schleifkontakt verbunden, der auf dem Drahtwiderstand schleift und diesen in 2 Teilwiderstände R1 und R2 aufteilt. Je nach Stellung des Schleifkontaktes ändert sich das Verhältnis der Widerstände R1 und R2 . Für eine Schätzung dieses Verhältnisses ist es zu beginn oftmals zweckmäßig, sich den Weg vorzustellen, den ein fließender Strom von einer Buchse zur anderen nehmen würde, und die effektiv zurückgelegte Weglänge im Widerstandsdraht zu betrachten. Beispiel: Der orange Strom fließt durch den gesamten Draht. Zwischen den Schwarzen Klemmen liegt unabhängigängig von der Stellung des Schleifkontaktes der gesamte Nennwiderstand RN . Der blaue Strom fließt durch Strom fließt durch 1 3 des Drahtes. R2 ist 1 3 2 3 des Drahtes. R1 ist 2 3 RN . Der grüne RN . Da nach der Spannungsteilerregel das Verhältnis von Teilspannung zu Gesamtspanunung dem Verhältnis von Teilwiderstand zu Gesamtwiderstand entspricht, lassen sich bei richtiger Beschaltung verschiedene Spannungen in Abhängigkeit der Schleifkontakstellung abgreifen. Abbildung 8: Aufbau eines Schiebewiderstandes und Darstellung als Schaltzeichen 14 2 Grundsätzliches zur Strom- und Spannungsmessung Möchte man den Strom in einem Zweig messen, ist der Zweig aufzutrennen und das Strommessgerät einzubauen, da der Strom komplett durch das Messgerät fließen muss. Ströme misst man mit einer Reihenschaltung des Strommessgeräts. Eine Spannung entsteht durch eine Potentialdifferenz. Die Klemmen des Spannungsmessgeräts müssen auf die zwei unterschiedlichen Potentiale geführt werden, zwischen denen die zu messende Spannung liegt. Spannung misst man mit einer Parallelschaltung des Spannungsmessgeräts. Es leitet sich eine grundsätzliche Vorgehensweise zum übersichtlichen Aufbau der Versuchsschaltungen ab: 1. Die Schaltungen werden zunächst so aufgebaut, dass ein Betrieb ohne Spannungsmessgeräte möglich wäre. 2. Die Spannungsmessgeräte werden über die Bauelemente angeschlossen, über denen die Spannung ermittelt werden soll. Eine Knotenbildung von Messleitungen an/auf Messgeräten ist aufgrund der resultierenden Unübersichtlichkeit zu vermeiden. Abbildung 9: Vorgehensweise beim Schaltungsaufbau 15
