Praktikumsunterlagen

Elektrotechnik und Halbleiter (ELHL-1)
Laborordnung für Praktika
Laborordnung für Praktika
1. Esswaren und Getränke dürfen im Laborbereich weder herumliegen, noch konsumiert werden.
2. Geräte sind keine Ablagefläche: Die Lüftungslöcher der Geräte müssen immer frei bleiben.
3. Studierende dürfen kein Material von einem anderen Arbeitsplatz beiziehen. Fehlt Material oder ist
das Material defekt, melden Sie sich beim Laborleiter (üblicherweise der Kursleiter).
4. Legen Sie Material, dass Sie vom Laborleiter erhalten haben, am Ende des Praktikums auf den Tisch
(auf die Arbeitsfläche), so dass der Laborleiter es beim Durchgehen sieht und einsammeln kann.
5. Der Arbeitsplatz ist mindestens so aufgeräumt, ordentlich und sauber zu verlassen, wie er
vorgefunden wurde. Dies bedeutet:
a. Geräte einzeln ausschalten, insbesondere batteriebetriebene Geräte wie
z.B.Stromzangen. Der Schalter bei der Steckerleiste ist z.T. überbrückt und muss nicht
ausgeschalten werden.
b. Messgeräte, insbesondere die Strommessgeräte auf unempfindlichsten Bereich schalten
c. Material nach abgeschlossenem Versuch sauber am angestammten Platz versorgen,
unter anderem Kabel nach Länge und Farbe sortiert an die vorgesehenen Halter hängen
d. Arbeitsplatz aufräumen: Geräte und Messobjekte übersichtlich anordnen (Netzkabel der
Geräte nicht entfernen oder ausstecken)
e. Abfall beseitigen
6. Defekte irgendwelcher Art sind unverzüglich dem Laborleiter zu melden.
a. Durchgebrannte Sicherungen beim Ampère-Meter können durch den Laborleiter sofort
ersetzt werden. Wenn das Ampère-Meter nichts sinnvolles anzeigt, prüfen Sie mit einer
Widerstandsmessung, ob die Sicherung nicht defekt ist.
b. Bei mutwilliger Beschädigung ist grundsätzlich der Verursacher haftbar. Lässt sich
letzterer nicht ermitteln, haftet die Gruppe, die am entsprechenden Versuchsplatz zuletzt
tätig war. Melden Sie daher festgestellte Schäden unverzüglich, wenn Sie nicht selbst für
den Schaden haftbar gemacht werden wollen.
7. Ausserhalb der Praktikumsstunden wird der Laborraum abgeschlossen, auch über Mittag. Ein Arbeiten
im Praktikumsraum ausserhalb der Praktikumsstunden ist ein Ausnahmefall und nur mit der
ausdrücklichen Genehmigung des Laborleiters möglich. Kann der Laborleiter für diese Zeit nicht im
Raum anwesend sein, so wird einer der Studenten als Laborleiter bestimmt.
8. Aus Sicherheitsgründen darf nie ein Studierender alleine im Labor tätig sein.
P. Korba, M. Nussberger, 18.09.2013
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Elektrotechnik und Halbleiter (ELHL-1)
Einführungspraktikum (Tutorial) ohne Berichtsabgabe
Willkommen im elektrotechnischen Grundlagenpraktikum!
1. Bitte nehmen Sie die erste Seite dieses Dokuments, die Laborordnung zur Kenntnis, bevor Sie mit
diesem Tutorial starten. Arbeiten im Praktikumsraum sind nur unter der Einhaltung der
Laborordnung erlaubt.
2. Im Gegensatz zu den weiteren Praktika müssen Sie sich für dieses Einführungspraktikum nicht im
Voraus vorbereiten. Bei den weiteren Praktika werden z.T. vorbereitende Aufgaben gestellt. In den
Anleitungen zu den weiteren Praktika finden Sie explizite Anweisungen zur Vorbereitung, z.B. was
vorgängig berechnet werden soll.
3. Im Gegensatz zu den weiteren Praktika müssen Sie für dieses Einführungspraktikum keine
Erwartungshaltung haben. Für die weiteren Praktika ist es ein grosser Vorteil, wenn Sie eine (grobe)
Ahnung davon haben, was sich gemäss Theorie als Resultat der Untersuchungen ergeben sollte. Mit
einer Erwartungshaltung erkennen Sie viel schneller allfällige Fehler bei der Ausführung (falscher
Messaufbau, falscher Messbereich etc.). Ohne Erwartungshaltung merken Sie u.U. erst nach dem
Praktikum, dass irgendetwas mit den Messwerten nicht stimmt. Es gibt keine Möglichkeit der
Nachmessung!
Das Tutorial geht nun davon aus, dass Sie an einem Praktikumsplatz im Raum TB414 oder im Raum TB505
befinden.
4. Identifizieren Sie folgende Geräte und Materialien an Ihrem Arbeitsplatz:
Oben auf der Ablage bzw. im Korpus neben dem Messtisch:
Box mit Klemmen und anderen
Kleinteilen (im TB 505 im Korpus
neben dem Versuchstisch)
Mehrere Widerstandsleisten
Steckbrett (verschiedene
Ausführungen). Alle vier Anschlüsse
eines Steckkreises sind elektrisch
miteinander verbunden.
Zwei Widerstandsdekaden
(unterschiedliche
Produktausführungen)
P. Korba, M. Nussberger, 18.09.2013
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Einführungspraktikum (Tutorial) ohne Berichtsabgabe
Vor Ihnen:
Oszilloskop Tektronix TDS2012B
Nur Raum TB505:
Powermeter HAMEG HM8115
Geräteturm
Details zu den Geräten s.u.
Labor-PC(s)
Neben Ihnen: Kabelrechen (ohne Abbildung )
5. Für dieses Einführungspraktikum werden Geräte des Geräteturms eingesetzt. Identifizieren Sie die
Elemente des Geräteturms:
Doppelnetzgerät
HAMEG 8142 (Zwei-in-Einem)
Funktionsgenerator
HAMEG 8030
Multimeter (zweifach)
HAMEG 8011
Hinweis: an einem Platz steht ein
HAMEG 8012. Lassen Sie sich die
Bedienung erklären.
Sinusgenerator*
HAMEG 8032
LC-Meter*
HAMEG 8018
Milliohm-Meter*
HAMEG 8014
*) Diese Geräte sind nicht an allen Plätzen vorhanden. Für dieses Einführungspraktikum werden sie
nicht benötigt.
6. Für dieses Praktikum benötigen wir u.a. das (Doppel-) Netzgerät. Ein Netzgerät kann bis zum
maximalen Ausgangsstrom, der beim HAMEG 8142 pro Gerät 1 Ampère beträgt, als ideale
Spannungsquelle angesehen werden.
P. Korba, M. Nussberger, 18.09.2013
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Elektrotechnik und Halbleiter (ELHL-1)
Einführungspraktikum (Tutorial) ohne Berichtsabgabe
7. Studieren Sie die folgenden Bedienungshinweise für das Doppel-Netzgerät
Doppelnetzgerät Hameg 8142: Übersicht
Beide Netzgeräte gleichzeitig verändern
Einschalten
Festspannung 5 V,
nicht gebrauchen
Ausgabe der Spannung
an den Buchsen
8. Beantworten Sie für sich folgende Frage: welche maximale Leistung kann an einem Ausgang
abgegeben werden? Beachten Sie dazu die Beschriftung der Ausgänge.
9. Das Netzgerät selber ist gegen einen Kurzschluss elektronisch wie folgt «gesichert»: Es fliesst nie mehr
als der eingestellte Maximalstrom, welcher im Bereich 0 bis 1 Ampère einstellbar ist
(«Strombegrenzung»). Daher ist das Netzgerät zerstörungssicher, solange eine Last (ein Verbraucher)
angeschalten wird, selbst wenn es sich um ein sehr niederohmiges Element wie ein
kurzschliessendes Kabel handelt.
P. Korba, M. Nussberger, 18.09.2013
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Elektrotechnik und Halbleiter (ELHL-1)
Einführungspraktikum (Tutorial) ohne Berichtsabgabe
10. Ans Netzgerät angeschlossene Elemente können jedoch zerstört werden! Z.B. ertragen die
Widerstände der Leiste maximal einen Leistungsumsatz von 5 Watt. Es liegt in Ihrer Verantwortung,
für jedes Element, welches ans Netzgerät angeschlossen wird, sicher zu stellen, dass es nicht
überlastet wird! Berechnen Sie bei jeden ans Netzgerät anzuschliessenden Elementen vor
Anschliessen die Maximalgrenzen für Strom und Spannung! Dokumentieren Sie bei Berichtsabgabe
diese Berechnungen.
11. Suchen Sie in der Leiste den Widerstand mit Widerstandswert 100 Ω, angeschrieben mit «100R».
Hinweis: Widerstände werden nicht immer am korrekten Ort wieder in die Leiste zurück gesteckt.
Beachten Sie den aufgedruckten Wert, z.B. 100R = 100 Ω, 100k = 100 kΩ.
12. Beachten Sie: dieser aufgedruckte sogenannte Nennwert entspricht nicht einem am Widerstand
gemessenen Wert. Es ist der Zielwert der Produktion. Die Produktion hat immer eine Streuung
(Toleranz). Im Falle dieses Widerstandstyps beträgt die Streuung ±5%. Zuweilen ist die Streuung auf
dem Widerstand aufgedruckt oder markiert (z.B. mit Farbringen), ansonsten muss sie im Datenblatt
des Widerstands nachgeschlagen werden. Der tatsächliche Wert des 100 Ω Widerstands der Leiste
darf also im Bereich von 95 Ω bis 105 Ω liegen.
13. Berechnen Sie, bei welcher Maximalspannung am 100 Ω Widerstand eine Leistung von 5 Watt
erreicht wird (Belastungsberechnung). Bemerkung: der Widerstand erträgt kurzfristig auch mehr als
5 Watt, es handelt sich nicht um eine scharfe Ausfallgrenze. Es reicht eine Rechnung mit dem
Nennwert. Achtung: bereits ab 1 W wird der Widerstand spürbar warm, bei 5 W sehr heiss!
14. Bei der Umsetzung von Energie in Wärmeenergie spricht man von «Dissipation» bzw. «dissipieren».
15. Berechnen Sie, bei welchem Maximalstrom der 100 Ω Widerstand eine Leistung von 5 Watt
dissipiert.
16. Stellen Sie den Maximalstrom an einem der Netzgeräte auf den berechneten Wert.
17. Schliessen Sie den 100 Ω Widerstand mittels Kabel aus dem Rechen an das Netzgerät an, an die blauroten Buchsen. Verwenden Sie rote Kabel für den Anschluss der roten Buchse, schwarze Kabel für
den Anschluss der blauen Buchse. Später werden Sie komplexere Schaltungen aufbauen, nutzen Sie
dabei die Farben der Kabel, um Übersicht zu schaffen.
18. Die im Praktikum verwendeten Kabel haben einen Widerstand im Milliohm-Bereich. Solange Sie
Widerstände messen, welche wesentlich grössere Werte haben (ab 1 Ω), kann der Kabelwiderstand
vernachlässigt werden.
19. Stellen Sie die Spannung am Netzgerät auf 2 V. Geben Sie die Spannung an den Ausgang aus (Knopf
siehe Bedienungsanleitung oben).
20. Erhöhen Sie nun die Spannung bis zur Maximalspannung. Erhöhen Sie die Spannung weiter. Erklären
Sie, was geschieht.
21. Im Folgenden soll die Kennlinie des 100 Ω Widerstand messtechnisch bestimmt werden. Zwar liesse
sich dies bereits mit dem Netzgerät tun, aber nur sehr ungenau, wegen der groben Anzeige der
Strom- und Spannungswerte (wenige Stellen) und auch deshalb, weil die angezeigten Werte mit
einem relativ grossen Fehler behaftet sind. Generell ist ein Netzgerät nicht dazu da, etwas zu
messen. Daher sollte die ausgegebene Spannung und der fliessende Strom immer mit einem dazu
geeigneten Messgerät überprüft werden. Unter Umständen muss dann beim Netzgerät nachgeregelt
werden.
P. Korba, M. Nussberger, 18.09.2013
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Einführungspraktikum (Tutorial) ohne Berichtsabgabe
22. Studieren Sie folgende Anleitung für Spannungsmessungen mit dem Multimeter:
23. Stellen Sie beim Netzgerät eine Spannung von 1,92 Volt ein und messen Sie diese Spannung mit dem
Multimeter.
24. Der angezeigte Wert ist mit einem Fehler behaftet, das Messgerät ist nicht perfekt. Der Fehler führt
dazu, dass bei wiederholten Messungen unterschiedliche Werte resultieren. Man spricht deshalb von
einem sogenannten zufälligen Fehler.
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Einführungspraktikum (Tutorial) ohne Berichtsabgabe
25. Für dieses Einführungspraktikum können Sie den zufälligen Fehler vernachlässigen und so tun, als
wäre der angezeigte Wert der wahre Wert – unter einer Bedingung: stellen Sie das Messgerät so ein,
dass es möglichst viele Stellen nach dem Komma anzeigt (optimale Ansteuerung), jedoch noch nicht
übersteuert ist (blinkt).
26. Ob der zufällige Fehler vernachlässigt werden darf, steht jeweils in der Praktikumsanleitung. Die
Messgeräte sind jedoch immer optimal auszusteuern.
27. Studieren Sie folgende Anleitung die Strommessung mittels Multimeter: (siehe nächste Seite)
P. Korba, M. Nussberger, 18.09.2013
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Einführungspraktikum (Tutorial) ohne Berichtsabgabe
28. Bei einem Stromfluss von über 200 mA müssen Sie als Bediener sicherstellen, dass das Multimeter in
zur Strommessung nicht falsch eingestellt wird und die Sicherung anspricht! Beginnen Sie deshalb bei
unbekannter Stromstärke immer mit der Einstellung für 2000 mA zu messen!
29. Stellen Sie beim Netzgerät einen Maximalstrom von 19 mA ein. Messen Sie diesen Strom, indem Sie
das Netzgerät mit dem Multimeter in Strommesseinstellung kurzschliessen. Messen Sie möglichst
genau, indem Sie den Messbereich so einstellen, dass Sie möglichst viele Stellen nach dem Komma
erhalten. Hinweis: Wenn kein Strom fliesst, ist evtl. die Sicherung des Ampère-Meters durchgebrannt
(worden).
30. Das Multimeter misst nicht nur ungenau, sondern es ist auch in folgendem Sinne nicht ideal:
- bei der Spannungsmessung beinhaltet das Messgerät einen Widerstand von 10 MΩ
- bei der Strommessung beinhaltet das Messgerät einen variablen Widerstand, welcher abhängig ist
von der Messbereichseinstellung und im Bereich von ca. 0,25 Ω bis 2,5 kΩ (bei empfindlichster
Einstellung) variiert. Die Werte sind zudem von Messgerät zu Messgerät leicht verschieden. D.h. wir
haben es beim Multimeter mit einem realen Voltmeter bzw. realen Ampère-Meter zu tun:
(siehe nächste Seite)
P. Korba, M. Nussberger, 18.09.2013
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P. Korba, M. Nussberger, 18.09.2013
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Einführungspraktikum (Tutorial) ohne Berichtsabgabe
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31. Zur Bestimmung der U-I Kennlinie benötigen Sie eine gleichzeitige Messung der Spannung über dem
Widerstand und des Stroms durch den Widerstand. Eine mögliche Konfiguration ist die folgende,
genannt «spannungsrichtiges Messen»:
Spannungsrichtiges Messen
Am Beispiel der Aufnahme der Kennlinie eines Widerstandes.
UA
Im
HAMEG 8011
Ix
A
Ri
+
U0
RA
HAMEG 8011
V
RV =
10 MΩ
Rx
URx
=
Um
IV
• Voltmeter direkt am Element
• Spannung richtig gemessen, URx = Um
• Strom systematisch falsch gemessen, da IRx ≠ Im
32. Beim spannungsrichtigen Messen ist der angezeigte Stromwert mit einem Fehler behaftet. Man
spricht dabei in Abgrenzung zum zufälligen Fehler von einem systematischen Fehler.
33. Systematische Fehler können herausgerechnet werden, z.B. indem IRX aus Im , Um und RV = 10 MΩ
bestimmt wird, siehe Vorlesung.
34. Eine Abklärung darüber, welche systematischen Fehler zu erwarten sind und wie mit dem
systematischen Fehler umgegangen wurde, muss immer durchgeführt und bei Berichtsabgabe
dokumentiert werden.
35. Alternativ kann «stromrichtig» gemessen werden: (siehe nächste Seite)
P. Korba, M. Nussberger, 18.09.2013
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Einführungspraktikum (Tutorial) ohne Berichtsabgabe
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Stromrichtiges Messen
Am Beispiel der Aufnahme der Kennlinie eines Widerstandes.
HAMEG 8011
UA
Im = IRx
HAMEG 8011
A
Ri
RA
Um
+
U0
V
RV =
10 MΩ
URx
Rx
IV
• Voltmeter über Element und Ampèremeter
• Strom richtig gemessen, IRx = Im
• Spannung systematisch falsch gemessen, da URx ≠ Um
36. Beim stromrichtigen Messen ist der Spannungsmesswert mit einem systematischen Fehler behaftet,
aber auch dieser kann herausgerechnet werden. Stellen Sie die Formel auf, wie Sie URx aus Um , Im
und RA = Innenwiderstand Ampère-Meter (bei bestimmter Messbereichseinstellung) bestimmen
können. In der Praxis brauchen Sie für das Anwenden dieser Formel den Innenwiderstand des
Ampère-Meters für die aktuelle Messbereichseinstellung. Wie könnten Sie zu diesem Wert kommen?
37. Das spannungsrichtige Messen bzw. das stromrichtige Messen eignet sich unterschiedlich gut für
grosse bzw. kleine Widerstandswerte. Bei welcher Messvariante ist der systematische Fehler für
einen grossen, zu messenden Widerstand am kleinsten (RA maximal 5 kΩ)? Welche Messvariante
eignet sich wegen kleinem systematischen Fehler für die Messung von kleinen Widerstandswerten?
38. Wählen Sie gemäss obigen Überlegung die Messvariante aus, welche für die Kennlinien-Messungen
beim 100 Ω-Widerstand am geeignetsten ist. Bauen Sie diese Messschaltung auf 1.
39. Eröffnen Sie ein Dokument (z.B. ein Excel-Tabellenblatt), mit dem Sie Spannungs-Strom
Messpunktpaare …
- vom systematischen Fehler bereinigen und
- in einem Diagramm darstellen können.
Verwenden Sie Kreise für den Messpunkt und verbinden Sie zusätzlich die Messpunkte durch eine
Linie. Beschriften Sie die Achsen.
40. Nehmen Sie zehn Messpunktpaare im zulässigen Leistungsbereich des Widerstands auf (zehn StromSpannungspaare), in gleichmässigen Spannungsabständen. Stellen Sie jeden Messwert sofort dar. Sie
sehen so, wie sich die gemessene Kurve entwickelt und erkennen schneller, wenn mit der Messung
etwas schief läuft.
Hinweis: Bei höheren Leistungswerten werden sich die Messwerte von Strom und Spannung nicht
sogleich einstellen, sondern erst, wenn das thermische Gleichgewicht wieder erreicht ist. Warten Sie
ab, bis sich die dritte vom Messgerät angezeigte Stelle nicht mehr ändert 2. Solche Effekte wie diesen
1
Es ist zulässig, Grafiken aus der Anleitung in den Bericht zu kopieren.
Es wäre möglich, eine «Kaltmessung» durchzuführen, indem das Netzgerät nur kurz eingeschalten wird, so dass
sich der Widerstand nicht wesentlich erwärmt (Impulsbetrieb mit genügend langen Pausen). Hier soll jedoch die
Kennlinie des Widerstands im Gleichstrombetrieb ermittelt werden.
2
P. Korba, M. Nussberger, 18.09.2013
Elektrotechnik und Halbleiter (ELHL-1)
Einführungspraktikum (Tutorial) ohne Berichtsabgabe
müssen Sie unbedingt im Bericht erwähnen: «Es wurde abgewartet, bis sich die Situation thermisch
stabilisiert hatte, bevor die Messwerte von Strom und Spannung abgelesen wurden.»
41. In den künftigen Praktika müssen Sie selber bestimmen, wieviele Messpunktpaare Sie aufnehmen
und in welchen Abständen. Kriterien sind:
- mindestens 10 Messpunkte
- bei gekrümmter Kurve zusätzliche Messpunkte im Bereich der Krümmung
- Messpunkte sollen sich nicht berühren
42. Aus den vom systematischen Fehler bereinigten Messwerten können Sie nun als Messwertergebnis
den Widerstandswert in jedem untersuchten Betriebspunkt bestimmen.
43. Beachten Sie folgende Regelung: Geben Sie alle Werte auf drei signifikante Stellen an, d.h. runden
Sie fünf oder vier Stellen auf drei. Haben Sie weniger als drei Stellen, begründen Sie dies und geben
Sie alle Folgeresultate auch mit reduzierter Stellenzahl an. Zum Begriff der signifikanten Stellen siehe
Theorie.
44. Studieren Sie nun den Musterbericht zu diesem Einführungspraktikum und die «Hinweise zur
Berichtserstellung» (gleich anschliessend). Diese Dokumente zusammen mit dem
Bewertungsformular (auf dem Public) verdeutlicht Ihnen, in welcher Form, welchem Umfang und
mit welcher Qualität Ihre Berichte erwartet werden.
45. Installieren Sie MATLAB auf Ihrem Laptop (siehe Schulsoftware auf dem Intranet).
46. Lassen Sie sich MATLAB und das MATLAB-Skript vom Dozenten erklären.
Damit ist das Tutorial beendet.
P. Korba, M. Nussberger, 18.09.2013
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Elektrotechnik und Halbleiter (ELHL-1)
Praktikum 1: Widerstands-Kennlinie
MUSTERBERICHT
Namen
Klasse
Versuchsdatum
Praktikum 1: Widerstands-Kennlinie
Zusammenfassung
Es wurde untersucht, ob sich ein bestimmter 5 W, 100 Ω-Widerstand in seinem Leistungseinsatzbereich
wie ein ohmschen Widerstand verhält. Dazu wurde die Kennlinie des Widerstands mittels
spannungsrichtiger Messschaltung aufgenommen. Die Untersuchung ergab, dass der Widerstand sich
näherungsweise wie ein ohmscher Widerstand verhält. Die erhaltenen Abweichungen können auf die
Erwärmung des Elements zurückgeführt werden.
P. Korba, M. Nussberger, 18.09.2013
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Elektrotechnik und Halbleiter (ELHL-1)
Praktikum 1: Widerstands-Kennlinie
1 Aufgabenstellung und Zielsetzung
Die U-I-Kennlinie eines 100 Ω Drahtwiderstandes (Herstelltoleranz ±5%, maximale Verlustleistung 5 W)
soll bis zu seiner Leistungsgrenze ausgemessen und dargestellt werden. Anhand des Ergebnisses soll
abgeschätzt werden, ob es sich beim Widerstand um einen ohmschen Widerstand handelt.
2 Methodik
Zur Bestimmung der Kennlinie wurde die spannungsrichtige Messschaltung gemäss Abbildung 1
verwendet.
AMeter
+
NetzTeil
Uq
I
Im
VMeter
Um
100 Ω
Abbildung 1. Verwendete Messschaltung in spannungsrichtiger Form. Beschreibung der Komponenten im Text.
Angaben und Bemerkungen zur Methodik
• Beim Ampère- und Voltmeter handelt es sich je um ein Multimeter HAMEG 8011-3
• Gemäss Dozent darf der Messfehler des Multimeters in diesem Praktikum vernachlässigt werden
• Beim Netzgerät handelt es sich um ein Gerät Typ HAMEG 8142
• Der Strom durch das Voltmeter kann vernachlässigt werden, d.h. der systematische Fehler kann
vernachlässigt werden, da der Innenwiderstand des Voltmeters mit 10 MΩ viel grösser als 100 Ω ist,
so dass gilt: der Strom I durch den Widerstand ist ungefähr gleich dem gemessenen Strom Im ,
d.h. Im ≈ I.
• Belastungsabschätzung: der maximale Strom im Widerstand beträgt
=
I max
Pmax
=
R
5W
= 223 mA . Damit ergibt sich für die maximale Spannung Umax = 22,3 V.
100 Ω
Vorgehen
Der Widerstand wurde gemäss Abbildung 1 an zwei Multimeter und an das Netzgerät angeschlossen und
die Spannung am Netzgerät so eingestellt, dass die am Widerstand gemessene Spannung Um = 2, 4, 6, …,
20 V und 22,3 V betrug. Nach jedem eingestellten Spannungswert wurde die entsprechende Stromstärke
Im abgelesen. Bei höheren Spannungswerten ab ca. 10 V war eine Erwärmung des Widerstands spürbar.
Es zeigte sich dann, dass die Stromstärke anfänglich wegdriftete und sich erst nach einigen Minuten auf
einen etwas tieferen Pegel einstellte. In jedem Fall wurde mit dem Ablesen der Messwerte abgewartet,
bis sich die dritte signifikante Stelle an den Messgeräten nicht mehr änderte.
P. Korba, M. Nussberger, 18.09.2013
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Elektrotechnik und Halbleiter (ELHL-1)
Praktikum 1: Widerstands-Kennlinie
3 Ergebnisse und Diskussion
In Abbildung 2 sind zwei Kennlinien abgebildet:
• Die «Kennlinie Raumtemperatur» basiert auf dem Widerstandswert des 100 Ω Widerstands bei
Raumtemperatur. Dazu wurde die Messung verwendet, bei welcher Um = 2 V betrug, womit sich
eine Leistung am Widerstand von 40 mW ergab. Bei dieser Verlustleistung ist die Erwärmung des
Widerstands gegenüber der Umgebungstemperatur vernachlässigbar. Der dazugehörige
Stromwert (alle Werte siehe Anhang) betrug I = 19,9 mA, womit sich ein Widerstandswert bei
Raumtemperatur von 100,5 Ω ergab. Mit diesem Wert wurde die Gerade in Abbildung 2 erzeugt
(Widerstandswert = Kehrwert der Steigung der Gerade im Kennliniendiagramm mit der Spannung
auf der x-Achse).
•
Die «Kennlinie aus Messwerten» wurde erzeugt, indem jeweils ein Spannungs-Strom
Messwertepaar eingetragen wurde.
Es ist ersichtlich, dass sich der Widerstand näherungsweise wie ein ohmscher Widerstand verhält.
Abweichungen können auf die festgestellte Erwärmung zurückgeführt werden. Für genauere
Abklärungen müsste der Widerstand bei Stromwerten ab ca. 10 mA auf Raumtemperatur gekühlt
werden.
Stromstärke in mA
200
150
100
50
Kennlinie Raumtemperatur
Kennlinie aus Messwerten
0
0
5
15
10
Spannung in V
20
Abbildung 2. Gemessene und theoretische Kennlinie des 101,2 Ω Widerstands (Nennwert 100 Ω).
P. Korba, M. Nussberger, 18.09.2013
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Elektrotechnik und Halbleiter (ELHL-1)
Anhang
Anhang
A1 Source-Code (Matlab) mit Rohwerten direkt im Code
% Versuch 1 U-I-Kennlinie eines 100 Ohm Widerstands
%
% © M. Nussberger, 17.11.2010
clear all, clc % Alle Variablen löschen, Command Window löschen
% Spezifikationen Widerstand
Rn=100; % Nennwert in Ohm
Pmax=5; % max. Leistung in W
% Belastungsberechnung
Imax=sqrt(Pmax/Rn) % max. Stromstärke in A
Umax=Rn*Imax % max. Spannung in V
% Rohwerte (fiktiv) = Messwerte, da system. Fehler vernachlässigbar
Um=[2.00 4.00 6.00 8.00 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 22.3]; % in V
Im=[19.9 39.6 60.0 78.9 99.0 119
138 157 176 193 214]; % in mA
% Messwertergebnis
Rm = Um./(Im/1000); % Hinweis: ohne Punkt vor Querstrich Matrixdivision
% graphische Darstellung der Kennlinie
figure(1)
clf
plot(Um, Um/Rm(1)*1e3,'k') % Raumtemperatur-Kennlinie als schwarze Gerade
eintragen
hold on % weitere Eintragungen ins gleiche Diagramm folgen
plot([0 Um],[0 Im],'ok') % Messwertergebnisse als Kreise eingetragen
axis([0 24 0 1.1e3*Imax]) % Achse von 0 bis 24 V, von 0 bis 1100·Imax
xlabel('Spannung in V') % x-Achsen Beschriftung
ylabel('Stromstärke in mA') % y-Achsen Beschriftung
grid % Gitternetz ein
legend('Kennlinie Raumtemperatur','Kennlinie aus Messwerten',4) % Legende im
4. Quadranten (rechts unten)
A2 Inventar
Multimeter: HAMEG 8011-3
Netzgerät: HAMEG 8142
Widerstand: Draht, 100 Ω, 5 W, 5%
P. Korba, M. Nussberger, 18.09.2013
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Elektrotechnik und Halbleiter (ELHL-1)
Struktur des Berichts
ELHL1 (Dozent P. Korba)
Hinweise zur Praktikumsberichtserstellung und Musterbericht
Struktur des Berichts
Befolgen Sie die folgende vorgegebene Strukturierung des Berichts.
Deckblatt
Das Deckblatt muss zwingend die folgenden Punkte enthalten:
• Namen der Studierenden, die als Gruppe das Praktikum absolviert haben
• Bezeichnung der Klasse
• Datum der Versuchsdurchführung
• Bezeichnung des Versuchs (Versuchsnummer und korrekter Titel)
• Zusammenfassung
o Alle Ziele des Versuchs ohne Details in einem Satz zusammengefasst
o Methodik in einem Satz zusammengefasst
o Mindestens ein Ergebnis ohne zu viel Details in einem Satz zusammengefasst
o Muss verständlich sein, ohne den Rest des Berichts, ohne Praktikumsanleitung, nur mit
elektrotechnischen Grundkenntnissen
Zentraler Berichtsteil
Der zentrale Teil des Berichts muss ohne Angaben aus der Zusammenfassung oder dem Anhang
verständlich sein.
Folgende Unterstruktur soll befolgt werden:
1. Aufgabenstellung und Zielsetzung
Dieser Abschnitt soll beschreiben, was gemessen und untersucht werden soll (Aufgabenstellung) und
warum, bzw. wozu (Zielsetzung).
2. Methodik
In diesem Abschnitt wird erläutert, wie gemessen, bzw. ermittelt wird. Er enthält typischerweise die
folgenden Punkte:
• Schaltungs-,bzw. Messschema mit Symbolen und Wertangaben
• Erläuterungen zur Wahl der Messschaltung (Entstehung und Vermeidung von systematischen
Messfehlern)
• Angabe der verwendeten Messgeräte (Art, Typ, ohne Seriennummern) und der Geräteeinstellungen
• Formeln
• Abschätzungen und Berechnungen zur Maximalbelastung (maximale Quellenspannung, maximaler
Quellenstrom)
• Beachtung und Umgang mit Umständen, welche die Messung beeinflussen, z.B. das Abwarten, bis
ein thermisches Gleichgewicht sich eingestellt hat, Abschirmen der Solarzelle gegen Umgebungslicht
Sie können diesem Abschnitt eine eigene, passende Unterstruktur geben.
Die Methodik ist vollständig beschrieben, wenn ein in den Grundlagen der Elektrotechnik geschulter
Verständiger den Versuch reproduzieren kann.
P. Korba, M. Nussberger, 18.09.2013
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Elektrotechnik und Halbleiter (ELHL-1)
Diverse Hinweise
3. Ergebnisse und Diskussion
Dieser Abschnitt enthält eine Zusammenstellung der verarbeiteten Messwerte in Form von Diagrammen,
berechneten Einzelresultaten oder Tabellen, Ergebnisse der Fehlerrechnung sowie eine Besprechung
dieser Ergebnisse. Elemente der Besprechung können sein: Interpretation, Vergleich mit Erwartungen,
woher Abweichungen zum erwarteten Ergebnis her kommen könnten, mögliche Fehlerquellen bei
Ausreissern und Abweichungen.
• Stellen Sie die Ergebnisse möglichst in Diagrammen dar. Unter Umständen müssen Sie dazu die
Daten weiter verarbeiten (Differenzen bilden, um den Unterschied zweier Kurvenverläufe
darzustellen etc.). Weichen Sie nur auf eine Tabellenform aus, wenn eine Diagrammdarstellung
keinen Sinn macht (z.B. Wahrheitstabelle einer logischen Funktion).
Hinweis 1: es ist erlaubt, «Methodik» und «Ergebnisse und Diskussion» zu einem Abschnitt «Methodik,
Ergebnisse und Diskussion» zusammen zu fassen, wenn die obige Gliederung die Gestaltung des Berichts
umständlich werden lässt, aber nur dann.
Hinweis 1: werden zwei oder mehrere stark unterschiedliche Aufgaben bearbeitet, darf die obige Struktur
auch für jede Aufgabe repetiert werden (getrennte Behandlung der Aufgaben).
Anhang
Der Anhang muss zwingend die folgenden Punkte enthalten:
• Matlab-Skript, mit dem die Daten verarbeitet und dargestellt wurden
o Bei Rohdaten die Einheit angeben
• Herleitungen von Formeln
• Quellenangaben zu Bildern, Zitaten
• Inventar, ohne Seriennummern, aber mit Gerätetypen
Diverse Hinweise
• Ein Inhaltsverzeichnis ist bei kürzeren Berichten, wie dies für Versuchsberichte der Praktika der Fall
ist, nicht sinnvoll.
• Darstellungen dürfen aus der Praktikumsanleitung herauskopiert und im Bericht verwendet werden,
wenn ein Hinweis dazu im Bericht steht.
• Datenblätter von Komponenten und Geräten müssen und sollen nicht beigefügt werden
• Vermeiden Sie persönliche Formen wie die «Ich» - oder die «Wir»-Form und benutzen sie passive
Satzformen
• Verwenden Sie nur klar definierte Begriffe und die korrekten Bezeichnungen gemäss Theorie
• Verwenden Sie im Bericht durchgängig das gleiche Symbol für eine bestimmte Grösse. Definieren Sie
beim ersten Auftreten dieses Symbols, um was es sich handelt.
• Bei Verwendung einer Formel muss klar sein, was eingesetzt wurde und warum.
• Bei der Angabe einer physikalischen Grösse gehört für die Lesbarkeit zwischen dem Zahlenwert und
der Einheit eine Leerstelle (Bsp.: 10 V,2.0 kΩ, aber 10%).
• Bei Prozentangaben muss immer klar sein, was 100% sind.
• Eckige Klammern bedeuten «Einheit von», d.h. man schreibt z.B. «[Um] = V» («Einheit der Grösse Um
ist Volt»). Schreiben Sie bei z.B. Achsenbeschriftungen daher nicht «[V]» sondern «(V)».
• Nummerieren Sie alle Darstellungen unterhalb der Darstellung und schreiben Sie eine kurze
Bedeutung der Darstellung dazu. Verwenden Sie keine Titel in Diagrammen.
• Hinweise zu Diagrammen:
o Vermeiden Sie Messpunkte, die sich überlappen
o Bei Kurven, die aus Messpunkten gebildet werden, müssen die einzelnen Messpunkte nach wie
vor klar ersichtlich sein. Es müssen genügend Messpunkte vorhanden sein, dass die Verbindung
der Messpunkte Sinn macht. Diese Anzahl Messpunkte hängt von der Kurvenform ab, jedoch
selbst bei einer Gerade sollten mindestens 10 Messpunkte gesetzt werden.
o Messpunkte sollten über das ganze Diagramm gut verteilt sein, mit zusätzlichen Messpunkten
an Stellen, wo sich die Kurve stark krümmt.
P. Korba, M. Nussberger, 18.09.2013
18
Elektrotechnik und Halbleiter (ELHL-1)
Diverse Hinweise
o Verwenden Sie eine Legende bei mehr als einer Kurve im Diagramm
• Berichten Sie nur über das, was Sie im Versuch auch wirklich gemessen, geprüft oder untersucht
haben. Lassen Sie alles andere konsequent weg. Vermutungen und Hypothesen sollten als solche klar
erkennbar sein. Behaupten Sie nichts, was Sie nicht mit Ihrer Arbeit gezeigt haben oder belegen
können.
• Kopierte Bilder, Zitate, auch zitierte Formeln: im Anhang einen Quellenverweis vermerken
• Die Repetition von Angaben, Darstellungen und Aussagen ist zu vermeiden
• Selbstverständlich sollte der Bericht keine widersprüchlichen Angaben enthalten, oder Aussagen, die
im Widerspruch zu einer Darstellung/einem Ergebnis stehen.
P. Korba, M. Nussberger, 18.09.2013
19
Elektrotechnik und Halbleiter (ELHL-1)
Praktikum 2: Kennlinie einer Batterie
In diesem Versuch wird die Kennlinie einer 4,5 V Blockbatterie gemessen und mit der theoretischen
Kennlinie einer linearen Spannungsquelle verglichen. Zur Bestimmung der Kennlinie – um verschiedene
Betriebszustände einzustellen – werden an die Batterie 5 W Widerstände aus dem Sortiment (s. Anhang)
mit unterschiedlich grossen Widerstandswerten angeschlossen. Die Messschaltung (s. Abbildung 1)
enthält weiterhin ein Voltmeter und ein Ampèremeter (HAMEG 8011).
Ibat
Im
A
4,5 V
Um =
Ubat
V
HAMEG
8011
R
Abbildung 3. Messschaltung zur Bestimmung der Kennlinie einer 4,5 V Blockbatterie.
Vorbereitende Aufgaben
Berechnen Sie, ausgehend von einer konstanten Batteriespannung von 4,5 V, welches der kleinste,
zulässige Widerstandswert ist, damit im Widerstand nicht mehr als 10 W dissipiert wird
(Belastungsrechnung). Der Innenwiderstand des Ampère-Meters darf dazu vernachlässigt werden. Die 5
W Widerstände des Sortiments können bei der durchgeführten Spotmessung (s.u.) mit bis zu 10 W
belastet werden.
Hinweis: bei der Belastung mit kleinen Widerstandswerten bricht die Spannung der Batterie ein. Damit
können schliesslich auch kleinere Widerstandswerte als der oben bestimmte eingesetzt werden.
Messaufgaben
In der grünen Box sind Klemmen vorhanden, um die Batterie anschliessen zu können.
Messen Sie die Leerlaufspannung der Batterie. Diese sollte höher als 4,5 V liegen. Falls dies nicht der Fall
ist, verlangen Sie eine andere Batterie.
Ermitteln Sie die Kennlinie einer Trockenbatterie, indem Sie bei verschiedenen Lastwiderständen die sich
einstellenden Arbeitspunkte aufnehmen . Wählen Sie die Messpunkte so, dass der Kurvenverlauf gut
ersichtlich ist, d.h. dass keine groben Knicke vorhanden sind, wenn man die Punkte verbindet.
Hinweise:
• Bei einer neuwertigen Batterie kann der Kurzschlussstrom mehr als 10 A und die an 0.5 Ω
abgegebene Leistung bis zu 50 W betragen! Als Lastwiderstände unbedingt 5 W-Widerstände
verwenden.
• Sicherungen beim Ampère-Meter beachten: Messbereich 200 mA mit 200 mA abgesichert, Bereich
2000 mA (2 A) mit 2 A abgesichert. Über 2 A verwenden Sie die Buchse 10 A und die
Messbereichseinstellung 10 A. Da der Strom mit einem Lastwiderstand bei der gegebenen Batterie
nicht über 10 A steigt, besteht keine Gefahr der Überlast (10 A Buchse ungesichert!).
P. Korba, M. Nussberger, 18.09.2013
20
Elektrotechnik und Halbleiter (ELHL-1)
Praktikum 2: Kennlinie einer Batterie
•
•
•
Warten Sie nicht, bis sich der Messwert eingependelt hat. Bei starker Entladung wird der Messwert
sich nie stabilisieren, da die Batterie entladen wird und eine immer kleinere Quellenspannung
aufweist. Schliessen Sie den Widerstand jeweils nur kurz an die Batterie an und notieren Sie sogleich
den ersten Wert nach Kontaktschliessung («Spotmessung»). Entfernen Sie dann den Widerstand
wieder von der Batterie (Schalter sind keine Vorhanden, benutzen Sie Kabelspitzen, die Sie
zusammen halten).
Schliessen Sie die Batterie nicht kurz, indem Sie keinen Lastwiderstand verwenden. Die Batterie
wird zu stark entladen und es ändert sich der Innenwiderstand der Batterie. Eine Kennlinie macht
dann keinen Sinn mehr, da nur definiert für zeitinvariante Zweipole.
Da die Batteriespannung bei tieferen Widerstandswerten einbricht, können und sollen Sie auch
kleinere Werte als vorgängig berechnet anschliessen, bis die maximale Leistung von 10 W oder ein
minimaler Widerstandswert von 1 Ω erreicht ist, was immer früher eintritt. Bei Werten unter 1 Ω
beginnen die (unbekannten) Widerstände der Kabel eine Rolle zu spielen.
Aufgaben zur Auswertung
•
•
•
•
•
Wurde spannungs- oder stromrichtig gemessen?
Ist ein systematischer Fehler vorhanden? Ist er relevant, d.h. verändert er ihre Messwerte? Falls ja,
bereinigen Sie die davon betroffenen Messwerte vom systematischen Fehler. Hinweis: Sie dürfen alle
Messwerte auf 3 Stellen runden. Wenn also der systematische Fehler kleiner ist als 1%, hat er keinen
Einfluss auf die Messwerte.
Stellen Sie die Kennlinie im Bericht grafisch dar.
Kann die aufgenommene Kennlinie durch eine Gerade angenähert werden? Wie gut? In welchem
Bereich? Bestimmen Sie pro Bereich näherungsweise einen Innenwiderstandswert.
Schätzen Sie durch Extrapolation den Kurzschluss-Stromwert der untersuchten Batterie.
Inventar:
1 Blockbatterie 4,5 V (Typ siehe Aufdruck)
1 Netzgerät mit einstellbarer Spannung und wählbarer Strombegrenzung (HM 8142)
2 Multimeter (HM 8011)
2 Leisten mit Messwiderständen, Genauigkeit 5 %, Belastbarkeit 5 W
P. Korba, M. Nussberger, 18.09.2013
21
Elektrotechnik und Halbleiter (ELHL-1)
Praktikum 3: Kennlinien einer Solarzelle
Die Kennlinie einer Solarzelle ist beleuchtungsabhängig. In diesem Praktikum werden die Kennlinien einer
Solarzelle bei zwei Beleuchtungsstärken aufgenommen.
Einleitung
Solarzellen sind nichtlineare Zweipole, die sich je nach Schaltung und Lichteinfall aktiv oder passiv
verhalten können. Bei Lichteinfall verschiebt sich ihre Kennlinie in Richtung negativer Ströme, so dass ein
Teil davon in den vierten Quadranten zu liegen kommt (siehe Abbildung 1) . Im ersten Quadranten weicht
die Kennlinie nur wenig von jener ohne Lichteinfall ab. Im dritten Quadranten verhält sich die Solarzelle
wie ein Photowiderstand (lichtabhängiger Widerstand). Im vierten Quadranten wirkt die Zelle aktiv.
Abbildung 4. Kennlinie einer Solarzelle bei Lichteinfall.
Vorbereitende Aufgaben
Es sind keine vorbereitenden Aufgaben zu lösen.
P. Korba, M. Nussberger, 18.09.2013
22
Elektrotechnik und Halbleiter (ELHL-1)
Praktikum 3: Kennlinien einer Solarzelle
Messaufgaben
Für das Praktikum ist die Solarzelle Marke «Ansmann» zu verwenden.
Erstellen Sie folgenden Messaufbau:
• Schliessen Sie die Lichtquelle an ein Netzteil an.
• Schliessen Sie die Solarzelle am Voltmeter an und platzieren Sie sie dann so, dass auf die Solarzelle
direkt das Licht der Lichtquelle fällt.
• Verbinden Sie die Solarzelle bzw. das Voltmeter mit einer Widerstand (für RL ) und mit einem
Voltmeter.
Im
+
U0
I0
12 V
Um
RL
HAMEG
8011
V
Abbildung 5. Messschaltung für Messung der Kennlinie der Solarzelle im 4. Quadranten.
Führen Sie folgende Messungen durch:
• Messen Sie den Einfluss des Umgebungslichts, indem Sie feststellen, welche maximale Spannung Sie
erhalten, ohne Betrieb der Lampen, indem Sie RL verändern. Der Lastwiderstand RL soll dabei
maximal 10 kΩ betragen.
• Legen Sie 12 V an die Beleuchtungsquelle (siehe Abbildung 2).
• Nehmen Sie die Kennlinie der Solarzelle auf bei Vollbeleuchtung, d. h. bei Betrieb der Beleuchtung
mit 12 V. Werten Sie jeden gemessenen Wert Um gleich aus (siehe Auswertungs-Aufgaben), um zu
erkennen, wo weitere Messpunkte erforderlich sind. Mit Ihren Messpunkten sollten Sie den vierten
Quadranten (siehe Abbildung 1) der Solarzellen-Kennlinie vollständig erfassen. Insbesondere im
Bereich der Krümmung der Kennlinie müssen genügend Punkte gesetzt werden, damit diese gut
erfasst wird (keine groben Ecken).
• Stellen Sie jetzt die Beleuchtung so ein, dass bei einem Lastwiderstand von RL = 100 Ω die Hälfte der
Spannung anliegt, wie bei Vollbeleuchtung. Wählen Sie für diese zweiten Messungen mit reduzierter
Beleuchtungsstärke die gleichen Widerstandswerte wie bei der ersten Messung.
• Bestimmen Sie näherungsweise die aktive Fläche der Solarzelle durch Ausmessen.
• Fotografieren Sie die Anordnung nach Möglichkeit.
P. Korba, M. Nussberger, 18.09.2013
23
Elektrotechnik und Halbleiter (ELHL-1)
Praktikum 3: Kennlinien einer Solarzelle
Aufgaben zur Auswertung
•
•
•
•
•
•
•
Üblicherweise setzt man zur Kennlinienbestimmung neben dem Voltmeter ein Ampère-Meter ein.
Der Strom Im soll hier jedoch über die gemessene Spannung Um, den eingestellten Widerstand RL
und den Innenwiderstand des Voltmeters berechnet werden. Weshalb wäre ein Einsatz eines
Ampère-Meters hier ungünstig?
Haben Sie die Solarzelle spannungs- oder stromrichtig gemessen?
Ist ein systematischer Messfehler vorhanden? Ist er relevant? Falls ja, bereinigen Sie die Messwerte
von relevanten systematischen Fehlern.
Berechnen Sie den Strom Im aus dem Lastwiderstandswert.
Stellen Sie die Kennlinien im Bericht dar.
Diskutieren Sie qualitativ allfällige Abweichungen von der Idealkurvenform (s. Abbildung 1, vierter
Quadrant).
Stellen Sie für die beiden Lichtintensitäten die Solarzellenleistung in Abhängigkeit der
Lastwiderstände, dar. Bestimmen Sie für die betrachteten Lichtintensitäten den
Lastwiderstandswert, bei dem die von der Solarzelle abgegebene Leistung maximal wird
(Leistungsanpassung).
o Sind diese optimalen Lastwiderstände in beiden Fällen gleich? Was bedeutet dies für den
Betrieb eines Gerätes an einer Solarzelle?
o Welche Leistung gibt die Solarzelle dabei pro Quadratzentimeter ab?
Inventar:
1 Doppel-Netzgerät mit einstellbarer Spannung und wählbarer Strombegrenzung
1 Multimeter
1 Widerstandsdekade (oder Widerstände),
Bereich 1 Ω -10 MΩ, Genauigkeit 1 % (5 %), Belastbarkeit 1 W (5 W)
1 Solarzelle Marke «Ansmann»
1 Beleuchtungseinheit
P. Korba, M. Nussberger, 18.09.2013
24
Elektrotechnik und Halbleiter (ELHL-1)
Praktikum 4: Elektrisches Strömungsfeld
Bei diesem Praktikum soll der Stromfluss in einem Leiter untersucht werden. Ein Beispiel für einen
solchen Leiter ist die untenstehende Anordnung:
Metall-Band
Wasserbad
~
V
Metall-Band
Abbildung 6. Leiter gebildet aus einer dünnen Wasserschicht, unter Spannung gesetzt. Mit einem Voltmeter und einer
abgeschliffenen Prüfspitze kann die Potentialverteilung im Wasserbad gemessen werden.
Vorbereitende Aufgaben
In Abbildung 2 ist ein quadratisches Teilstück des Wasserbades aus Abbildung 2 dargestellt. Die
Wasserschicht habe eine konstante Dicke (in Abbildung 2 mit Δh bezeichnet). Nehmen Sie an, dieses
Stück werde an zwei gegenüberliegenden Stirnseiten (z.B. eine davon in Abbildung 2 mit ΔA bezeichnet)
kontaktiert. Was ergibt sich für eine Formel für den Widerstand dieses Teilstücks in Abhängigkeit der
geometrischen Grössen und in Abhängigkeit des spezifischen Widerstands ρWasser ?
Abbildung 7. Quadratisches Leiterteilstück mit gleichmässiger Höhe (Dicke).
Bei dem unter Spannung gesetzten Wasserbad nach Abbildung 1 kann mit einem Voltmeter und einer
abgeschliffenen Prüfspitze untersucht werden, auf welchem Potential sich eine bestimmte Stelle im
Wasserbad befindet. Daraus können z.B. Äquipotentiallinien aufgezeichnet werden, wie in Abbildung 3
dargestellt, wobei die Spannung zwischen den Äquipotentiallinien jeweils gleich gewählt wurde.
Nun können in die Bereiche zwischen den Äquipotentiallinien näherungsweise in Quadrate aufgeteilt
werden («Kästchenmethode»). Diese Quadrate stellen je ein quadratisches Leiterteilstück nach Abbildung
2 dar.
P. Korba, M. Nussberger, 18.09.2013
25
Elektrotechnik und Halbleiter (ELHL-1)
Praktikum 4: Elektrisches Strömungsfeld
Abbildung 8. Kästchenmethode.
Elektrische Feldlinien stehen senkrecht auf Äquipotentiallinien. Mit der Konstruktion der Quadrate
wurden also auch Feldlinien konstruiert.
Der elektrische Strom bewegt sich in einem Leiter in Richtung des elektrischen Feldes. Für Abbildung 3
bedeutet dies, dass der elektrische Strom entlang den Feldlinien die eingepassten Quadrate durchquert,
sozusagen in einer «Stromröhre» gebildet durch die Feldlinien, welche deshalb in diesem Fall auch
«Stromlinien» genannt werden.
Nun ist der Widerstand aller dieser Quadrate, obwohl geometrisch ungleich gross, vom Wert her gleich,
wenn die Höhe der Wasserschicht nicht variiert. Der Widerstand der Stromröhre ist also gleich der Anzahl
Quadrate multipliziert mit dem Widerstand eines Quadrates. Die Anzahl Quadrate entlang einer
Stromröhre ist abhängig vom gewählten Spannungs-Messintervall (Anzahl
konstruierte
Äquipotentiallinien plus 1).
In Abbildung 3 können weitere Quadrate rechts der bestehenden eingepasst werden. Man erhält eine
zweite Stromröhre. Diese ist parallel zur ersten geschalten, weist aber den gleichen Widerstandswert auf.
Bei der vollständigen Aufteilung der Folie in lauter Quadrate gemäss der Kästchenmethode resultieren n
Stromröhren. Die Anzahl Stromröhren ist abhängig von der Geometrie des Leiters. Mit der Konstruktion
der Stromröhren ist das Strömungsfeld aufgezeichnet und es ist verdeutlicht, wie sich der
Gesamtstromfluss auf die Struktur aufteilt.
Der Widerstand des Wasserbads ergibt sich mit der Kästenmethode zu RWasserbad = Widerstand einer
Stromröhre/Anzahl Stromröhren.
Hinweis: die Kästchenmethode muss im Praktikumsbericht nicht erläutert werden. Sie können davon
ausgehen, dass die Kästchenmethode jedem bekannt ist. Sie müssen jedoch erwähnen, dass Sie die
Kästchenmethode anwenden.
Mess- und Auswerteaufgaben
Stellen Sie am Funktionsgenerator eine Sinus-Wechselspannung mit Frequenz 1 kHz und mit Upp = 8 V
(Peak-to-Peak) ein. Dies entspricht URMS = 5.65 V (mit Multimeter überprüfen), was der äquivalente DCSpannungswert ist, mit dem Sie dann rechnen müssen. Schliessen Sie die Quelle mit den grossen
Klemmen an die Metallbänder an. Verbinden Sie den Masseanschluss des Voltmeters mit dem
Masseanschluss des Netzgeräts. Schliessen Sie die blaue Sonde mit abgerundeter Spitze an das Voltmeter
an, s. Abbildung 4.
P. Korba, M. Nussberger, 18.09.2013
26
Elektrotechnik und Halbleiter (ELHL-1)
Praktikum 4: Elektrisches Strömungsfeld
Abbildung 9: Versuchseinrichtung
Führen Sie die unten beschriebenen Aufgaben durch:
•
Nur mit dem rechteckigen Wasserbad, und
•
mit einem modifizierten Wasserbad, indem Sie den bereitgestellten Metallring zentrisch in das
Bad platzieren (die Mitte ist durch eine Unregelmässigkeit im Plexiglas ersichtlich).
Aufgaben ohne und mit Metallring:
a) Messen Sie den Strom, der fliesst. Bemerkung: der Messwiderstand des Ampère-Meters kann
vernachlässigt werden, da er klein ist (10 Ω), im Vergleich zum Widerstand des Wasserbads (mehrere
Kiloohm).
b) Nehmen Sie Äquipotentiallinien im Abstand von 1 V auf. D.h. Sie suchen zuerst mit der Sonde Punkte
auf der Platte, welche 1 V Spannung aufweisen, dann solche mit 2 V, dann solche mit 3 V. Die Punkte
mit 4 V und 5 V dürfen Sie symmetrisch ergänzen. Übertragen und zeichnen Sie die gefundenen
Punkte und das Feld in Matlab. Wählen Sie soviele Messpunkte, dass Sie die Äquipotentiallinie gut
zeichnen können.
Hinweis zum Versuch mit dem Metallring: bestimmen Sie die Äquipotentialpunkte im 1 cm Abstand.
Messen Sie genau. Beginnen Sie auf einer Seite. Zeichnen Sie den Ring auch auf. Sie dürfen die Punkte
mit 4 V und 5 V spiegelbildlich ergänzen.
c) Konstruieren Sie die Stromlinien = Feldlinien mit der Kästchenmethode basierend auf der 1 V-Linie:
passen Sie zwischen den Rand und der 1 V-Linie Quadrate ein. Beginnen Sie dazu an einem Ecken. Das
letzte Quadrat ist u.U. nicht mehr quadratisch.
d) Die Seiten der Quadrate, welche nicht auf Äquipotentiallinien liegen, sind Feldlinien. Führen Sie die
Feldlinien nach dem Prinzip fort, dass sich die Feldlinien und Äquipotentiallinien senkrecht schneiden,
die Feldlinien sich untereinander meiden (grösstmöglicher Abstand) und möglichst direkt zum
negativeren Pol streben. Konstruieren Sie so die Feldlinien für das gesamte Gebiet.
e) Bestimmen Sie den Widerstand einer Stromröhre. Eine Stromröhre ist ein Gebiet, welches von zwei
Stromlinien begrenzt wird.
P. Korba, M. Nussberger, 18.09.2013
27
Elektrotechnik und Halbleiter (ELHL-1)
Praktikum 4: Elektrisches Strömungsfeld
Nur für den Fall mit dem Metallring:
f)
Bestimmen Sie den theoretischen Gesamtwiderstand und den theoretischen Strom über die Anzahl
der Stromröhren. Vergleichen Sie diese Werte mit dem gemessenen Strom und dem Widerstand aus
gemessener Spannung/gemessener Strom. Begründen Sie Abweichungen.
g) Bestimmen Sie die kleinste und die grösste Feldstärke im ausgemessenen Gebiet: wie gross ist diese
und wo befinden sich diese Feldstärken?
h) Konstruieren Sie den Stromdichteverlauf entlang einer ausgewählten Stromröhre in einem
zusätzlichen Diagramm. Die x-Achse entspricht also dem Weg auf einer der die Stromröhre
begrenzenden Stromlinie. Die Stromdichte ist invers proportional zur Breite der Stromröhre. Der
Betrag der Stromdichte an einem bestimmten Ort ergibt sich aus dem Strom durch die Röhre, geteilt
durch den Leiterquerschnitt (d.h. Stromröhrenbreite · Füllstandshöhe).
i) Welche Spannungen messen Sie im Innern des Rings an diversen Orten im Wasser? Was folgt daraus
für das elektrische Feld im Innern des Rings?
In diesem Praktikum wird keine Fehlerrechnung verlangt. Die «Kästchenmethode» ist nur eine Methode
der groben Näherung.
Abbildung 5: Messschaltungen und elektrische Felder mit und ohne Metallring
Inventar
1 Doppelnetzgerät mit einstellbarer Spannung und wählbarer Strombegrenzung
2 Multimeter
1 Prüfspitze
1 Petrischale rechteckig, Art. Nr. NC-166508, Hersteller: Nunc, Lieferant Milian (Wohlen/Vernier),
ausgerüstet mit Kupferbändern (Art. Nr. 1181, Hersteller: 3M, Lieferant Farnell (Nr. 1208991)) und
Millimeterpapier
P. Korba, M. Nussberger, 18.09.2013
28
Elektrotechnik und Halbleiter (ELHL-1)
Praktikum 5: Induktionsgesetz
In diesem Praktikum wird ein Permanentmagnet durch Spulen fallen gelassen. Die dabei an den
Spulenanschlüssen induzierte Spannung wird registriert, diskutiert und ausgewertet.
Vorbereitende Aufgaben
Recherchieren Sie die Formel für die Fallgeschwindigkeit eines frei fallenden Körpers im Erdschwerefeld
oder leiten Sie sie her.
Mess- und Auswerteaufgaben
In diesem Praktikum ist es besonders wichtig, die Auswertung parallel zu den Messungen auszuführen,
damit Ihnen bei Auswertung nach dem Praktikum keine wichtige Messkurven und Messwerte fehlen.
Montieren Sie auf das Plexiglasrohr zwischen 5 cm und 10 cm von jedem Ende je eine Spule mit
32 Windungen (überprüfen, falls bereits montiert) mit gleichem Wicklungssinn. Dokumentieren Sie die
Anordnung inklusive Wicklungssinn.
Schalten Sie die Spulen in Serie mit Hilfe des Koaxialkabels, welches zwei Laborstecker aufweist und zwei
möglichst kurzen Laborkabeln. Schalten Sie das Koaxialkabel an den Kanal 1 des Oszilloskops an. Stellen
Sie das Oszilloskop anfänglich wie folgt ein (passen Sie eventuell dann diese Einstellungen an, um ein
möglichst gutes Bild zu erhalten):
•
Oszilloskop auf Default-Einstellung setzen (Knopf «Default Setup» bzw. «Grundeinstellung»)
•
Kanal 1 darstellen, DC-Kopplung
•
250 ms/DIV, 100 mV/DIV (10x Skalierung ausschalten)
•
Keine Sonde (Faktor 1X)
•
Trigger auf Kanal 1, DC-Kopplung, automatischer Trigger
Abbildung 1: Einstellung von Oszilloskop
Lassen Sie den Permanentmagneten im Plexiglasrohr fallen.
Achtung: Lassen Sie den Magneten nicht auf die Tischplatte fallen.
Fangen Sie ihn auf, ohne einen Luftstau im Rohr zu verursachen.
Auf dem Oszilloskop sollten zwei Kurven sichtbar werden. Schalten Sie nun den Oszilloskop in den
Einzelbild-Modus. Speichern Sie stets alles ab (siehe Anhang).
P. Korba, M. Nussberger, 18.09.2013
29
Elektrotechnik und Halbleiter (ELHL-1)
Praktikum 5: Induktionsgesetz
Folgende Fragestellungen sollen durch dokumentierte Kurvenverläufe geklärt werden:
1. Was ändert sich am Spannungsverlauf, wenn der Magnet mit dem anderen Ende voraus fällt?
2. Was ändert sich, wenn eine Spule umgedreht wird, bzw. die Anschlüsse umgepolt werden?
3. Welchen Einfluss hat die Anzahl der Windungen einer Spule auf das Signal?
4. Wo befindet sich die Mitte des Magneten, in Relation zur Spule, wenn die induzierte Spannung den
Nulldurchgang hat? Gehen Sie von perfekt symmetrischen Spulen aus. Hinweis: zur Beantwortung ist
weder eine Messung erforderlich noch erwünscht, die Antwort ergibt sich durch Folgerungen aus der
Situation.
5. Wo befindet sich die Mitte des Magneten, in Relation zur Spule, wenn die induzierte Spannung den
maximalen Wert hat? Formulieren Sie zunächst eine Vermutung. Übersetzen Sie sodann die ZeitSpannungskurve in eine Ort-Spannungskurve, indem Sie bestimmen, an welchem Ort sich die Mitte
des Magneten in Abhängigkeit der Zeit befindet und bestätigen Sie die Vermutung anhand der
Messdaten rechnerisch.
Datenübernahme nach Matlab:
- .CSV-Datei mit Excel öffnen, erste Spalte selektieren, «Daten», «Text in Spalten», «Getrennt»,
Trennzeichen Komma ergibt eine Auftrennung der Daten u.a. in eine Zeitspalte und eine
Wertspalte
-
Matlab öffnen, Zeitvariable t erzeugen, im «Workspace»
6. Vergleichen Sie das Verhältnis der positiven Spitzenspannungen bei den zwei Spulen (mit gleicher
Windungszahl und gleicher Windungsrichtung) mit dem Verhältnis der Fallgeschwindigkeiten. Was
erwarten Sie theoretisch? Wie stark weicht das gemessene Verhältnis davon ab?
7. Bestimmen Sie die Flächen unter dem positiven und unter dem negativen Spannungsverlauf
(Spannungszeitfläche) für das Signal einer Spule mit Matlab und vergleichen Sie die Werte. Welche
Einheit hat dieser Wert? Welche physikalische Bedeutung hat dieser Wert?
Numerisches Integral in Matlab: sofern Sie so viele Messpunkte haben, dass zwischendurch nicht
interpoliert werden muss (was bei den vorliegenden Daten der Fall ist), erhalten Sie einfach das Integral
des Vektors x mit y = cumsum(x) * deltaT, mit dem Zeitabstand der Messdaten von deltaT.
8. Vergleichen Sie die Fläche unter dem positiven Spannungsverlauf der Signale der beiden Spulen. Wie
sind diese Flächen von der Windungszahl der Spule abhängig? Messen Sie, oder begründen Sie
theoretisch.
9. Bestimmen Sie magnetische Flussdichte B im Magneten aus der Integration einer
Spannungszeitfläche. Nehmen Sie dabei vereinfachend an, dass im Magnet das Feld homogen ist.
Beachten Sie, dass in die Formel die Querschnittfläche des Magneten und nicht die Spulenfläche
eingesetzt werden muss. Die Windungszahl ist zu berücksichtigen.
10. Eine Fehlerrechnung ist bei den obigen Berechnungen nicht erforderlich, jedoch eine Abschätzung
des systematischen Fehlers: Berechnen Sie die kinetische Energie, welche der Magnet durch den Fall
aufnimmt. Vergleichen Sie diese Energie mit der Energie, welche durch das Oszilloskop
aufgenommen wurde (Eingangswiderstand 1 MΩ).
P. Korba, M. Nussberger, 18.09.2013
30
Elektrotechnik und Halbleiter (ELHL-1)
Praktikum 5: Induktionsgesetz
Abbildug 2: Einstellung und Anschluss an Oszilloskop
Abbildung 3: Versuchsaufbau
Inventar:
1 Oszilloskop Tektronix TDS2012
1 Plexiglasrohr mit O-Ringen zur Fixierung der Spulen, Länge 500 mm
Verschiedene Spulen mit 32 bzw. 64 Windungen
1 Dauermagnet (rot: Nordpol, grün: Südpol), Durchmesser: 18 mm, Länge: 50 mm, Gewicht 100 g
1 Koaxialkabel mit BNC-Buchse auf einer Seite, Laborsteckern auf der anderen Seite
Laborkabel
P. Korba, M. Nussberger, 18.09.2013
31
Elektrotechnik und Halbleiter (ELHL-1)
Praktikum 5: Induktionsgesetz
Anhang: Daten speichern mit dem Tektronix TDS2012B
P. Korba, M. Nussberger, 18.09.2013
32
Elektrotechnik und Halbleiter (ELHL-1)
Praktikum 6: Schaltvorgänge am Kondensator
In diesem Praktikum wird das Auflade- und Entladeverhalten beim Kondensator untersucht.
Vorbereitende Aufgaben
Übernehmen Sie die Differenzialgleichung aus der Vorlesung für das Netzwerk in der Abbildung 1. Bauen
Sie ein Simulink-Modell für die Schaltung in der Abbildung 1 gemäss der Vorlesung (R = 10 kΩ und
C = 1 µF; Generator: U1 = Rechteckfunktion mit Vpp = 1 V und f = 10 Hz).
iout ≈0
i
u1
R
u2
C
ic
Abbildung 10. Schaltung zur Untersuchung des Auflade-/Entladeverhaltens eines Kondensators.
Messaufgaben
Um den Vorgang schaltungstechnisch zu realisieren, wird kein Schalter benötigt. Anstelle der Gleichspannungsquelle wird ein Funktionsgenerator mit rechteckigem Spannungsverlauf verwendet. Die
Abbildung 2 zeigt den Aufbau.
Abbildung 2. Messaufbau zur Untersuchung des Auflade-/Entladeverhaltens eines Kondensators.
P. Korba, M. Nussberger, 18.09.2013
33
Elektrotechnik und Halbleiter (ELHL-1)
Praktikum 6: Schaltvorgänge am Kondensator
Die Periodendauer T der Rechteckspannung der Quelle muss grösser gewählt werden als die zum Aufund Entladen des Kondensators benötigte Zeit. Die entsprechende Generatorfrequenz (f = 1/T) kann
durch Probieren eingestellt werden.
•
Speichern Sie eine Oszilloskop-Messung ab.
•
Verdoppeln Sie den Wert von R und speichern Sie die Oszilloskop-Daten erneut ab.
•
Untersuchen Sie, ob der Spannungsverlauf am Kondensator von der Eingangsspannung abhängt.
Dazu verdoppeln Sie die Eingangsspannung.
Aufgaben zur Auswertung
Bei diesem Praktikum wird keine Fehlerrechnung verlangt.
j) Validieren Sie das Simulink-Modell durch Vergleich von gemessenen Daten mit
Simulationsergebnissen und begründen Sie allfällige Abweichungen. Um das Modell zu validieren,
zeigen Sie, dass …
1. die Lade- und Entladezeitkonstante τ = R·C beträgt
2. die Lade- und Entladezeitkonstanten identisch sind,
3. die Lade- und Entladezeitkonstante nicht vom Wert der Quellenspannung abhängen.
Hinweis: in Simulink ist unter den «Sinks» der Block «simout» verfügbar. Damit können SimulinkErgebnisse in den Matlab-Workspace (d.h. in eine Matlab-Variable) übertragen werden. Wählen Sie in
den Einstellungen des Blocks einen Variablennamen, z.B. «Messung1» und für das «Save format»
«Structure with time». In Matlab können Sie nun auf die Simulationsergebnisse wie folgt zugreifen:
«Messung1.time» für den Zeitvektor und «Messung.signals.values» für die Werte.
k) Beschreiben Sie, was geschieht, wenn die Quellenspannung zwischen 0 und Uq statt zwischen –Uq/2
und +Uq/2 hin und her springt.
Inventar:
1 Funktionsgenerator
1 Oszilloskop
Kondensatoren mit Werten 10 nF, 47 nF, 100 nF, 220 nF, 470 nF, 1000 nF in einer Box
1 Widerstandsset
P. Korba, M. Nussberger, 18.09.2013
34
Elektrotechnik und Halbleiter (ELHL-1)
Praktikum 7: Schaltvorgänge in der Praxis (Entprellen)
Im Allgemeinen prellen mechanische Taster, d. h. beim Betätigen des Tasters resultiert nicht ein
einzelner, sauberer Übergang, sondern der Schaltvorgang findet unkontrollierbar mehrfach statt. In den
allermeisten Fällen möchte man dieses Prellen unterdrücken. In diesem Praktikum wird das Prellen eines
Tasters untersucht und wie dieses Prellen durch Schaltungstechnik eliminiert werden kann.
Der zweite Teil des Praktikums besteht in der Untersuchung eines Schaltvorganges an einem Relais.
Schaltet man die Spannung an einer Spule abrupt aus, entsteht an der Spule eine hohe, negative
Spannung. Diese Überspannung kann das Schaltelement beeinträchtigen, z. B. durch Funkenschlag und
folgender Schädigung der Kontaktflächen bei einem mechanischen Schalter, oder gar zerstören, was z. B.
bei elektronischen Schaltern (Transistoren) eintritt.
Vorbereitende Aufgaben
Eine Möglichkeit, das Prellen eines Tasters zu eliminieren, ist die Schaltung nach Abbildung 1. Die
Schaltung besteht aus einem Kondensator C und zwei Widerstände R1 und R2.
R1
U1
R2
C
u2(t)
Abbildung 11. Entprellschaltung für Taster.
Beschreiben Sie in Worten und mit Zeitkonstanten, was geschieht, wenn
• Die Spannung U1 konstant ist, der Kondensator entladen ist und der Taster gedrückt wird (idealer
Taster ohne Prellen)
•
Der Taster ideal geöffnet wird (ohne Prellen), wenn der Kondensator auf die Spannung U1
geladen ist.
Beschreiben Sie in Worten, wie die Spannung u2(t) am Kondensator ansteigt, bzw. abfällt, wenn der
Taster in einer Zeitspanne prellt, welche viel kleiner ist als die Zeitkonstante der Aufladung, bzw.
Entladung.
Aufgaben für die Berichtsabgabe
Die Entprellschaltung entspricht der Schaltung im Praktikum «Schaltvorgänge am Kondensator».
Verwenden Sie das Simulink-Modell, welches Sie dort erstellt haben, um mit einem Simulationsbeispiel zu
zeigen, dass die Schaltung das Prellen des Schalters eliminiert. Die Werte für die Spannung U1, für die
Widerstände, den Kondensator und das Prellverhalten sind frei wählbar. Hinweis: Mit dem Simulink-Block
«Pulse Generator» können Sie eine Pulsfolge erzeugen. Mit einem Logikblock «OR» (logische «Oder»Verknüpfung: Ausgang ist 1 wenn mindestens ein Eingang 1 ist) können Sie den Pulsgenerator mit einem
Schrittsignal verknüpfen, so dass der Pulszug nur eine gewisse Länge aufweist.
P. Korba, M. Nussberger, 18.09.2013
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Elektrotechnik und Halbleiter (ELHL-1)
Praktikum 7: Schaltvorgänge in der Praxis (Entprellen)
Messaufgaben und Auswertungen Entprellen
Messung zum Prellen des Schalters
Schalten Sie den Taster in Serie zum Netzgerät und in Serie zu einem Widerstand mit R1 = 1 kΩ. Stellen Sie
am Netzgerät eine Spannung von 10 V ein. Betätigen Sie den Taster und speichern Sie eine typische
Prellfolge als Bild und Daten ab. Der Messaufbau zeigt das Abbildung 3.
U1
R2
u2(t)
Abbildung 12. Messschaltung zum Prellen des Tasters.
Abbildung 13. Messaufbau zum Prellen des Tasters.
Messung zum Entprellen eines Schalters
Für das Entprellen soll eine Schaltung entsprechend dem Abbildung 1 eingesetzt werde. Der Kondensator
hat die Kapazität von C = 470 nF eingesetzt werden (Kondensatoren in der Box). Wählen Sie für R1 und R2
einen Widerstandswert von 1 kΩ (Dekaden einsetzen). Stellen Sie am Netzgerät eine Spannung von 10 V
ein. Betätigen Sie den Taster und speichern Sie das Entprellen als Bild und Daten ab. Der Messaufbau
zeigt das Abbildung 4.
Abbildung 14. Messaufbau zum Entprellen des Tasters.
P. Korba, M. Nussberger, 18.09.2013
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Elektrotechnik und Halbleiter (ELHL-1)
Praktikum 7: Schaltvorgänge in der Praxis (Entprellen)
Aufgaben für die Berichtsabgabe
Dimensionieren Sie die beiden Widerstände R1 und R2 aus der Dekaden so, dass
• das Prellen unterdrückt und
•
die Zeitkonstante möglichst klein ist
Das Prellen gilt im Allgemeinen als unterdrückt, wenn:
• Beim Schliessen des Schalters u2 nach dem Überschreiten der Schwelle von 0,6 · U1 (60% von U1)
das Signal nicht mehr unter 0,3 · U1 (30% von U1) fällt
•
Beim Öffnen des Schalters u2 nach dem Unterschreiten der Schwelle von 0,3 · U1 (30% von U1)
das Signal nicht mehr über 0,6 · U1 (60% von U1) ansteigt
Dokumentieren Sie Ihre Lösung der Entprellschaltung mit Angabe der Werte für die Widerstände und
Oszilloskopbildern für das Unterdrücken des Einschalt- und Ausschaltprellens.
Was könnten Nachteile sein der Lösung mit einer Entprellschaltung?
Messaufgaben und Auswertungen Schaltvorgang an einem Relais
Benutzen Sie den nicht entprellten Schalter in folgender Konfiguration:
• Netzgerät auf 5 V eingestellt, Pluspol verbunden mit dem Taster, Minuspol verbunden mit einem
Anschluss des Relais.
•
Anderer Pol des Tasters ist mit dem zweiten Relaisanschluss verbunden
•
ein 10 kΩ Widerstand befindet sich parallel zum Schalter (Dekade oder 5 W Widerstand)
Abbildung 15. Messschaltung zum Schalten eines Relais.
Mit dem Oszilloskop ist die Spannung über den Anschlüssen des Relais zu messen. Hierzu betätigen Sie
den Taster und zeichnen Sie einen typischen Spannungsverlauf an der Spule auf. Wie gross wird
typischerweise die maximale Überspannung?
Die Überspannung entsteht dadurch, dass die Spule im Ausschaltmoment wie eine Stromquelle agiert.
Die Überspannung kann eliminiert werden, wenn ein Pfad für den Stromfluss bereitgestellt wird. In der
Praxis wird dies mit der sogenannten «Diode» realisiert. Eine Diode ist ein Zweipol, welcher den Strom
nur in eine Richtung fliessen lässt, siehe Abbildung 6.
P. Korba, M. Nussberger, 18.09.2013
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Elektrotechnik und Halbleiter (ELHL-1)
Praktikum 7: Schaltvorgänge in der Praxis (Entprellen)
Abbildung 16. Foto und Schaltbild einer Diode. Der Pfeil zeigt die Stromrichtung an (in Gegenrichtung sperrt die Diode).
Durch das Dazuschalten einer Diode kann die Überspannung vermieden werden. Überlegen Sie, wo Sie
die Diode dazuschalten müssen und zeigen Sie dann durch eine Messaufzeichnung, dass keine
Überspannung mehr vorhanden ist.
Bitte sicherstellen, dass die Strombegrenzung auf 50 mA eingestellt ist, sonst kann die Diode bei
falschem Einsatz zerstört werden!
Dioden leiten übrigens erst ab ca. 0,7 V in Flussrichtung. Dies bedeutet, dass an den Dioden eine gewisse
Verlustleistung entsteht (Strom 0,7 V). Im vorliegenden Fall ist die Verlustleistung vernachlässigbar. Bei
Motorenansteuerungen treten jedoch beträchtlich höhere Ströme auf (im Ampère-Bereich). Die Diode
erwärmt sich und es muss sichergestellt werden, dass sie sich nicht überhitzt.
Ergänzen Sie die obige Schaltung so, dass die Diode die Überspannung vermeidet. Mit dem Oszilloskop ist
die Spannung über den Anschlüssen des Relais zu messen. Hierzu betätigen Sie den Taster und zeichnen
Sie einen typischen Spannungsverlauf an der Spule auf. Wie gross wird typischerweise die maximale
Überspannung?
Inventar:
1 Funktionsgenerator
1 Oszilloskop
1 Relais Schrack RA 270024, 1 Box mit Kondensatoren, 1 Diode 1N4007
P. Korba, M. Nussberger, 18.09.2013
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