Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika
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Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika Dipl.-Ing. (FH) Sven Slawinski, Dipl.-Ing. (FH) Denny Ehrler [email protected] Tel.: +49 (0) 375 536 1405 [email protected] Tel.: +49 (0) 375 536 1497 y://Lehre/Etechnik/Ehrler bzw. Slawinski Zwickau, 20.09.2012 1 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Inhalt Messgeräte Handmultimeter Tischmultimeter Leistungsmesser Oszilloskope Anwendung der Messgeräte Messung Strom, Spannung, Leistung Messung von Signalverläufen Praktika Zielstellung Versuchsvorbereitung und Versuchsdurchführung Versuchsauswertung 2 1 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Messgeräte Handmultimeter - - - - Quelle: www.elsinger.at Spannung - DC 0,1 V – 1000 V - AC 0,1 V – 750 V (??? 750 V ?) Strom - (1) DC/AC 0,1 A – 0,3 A - (2) DC/AC 0,1 A – 10,0 A Widerstand - 10 mΩ – 1 MΩ Auflösung (Genauigkeit) - Je nach Messbereich/Modell - 1 mV, 10 mV, …, 1V AC Effektivwert bei 50 Hz Sinus True RMS größerer Frequenzbereich 3 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Messgeräte Effektivwert / Spitzenwert Effektive DC-Leistung an einem Ohm'schen Widerstand entspricht der mittleren AC-Leistung an demselben Widerstand. 𝑈𝑆 = 2 ∙ 𝑈𝑒𝑓𝑓 𝑈𝑆 = 2 ∙ 230𝑉 = 325,3𝑉 𝑈𝑆 = 2 ∙ 750𝑉 = 1060,7𝑉 Quelle: www.dj4uf.de & www.elektroniktutor.de 𝑈𝑆 = 3 ∙ 580𝑉 = 1004,6𝑉 4 2 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Messgeräte Effektivwert / Spitzenwert Einfache Messgeräte nur 50 Hz Sinus True RMS (Root Mean Square) Wahrer Effektivwert - Für verschiedene Signalformen (Dreieck, Rechteck, usw.) Für verschiedene Frequenzen Quelle: www.elektroniktutor.de 5 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Messgeräte Handmultimeter - Anzeige - Wahlschalter U, I, R, Diode, … - Messbuchsen 6 3 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Messgeräte Handmultimeter Messbuchsen Strom bis 10 A Strom bis 300 mA Spannung bis 1000 V 7 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Messgeräte Tischmultimeter - - - Effektivwert meist True RMS Frequenzbereich je nach Type (Preis) Spannung - DC 20 mV – 1000 V - AC 20 mV – 750 V Strom - (1) DC/AC 20 mA – 0,5 A - (2) DC/AC 0,5 A – 10,0 A Auflösung (Genauigkeit) - Je nach Messbereich - 10 µV, 100 µV, …, 10 mV 8 4 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Messgeräte Tischmultimeter Messbuchsen - Spannung & Strom bis 200 mA - Strom bis 10 A - Anzeige - Wahlschalter U, I, R, Diode, … | Messbereiche 9 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Messgeräte Leistungsmesser - Spannung + Strom über Stromzange Quelle: www.sv-koch.de 10 5 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Messgeräte Oszilloskop - - Spannung / Signalverlauf - DC/AC 1,0 mV/Div – 10 V/Div - Mit Tastkopfteiler 1:10 - DC/AC 10,0 mV/Div – 100 V/Div Strom nur über Mess-Shunt (Widerstand) oder Stromzange Quelle: www.datumtest.com Quelle: http://doc.es.aau.dk Quelle: www.messweb.de 11 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Inhalt Messgeräte Handmultimeter Tischmultimeter Leistungsmesser Oszilloskope Anwendung der Messgeräte Messung Strom, Spannung, Leistung Messung von Signalverläufen Praktika Zielstellung Versuchsvorbereitung und Versuchsdurchführung Versuchsauswertung 12 6 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Spannungsmessung 10 Ω 12 V U=? 13 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Strommessung 12 V 10 Ω I=? 𝑈 12𝑉 𝐼= = = 1,2A 𝑅 10Ω 14 7 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Strommessung Kurzschluss der Batterie 𝐼= 𝑈 12𝑉 = = 600A 𝑅 20𝑚Ω Quelle: www.pewa.de 15 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Aufteilung der Arbeitsumgebungen in Kategorien Quelle: www.elektrofachkraft.de 16 8 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Messgeräte Leistungsmessung Stromzange Messspitze (+) Quelle: www.sv-koch.de Messspitze (-) 17 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Verwendung des Oszilloskops Allgemeines 18 9 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Oszilloskop Vertikal Amplitudenteilung (Y-DIV) Horizontal Zeitteile (X-DIV) 19 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Oszilloskop Anzeige DIV Amplitude (Y) in V/DIV DIV Zeit (X) In s/DIV Quelle: www.doctronics.co.uk 20 10 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Oszilloskop Anzeige Quelle: www.ls.haw-hamburg.de 21 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Oszilloskop Masseproblem Quelle: www.datec.de Überbrückung R2 Strom steigt Folgen: Falscher Messwert Zerstörung Schaltung /Oszilloskop 22 11 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Oszilloskop Masseproblem Quelle: www.datec.de Überbrückung R2 Strom steigt X Folgen: Falscher Messwert Zerstörung Schaltung /Oszilloskop 23 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Oszilloskop Masseproblem Lösung: Potentialtrenner 𝑓= 1 𝑡 24 12 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Oszilloskop grundlegende Bedienung 25 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Verwendung des Oszilloskops Anwendung 26 13 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Oszilloskop Anwendung an Beispielschaltung 27 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Oszilloskop Nullpunkteinstellung 28 14 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Oszilloskop Nullpunkteinstellung 29 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Oszilloskop Nullpunkteinstellung 30 15 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Darstellung des AC-Anteils 31 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Darstellung mit DC-Anteil 32 16 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Darstellung mit DC-Anteil 33 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Display optimal Nutzen 34 17 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Oszilloskop Zeiteinstellung Beispiel für 50 Hz 𝑓= 1 𝑇 𝑇= 1 = 20 𝑚𝑠 50 𝐻𝑧 Anzeige hat 10 DIV 𝑡= 20 𝑚𝑠 = 2 𝑚𝑠/𝐷𝐼𝑉 10 𝐷𝐼𝑉 Für die Darstellung einer Periode ist die einzustellende Zeit Horizontal = 2 ms 35 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Oszilloskop Zeiteinstellung 36 18 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Oszilloskop Zeiteinstellung 37 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Oszilloskop Verwendung des Triggers 38 19 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Oszilloskop Trigger 39 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Oszilloskop Trigger 40 20 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Oszilloskop Trigger 41 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Oszilloskop Trigger 42 21 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Oszilloskop Durchführen von Messungen 43 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Oszilloskop Cursor-Funktionen 44 22 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Oszilloskop Cursor-Funktionen 45 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Oszilloskop Cursor-Funktionen 46 23 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Wie ist die Periodendauer? 𝑇 = 200 𝑓= µ𝑠 ∙ 5𝐷𝐼𝑉 = 1 𝑚𝑠 𝐷𝐼𝑉 1 = 1000𝐻𝑧 = 1𝑘𝐻𝑧 1𝑚𝑠 47 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Oszilloskop Messfunktionen 48 24 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Oszilloskop Messfunktionen 90% 10% 49 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Oszilloskop Messfunktionen 50 25 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Oszilloskop Signalverbesserung Achtung! Schmale Impulse können verloren gehen! 51 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Oszilloskop Signalverbesserung 52 26 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Anwendung Oszilloskop Signalverbesserung 53 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Inhalt Messgeräte Handmultimeter Tischmultimeter Leistungsmesser Oszilloskope Anwendung der Messgeräte Messung Strom, Spannung, Leistung Messung von Signalverläufen Praktika Zielstellung Versuchsvorbereitung und Versuchsdurchführung Versuchsauswertung 54 27 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Praktika Zielstellung Warum werden Praktika durchgeführt? Praktika sollen: - Vorlesungen unterstützen - Umgang mit Messmitteln schulen - vielfältige Messmethoden aufzeigen - Aufbereitung und Dokumentation wissenschaftlicher Versuche vermitteln 55 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Praktika Wie können diese Ziele erreicht werden? Das Praktikum gliedert sich in drei Teile: - Versuchsvorbereitung - Versuchsdurchführung - Versuchsauswertung 56 28 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Praktika Versuchsvorbereitung - Lesen und Analysieren der Versuchsanleitung - Vorbereiten der notwendigen Messwerttabellen - Ermitteln aller notwendigen Randparameter (Nennwerte, Grenzwert, Schrittweiten …) - Tiefgreifende Wiederholung der theoretischen Zusammenhänge (Einen Anhaltspunkt geben die formulierten Kolloquiumsschwerpunkte.) 57 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Praktika Versuchsdurchführung - Aufbau des Versuchsstandes nach Versuchsanleitung - Versuchsstand in Betrieb nehmen (nach Rücksprache mit dem Betreuer) - bei der Versuchsdurchführung sind zu notieren: - Versuchs- bzw. Randbedingungen - Messwerte der einzelnen Versuchsteile - Beobachtungen, Erkenntnisse … 58 29 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Praktika Versuchsauswertung - Deckblatt mit Versuchsbezeichnung, Datum, Bearbeiter und Praktikumsgruppe - Einleitung mit kurzer Erläuterung des Versuchszieles - Darstellung des Versuchsaufbaues inklusive der verwendeten Messgeräte - Festhalten der Randbedingungen (Nennwerte, Parameter …) 59 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Praktika - Messergebnisse aufbereitet und in Tabelle darstellen Bsp.: Versuch Grundstromkreis geg.: Ri, RH, RR, Uq zu messen: U1, U2, I in Abhängigkeit von Ra 60 30 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Praktika gemessene Werte berechnete Werte I [A] U1 [V] U2 [V] 0,0 0,3 0,4 0,5 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 90 85 84 82 81 78 74 71 68 65 62 58 90 84 70 66 61 52 44 35 26 17 8 2 Ri [W] RL [W] 16,7 16,3 16,0 15,0 15,0 16,0 15,8 15,7 15,6 15,6 16,0 3,3 33,8 32,0 33,3 32,5 30,0 30,0 30,0 30,0 30,0 28,0 𝑈𝑞 − 𝑈1 = 𝑈𝑞 ∗ 𝐼 𝑃𝑅𝑔𝑖 = Ri=(Uq-U1)/I 𝐼 Ra [W] PV [W] Pa [W] Pg [W] η 280,0 175,0 132,0 101,7 65,0 44,0 29,2 18,6 10,6 4,4 1,0 0,0 1,8 8,0 12,0 17,4 30,4 46,0 66,0 89,6 116,8 147,6 176,1 0,0 25,2 28,0 33,0 36,6 41,6 44,0 42,0 36,4 27,2 14,4 3,9 0,0 27,0 36,0 45,0 54,0 72,0 90,0 108,0 126,0 144,0 162,0 180,0 0,93 0,78 0,73 0,68 0,58 0,49 0,39 0,29 0,19 0,09 0,02 𝑃𝑉 = 𝐼 ∙ 𝑈𝑞 − 𝑈2 𝑅𝐿 = 𝑈1 − 𝑈2 𝐼 𝑃𝑎 = 𝑈2 ∙ 𝐼 𝑅𝑎 = 𝑈2 𝐼 𝑃𝑔 = 𝑈𝑞 ∙ 𝐼 𝜂= 𝑈2 𝑈𝑞 61 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Praktika - Auswertung der Mess- bzw. Berechnungsergebnisse - Diagramme - Diskussion der Ergebnisse anhand der theoretischen Zusammenhänge 62 31 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Praktika Diagramme U [V] I [A] 𝑈1 = −𝑅𝑖 ∙ 𝐼 + 𝑈𝑞 𝑈2 = − 𝑅𝑖 + 𝑅𝐿 ∙ 𝐼 + 𝑈𝑞 63 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Praktika Diagramme 64 32 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Praktika Diskussion der Kennlinien 𝑈1 = −𝑅𝑖 ∙ 𝐼 + 𝑈𝑞 𝑚𝑖𝑡 𝑈2 = − 𝑅𝑖 + 𝑅𝐿 ∙ 𝐼 + 𝑈𝑞 𝑈𝑞 = 90𝑉 = 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡 𝑅𝐿 = 28,4Ω = 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡. 𝑅𝑖 = 15,8Ω = 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡. 65 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Praktika 𝑈1 = −𝑅𝑖 ∙ 𝐼 + 𝑈𝑞 𝑈2 = − 𝑅𝑖 + 𝑅𝐿 ∙ 𝐼 + 𝑈𝑞 𝑚𝑖𝑡 𝑈𝑞 = 90𝑉 = 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡 𝑅𝐿 = 28,4Ω = 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡. 𝑅𝑖 = 15,8Ω = 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡. Diskussion der Kennlinie U1=f(I) linear abfallende Gerade mit - dem Schnittpunkt mit der y-Achse bei 90V (Leerlaufspannung) - einem negativen Anstieg von 15,8W (d.h. 15,8V pro A) - dem Schnittpunkt mit der x-Achse bei 𝐼= 𝑈𝑞 90𝑉 = = 5,7𝐴 𝑅𝑖 15,8Ω (Kurzschlussstrom) Diskussion der Kennlinie U2=f(I) linear abfallende Gerade mit - dem Schnittpunkt mit der y-Achse bei 90V (Leerlaufspannung) - einem negativen Anstieg von 15,8W + 28,4W = 44,2W (d.h. 44,2V pro A) - dem Schnittpunkt mit der x-Achse bei 𝐼= 𝑈𝑞 90𝑉 = = 2,04𝐴 𝑅𝑖 44,2Ω (Kurzschlussstrom am Leitungsende) 66 33 Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika S. Slawinski, D. Ehrler Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 67 34
