Versuchsanleitung Messungen im Gleichstromkreis Eigenschaften

Prof. Dr. H. Paerschke, Hochschule München Fk 05 / VSG
Gleichstromkreis
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Versuchsanleitung
Messungen im Gleichstromkreis
Eigenschaften realer Spannungsquellen,
Parameter und Kennlinien von linearen und
nichtlinearen Bauelementen
Hochschule München,
Fk 05 Versorgungs- und Gebäudetechnik
Labor Messen, Steuern, Regeln, Raum G 0.09
Prof. Dr. Hartmuth Paerschke
Herr Ulf Martienßen
In diesem Versuch werden die Eigenschaften realer Spannungsquellen untersucht und Parameter
und Kennlinien von linearen und nichtlinearen Bauelementen ermittelt. Dabei wird der Umgang
mit Strom- und Spannungsmessern und dem Oszilloskop geübt. Die Vorüberlegungen,
Schaltungen, Berechnungen und Ergebnisse sind zu protokollieren.
1. Aufgabe: Ermittlung des Innenwiderstandes einer Spannungsquelle
Vorbereitung
• Der Innenwiderstand einer Spannungsquelle wird bei Belastung dieser Quelle wirksam: Die
Klemmenspannung einer realen Spannungsquelle sinkt mit steigender Belastung, weil das
Ansteigen des fließenden Stromes den Spannungsfall am Innenwiderstand der Quelle
vergrößert.
• Zeichnen Sie das Schaltbild der Ersatzspannungsquelle mit angeschlossenem
Lastwiderstand Ra. Ermitteln Sie den mathematischen Zusammenhang zwischen
Klemmenspannung U und dem Laststrom I. Überlegen Sie sich, wie man durch einen
Leerlauf- und einen Kurzschluss-Versuch (falls dieser erlaubt ist!), den gesuchten
Innenwiderstand der interessierenden Spannungsquelle ermitteln kann!
Versuchsdurchführung
Für die Versuche wird eine handelsübliche Monozelle als Spannungsquelle verwendet.
1.1 Messen Sie die Leerlaufspannung der Monozelle.
1.2 Beachten Sie, dass eine Monozelle nicht kurzgeschlossen werden darf. Sie kann kurzzeitig
so belastet werden, dass ein Strom der Stärke 500 mA fließt. Der Innenwiderstand der
Monozelle soll durch Messung der Klemmenspannung bei Belastung mit einem
Lastwiderstand von ca. 3,3 Ω bestimmt werden. Ermitteln sie zuvor den genauem
Widerstandswert mit Hilfe des Digitalmultimeters.
Auswertung
• Berechnen Sie den im Betriebspunkt fließenden Strom I.
• Berechnen Sie den Innenwiderstand der Quelle.
• Berechnen Sie den bei Kurzschluss fließenden Strom.
• Zeichnen Sie die U-I-Kennlinie der Monozelle, horizontale Achse für I (2,5 cm für 1A),
senkrechte Achse für U (5 cm für 1V)
• Zeichnen Sie die Arbeitsgerade des Außenwiderstands.
• Wie groß ist die am Widerstand Ra umgesetzte Leistung?
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14.10.2009 11:57:00
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2. Aufgabe: Widerstandsmessung
Es ist die Größe eines ohmschen Widerstandes mit den Farbringen braun -orange -braun -schwarz –
schwarz -rot über verschiedene Messungen zu bestimmen.
Sollwert des Widerstandes: 130 Ω (bei der Herstellung)
braun orange schwarz schwarz braun
rot
|
|
|
|
|
|
1
3
0
mal 1 Ω ±1 % ….Temp.Koeffizient
Versuchsdurchführung:
2.1 Messen Sie den Widerstand direkt mit den beiden Vielfach-Messinstrumenten. Beachten
Sie, dass analoge Zeigerinstrumente vor jeder Widerstandsmessung abgeglichen werden
müssen: Messgeräte-Eingänge mit den anschließend zu verwendenden Messleitungen kurzschließen und mit schwarzem Rädchen an der Seite des Gerätes auf Null Ohm abgleichen.
Dann Messung durchführen. Die Abgleichprozedur ist am analogen Ohmmeter nach jeder
Messbereichsumschaltung neu vorzunehmen!
2.2 Der Widerstand soll dann über gleichzeitige Messung von Strom und Spannung
berechnet werden. Dazu soll der Widerstand an eine Spannungsquelle (Labornetzgerät!) angeschlossen werden. Überlegen Sie sich (Vorbereitung des Versuches!), wie groß die am
Labornetzgerät eingestellte Spannung maximal sein darf, damit die im Messobjekt
entwickelte Verlustleistung einen Wert von 0,25 W nicht übersteigt! Stellen Sie am Labornetzgerät eine Spannung der Größe 4,0 V ein. Messen Sie gleichzeitig die Spannung am
Widerstand und die Größe des Stromes durch den Widerstand. Skizzieren Sie die
stromrichtige und die spannungsrichtige Schaltung.
2.2.a stromrichtig, Strommessung analog. Schalten Sie beim Messen des Stroms einmal den
Messbereich um und stellen Sie fest, ob sich der ablesbare Wert von Strom und
Spannung ändert. Diskutieren Sie Ihre Beobachtungen!
2.2.b stromrichtig, Strommessung digital
2.2.c spannungsrichtig, Strommessung digital
2.2.d spannungsrichtig, Strommessung analog
Versuchsauswertung:
• Bestimmen Sie aus den in 2.2 gemessenen Werten für Strom und Spannung den Wert des
untersuchten ohmschen Widerstandes.
• Berechnen Sie für alle in 2.2 ermittelten Widerstandswerte jeweils den absoluten und den
relativen Fehler (verwenden Sie als Bezugsgröße: den in 2.1 mit dem genauesten Ohmmeter
bestimmten Widerstandswert).
• Liegen die Fehlerwerte im angegebenen Toleranzbereich? Diskutieren Sie die Ursache für die
systematischen Fehlerwerte in den einzelnen Messschaltungen.
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3. Aufgabe: Parameter und Kennlinien von nichtlinearen, passiven Bauelementen
Versuchsvorbereitung:
Aufnehmen der Strom-Spannungskennlinie eines passiven Messobjektes:
• dabei kann die Spannung U vorgegeben und der sich einstellende Strom I gemessen werden:
I
(An Stelle der hier gezeichneten Spannungsquelle mit
nachgeschaltetem variablen Spannungsteiler, kann man
auch ein Labornetzgerät verwenden, bei dem die
Spannung veränderbar ist !)
Messobjekt
U
•
es kann der Strom I vorgegeben und die am Messobjekt abfallende Spannung U gemessen
werden:
(Die oben gezeichnete Spannungsquelle mit veränderbarem Serien- Widerstand kann durch eine Stromquelle
ersetzt werden. Labornetzgeräte mit eingebauter
Strombegrenzung können einen eingeprägten Strom
liefern und damit als Stromquelle verwendet werden.)
I
U
Messobjekt
Frage für die Vorbereitung:
• Welche der beiden oben dargestellten Methoden eignet sich für die Ermittlung der unten
skizzierten Kennlinien passiver Messobjekte? (Begründung!)
I
I
I
U
U
U
Passive nichtlineare Bauelemente: Dioden
•
Dioden sind (Halbleiter-) Bauelemente, die den elektrischen Strom bevorzugt in einer Richtung
durchfließen lassen. Dioden entstehen, wenn Halbleiter unterschiedlichen Leitungstyps
aneinandergrenzen (pn-Übergang).
Schaltsymbol
ID
UD
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Für UD > 0 wird die Diode in Durchlassrichtung und für UD < 0 in
Sperrrichtung betrieben. Man verwendet Halbleiterdioden als
"Ventile", als Schaltelemente oder nützt die Eigenschaften besonderer
Dioden (Leuchtdioden, Fotodioden, Kapazitätsdioden, Zenerdioden)
in den verschiedensten Anwendungen
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Versuchsdurchführung
Nehmen Sie die nichtlinearen Kennlinien I = f(U) der bereitgestellten Dioden auf !
•
•
•
Messen Sie den durch die Diode fließenden Strom und gleichzeitig, die an ihr abfallende
Spannung. Verwenden Sie dafür die spannungsrichtige Verschaltung der Messgeräte!
Verwenden Sie zum Schutz der Dioden einen Serien-Widerstand von R = 130 Ω zur Strombegrenzung ( ...damit Dioden, die für kleine Leistungen ausgelegt sind, hier nicht überlastet
werden!)
maximaler Strom durch die Leuchtdioden und die Siliziumdioden für kleine Leistungen: IDmax =
40 mA
Versuchsvorbereitung :
Bei der "spannungsrichtigen Schaltung" wird die Spannung richtig gemessen (abgesehen vom
Anzeigefehler der Messgeräte!), der abgelesene Stromwert ist jedoch mit einem systematischen
Fehler behaftet Der Innenwiderstand eines Spannungsmessgerätes ist stets über einen Aufdruck auf
der Geräteskala ermittelbar oder auf der Geräterückseite vermerkt, bzw. kann dem zugehörigen
Datenblatt entnommen werden!
U soll positive und negative Werte annehmen (Durchlass- und Sperr-Richtung untersuchen!)
UD / V
-30 -15
0
ID / mA
RD / Ω
Pv / mW
Versuchsauswertung:
•
•
Zeichnen Sie die Kennlinien der Diode. Dabei ist die Spannung an der Diode in Abszissenrichtung und der Strom durch die Diode in Ordinatenrichtung aufzutragen!
Zeichnen Sie den Verlauf des elektrischen Widerstandes und der Verlustleistung der Diode als
Funktion der Spannung! -Wie groß ist die in der Diode entwickelte Verlustleistung?
4. Aufgabe: Abbilden einer Diodenkennlinie am Bildschirm eines Oszilloskops
Schließen Sie an die Serienschaltung aus einer der beiden Dioden und dem ohmschen Widerstand
zur Strombegrenzung eine sinusförmige Wechselspannung an und bilden Sie den zeitlichen Verlauf
der Spannung an der Diode und des Stromes durch diese Diode am Bildschirm des Oszilloskops ab:
• Beide Kanäle des Oszilloskops haben das gleiche Bezugspotential {Masse) !
• Diskutieren Sie die abgebildeten Zeitfunktionen im Zusammenhang mit der Kennlinie der
Diode!
• Schalten Sie das Oszilloskop in XY-Betrieb um und diskutieren Sie den dann abgebildeten
Kurvenverlauf
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