Fachhochschule Köln Cologne University of Applied Sciences Ca
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Labor für Grundlagen Institut für Elektrotechnik Einführung in die Elektrotechnik I und II Praktikumsteam Dr. rer. Nat. Michael Pongs Dipl. – Ing. Aline Kamp B.Eng. Alphonsine Bindzi Effa B. Eng. INHALT 1. Die Spannungsquellen ..................................................................................................................3 1.2 Die Gleichspannungsquelle / DC Power Supply .............................................................................3 1.2 Der Funktionsgenerator / Die Wechselspannungsquelle ...............................................................5 2. Die Messgeräte.............................................................................................................................7 2.1 Das Digitalmultimeter ....................................................................................................................7 2.2 Das Oszilloskop ............................................................................................................................9 2 1. DIE SPANNUNGSQUELLEN Spannungsquellen dienen dazu, elektrische Energie zur Verfügung zu stellen um elektrische Schaltungen, einzelne Geräte oder mehrere Komponenten mit Energie zu versorgen. Sie können in verschiedenen Bauweisen und Funktionen, so zum Beispiel in Form einer einfachen AAA-Batterie oder der größeren und schweren Autobatterie, oder als Ladegerät oder als Labortischgerät ausgeführt sein. Zudem unterscheidet man zwischen Gleichspannungsquellen und Wechselspannungsquellen. In den Laboren werden hauptsächliche Labortischgeräte verwendet, deren Bedienung bzw. deren Bedienelemente in den nachfolgenden Abschnitten bildlich erläutert werden soll. 1.2 DIE GLEICHSPANNUNGSQUELLE / DC POWER SUPPLY Die Gleichspannungsquelle liefert, wie der Name schon sagt, eine Gleichspannung und damit auch einen Gleichstrom. Die verwendeten Gleichspannungsquellen unterscheiden sich fast ausschließlich in der Optik, sind von den möglichen Einstellungen her aber identisch. Die Geräte verfügen insgesamt über drei Kanäle, von denen zwei zwischen 0V und 42V einstellbar sind. Der dritte Kanal kann intern zwischen 3V und 6V fest eingestellt werden. Die einstellbaren Kanäle besitzen zwei Drehknöpfe, einen für die Spannungsregelung, und einen für die Strombegrenzung. Die Strombegrenzung muss entsprechend der Anwendung eingestellt werden. Soll eine Schaltung beispielsweise mit 12V betrieben werden, so wird diese Schaltung auch einen bestimmten Strom aus der Quelle ziehen. Diesen Strom muss die Quelle zur Verfügung stellen, da sonst die eingestellte Spannung von 12V einbrechen kann. Daher muss darauf geachtet werden, die Strombegrenzung der Aufgabe entsprechend anzupassen. 3 Abbildung 1: Gleichspannungsquelle / DC power Supply 0 1 2 3 4 0) Ein-/Ausschalter 1 ) Kanal 1/ Output1 Links: voltage Spannungsregelung Rechts: current Strombegrenzung 2) Kanal 2/ Output2 Links: voltage Spannungsregelung Rechts: current Strombegrenzung 3) Festspannung, regelbar zwischen 3V und 6V, ist auf 5V eingestellt 4) Output 1: Abgriff der an Kanal 1/Output 1 eingestellten Spannung 5) Output : Abgriff der an Kanal 2 / Output 2 eingestellten Spannung 4 5 1.2 DER FUNKTIONSGENERATOR / DIE WECHSELSPANNUNGSQUELLE Der Funktionsgenerator / die Wechselspannungsquelle liefert, wie der Name schon sagt, eine Wechselspannung und damit auch einen Wechselstrom. Diese Wechselgrößen können in verschiedenen Formen generiert werden, beispielsweise als Sinusschwingung, als Dreiecksignal, Rechteck oder Sägezahn. Da diese Formen mathematischen Funktionen unterliegen werden Wechselspannungsquellen auch als Funktionsgeneratoren bezeichnet. Sie generieren eine Funktion und geben diese über die BNC – Ausgänge (Bei den neueren Funktionsgeneratoren auch über 4mm-Stecker) aus. Eine Wechselgröße (Wechselspannung /- Strom) wird durch drei charakteristische Eigenschaften beschrieben: Die Form, die Frequenz und die Amplitude(Scheitelwert). Alle drei Eigenschaften können am Funktionsgenerator eingestellt werden. Für diese Einstellungen verfügt das Gerät über Drehknöpfe, die in die entsprechenden Positionen gedreht werden können. Die Einstellung der Form ist mit einem Drehknopf vorzunehmen, für die Frequenz sind drei und für die Amplitude zwei Drehknöpfe zu bedienen. Die Frequenz lässt sich über eine Bereichseinstellung (Range), also 10 Hz bis 100 Hz, 100Hz bis 1kHz usw. einstellen. Innerhalb dieses Frequenzbereiches kann eine Grob – und Feineinstellung gewählt werden. Die eingestellte Frequenz wird im Display oben links am Funktionsgenerator angezeigt. Die Amplitude wird mit dem Drehknopf „Amplitude“ eingestellt und kann mit Hilfe der Dämpfung (attenuation dB) in verschiedenen Spannungsbereichen geregelt werden. Um die eingestellte Spannung auf den gewünschten Wert hin zu prüfen, muss ein Digitalmultimeter, welches den Effektivwert der eingestellten Spannung anzeigt, oder ein Oszilloskop, welches die eingestellte Form und Amplitude der Zeitfunktion darstellen kann, hinzugezogen werden. Weiterhin verfügt die Wechselspannungsquelle über die Möglichkeit, eine Gleichspannung, den sogenannte „DC Offset“, (zwischen -10V und +10V) zu der Wechselspannung hinzuzufügen. Es kann also auch eine Mischspannung generiert werden. Möchte man eine reine Wechselspannung erzeugen, ist darauf zu achten, dass die Gleichspannung ausgeschaltet ist (Stellung des Tasters beachten). Der Funktionsgenerator verfügt über diverse BNC-Buchsen über die Signale entnommen, aber auch eingespeist werden können. Für die Anwendungen im Grundlagenlabor ist nur die Buchse mit der Beschriftung „Output“ interessant. 5 Abbildung 2: Funktionsgenerator / Wechselspannungsquelle 8 10 9 0 1 2 3 4 5 6 7 0) Ein- /Ausschalter (ein grüne LED leuchtet) 1) Grobeinstellung der Frequenz 2) Feineinstellung der Frequenz 3) Einstellung des Frequenzbereichs (untere Bereichsgrenze) 4) Einstellung der Form (mathematische Funktion) 5) Dämpfung der Amplitude in dB (20dB 1/10 ; 40dB 1/100) 6) Einstellung der Amplitude 7) Output hier wird das eingestellte Signal über BNC-Kabel/4mm-Buchsen abgegriffen 8) Display Anzeige der eingestellten Frequenz 9) Externe Frequenz einschalten bzw. Symmetrieeinstellungen vornehmen, für die Grundlagenpraktika nicht von Interesse. 10) Gleichspannungsanteil einschalten und zwischen -10 V und +10 einstellen Achtung: Bei allen Spannungsquellen ist darauf zu achten, einen Kurzschluss zu vermeiden. Kurzschluss bedeutet, eine direkte, widerstandslose Verbindung zwischen dem Plus- und Minuspol, bzw. bei Wechselspannungsquellen zwischen den beiden Polen einer Quelle. 6 2. DIE MESSGERÄTE Die im Grundlagenlabor verwendeten Messgeräte beschränken sich auf das Digitalmultimeter und das Oszilloskop. Diese Geräte dienen ausschließlich dem Messen von elektrischen Größen (Spannung/Strom) bzw. dem Messen von charakteristischen Eigenschaften von elektrischen Größen (Frequenz/Periodendauer). Bei falscher Bedienung bzw. Verwendung der Geräte können diese erheblichen Schäden nehmen und eventuell vollständig zerstört werden. Daher ist die Bedienung und Verwendung sehr sorgsam vorzunehmen. 2.1 DAS DIGITALMULTIMETER Das Digitalmultimeter ist ein Messgerät, welches in verschiedenen Bauformen existiert. Z.B als Handgerät, als Labortischgerät oder auch als Einbaugerät. Für diese Betrachtungen ist das Labortischgerät von Interesse, da es im Grundlagenlabor Anwendung findet. Es kann verschiedene Größen, teilweise gleichzeitig, messen und diese auf einem Display anzeigen. Zu den möglichen Messgrößen gehören: - Spannung (AC und DC) - Strom (AC und DC) - Frequenz - Widerstand - Diodentest - Durchgangsmessung Für eine Messung muss die entsprechende Buchse am Digitalmultimeter verwendet werden und dann per Knopfdruck die gewünschte Messgröße gewählt werden. Bei Spannungs- und Strommessungen ist darauf zu achten, ob die jeweilige Gleichgröße oder Wechselgröße gemessen werden soll, was entsprechend einzustellen ist. Ob AC oder DC gewählt ist, wird im Display angezeigt. Wird das Gerät erstmalig eingeschaltet, steht es automatisch auf Gleichspannungsmessung. Bei einer Widerstandsmessung ist darauf zu achten, dass keinerlei Spannung an diesem Widerstand anliegt, da sonst das Digitalmultimeter beschädigt wird. Das Digitalmultimeter ist im Skript zum Kurs „Einführung in die Elektrotechnik I“ unter dem Kapitel „Messtechnik“ zum Teil beschrieben. 7 Abbildung 3: Digitalmultimeter 8 9 10 7 6 5 4 3 2 1 0 0) 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) Ein- /Ausschalten Frequenzmessung Dioden/- Durchgangsmessung (Für die Grundlagen nicht von Interesse) Widerstandsmessung: NUR verwenden wenn KEINE Spannung anliegt! Wechselstrommessung Gleichstrommessung Wechselspannungsmessung Gleichspannungsmessung Pluspol-Buchsen für Spannungs-/Widerstands-/Dioden- und Durchgangsmessung Für die Grundlagen reicht die linke Buchse 9) Minuspolbuchsen für Spannungs- und Strommessung 10) Pluspol-Strombuchsen Bei Strommessungen muss darauf geachtet werden wie groß der zu messende Strom maximal werden könnte um die richtige Messbuchse zu verwenden! 8 2.2 DAS OSZILLOSKOP Das Oszilloskop dient der Darstellung von Wechsel- und Mischspannungen. Es kann ausschließlich Spannungen darstellen. Soll ein Wechsel- oder Mischstrom dargestellt werden, so ist dieser in Form einer Spannung über einen Messwiderstand abzugreifen. Um eine Wechselgröße darstellen und auswerten zu können, muss diese auf dem Bildschirm des Oszilloskops ausreichend sichtbar sein. Mit Hilfe verschiedener Einstellungen ist dies zu realisieren. Als Beispiel zur Beschreibung der Einstellungen wird eine reine Wechselspannung in Form einer Sinusfunktion angenommen. Diese Sinusfunktion verfügt über eine Scheitelwert und eine Frequenz. Stellt man sich den Bildschirm eines Oszilloskops als ein kartesisches Koordinatensystem vor, so erkennt man, dass Einstellungen auf der x-Achse/ Zeitachse und auf der y-Achse/ Spannungsachse vorzunehmen sind. Dafür muss zunächst die Nulllage eingestellt werden. Diese ist frei wählbar, sollte aber für die Praktika in die Bildschirmmitte gelegt werden. Dafür wird die Taste „Ground“ “GD“/“GND“ verwendet. Es erscheint eine horizontale Linie, welche mit dem Drehknopf „Position 1“ nach oben und unten verschoben werden kann. Wird die Taste „Ground“ wieder gelöst, erscheint die Sinusschwingung symmetrisch um die gewählte Nulllage. Sollte dies nicht der Fall sein, ist die Ablenkung der Funktion auf der x- und/oder y-Achse nicht entsprechend eingestellt. Diese Ablenkung wird in Volts pro Division (V/DIV) und Time pro Division (TIME/DIV) angegeben. Beide Größen können über Drehknöpfe im 1-2-5-Raster größer oder kleiner gewählt werden. Hier gilt es einige Einstellung „auszuprobieren“ bis ein gewünschtes Bild in Erscheinung tritt. Schaltet man der Sinusfunktion einen Gleichspannungsanteil hinzu, so erhält man eine Mischspannung. Soll diese Mischspannung auf dem Oszilloskop dargestellt werden, muss die Taste „AC“ gelöst werden (diese ist dann, je nach Oszilloskopmodel, nicht mehr beleuchtet). Sind die bisher genannten Einstellungen erfolgreich vorgenommen worden, so sollte der zeitliche Verlauf der Spannung vollständig sichtbar sein. Für ein genaueres Ablesen der Scheitelwerte kann die Kurve auf dem Display nach links und rechts verschoben werden ohne dabei die x-Ablenkung oder die Nullage zu verändern. Dies geschieht mit dem Drehknopf „X-Position“. Die Rasterung des Bildschirms ist in der Mitte etwas definierter und kann damit ein genaueres Ablesen ermöglichen. Um die Periodendauer, und bei zwei Kurven die Phasendifferenz, ablesen zu können, muss die x-Achse/Zeitachse betrachtet werden. Soll die Darstellung der Kurve am linken Rand des Bildschirms auf der gewählten Nulllage starten, kann dies über den sogenannten „Trigger“ erfolgen. Dieser Drehknopf ermöglicht es, den Startpunkt der Darstellung der Funktion in y-Richtung frei zu wählen und ermöglicht ein genaueres und vereinfachtes Ablesen der Periodendauer. Das Oszilloskop ist im Skript zum Kurs „Einführung in die Elektrotechnik I“ unter dem Kapitel „Messtechnik“ zum Teil beschrieben. 9 Abbildung 4: Das Oszilloskop 0 0) 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 1 2 3 4 5 6 7 Ein/-Ausschalten Menuleiste für Kanalwahl und weitere Einstellungen Position X: Verschiebung der Kurve nach links und rechts Einstellung der Y-Ablenkung VOLTS/DIV Taster „AC“ um zwischen Wechsel- und Mischspannung zu wählen Taste „Ground“ Drehknopf „Trigger“ Einstellung der X-Ablenkung TIME/DIV Alle beschriebenen Funktionen und Einstellung sind für Kanal 2 „CH2“ äquivalent. Link zum Manual (Stand: 07.03.2014) :http://www.hameg.com/manuals.0.html?&no_cache=1 10
