Elektrotechnik - Ostfalia Hochschule

Version 5 – 03.09.09
HOCHSCHULE OSTFALIA
Fakultät Elektrotechnik
Prof. Dr. Ose
Labor „Elektrotechnik“
Teilnehmer 1:
Matrikel-Nr.:
Teilnehmer 2:
Matrikel-Nr.:
Datum:
Gruppenkennzeichen:
Testat:
Tutorium Laboreinführung TET_2 „Kennlinienaufnahme“
Theoretische Grundlagen 1) (Kurzfassung)
1)
(vgl. auch [1] – Abschn. 4.2 und Kap. 6)
2)
Ein Meßwert ist der zu einem Messzeitpunkt ermittelte Wert der zu beschreibenden physikalischen
Größe. Das Messmittel soll für die weiteren Betrachtungen ein Zeigerinstrument sein. Es besitzt einen
nicht vernachlässigbaren Innenwiderstand, der einen Eigenverbrauch bewirkt und bei Kombinationsmessungen zu Messfehlern führt.
Rx
Ein Spannungsmesser wird parallel zum Messobjekt geschaltet. Er
soll einen möglichst großen Innenwiderstand RiV haben und einen
geringen Eigenverbrauch PM aufweisen.
V
Bild 2.1: Spannungsmessung
Ux
Es gilt: RiV =
UM
IM
(2.1)
UM ist die Vollausschlagsspannung und IM ist der Vollausschlagsstrom.
Ix
Rx
A
Ein Strommesser ist zum Messobjekt in Reihe zu schalten. Er soll
einen möglichst kleinen Innenwiderstand RiA haben und einen geringen Eigenverbrauch PM aufweisen.
Bild 2.2: Strommessung
Es gilt: RiA =
UM
IM
(2.2)
PM ist die Leistungsaufnahme (Eigenverbrauch) des Messgerätes bei Vollausschlag.
Es gilt: PM = U M ⋅ I M =
2
UM
2
= IM
⋅ RiA
RiV
(2.3)
Zur Beantwortung der Frage nach der Eignung eines Messinstrumentes für eine bestimmte Messaufgabe ist nicht vorrangig der Absolutwert seines Innenwiderstandes ausschlaggebend. Viel wichtiger ist
ein möglichst geringer Eigenverbrauch.
1)
2)
http://public.rz.fh-wolfenbuettel.de/~ose/vl/ → Vorlesungen „Grundlagen der ET“ → „Gleichstrom-Netzwerke“
[1] Ose, R.: Elektrotechnik für Ingenieure. Grundlagen. − 4. Auflage. − München: Carl Hanser Verlag, 2008
Labor „Elektrotechnik“ − TULA: Versuch TET_2
Prof. Dr. Ose
Seite 2
Kombinationsmessungen (z.B. zur Kennlinienaufnahme oder zur Widerstandsbestimmung mittels
Strom-Spannungs-Messung) sind sowohl aus der Sicht einer möglichst unverfälschten Spannung über
dem Messobjekt (spannungsrichtige Messung) als auch eines möglichst unverfälschten Stromes durch
das Messobjekt (stromrichtige Messung) durchführbar. Dem Anwender obliegt die Aufgabe, eine
sinnvolle Entscheidung über die jeweils geeignete Messschaltung zu treffen. Dazu muss er die Innen3)
widerstände der verfügbaren Messinstrumente kennen oder mit einer Zusatzmessung bestimmen.
• Spannungsrichtige Messung
I
Rx ' =
Ux
I
Tatsächlicher Wert:
Rx =
Ux
Ix
Ix
A
U
Gemessener Wert:
IV
Rx
V
Ux
Bild 2.3: Spannungsrichtige Messschaltung
Da der Gesamtstrom I größer ist als der Strom Ix , wird für den Widerstand Rx ein zu kleiner Wert ermittelt. Durch Einsetzen von Ix = I − IV ist eine Messwertkorrektur möglich.
Rx =
Ux
Ux
1
=
=
I
I
Ix I − IV
− V
Ux Ux
⇒
Rx =
1
1
1
−
Rx ' RiV
(2.4)
Diese Messschaltung sollte man anwenden, wenn der Innenwiderstand des Spannungsmessers viel
größer als der Widerstand des Messobjektes ist.
RiV >> Rx
(2.5)
Wenn diese Bedingung nicht oder nur unzureichend erfüllt ist, muss die stromrichtige Messschaltung
verwendet oder eine Korrekturrechnung [Gleich. (2.4)] durchgeführt werden.
• Stromrichtige Messung
Ix
I
U
V
Gemessener Wert:
Rx ' ' =
Tatsächlicher Wert:
Rx =
A
UA
Rx
Ux
U
Ix
Ux
Ix
Bild 2.4: Stromrichtige Messschaltung
Da die Gesamtspannung U größer ist als der Spannungsabfall über Rx , wird für den Widerstand Rx ein
zu großer Wert ermittelt. Durch Einsetzen von Ux = U − UA kann wieder eine Messwertkorrektur vorgenommen werden.
Rx =
Ux U −UA Ux UA
=
=
−
Ix
Ix
Ix
Ix
⇒
Rx = Rx ' '− RiA
(2.6)
Diese Messschaltung sollte man anwenden, wenn der Innenwiderstand des Strommessers viel kleiner
als der Widerstand des Messobjektes ist.
RiA << Rx
3)
http://public.rz.fh-wolfenbuettel.de/~ose/vl/ →
Labor „Elektrotechnik“ →
(2.7)
Anleitungen zum TULA →
Geräte
Prof. Dr. Ose
Labor „Elektrotechnik“ − TULA: Versuch TET_2
Seite 3
Wenn die Bedingung gemäß Gleich. (2.7) nicht oder nur unzureichend erfüllt ist, muss die spannungsrichtige Messschaltung verwendet oder eine Korrekturrechnung [Gleich. (2.6)] durchgeführt werden.
Machen Sie sich in Vorbereitung auf diesen Laborversuch mit den zu verwendenden Zeigerinstrumenten (Messbereiche, Innenwiderstände, Polarität der Messklemmen, usw.) vertraut. Hinweise dazu fin3)
den Sie im Netz der FH .
• Testrechnung zur Laborvorbereitung:
Zur Festlegung der zu verwendenden Messbereiche, zur Berücksichtigung der Innenwiderstände der
Messbereiche sowie zur Entscheidung über die einzusetzende Messschaltung sollten Sie folgende
Testrechnung durchführen:
An eine reale (lineare) Quelle mit Uq = 9 V und Ri = 5 Ω wird ein einstellbarer Lastwiderstand mit
Ra = (1 Ω; 10 Ω; 100 Ω; 1 kΩ; 10 kΩ; 100 kΩ) angeschaltet. An Ra soll eine Strom-/ Spannungsmessung mit Zeigerinstrumenten (Vielfach-Messgerät UNIGOR) durchgeführt werden.
Berechnen Sie für diese 6 Lastfälle den Strom und den Spannungsabfall über dem Lastwiderstand. Le3)
gen Sie nun die erforderlichen Messbereiche für die geplante Strom-/ Spannungsmessung fest und
bestimmen die jeweiligen Innenwiderstände. Jetzt können Sie eine Entscheidung (Begründung !) über
den Einsatz der spannungsrichtigen oder der stromrichtigen Messschaltung gemäß Gleich. (2.5) und
(2.7) treffen. Je besser eine der beiden Bedingungen erfüllt ist, desto geringer wird die Abweichung
des gemessenen vom tatsächlichen Widerstandswert. Treffen beide Bedingungen nur unzureichend zu,
sollte gegebenenfalls die der gewählten Messschaltung entsprechende Korrekturrechnung auf das
Messergebnis angewendet werden. Als Entscheidungshilfe für diese Testrechnung soll hier gelten:
Gleich. (2.5):
Gleich. (2.7):
RiV >> Rx ist erfüllt, wenn RiV > 1000⋅Rx
RiA << Rx ist erfüllt, wenn RiA < Rx / 50
Insbesondere bei der Kennlinienaufnahme ist es empfehlenswert, die Notwendigkeit der Korrekturrechnung zu prüfen bzw. ab einem bestimmten Messpunkt die Messschaltung im Sinne eines möglichst geringen Messfehlers zu wechseln. Eine solche Maßnahme ist beispielsweise bei der Aufnahme
der Sperrkennlinie einer Z-Diode erforderlich. Im flachen Bereich der Kennlinie besitzt die Diode einen relativ großen Gleichstromwiderstand (stromrichtige Messung). Nach Erreichen der Z−Spannung
(Knickpunkt) verläuft die Kennlinie sehr steil, da die Diode schlagartig leitet. Ihr Gleichstromwiderstand nimmt nun sehr kleine Werte an (spannungsrichtige Messung).
2)
Kennlinie einer Diode
Ziel:
• Aufnahme der Strom-Spannungs-Kennlinie
• Kennenlernen der Kenngrößen von Dioden
(vgl. auch [1]
2)
– Kap. 6 und [2]
4)
– Abschn. 2.4)
V 2: Entwerfen Sie eine spannungsrichtige und eine stromrichtige Messschaltung zur Aufnahme der
Durchlasskennlinie einer Diode. In welchem Bereich der Kennlinie sollte welche Schaltung angewendet werden (Begründung !).
(vgl. [1] − Abschn. 6.1)
3)
Hinweis: Das in D 2 zu verwendende Netzteil 25−xx ist für die Einstellung kleiner Spannungswerte
nur bedingt geeignet. Verwenden Sie zur Teilung der Quellenspannung einen zusätzlichen (mit der Di3)
ode belasteten) Spannungsteiler [dekadischer Spannungsteiler 31−xx ; siehe Schrank C] und variieren
Sie die Quellenspannung dann so, dass der gewünschte Spannungswert an der Diode anliegt.
2)
4)
[1] Ose, R.: Elektrotechnik für Ingenieure. Grundlagen. − 4. Auflage. − München: Carl Hanser Verlag, 2008
[2] Ose, R.: Elektrotechnik für Ingenieure. Bauelemente ... . − 1. Auflage. − München: Carl Hanser Verlag, 2007
Prof. Dr. Ose
Labor „Elektrotechnik“ − TULA: Versuch TET_2
Seite 4
D 2: Nehmen Sie die Kennlinie der Diode 1N 5400 ( 58−xx) gemäß V 2 mit Hilfe der Vielfach3)
Messgeräte UNIGOR 10−xx und 11−xx mit der spannungsrichtigen und mit der stromrichtigen Messschaltung auf. Die Messung ist erst beim Erreichen der Verlustleistung (PV = 300 mW) der Diode be3)
endet. Als Spannungsquelle dient das Dreifach-Netzgerät 25−xx (Kanal II).
A 2.1: Zeichnen Sie die beiden gemessenen Kennlinien in ein Diagramm und diskutieren Sie Abweichungen der beiden Kennlinien voneinander.
A 2.2: Führen Sie eine Messwertkorrektur für beide Messungen von D 2 durch und zeichnen Sie die
korrigierte Kennlinie mit der dazu gehörenden gemessenen Kennlinie jeweils in ein gemeinsames Diagramm (siehe Anmerkung). Diskutieren Sie die Abweichungen zwischen den gemessenen und der korrigierten Kennlinie.
Anmerkung: Zur Diskussion der Abweichungen sollen die Kennlinien von A 2.2 in zwei Diagramme
mit unterschiedlichem Maßstab zerlegt werden. Das erste Diagramm endet mit dem Erreichen der
Schwellenspannung und das zweite Diagramm beginnt mit der Schwellenspannung. Es entstehen somit
zwei Teilkennlinien für die spannungsrichtige Messung (und Korrektur) und zwei Teilkennlinien für
die stromrichtige Messung (und Korrektur). Wählen Sie für die Kennlinien sinnvolle Maßstäbe, um die
Abweichungen auch noch darstellen und erkennen zu können.
3)
Kennlinie eines Kaltleiters
Ziel:
• Kennenlernen der Eigenschaften eines Kaltleiters
• Kennlinienaufnahme durch Spannungseinspeisung
• Bestimmung des Leistungsumsatzes im Arbeitspunkt
(vgl. auch [1]
2)
– Kap. 6 und [2]
4)
– Abschn. 2.3)
V 3.1: Nennen Sie typische Eigenschaften eines Kaltleiters und skizzieren Sie seine StromSpannungs-Kennlinie I = f (U ) auf Millimeterpapier.
([1] − Abschn. 6.2)
V 3.2: Entwerfen Sie eine Messschaltung zur Kennlinienaufnahme mit zwei Vielfach-Messgeräten
3)
UNIGOR 10−xx und 11−xx. Als Entscheidungshilfe für die Wahl der Messschaltung kann die Testrechnung aus Punkt 1 dienen (Daten: siehe D 3.1).
D 3.1: Nehmen Sie die Kennlinie gemäß V 3.2 mit einer Spannungseinspeisung auf. Der Kaltleiter
(Metallfaden-Glühlampe) befindet sich in einem Kunststoffbehälter in der Schrankwand (C) und wird
auf dem Laboraufbau 58−xx (Schrank C) befestigt.
Für die Kennlinienaufnahme des Kaltleiters gilt: Umax = 10 V.
D 3.2: Stellen Sie durch Einschalten eines Vorwiderstandes RVa einen Leistungsumsatz im Kaltleiter
von Pa = 0,6 W ein. Verwenden Sie dazu das Dreifach-Netzgerät 25−xx mit Uq = 10 V (Kanal I). Der
3)
Vorwiderstand (Widerstandslastdekade WLD 30−xx) erzeugt den notwendigen Anstieg der Quellenkennlinie zur Einstellung des für diesen Leistungsumsatz erforderlichen Arbeitspunktes.
Senken Sie nun den Leistungsumsatz im Kaltleiter auf Pb = 0,3 W ab, indem Sie den Wert des Vorwiderstandes auf RVb verändern. Messen Sie die beiden eingestellten Vorwiderstände RVa und RVb mit
3)
dem Digital-Messgerät DMG 40−xx (Schrank A) nach. Dazu ist der Widerstand aus der Schaltung
zu entfernen (Warum ?).
2)
4)
[1] Ose, R.: Elektrotechnik für Ingenieure. Grundlagen. − 4. Auflage. − München: Carl Hanser Verlag, 2008
[2] Ose, R.: Elektrotechnik für Ingenieure. Bauelemente ... . − 1. Auflage. − München: Carl Hanser Verlag, 2007
Prof. Dr. Ose
Labor „Elektrotechnik“ − TULA: Versuch TET_2
Seite 5
A 3: Konstruieren Sie die Strom-Spannungs-Kennlinie I = f (U ) des Kaltleiters aus Ihren Messwerten (ohne Messwertkorrektur) und zeichnen Sie die Arbeitspunkte (mit Hilfe der Leistungshyperbel)
sowie die Quellenkennlinien von D 3.2 ein.
4)
Kennlinie eines Heißleiters
Ziel:
• Kennenlernen der Eigenschaften eines Heißleiters
• Kennlinienaufnahme durch Stromeinspeisung
(vgl. auch [1]
2)
– Kap. 6 und [2]
4)
– Abschn. 2.3)
V 4: Entwickeln Sie eine Schaltung zur Kennlinienaufnahme eines Heißleiters mittels Stromeinspeisung unter Verwendung eines Vorwiderstandes RV = 100 Ω (WLD 30−xx). Beschreiben Sie mit Stichworten den Ablauf des Messvorganges.
([1] − Abschn. 6.2)
Nutzen Sie zur Strommessung das Vielfach-Messgerät UNIGOR 10−xx oder 11−xx und zur Spannungsmessung das Digital-Messgerät DMG 40−xx.
D 4: Nehmen Sie die Kennlinie gemäß V 4 auf. Der Heißleiter befindet sich in einem Kunststoffbehälter in der Schrankwand (C) und wird auf dem Laboraufbau 58−xx (Schrank C) befestigt. Zur Vermeidung äußerer Temperatureinflüsse wird der Kunststoffbehälter als Abdeckung auf den Laboraufbau
aufgesetzt. Für den Heißleiter gilt: Imax = 200 mA.
Hinweis: Nach der Einstellung des jeweiligen Messpunktes (eingespeister Strom) sollte man vor dem
Ablesen der Messwerte eine Stabilisierung des sich einstellenden Arbeitspunktes abwarten
(Warum ?).
A 4: Stellen Sie mit Ihren Messwerten die Kennlinie des Heißleiters ohne Messwertkorrektur grafisch dar. Da die Kennlinie mit Stromeinspeisung aufgenommen wurde, sollten Sie hier die Wirkung
(abhängig Veränderliche) als Funktion der Ursache (unabhängig Veränderliche) darstellen. Es entsteht
eine Kennlinie U = f ( I ) im Gegensatz zu A 2 und A 3.
5)
• Hinweise zur Arbeit mit Kennlinien finden Sie in [1], in [2] und im Netz der HS .
5)
http://public.rz.fh-wolfenbuettel.de/~ose/vl/ →
Vorlesung „Elektronische Bauelemente“ →
Arbeitsblätter