Laborversuch: Kondensator-Ladekurven 1 Grundlagen und Aufbau

Physikalisches Praktikum
Laborversuch:
1
Carl-Engler-Schule Karlsruhe
BS, BK, FS
Kondensator-Ladekurven
Grundlagen und Aufbau der Schaltung
Ein Kondensator ist ein elektronisches Bauteil, das elektrische Ladung speichern kann. Die
gespeicherte Ladung Q (in Coulomb C) ist proportional zur Spannung U. Die
Speicherfähigkeit, die Kapazität C, gibt an, wieviel Ladung pro Volt gespeichert werden
kann. Die Kapazität wird in Farad angegeben. Typische Werte für Kapazitäten in
elektronischen Schaltungen reichen von 10pF bis 1mF. Die Kapazitäten von
Kondensatoren in Parallelschaltung addieren sich.
Der Lade- bzw. Entladevorgang lässt sich durch einen Vorwiderstand verlangsamen. Die
Schaltung besteht aus einer Quelle konstanter Spannung (10 Volt) und der
Reihenschaltung von Widerstand (10 kOhm) und Kondensator (2200 µF). Ein Umschalter
soll so eingefügt werden, dass zum Entladen über den Widerstand die Quelle abgetrennt
wird. Bei Auf- und Entladung wird jeweils der selbe Widerstand verwendet. Entwerfen Sie
eine geeignete Schaltung dazu.
2
Konfiguration und Parametrierung des cDAQ
Mit dem cDAQ-Modul werden die Spannung über dem Widerstand UR und die Spannung
über dem Kondensator UC gemessen. Die beiden Bauteile sind in Reihe geschaltet. Die
einzelnen Kanäle des Moduls sind nicht auf eine gemeinsame Masse bezogen, so dass
jeder Kanal wie ein unabhängiges Multimeter verwendet werden kann.
Die Spannung am Kondensator kann massebezogen gemessen werden. Der Messwert
wird auf Kanal 2 ausgegeben.
Die Messung erfolgt mit einem LabVIEW-Programm, das die beiden Messkanäle abfrägt.
Am einfachsten ist es, für jeden Kanal einen eigenen Task zu definieren und im Programm
in einer Sequenz die beiden Kanäle nacheinander abzufragen.
Ergänzen Sie Ihr Programm durch eine geeignete Diagramm-Darstellung und eine
Speicherung der Daten im ASCII-Format.
3
Durchführung der Messung
Bestimmen Sie den tatsächlichen Widerstandswert mit einem Ohmmeter. Bestimmen Sie
den tatsächlichen Kapazitätswert mit dem Kapazitäts-Messgerät.
Der Kondensator wird über einen kleinen Widerstand (z.B. 100 Ohm, 5s) entladen. Der
Schalter bleibt noch in der Stellung für "entladen".
Aus dem Produkt R*C ergibt sich die Zeitkonstante (tau) τ=R*C in Sekunden. Die gesamte
Messdauer eines Lade- bzw- Entladevorgangs sollte etwa 5*τ betragen. Es ist eine
geeignete Taktzeit für die Datenerfassung zu wählen. Das LabVIEW-Programm wird dann
gestartet.
Nach einigen Messwerten wird der Schalter (direkt nach der Anzeige eines neuen
Messwertes) auf "aufladen" gestellt. Der Aufladevorgang kann als beendet betrachtet
werden, wenn die Spannungsänderungen in einem Diagramm nicht mehr ablesbar
dargestellt werden können.
kondensator.odt
Geßler / Müller
Https://ces.karlsruhe.de/culm/
Seite 1 von 2
Physikalisches Praktikum
Carl-Engler-Schule Karlsruhe
BS, BK, FS
Ohne die Messung zu unterbrechen wird (direkt nach der Anzeige eines neuen
Messwertes) auf "entladen" umgestellt. Der Entladevorgang dauert die selbe Zeit. Die
Messung wird mit der Stop-Taste auf dem Panel gestoppt und die Daten werden als ASCIIDatei gespeichert.
Mit der Tabellenkalkulation werden die Daten wieder gelesen. Dort wird eine Spalte für die
Zeit ergänzt und in einer Spalte der Strom (über den Widerstandswert) berechnet. Beim
Speichern des Tabellenblattes ist darauf zu achten, dass der geeignete Dateityp (*.xls bei
EXCEL) gewählt wird. Die Originaldaten *.asc dürfen keinesfalls überschrieben werden.
4
Grafische Darstellungen
Aus der Tabelle sind die Daten für folgende Diagramme auszuwählen und darzustellen:
Aufladung

Spannung am Kondensator als Funktion der Zeit

Strom als Funktion der Zeit
Entladung

Spannung am Kondensator als Funktion der Zeit

Strom als Funktion der Zeit
Prüfen Sie, welche Kurven (näherungsweise) eine Gerade ergeben, wenn man die y-Achse
logarithmisch skaliert. Woher stammen eventuelle Abweichungen von der Geraden?
5
Bestimmung der Zeitkonstanten
Die Zeitkonstante τ ist ein Zeitwert, der sich rechnerisch aus dem Produkt τ=R*C ergibt.
Der Wert kann auch den Diagrammen entnommen werden, an der Stelle, an der Strom
bzw. Spannung 63% (= 1 - e-1) des gesamten Bereichs durchlaufen haben. Vergleichen
Sie den rechnerischen und grafischen Wert.
6
Ergänzung
Nehmen Sie die Spannungskurve UC(t) auch für einen kleineren und einen größeren
Widerstandswert auf und beschreiben Sie Ihre Beobachtungen.
kondensator.odt
Geßler / Müller
Https://ces.karlsruhe.de/culm/
Seite 2 von 2