Praktikum Grundlagen der Elektrotechnik

Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Institut für Informationstechnik
Lehrgruppe Grundlagen der Elektrotechnik
Praktikum Grundlagen der Elektrotechnik
1. Versuch
GET 1: Vielfachmesser, Kennlinien und Netzwerke
2. Standort
In unseren Laboren im Helmholtzbau H2546, H2547, H2548 und H2549.
3. Ziel und Inhalt
Bestimmung von Widerstandswerten durch Strom-Spannungsmessung mit dem
Vielfachmesser; Messwertkorrektur; Kennlinienaufnahme; Spannungsstellen mit dem
Spannungsteiler (unbelastet und belastet); Anwendung von Knotenspannungsanalyse und
Zweipoltheorie; messtechnische Überprüfung der Knotenspannungen, des Ersatzinnenwiderstandes und der Ersatzquellenspannung; Arbeitspunktbestimmung bei nichtlinearer Last
4. Vorausgesetztes Wissen
- Bestimmung des Messfehlers sowohl bei stromrichtiger als auch bei spannungsrichtiger
Messung;
- Kennlinien passiver Bauelemente;
- Kennlinien und Kenngrößen linearer realer Quellen;
- Spannungsteiler- und Stromteilerregel;
- Kenntnis der Netzwerkberechnungsmethoden;
- grafische Arbeitspunktbestimmung im Grundstromkreis mit nichtlinearer Last
5. Literatur
- Vorlesungs- und Übungsunterlagen Allgemeine Elektrotechnik
- Lehrbuch Seidel/Wagner, Allgemeine Elektrotechnik, Unicopy Ilmenau 2009
Versuch GET 1 (01.09.2013)
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6. Vorbereitung
6.1. Ein ohmscher Widerstand R soll durch gleichzeitiges Messen von Strom und Spannung
bestimmt werden. Geben Sie die Messschaltungen für strom- und spannungsrichtiges
Messen an und leiten Sie aus den Messschaltungen die Korrekturgleichungen für R ab.
Der Innenwiderstand des Voltmeters sei RiV und der des Amperemeters RiA .
6.2. Die Messung der Klemmenspannung einer linearen realen Quelle mit einem Vielfachmesser ( RiV  300 k ) ergab U1  7,5 V. Durch Parallelschalten eines Widerstandes mit
R  220 k  zu den Klemmen des Spannungsmessers sank die Spannungsanzeige auf
U 2  5,6 V . Wie groß sind die Quellenspannung, der Innenwiderstand und der
Kurzschlussstrom der Quelle? Lösen Sie die Aufgabe analytisch und grafisch.
6.3. Der Strom I 4 im gegebenen Netzwerk (Bild 1) ist mit Hilfe der Zweipoltheorie zu
berechnen. Bilden Sie zunächst einen Ersatzzweipol U qers1, Rers1 aus den Elementen
U q1, R1, R3 , R5 . Geben Sie die Schaltung an und bestimmen Sie die Werte U qers1, Rers1 .
Fassen Sie danach U qers1, Rers1 und U q2 , R2 zu einem Ersatzzweipol U qers , Rers
zusammen: geben Sie die Schaltung an und bestimmen Sie die Werte U qers , Rers .
Berechnen Sie im entstandenen Grundstromkreis mit R4 den Strom I 4 .
6.4. Berechnen Sie für das gegebene Netzwerk (Bild 1) die Knotenspannungen U10 und U 20
mit Hilfe der Knotenspannungsanalyse und daraus alle Zweigströme.
6.5. Zeichnen Sie die Messschaltungen zu 8.1 bis 8.6.
U q1  10 V
U q2  15 V
R1  200 
R2  56 
R3  68 
R4  300 
R5  30 
Bild 1
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7.
-
Geräte und Baugruppen am Versuchsplatz
1 Netzgerät 0...30 V, Festspannungen 5V und 15 V (Universal-System MS 9140)
2 Vielfachmesser Z4313
1 Experimentierbauteil Widerstände/Dioden (EBT 1)
1 Experimentierbauteil „Lineare reale Quelle“ (EBT 2)
1 Experimentierbauteil Potentiometer 100 Ω, 20W (EBT 3)
1 Experimentierbauteil Widerstände (EBT 4)
12 Verbindungskabel
Benutzung des Vielfachmessers Z4313
- waagerechte Gebrauchslage (s. Symbole auf dem Anzeigefenster).
- Schalten Sie zu Beginn der Messungen immer auf den maximalen Messbereich.
- Stellen Sie den Betriebsartenschalter auf „–“.
- Beachten Sie bei der Messbereichsauswahl, dass Strommesser immer in Reihe und
Spannungsmesser immer parallel zum Messobjekt zu schalten sind.
- Benutzen Sie die schwarze Skala unterhalb des Spiegels zur Messung der Gleichgrößen.
- Der Minuspol des Gerätes ist mit einem „ * “ gekennzeichnet.
- Versuchen Sie, wenn nicht ausdrücklich ein bestimmter Messbereich vorgegeben ist,
möglichst immer einen Zeigerausschlag im letzten Skalendrittel zu erzielen.
- Den Messwert erhalten Sie durch Multiplikation des Ablesewertes mit dem Wert des
Messbereiches dividiert durch den Skalenendwert.
- Machen Sie sich mit den Tabellen zur Berechnung der Innenwiderstände für die einzelnen
Messbereiche auf der Geräterückseite vertraut. (Bild 2)
Bild 2
Beispiel der Ermittlung des Innenwiderstandes:
- Beim Messbereich 3mA ist der Spannungsabfall im Gleichstrommodus 0.18V, damit ist
0.18 V
 60  .
der Innenwiderstand für diesen Messbereich RA 
3 mA
- Beim Messbereich 60V ist der Vollausschlagstrom im Gleichstrommodus 50µA, damit
60 V
 1.2 M .
ist der Innenwiderstand für diesen Messbereich RV 
50 μA
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Benutzung des Netzgerätes
am Universalsystem MS 9140:
Die variable Gleichspannungsquelle befindet sich an der Frontseite rechts unten („0~30V“).
Drücken Sie zur Inbetriebnahme zu Versuchsbeginn die POWER-Taste und lassen Sie das
Gerät während des ganzen Versuchs immer eingeschaltet. Die rote Buchse ist der Pluspol und
die schwarze Buchse der Minuspol. Das mittlere und das obere Buchsenpaar sind die
Festspannungsquellen.
Messung der Ersatzinnenwiderstände von Teilschaltungen
Beachten Sie bei der Messung der Ersatzinnenwiderstände von Teilschaltungen, dass Sie die
Spannungsquellen nicht kurzschließen, sondern jeweils durch einen Kurzschluss ersetzen!
Das heißt, Sie müssen erst die Quelle von der Schaltung abklemmen und dann die
entsprechenden Buchsen der Schaltung mit einem Verbindungskabel überbrücken.
8. Aufgabenstellung und Versuchsauswertung
8.1. Bestimmen Sie den Widerstand R1 mit Hilfe der gleichzeitigen Messung von Strom und
Spannung. Benutzen Sie die spannungsrichtige Schaltung.
Stellen Sie für die Messung eine Spannung von 8 V an der variablen Gleichspannungsquelle ein. Führen Sie eine Messung in den Messbereichen 15V und 120A und eine
zweite Messung in den Messbereichen 60V und 120A. Bestimmen Sie für jede Messung
den Widerstand R1 direkt aus den Messwerten.
Vergleichen Sie die Widerstandswerte und korrigieren Sie diese für beide Messungen.
Ermitteln Sie dazu anhand der Geräteangaben die Innenwiderstände der Messbereiche.
Diskutieren Sie die Fehlereinflüsse von falsch gewähltem Messbereich und der Messschaltung (siehe 6.1).
8.2. Nehmen Sie die U-I-Kennlinie des ohmschen Widerstandes R1  100 k  für 0  U  10 V
auf (stromrichtige oder spannungsrichtige Schaltung?). Verwenden Sie die Festspannungsquelle 15V und das Potentiometer zum Einstellen der Spannung.
Welcher Maximalstrom durch das Potentiometer ist zulässig? Beachten Sie die Angaben
zum Potentiometer (siehe 7.).
8.3. Messen Sie am Bauteil "Lineare reale Quelle" (angelegte Spannung 10V von der variablen
Spannungsquelle) mit Hilfe der Vielfachmesser Klemmenspannung (15V-Messbereich!)
und Klemmenstrom. Belasten Sie anschließend die Quelle zusätzlich parallel zum
Voltmeter mit einem Widerstand R2  220 k  und messen Sie erneut.
Ermitteln Sie aus den beiden Messpunkten die lineare U-I-Kennlinie der Quelle. Ermitteln
Sie analytisch und graphisch die Leerlaufspannung, den Innenwiderstand und den
Kurzschlussstrom der Quelle. Unter welcher Bedingung könnte die Quellenspannung
direkt gemessen werden?
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8.4. Bauen Sie mit den Spannungsquellen (15 V; 10 V mit regelbarer Quelle einstellen) des
Universalsystems und Widerständen (EBT 4) schrittweise das Netzwerk nach Bild 1 auf.
- Messen Sie dabei die unter 6.3 berechneten Ersatzquellen und Ersatzinnenwiderstände
nach.
- Messen Sie die Knotenspannungen U10 und U 20 .
- Messen Sie alle Zweigströme.
Vergleichen Sie die gemessenen Werte mit den berechneten.
8.5. Nehmen Sie die Kennlinie der Reihenschaltung von RV  150  und Diode in
Durchlassrichtung für 0  I  3 mA auf. Welche Messschaltung ist zu verwenden: stromoder spannungsrichtige? Stellen Sie an der variablen Spannungsquelle 2V ein und
verwenden Sie sie als Eingangsspannung. Verbinden Sie die Katode der Diode über den
Widerstand RV  150  mit dem Minuspol der Quelle. Verwenden Sie das Potentiometer
zur Regelung der 2V-Eingangsspannung. Beginnen Sie die Kennlinienaufnahme bei
I max  3 mA und verringern Sie den Strom in geeigneten Messschritten bis auf Null.
Ermitteln Sie aus der gemessenen Summenkennlinie grafisch durch Kennliniensubtraktion
die Diodenkennlinie. Diskutieren Sie die Ergebnisse.
8.6.1. Nehmen Sie die Kennlinie I  f U Z  der Parallelschaltung von Lastwiderstand
RL  150  und Z-Diode (EBT 1) in Sperrrichtung auf und stellen Sie diese grafisch im
dritten Quadranten dar.
Schalten Sie hierzu einen Vorwiderstand RV  100  (Gesamtwiderstand des
Potentiometers!) in Reihe zur Last und verwenden Sie die regelbare Spannungsquelle.
Messen Sie nun beginnend beim höchsten zulässigen Maximalstrom I max  200 mA
abwärts! Dazu den Vielfachmesser Z 4313 im 300mA-Meßbereich zur Strommessung bzw.
im 7,5V-Meßbereich zur Spannungsmessung nutzen.
8.6.2. Messen Sie in der in 8.6.1 verwendeten Schaltung den Arbeitspunkt für U q  15 V und
vergleichen Sie diesen mit der zu erstellenden graphischen Lösung.
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