Praktikum EE2 Grundlagen der Elektrotechnik Teil 1
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Praktikum EE2 Grundlagen der Elektrotechnik Teil 1 Name: Studienrichtung: Versuch 1 Linearer und nichtlinearer Widerstand Versuch 2 Lineare und nichtlineare elektrische Quelle Versuch 3 Spannungsteiler, Stromteiler Versuch 4 Brückenschaltung Testat : Praktikum EE2 Fachbereich Elektrotechnik Grundlagen der Elektrotechnik 1 Einführende Versuche und Grundschaltungen Seite 1 1. Linearer und nichtlinearer Widerstand 1.1 Versuchsbeschreibung Das Verhalten linearer Widerstände entspricht dem Ohmschen Gesetz. Ihr Widerstandswert ist eine feste konstante Größe und ihre Strom-Spannungskennlinie ist eine Gerade. Der Widerstandswert nichtlinearer Widerstände wird durch eine physikalische Größe beeinflusst ( z.B. Temperatur, Beleuchtungsstärke ). Es besteht keine Proportionalität zwischen Strom und Spannung. Der Widerstandswert ist stets vom eingestellten Arbeitspunkt abhängig. Lineare und nichtlineare Widerstände sind passive Zweipole. 1.2 Versuchsdurchführung 1.2.1 Linearer Widerstand Messen Sie die Spannung - Strom - Kennlinie U = f(I) für die Widerstände R = 3Ω ; R = 10Ω ; R = 30Ω. Berechnen Sie für jeden Widerstand den zulässigen Strom für P = 2W. Wählen Sie eine sinnvolle Unterteilung des errechneten Maximalwertes und stellen Sie die gewählten Werte an der Strombegrenzung des Netzgerätes ein. Messen Sie Strom und Spannung. Die Spannungsbegrenzung des Netzgerätes muss ganz aufgedreht werden. 1.2.2 Nichtlinearer Widerstand Messen Sie die Spannung - Strom - Kennlinie U = f(I) einer Glühlampe. Berechnen Sie den zulässigen Strom für P = 2,4W und U = 6V. Wählen Sie eine sinnvolle Unterteilung des errechneten Maximalwertes und stellen Sie die gewählten Werte an der Strombegrenzung des Netzgerätes ein. Messen Sie Strom und Spannung. Die Spannungsbegrenzung des Netzgerätes muss ganz aufgedreht werden. 1.3 Versuchsaufbau I A Quelle Messobjekt UQ V U Spannungsmesser Strommesser V A Gleichstrom-Netzgerät Leistungswiderstände Glühlampe Digital-Multimeter Digital-Multimeter Praktikum EE2 Fachbereich Elektrotechnik Grundlagen der Elektrotechnik 1 Einführende Versuche und Grundschaltungen Seite 2 1.4 Versuchsauswertung Zeichnen Sie die Kennlinien von 1.2.1 und 1.2.2 in ein gemeinsames Diagramm 1.2.1 Linearer Widerstand R = 3Ω I / mA U / V P / W R = 10Ω I / mA U / V P / W R = 30Ω I / mA U / V P / W 1.2.2 Nichtlinearer Widerstand I / mA U/V R/Ω P/W Mit Multimeter gemessener Kaltwiderstand R = Praktikum EE2 Fachbereich Elektrotechnik Grundlagen der Elektrotechnik 1 Einführende Versuche und Grundschaltungen Seite 3 2. Lineare und nichtlineare elektrische Quellen Versuchsbeschreibung Aktive Zweipole, die an ihren Klemmen eine Spannung aufrechterhalten oder durch einen angeschlossenen Verbraucher einen Strom treiben, bezeichnet man als Spannungs- bzw. Stromquellen. Quellen mit linearer I,U-Kennlinie werden als lineare Quellen bezeichnet. Zwischen den charakteristischen Kennwerten Leerlaufspannung U0 und Kurzschlussstrom IK verläuft die Kennlinie auf einer Geraden. Quellen mit nichtlinearer Kennlinie werden als nichtlineare Quellen bezeichnet. 2.1 Lineare elektrische Quelle Als lineare Quelle dient ein Steckernetzteil. Vorübung zum Versuch 2.1 Lineare Quelle Die Vorübung muss am Versuchstag vollständig und schriftlich vorliegen. 1. Berechnen und zeichnen Sie die Kennlinie U = f(I) bei Veränderung des Widerstandes Ra . Kennzeichnen Sie die Leerlaufspannung U0 und Kurzschlussstrom IK. Quellendaten : U0 = 7V ; Ri = 12Ω. 2. Berechnen und zeichnen Sie die Kennlinie Pa / Pmax = f(Ra / Ri) für den Bereich 0 ≤ Ra ≤ 60Ω. Benutzen Sie halblogarithmisches Papier. ( Ra / Ri logarithmisch; Pa / Pmax linear) Pmax = ( U0 / 2)2 Ri 2.1.1 Versuchsdurchführung : Messen Sie zu Beginn die Leerlaufspannung U0 und den Kurzschlussstrom IK . Errechnen Sie den Innenwiderstand der Quelle. Bauen Sie die Schaltung auf und belasten Sie die Quelle, indem sie den Belastungswiderstand verstellen. Messen Sie die Spannung U und den Strom I. Berechnen Sie während der Messung den Belastungswiderstand Ra. Beachten Sie, dass Sie drei Werte Ra < Ri haben. Stellen Sie zuletzt den Punkt der Leistungsanpassung ein, d.h. Ra = Ri . Verändern Sie dazu den Belastungswiderstand soweit, dass Sie die Spannung U = ½U0 und I = ½IK messen. Beachten Sie, dass als Belastungswiderstand das 100Ω-Potentiometer angeschlossen ist. Praktikum EE2 Fachbereich Elektrotechnik Grundlagen der Elektrotechnik 1 Einführende Versuche und Grundschaltungen Seite 4 2.1.2 Versuchsaufbau A I Quelle Steckernetzteil Ra V U Quelle Spannungsmesser V Strommesser A Belastungswiderstand Ra Steckernetzteil Gossen Digital-Multimeter Gossen Digital-Multimeter Zehngang-Potentiometer 100Ω 2.1. 3 Versuchsauswertung: - Zeichnen Sie die Kennlinie U = f(I) - Zeichnen Sie die Kennlinie Pa / Pmax = f(Ra / Ri) auf halblogarithmisches Papier ( Ra / Ri logarithmisch; Pa / Pmax linear) Tragen Sie die Kennlinien in die Diagramme aus der Vorübung ein! I / mA Leerlauf Kurzschluss Leistungsanpassung Innenwiderstand Ri = U/V Ra / Ω Ra / Ri Pa / mW Pa/Pmax Praktikum EE2 Fachbereich Elektrotechnik Grundlagen der Elektrotechnik 1 Einführende Versuche und Grundschaltungen Seite 5 2.2 Nichtlineare Quelle Als nichtlineare Quelle dienen zwei Solarzellen, die in Reihe geschaltet werden. 2.2.1 Versuchsdurchführung Beleuchten Sie die Solarzelle und messen Sie die Leerlaufspannung U0 und den Kurzschlussstrom IK. Belasten Sie die Quelle mit dem Potentiometer und ermitteln Sie durch Messung von Strom und Spannung die Kennlinie U = f(I). Beachten Sie, dass als Belastungswiderstand das 500Ω-Potentiometer angeschlossen ist. 2.2.2 Versuchsaufbau A I Quelle Ra V U Solarzelle Quelle Spannungsmesser V Strommesser A Belastungswiderstand Ra Solarzellen Digital-Multimeter Digital-Multimeter Zehngang-Potentiometer 500Ω 2.1. 3 Versuchsauswertung: - Zeichnen Sie die Kennlinie I = f(U) und die Kennlinie Pa = f (U) in ein gemeinsames Diagramm Leerlauf Kurzschluss I / mA 0 5 20 40 60 80 100 120 U/V 1,5 1,2 1,0 0,8 0,5 0,2 0 Ra / Ω Pa / mW Praktikum EE2 Fachbereich Elektrotechnik Grundlagen der Elektrotechnik 1 Einführende Versuche und Grundschaltungen Seite 6 3. Spannungsteiler, Stromteiler 3.1 Versuchsbeschreibung 3.1.1 Spannungsteiler In einer Reihenschaltung von zwei Widerständen wird die Gesamtspannung U in die beiden Teilspannungen U1 und U2 aufgeteilt. Da in einer solchen Spannungsteilerschaltung die Widerstände R1 und R2 von demselben Strom I durchflossen werden, ergibt sich das Verhältnis der Teilspannung U2 zur Gesamtspannung U zu U2 R 2 = U R Diese Gesetzmäßigkeit wird Spannungsteilerregel genannt. Wird ein weiterer Widerstand Ra parallel zum Teilerwiderstand R2 geschaltet, so wird der Spannungsteiler belastet und der nichtlineare Verlauf der Funktion U2/U = f(R2/R) nimmt mit kleiner werdendem Lastwiderstand zu. Vorübung zum Versuch 3.1.1 Spannungsteiler: Die Vorübung muss am Versuchstag schriftlich vorliegen. Stellen Sie die Funktion U2 / U = f(R2/ R) graphisch dar: für Ra → ∞ ( Leerlauf) für Ra = 4 kΩ R = R1 + R2 = 10kΩ U2 = U ⋅ R2 R1 + R2 unbelastet U2 = U ⋅ R2 R1 + R2 + belastet R1 ⋅ R2 Ra Praktikum EE2 Fachbereich Elektrotechnik Grundlagen der Elektrotechnik 1 Einführende Versuche und Grundschaltungen Seite 7 3.1.2 Versuchsaufbau R1 U V R Q R2 V U2 Ra U = 5V Spannungsquelle Spannungsmesser Spannungsmesser Spannungsteiler Belastungswiderstand Q V V R Ra Gleichstrom - Netzgerät Digital-Multimeter Digital-Multimeter Widerstände 1 - 10kΩ Mini - R - Dekade 3.1.3 Versuchsdurchführung Die Funktion U2 / U = f (R2 / R) soll durch Messungen ermittelt werden. Stellen Sie am Netzgerät eine Spannung von 5V ein. Verändern Sie den Widerstand R2 von 0 - 10kΩ um die angegebenen Teilerverhältnisse von R2/R einzustellen. Messen Sie die Gesamtspannung U und die Teilspannung U2 für den unbelasteten Fall (Leerlauf) und für den Belastungsfall mit den angegebenen Widerständen. 3.1.4 Versuchsauswertung Stellen Sie die Funktion U2 / U = f(R2 / R) graphisch dar. R2 / R Ra → ∞ Ra = 10kΩ Ra = 4kΩ U2 [V] U2 / U U2 [V] U2 / U U2 [V] U2 / U 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1 Praktikum EE2 Fachbereich Elektrotechnik Grundlagen der Elektrotechnik 1 Einführende Versuche und Grundschaltungen Seite 8 3.2.1 Stromteiler In einer Parallelschaltung wird der Gesamtstrom nach dem Knotenpunktsatz in einzelne Teilströme aufgeteilt. Die Spannung über dieser Schaltung ist über allen Elementen gleich. U = I1⋅R1 ; U = I2⋅R2 ; U = I3⋅R3 ; U = I⋅R ; oder I1⋅R1 = I2⋅R2 = I3⋅R3 = I⋅R daraus folgt In R = I Rn Diese Gesetzmäßigkeit wird Stromteilerregel genannt. Vorübung zum Versuch 3.2.1 Stromteiler Die Vorübung muss am Versuchstag vollständig und schriftlich vorliegen. Berechnen Sie die Teilströme I1; I2; I3 ( IK = 300 mA ; Ri = 20Ω ; R1 = 25Ω ; R2 = 30Ω ; R3 = 50Ω ) Praktikum EE2 Fachbereich Elektrotechnik Grundlagen der Elektrotechnik 1 Einführende Versuche und Grundschaltungen Seite 9 3.2.2 Versuchsaufbau I Ii Ri I1 I2 I3 R1 R2 R3 IK A IK = 300 mA Stromquelle Strommesser Widerstände A R Gleichstrom - Netzgerät FLUKE Digital-Multimeter Leistungswiderstände 3.2.3 Versuchsdurchführung 1. Messen Sie die Widerstände Ri ; R1 ; R2 ; R3 2. Berechnen Sie die Stromverteilung mit den realen Widerstandswerten 3. Schließen Sie das Netzgerät über ein Amperemeter kurz und stellen Sie an der Strombegrenzung einen Strom I = 300 mA ein. Verbinden Sie das Netzgerät mit dem Versuchsaufbau und messen Sie die Ströme Ii ; I1 ; I2 ; I3 4. Kontrollieren Sie: ∑ I = 0. Begründen Sie eine Abweichung Strom gerechnet gemessen Widerstände Ii Ri I1 R1 I2 R2 I3 R3 Praktikum EE2 Fachbereich Elektrotechnik Grundlagen der Elektrotechnik 1 Einführende Versuche und Grundschaltungen Seite 10 4. Brückenschaltung 4.1 Versuchsbeschreibung Ein Verfahren zur genauen Messung von Widerständen besteht darin, dass man den zu messenden Widerstand mit einem bekannten Widerstand in Reihe schaltet und das sich einstellende Spannungsteilerverhältnis über ein Messinstrument mit dem eines Potentiometers vergleicht. Diese Schaltung nennt man Brückenschaltung. 4.2 Versuchsdurchführung Stellen Sie am Netzgerät eine Spannung U = 3V ein. Ermitteln Sie die unbekannten Widerstände Rx. Wählen Sie den Widerstand Rn so, dass der Brückenabgleich ungefähr im mittleren Bereich des Schleifdrahtes erfolgt. 4.3 Versuchsaufbau da R = l κA R~ l Rn Rx R n = bekannter Widerstand ( Widerstandsnormal ) R x = unbekannter Widerstand Rx L-x x Rn L Q = x L-x U = 3V Spannungsquelle Messgerät zu ermittelnde Widerstände Vergleichswiderstände Schleifdrahtbrücke Q Rx Rn Gleichstrom-Netzgerät Analog-Multimeter Praktikum EE2 Fachbereich Elektrotechnik Grundlagen der Elektrotechnik 1 Einführende Versuche und Grundschaltungen Seite 11 4.4 Versuchsauswertung Errechnen Sie die unbekannten Widerstände aus ihren Messwerten. Kontrollieren Sie ihre Ergebnisse mit einer realen Messbrücke. x / mm 1 2 3 L – x / mm Rn / Ω Rx / Ω
