Schaltungen mit Widerständen und Kondensatoren

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Fakultät für Technik
Bereich Informationstechnik
Studiengang Elektrotechnik / Informationstechnik
Elektrotechnisches Grundlagenlabor
Versuch 3
Schaltungen mit
Widerständen und Kondensatoren
Laboranleitung/Laborbericht
Für Betreuer mit Lösungen
Gruppe:
Teamnummer:
vorgelegt von:
Name
Labortermin:
Versuch 3: Schaltungen mit Widerständen und Kondensatoren
Prof. Dr.-Ing. Michael Felleisen
Dipl.-Phys. Michael Bauer
Version 2016_3
Vorname
Inhalt
1
Einführung .................................................................................................... 1
1.2
Während des Labors ....................................................................................... 1
1.1
1.3
2
2.1
2.2
Vor dem Labor ............................................................................................... 1
Nach dem Labor ............................................................................................. 1
Versuchsdurchführung ................................................................................ 2
Kondensator als frequenzabhängiger Widerstand .......................................... 2
Sprungantwort einer Kombination aus Kondensator und Widerstand ......... 13
Versuch 3: Schaltungen mit Widerständen und Kondensatoren
Prof. Dr.-Ing. Michael Felleisen
Dipl.-Phys. Michael Bauer
Version 2016_3
Elektrotechnisches Grundlagenlabor
1
1 Einführung
1.1








1.2





1.3


Vor dem Labor
Drucken Sie sich diese Laboranleitung aus und arbeiten Sie diese mit Ihrem Team, jeweils
immer 2 Studierende, gründlich durch.
Bearbeiten Sie die mit „ Vor dem Labortermin bearbeiten!“ gekennzeichneten Aufgaben. Alle Antworten, Skizzen, Gleichungen usw. sind dabei handschriftlich in diese Laboranleitung einzutragen.
Pro Team ist eine bearbeitete Laboranleitung in Papierform zu erstellen.
Diskutieren Sie offene Fragen und Probleme in Ihrem Team.
Notieren Sie sich offene Fragen und Probleme und sprechen Sie diese dann im Labor an.
Die Laboranleitung mit allen beantworteten Fragen bringen Sie bitte in Originalform ausgedruckt in Papierform am Versuchstag mit (keine Kopien).
Drucken Sie sich das Testatblatt aus und füllen Sie es aus.
Bitte beachten: Bei fehlender Vorbereitung können Sie nicht am Labor teilnehmen!
Während des Labors
Während der Versuchsdurchführung werden alle Aufgaben gemeinsam bearbeitet und die
Aufgaben aus der Vorbereitung ausführlich besprochen.
Die Aufgaben, die während des Labors gemeinsam bearbeitet werden, sind
mit „ Wird im Labor bearbeitet!“ gekennzeichnet. Alle Ergebnisse, Skizzen, Diagramme
und Messwerte sind dabei von Ihnen handschriftlich in die Laboranleitung einzutragen.
Nutzen Sie bei offenen Fragen die Hilfestellung der Laborbetreuer.
Bringen Sie bitte am Versuchstag zusätzliches Papier (am besten kariert), Stifte, Taschenrechner (kein PC) und ein Geodreieck mit.
Bringen Sie am letzten Versuchstag Ihr ausgefülltes Testatblatt mit. Haben Sie am Ende des
Labors alle gestellten Aufgaben (vgl. Laborordnung, Vorbereitungsfragen beantwortet, aktive
Teilnahme an den Versuchen) erfüllt, wird Ihnen das von den Betreuern auf dem Testatblatt
mit einer Unterschrift bestätigt.
Nach dem Labor
Überarbeiten Sie Ihren Laborbericht so, dass Sie auch nach einiger Zeit (auch für die Klausurvorbereitung) die Ergebnisse zur Hilfestellung heranziehen können.
Sollten noch offene Fragen vorhanden sein, können Sie diese mit den Laborbetreuern beim
nächsten Labortermin oder in der Vorlesung besprechen.
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2 Versuchsdurchführung
Jeder Laborplatz besteht aus einem digitalen Speicheroszilloskop, einem Funktionsgenerator, einem
Labornetzteil, mehreren digitalen Vielfachmessgeräten (Multimeter), Prüfspitzen und Kabel sowie
verschiedenen Bauteilen (Widerständen) inkl. Steckbrett. Eine Beschreibung der Geräte finden Sie
auf der Internetseite zum Labor.
2.1 Kondensator als frequenzabhängiger Widerstand
Aus der Schule oder der Vorlesung kennen Sie den allgemeingültigen Zusammenhang für einen Kondensator der Kapazität C:
Q (t )  C  u C (t )
Mit der Spannung uC (t) am Kondensator.
Da die Ladung Q(t) in der Praxis keine leicht zu messende Größe ist, formen wir obige Gleichung so
um, dass sie den Strom durch den Kondensator enthält. Wir leiten deshalb beide Seiten der Gleichung
nach der Zeit t ab und erhalten:
d
d
Q (t )  ic (t )  C  u C (t )
dt
dt
d
ic (t )  C  u C (t )
dt
In den beiden letzten Versuchen betrachteten wir stets stationäre Fälle. Das bedeutet, dass bei unseren
Messungen alle Größen konstant waren.
Um das Verhalten von Schaltungen aus Widerständen und Kondensatoren verstehen zu können, ist
es erforderlich, Spannungen und Ströme als Funktion der Zeit f(t) zu betrachten. Dieses geht zwar
etwas über den Inhalt der Vorlesung hinaus, sollte aber mit einfachen physikalischen und mathematischen Grundkenntnissen für Sie kein Problem sein. Von elektrotechnischer Seite reichen Grundkenntnisse, wie das Ohmsche Gesetz und die Kirchhoffschen Gesetze aus, die Sie bereits in der Vorlesung kennengelernt haben.
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3
Aufgabe 1:  Vor dem Labortermin bearbeiten!
Im Folgenden taucht der Begriff Wechselspannung auf, den Sie im zweiten Semester genauer kennen
lernen. Trotzdem werden wir versuchen Eigenschaften des Kondensators bei veränderlichen Spannungen und Strömen zu verstehen und auch zu messen. Ihre Mathematikkenntnisse aus der Schule
und der Vorlesung sind dazu völlig ausreichend.
Nehmen Sie an, dass an einem Kondensator folgende sinusförmige Spannung (Wechselspannung)
entsprechend Abbildung 1 und Abbildung 2 anliegt:
u C (t )  uˆ  sin(t )
(Amplitude û , Kreisfrequenz   2    f , Frequenz
, Periodendauer T)
Abbildung 1: Kondensator an sinusförmiger Spannung
2
uc in V
û
1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
-1
-2
T
Abbildung 2: Sinusförmige Spannung
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t in s
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Setzen Sie in Gleichung (2) die Spannungsgleichung (3) ein und berechnen Sie den Konden-
satorstrom ic (t ) mit Hilfe der Ableitung von Gleichung (3). û und  sollen dabei konstant
sein:
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Skizieren Sie hier uC (t )  uˆ  sin(t ) und ic (t )    C  uˆ  cos(t ) für die beiden Fälle:
Fall 1:
uˆ  1V und   1
2
uc in V
1
und C  1 F
s
ic in A
1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
7
8
9
10
t in s
-1
-2
Fall 2:
uˆ  1V und   2
2
1
und C  1 F
s
uc in
V
ic in A
1
1
2
3
4
5
6
-1
-2
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t in s
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In der vorherigen Skizze ist im Fall 2 die max. Amplitude für den Strom doppelt so groß, wie
im Fall 1. Die Spannung ist aber in beiden Fällen gleich. Welche Größe ist dafür verantwortlich?
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Aufgabe 2:  Vor dem Labortermin bearbeiten!
Wenn Sie die Phase der Gleichung (3) und der errechneten Gleichung (2) für ic (t ) vergleichen, was fällt Ihnen dabei auf?
Hilfe: Mit Phase ist die Verschiebung auf der Zeitachse gemeint.
Wie hängt die Amplitude des Stroms von der Kapazität und von der Frequenz ab? Bitte
Gleichung angeben.
iˆ 
Aufgabe 3:  Vor dem Labortermin bearbeiten!
Schauen Sie sich folgende Definition des Blindwiderstandes eines Kondensators an und versuchen Sie diese zu verstehen:
Definition:
Als Blindwiderstand X C des Kondensators bezeichnet man das Verhältnis
XC 
uˆ
uˆ
1


iˆ   C  uˆ   C
Prüfen Sie diese Definition durch einen Einheitenvergleich und geben Sie die Einheit von X C an.
X C  
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8
Aufgabe 4:  Wird im Labor bearbeitet!
Bauen Sie folgende Schaltung auf:
Abbildung 3: Frequenzabhängiger Spannungsteiler mit einem Kondensator
Aufgabe 5:  Wird im Labor bearbeitet!
Messen Sie bei verschiedenen Frequenzen mit Kanal 1 des Oszilloskops die Spannung u 0 am Funktionsgenerator und mit Kanal 2 die Spannung uc über dem Kondensator. Entsprechend Versuch 2
messen wir wieder die Eingangsspannung und die Ausgangsspannung des Spannungsteilers. Dadurch
erhalten wir auch hier wieder die Kennlinie dieser Schaltung. Für die grafische Auswertung werden
Sie eine normierte Darstellung verwenden. Daher müssen Sie aus Ihren Messwerten noch rechnerisch
den Quotienten
uc
bestimmen.
u0
Tragen Sie Ihre Messergebnisse in die folgende Tabelle 1 ein.
Notieren Sie nur so viele Nachkommastellen wie nötig!
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Tabelle 1: Messung
frequenzabhängiger
mit R = 10 kΩ und C = 47 nF
f
in Hz
  RC 
2  f  R  C
berechnet
Spannungsteiler
u0
in V
gemessen
uc
gemessen
0
50
200
300
500
700
1000
1500
2000
2500
3000
3500
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in V
entsprechend
Xc 
1
 C
in kΩ
berechnet
Abbildung
uc
u0
berechnet
3
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Aufgabe 6:  Wird im Labor bearbeitet!
Tragen Sie hier
uc
über   R  C in einem Diagramm auf.
u0
Tragen Sie also die Werte für
uc
auf der y-Achse und die Werte für   R  C auf der x-Achse auf.
u0
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Aufgabe 7:  Wird im Labor bearbeitet!
Diskutieren Sie Ihre Ergebnisse:
Bestimmen Sie zeichnerisch bei   R  C  1 den Wert von
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uc
aus dem Diagramm:
u0
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Da kann aber etwas nicht stimmen?
In Versuch 2 haben Sie gelernt, dass bei einem ohmschen Spannungsteiler die Ausgangsspannung genau der halben Eingangsspannung entspricht, wenn die beiden Widerstände gleich groß
sind. Schauen Sie sich Ihre Tabelle 1 an und schätzen Sie ab bei welcher Frequenz die Widerstandswerte von R und X C ungefähr gleich sind, also 10 kΩ haben.
Frequenz bei der R und X C ungefähr gleich sind:
Wie groß ist bei dieser Frequenz f g das Verhältnis
Bei welcher Frequenz ist bei unserer Messung
uc
?
u0
fg 
Hz
uc

u0
uc
 0,5 ?
u0
f g _ Messung 
Wie groß ist bei dieser Frequenz f g _ Messung der Widerstandswert X C ? X C 
Hz
k
Was stimmt nun? Unsere Erkenntnis über den ohmschen Spannungsteiler aus Versuch 2 oder unsere Messergebnisse aus Tabelle 1?
Es stimmt beides. Was wir vergessen haben ist, dass beim Kondensator die Spannung und der
Strom nicht in Phase sind, sondern eine Phasenverschiebung von

2
bzw. 90 Grad haben.
Beim ohmschen Spannungsteiler (ohne Phasenverschiebung) war u 0  u R1  u R 2 .
Beim Kapazitiven-Spannungsteiler muss man die Phasenverschiebung berücksichtigen.
Es gilt: u 02  u R2  u C2
Die Spannungen werden dann geometrisch addiert.
Für den Fall, dass die Ausgangsspannung der halben Eingangsspannung entspricht muss somit
uc
1

sein.
u0
2
Im zweiten Semester erfahren dazu mehr.
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2.2 Sprungantwort einer Kombination aus Kondensator und Widerstand
In diesem Versuch sollen Sie wieder ein praktisches Problem untersuchen und lösen: Sie haben ein
Förderband, an dem Sie die Bandgeschwindigkeit durch eine Spannung u E zwischen 0 und 10 Volt
variieren können. Bei einer Spannung von u E = 0 V steht das Förderband und bei einer Spannung
von u E = 10 V hat es seine maximale Geschwindigkeit erreicht. Durch einen Schalter soll das Förderband ein- und ausgeschaltet werden. Die Ausgangsspannung des Schalters wechselt dabei sprungartig zwischen 0 und 10 Volt, je nachdem, ob das Förderband ein- oder ausgeschaltet wird.
Ihre Aufgabe ist es nun, eine Anpassungsschaltung zu entwickeln, so dass das Förderband nach dem
Einschalten nicht sprungartig seine Maximalgeschwindigkeit einnimmt.
In der Praxis führt eine solche abrupte Geschwindigkeitsänderung dazu, dass Dinge, die auf dem
Förderband stehen, umfallen können. Dieses wollen wir mit unserer Anpassungsschaltung vermeiden.
Die Anforderung an die Anpassungsschaltung ist, dass die Ausgangsspannung nach einem Spannungssprung am Eingang langsam auf den maximalen Spannungswert ansteigt und dadurch auch die
Geschwindigkeit des Förderbands langsam seine maximale Geschwindigkeit erreicht.
Für dieses Problem gibt es sehr viele Lösungsvarianten, wir wollen uns hier allerdings auf die Lösung
mit Hilfe einer einfachen Schaltung aus ohmschem Widerstand und Kondensator beschränken.
Wie zuvor, werden wir diese Aufgabe daher wieder zu Beginn theoretisch beschreiben und damit
versuchen, eine optimale Lösung zu finden. Wir gehen also wieder genau wie bei den letzten Versuchen vor. Anschließend werden wir durch ein Experiment bzw. eine Messung überprüfen, ob unsere
theoretischen Überlegungen richtig waren.
Unsere Aufgabenstellung lässt sich vereinfacht entsprechend Abbildung 4 beschreiben:
Abbildung 4: Modell zum verzögerten Einschalten bei einem Förderband
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Aufgabe 8:  Vor dem Labortermin bearbeiten!
In der Praxis müssten Sie sich jetzt eine elektronische Schaltung überlegen, mit der Sie die Aufgabe
lösen. Da die meisten von Ihnen als Entwickler noch wenig Erfahrung haben, wird Ihnen auch dieses
Mal diese Aufgabe abgenommen. In Abbildung 5 sehen Sie einen Lösungsvorschlag für die Aufgabenstellung.
Begründung für diese Lösung: Es handelt sich um die gleiche Schaltung wie im Versuch zuvor. Wir
sind daher etwas mit ihr vertraut. Aus den Gleichungen (1) und (2) haben Sie gesehen, dass man
diesen Aufbau als frequenzabgängigen Spannungsteiler betrachten kann. Sie werden im Folgenden
sehen, dass ausgehend von Gleichung (1) und (2) diese Schaltung auch unsere Aufgabe, das Eingangssignal zu verzögern, löst.
Für unsere späteren Messungen werden wir als Schalter S einen Funktionsgenerator verwenden. Den
Innenwiderstand Ri = 50 Ω des Funktionsgenerators werden wir bei allen weiteren Betrachtungen
vernachlässigen!
Das Förderband wird in unserem Fall als idealer Spannungsmesser angenommen.
Abbildung 5: Schaltplan der Anpassungsschaltung
Zur Vorbereitung machen Sie sich mit dem Schaltplan vertraut und versuchen Sie die Funktionsweise der Schaltung zu verstehen.
Tipp: In der Vorlesung wurde diese Aufgabenstellung als „Aufladung eines Kondensators“ behandelt.
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Aufgabe 9:  Vor dem Labortermin bearbeiten!
Aus der Vorlesung kennen Sie das Aufladen eines Kondensators.
Leiten Sie hier nochmal entsprechend der Schaltung in Abbildung 5 den Zusammenhang zwischen
der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung her.
Tipp: Verwenden Sie die Maschenregel von Kirchhoff und Gleichung (1) und Gleichung (2).
Geben Sie die Differenzialgleichung (DGL) (mit Herleitung) für die Berechnung der Spannung u a (t )  uC (t ) an:
Zur Überprüfung Ihrer Herleitung hier die gesuchte DGL:
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d
1
1
u a (t ) 
 u a (t ) 
 ui
dt
R C
RC
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Aufgabe 10:
16
 Vor dem Labortermin bearbeiten!
Um die Spannung ua (t ) am Kondensator zu bekommen, muss die Differenzialgleichung (DGL)
d
1
1
u a (t ) 
 u a (t ) 
 ui
dt
R C
RC
aus Aufgabe 9 gelöst werden. Zur Lösung von DGL’s gibt es mathematische Verfahren, die Sie im
zweiten Semester noch kennen lernen. Daher geben wir an dieser Stelle die Lösung der DGL für den
Fall, dass der Kondensator aufgeladen wird, an.
Schauen Sie sich hier die Lösung der DGL für das Laden eines Kondensators an und versuchen Sie diese zu verstehen:
t



u (t )  u  1  e R  C
a
i 


Welche Einheit hat der Quotient
t
bei der e-Funktion?
R C
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




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Fleißaufgabe:
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Die DGL aus Aufgabe 9 können Sie noch nicht lösen. Sie können aber prüfen, ob obige Lösung
stimmt. Setzen Sie dazu einfach die Lösung in die DGL ein.
.
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Aufgabe 11:
 Vor dem Labortermin bearbeiten!
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Skizzieren Sie hier zweimal die Funktion aus Aufgabe 10. Tragen Sie dazu ua (t ) über der Zeit
0  t  10s auf. Verwenden Sie für ui  10V und einmal für R  C  1 s und einmal für R  C  2 s
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Aufgabe 12:
19
 Vor dem Labortermin bearbeiten!
Das Produkt R  C hat die Einheit einer Zeit. In der Literatur wird dieses Produkt mit τ (Tau) bezeichnet.
Geben Sie für den Fall, dass R  10k und C  47 nF ist, den Zahlenwert mit der Einheit für
 an.:
Aufgabe 13:

ms
 Wird im Labor bearbeitet!
Aus Aufgabe 11 erkennt man, dass unser Lösungsvorschlag für die Anpassungsschaltung theoretisch
funktioniert. Erkennen Sie das auch? Versuchen Sie einmal selber die bisherigen Ergebnisse zu
erklären.
Nach dem Einschalten steigt die Spannung am Förderband „langsam“ an bis sie ihren Endwert, in
unserem Fall 10 Volt, erreicht hat. Mathematisch wäre das natürlich erst bei t   der Fall. Wir
wissen auch, dass wir die Zeit, wie lange es dauert bis der Endwert erreicht wird, über das Produkt
R  C variieren können. Somit ist unsere Aufgabe theoretisch gelöst. Nun wollen wir durch eine Mes-
sung wieder überprüfen ob unsere theoretischen Überlegungen richtig waren.
Bauen Sie dazu den Messaufbau entsprechend der Versuchsskizze aus Abbildung 5 auf. Verwenden
Sie folgende Bauteilwerte:
R  10k
C  47 nF
Für Ihre Messungen verwenden Sie als Schalter S den Funktionsgenerator. Stellen Sie diesen auf ein
Rechtecksignal mit 50 Hz und 10 Volt ein.
Tragen Sie Ihre Messergebnisse in die folgende Tabelle 2 ein.
Notieren Sie nur so viele Nachkommastellen wie nötig!
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Aufgabe 14:
20
 Vor dem Labortermin bearbeiten!
Skizzieren Sie Ihre Versuchsanordnung entsprechend Abbildung 5 mit allen für Ihre Messung not-
wendigen Messgrößen und Beschriftungen hier nochmal. Zur Messung von ui verwenden Sie Kanal
1 des Oszilloskops, für die Messung von u a verwenden Sie den Kanal 2 des Oszilloskops.
Skizze der Versuchsanordnung:
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Elektrotechnisches Grundlagenlabor
Tabelle 2: Messung
der
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Ladekurve
eines
Kondensators
mit R  10k , C  47 nF , ui  10V und   0,47 ms
t
in ms
ui
in V gemessen
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,5
2
2,5
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ua
entsprechend
in V gemessen
Abbildung
t

berechnet
5
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Aufgabe 15:
 Wird im Labor bearbeitet!
Tragen Sie hier u a über
t

in einem Diagramm auf.
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Aufgabe 16:
23
 Wird im Labor bearbeitet!
Diskutieren Sie Ihre Ergebnisse:
Bestimmen Sie zeichnerisch aus dem Diagramm die Spannung u a bei
ua =
Wieviel Prozent vom Endwert hat u a bei
t

V
 1?
Bestimmen Sie aus den Messwerten die Zeitkonstante τ:
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t

 1:
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Abschlußbemerkung:
Bitte überarbeiten Sie im Anschluss der Laborübung Ihr Protokoll mit allen Ergebnissen, die wir im
Labor besprochen haben.
Sie sollen Ihr Labor-Protokoll auch für spätere Anwendungen verwenden können. Darüber hinaus
lernen Sie, wie Sie gestellte Aufgaben vorbereiten, durchführen und dokumentieren.
Viel Spaß.
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