Bitte wenden! - Prof. Dr. Brücklmeier

Hochschule München, FK 04 EI, W. Tinkl / E. Brücklmeier
Praktikum aus Grundlagen der Elektrotechnik
Gleichstromnetze Versuch 5
1.) Blatt
WS 2014 / 2015
Ersatzquellen und Leistungsanpassung
Der Versuch 5 soll mithilfe des Netzwerkanalyseprogrammes LTSpice nicht am Laborplatz, sondern an
einem PC im Labor durchgeführt werden.
Zu untersuchen ist die nachstehende Schaltung mit den beiden Spannungsquellen Uq1 und Uq2 und den
Widerständen R1 bis R6.
R2 = 1000  R3 = 2200 
R1 = 270 
Uq1 =
14 V
a
R4 =
Ra
220 
I
U
b
R5 =
Uq2 =
820 
30 V
R6 = 330 
A) Vorbereitung zu Hause von Hand.
1.)
Bestimmen Sie die Nennkenngrößen der Ersatzspannungsquelle für die Nennwerte der Widerstände
R1 bis R6 (Quellenspannung Uqn und Innenwiderstand Rin) des Netzwerkes bezüglich der Klemmen
a und b und ermitteln Sie mit den beim letzten Praktikumsversuch nachgemessenen Istgrößen der
Widerstände die tatsächlichen Kenngrößen der Ersatzquelle Uqe ,Rie und Iqe.
Verwenden Sie von hier ab für alle weiteren Rechnungen nur noch die von Ihnen berechneten
individuellen Istkenngrößen der Ersatzquelle Uqe, Rie und Iqe !
2.)
Ermitteln Sie für Ra /  = 100; 200; 250; 300; 350; 400; 500; 600; 700; 800; 900; 1000 die
Klemmenspannung U. Zeichnen Sie U = fu(Ra) in ein Diagramm auf mm- Papier.
Empfohlene Bereiche und Maßstäbe:
mU = 1 cm/V;

0  Ra  1000 :
mR = 0,01 cm/.
0  U  8V :
Gegen welchen Wert nähert sich U für Ra   ? Zeichnen Sie die ermittelte Asymptote ebenfalls in
obiges Diagramm ein.
2
Berechnen Sie die jeweils in Ra umgesetzte Leistung P = U / Ra und zeichnen Sie P = fp(Ra) auf
mm- Papier.
Empfohlene Bereiche und Maßstäbe:
0  P  40 mW :
mP = 0,25 cm / mW;

0  Ra  1000  :
mR = 0,01 cm / .
*
*
Bei welchem Wert von Ra wird P(Ra ) maximal? Welche Kontrolle bietet sich hierfür an?
3.)
Berechnen Sie den Strom I bei Ra = 100 .
4.)
Bestimmen Sie den Wert von Ra, bei dem I = 0,3  Iqe ist.
5.)
Berechnen Sie die Klemmenspannung U(Ra = 470 ), die bei Ra = 470  an den Klemmen a, b auftritt.
Berechnen Sie den Wert des Widerstandes RX , der zusätzlich zu Ra = 470  parallel geschaltet
werden muss, damit die Klemmenspannung auf U = [U(Ra = 470 )] / 2 absinkt.
Vor Beginn des Praktikums sind die zuhause durchgeführten Berechnungen zu den Punkten 1 – 5)
vorzulegen.
Bitte
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Gleichstromnetze Versuch 5
1.) Blatt
Praktikum aus Grundlagen der Elektrotechnik
WS 2014 / 2015
B) Simulation mit LTSPICE
Falls Sie noch Probleme bei der Bedienung der Software LTSpice haben sollten, laden Sie
sich das Skriptum www.prof-bruecklmeier.de/anleitungen-und-handbücher herunter.
Öffnen Sie einen neuen Schaltplan und geben Sie das Netzwerk ein, verwenden Sie die gleichen
Bezeichnungen (Reihenfolge der Eingabe beachten!) und geben Sie die entsprechenden von Ihnen
nachgemessenen Bauteilewerte ein (R1.....R6, Ra = Arbeitswiderstand zwischen a – b, Uq1, Uq2). Verwenden
Sie aus der Bauteilebibliothek die Spannungsquelle voltage und vergessen Sie nicht den Punkt b zu erden.
Drucken Sie das von Ihnen erstellte Schaltbild a u s . Platzieren Sie vorher Ihren Namen als Kommentar in
den Druckbereich.
 Plot 1
Die Aufgaben 1 – 7) sind mit den tatsächlichen Widerstandswerten durchzuführen.
Bearbeitung der Aufgaben 1, 3 – 5):
Die zur Aufgabe 1) dazugehörigen Messungen müssten wie folgt ausgeführt werden:
Bestimmung von Uqe durch Messung der Leerlaufspannung UL [Ra  ;  (Ra  10 T)] an a, b;
Ermittlung von Iqe durch Messung des Kurzschlussstromes IK [Ra  0;  (Ra  1 m)] an a, b;
Starten Sie jeweils eine Arbeitspunktsimulation (DC op pnt) und tragen Sie die ermittelten Werte in das
Schaltbild ein. (Zum Anzeigen von Simulationsergebnissen: Rechtsklick an freier Stelle im Schaltplan  View  Place .op Data
Label  Label positionieren  Anzuzeigende Größe nach Rechtsklick auf Label auswählen, vorher $-Zeichen löschen. Knotenpotenziale
können auch direkt durch Doppelklick auf den entsprechenden Knoten dargestellt werden.).
Berechnen Sie aus Uqe und Iqe den Innenwiderstand Rie.
Begründen Sie (durch Überlegung) den eventuell auftretenden Unterschied zur Messung des Kurzschlussstromes IK' mit dem Strommesser (Vergleich mit Angaben zum Hameg Multimeter 8012 aus Versuch 1).
Führen Sie die Aufgaben 3 – 5) sinngemäß mit LTSpice durch. Wie müssten bei der Simulation die Auswirkungen eines realen Strommessers von Versuch 1 Hameg Multimeter 8012 berücksichtigt werden?
Für die Aufgabe 2) sind Strom I, Spannung U und Leistung P in einem größeren Widerstandsbereich
(0....1 k ) zu untersuchen und in einem Diagramm abzubilden. Dazu müssen Sie zunächst den Festwert
Ra als Größe in einen variablen Wert {Rvar} ändern. Fügen Sie dann Ihrem Schaltbild folgende Spice
Direktive hinzu: .step param rvar 0.01 1k 0.1
Nach der Simulation erscheint zunächst ein leerer Graph über der Rvar Achse. Durch Anklicken von
Knoten (Spannung) oder Bauteilen (Strom) können Sie die dazustellenden Größen auswählen. Durch
Anklicken der Legende wird auf der entsprechenden Signalform ein Messcursor aktiviert.
Wählen Sie wenn notwendig besser geeignete Maßstäbe.
Kennzeichnen Sie dazu auf den Kurven
(Plott Settings  Notes & Annotations  Label Curs. Pos.), die Werte für U, I und P bei R = 0,01 , 100 , 470 ,
999,9  und bei Anpassung mit R a o p t
 Plot 2
Vergleichen Sie tabellarisch die so ermittelten Werte bei R = 0,01 , 100  und 470  und bei
Anpassung mit R a o p t mit denen von 1 – 5).
6.)
Zur direkten Bestimmung des Ersatzinnenwiderstandes des Netzwerkes bezüglich der Klemmen
a – b ist das Netzwerk als passives Netzwerk (Uq1 = Uq2 = 0 V) mit einer Teststromquelle an den
Klemmen a – b zu untersuchen, Verwenden Sie aus der Bauteilebibliothek die Stromquelle current.
Ermitteln Sie daraus den Widerstand Rie Ist und vergleichen Sie diesen mit den Ergebnissen
nach 1).
7.)
Mit Aufgabe 1) ist der Überlagerungssatz zu überprüfen, betrachten Sie jeweils
nur eine der Quellen als aktiv und deren Auswirkung auf ULi und IKi
und überlagern Sie diese Ergebnisse.
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Blatt 2 !
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2.) Blatt
8.)
WS 2014 / 2015
Als abschließende Aufgabe soll nun wieder mit den Nennwerten der Widerstände die
Empfindlichkeit der Ersatzquellendaten auf Parameteränderungen der Bauteile des Netzwerkes
untersucht werden. Verändern Sie dabei nacheinander die einzelnen Widerstände und die
Spannungsquellen um + 10 %.
Halten Sie auch die dazugehörigen Änderungen von UL und IK (UL, IK) in einer Tabelle fest.
Bestimmen Sie diejenigen Bauteile (Ri und Uqi), die bei einer Änderung ihres Wertes um + 10 %
jeweils die Leerlaufspannung UL oder den Kurzschlussstrom IK am stärksten beeinflussen.
Hinweise zu
LTSpice
ACHTUNG: In LTSpice werden alle Werte ohne Einheiten und mit einem Punkt "." als Dezimaltrenner
eingegeben! Das ist eine der häufigsten Fehlerquellen!
Werte können mit SI- Präfixen eingegeben werden, wobei nicht zwischen Groß- und Kleinschreibung
unterschieden wird: "M" wird als "milli" interpretiert, für "Mega" muss "meg" eingegeben werden.
Statt "µ" kann "u" verwendet werden.
Achten Sie immer darauf, welches Fenster gerade aktiviert ist. Sie können Eingaben nur im aktiven
Fenster tätigen.
Jede Änderung der Schaltung erfordert eine erneute Simulation.
Um Zweigströme eindeutig festzulegen, behandelt LTSpice Widerstände, Kondensatoren und Spulen wie
gepolte Bauelemente. Leider sieht man die angenommene Polung den Schaltzeichen nicht an. Entspricht
das Vorzeichen eines simulierten Stromes nicht Ihren Erwartungen, so müssen die das betreffende Bauteil
um 180° drehen. Dazu können Sie die Funktionen Verschieben und Drehen nacheinander anwenden.
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Wiederherstellen <F9>
Drehen <Srtg+R>
Spiegeln <Strg+E>
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