Kondensator - BFH-TI Staff

Laborbericht Elektro
Kondensator
Autoren: Felix Iseli und Philip Fankhauser
[email protected] / [email protected]
Dozent: A. Kessi
[email protected]
Berner Fachhochschule
Hochschule für Technik und Informatik Biel
Fachbereich Automobiltechnik Klasse V1a
Juni 2005
Elektro Laborbericht
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1
Aufgabenstellung .................................................................................................................................3
2
Beschreibung der Messobjekte ..........................................................................................................4
2.1
3
Kondensatoren ...........................................................................................................................4
Verwendete Hilfsmittel und Geräte..................................................................................................5
3.1
Notebook.....................................................................................................................................5
3.2
Oszilloskop..................................................................................................................................5
3.3
Thermometer ..............................................................................................................................5
3.4
Spannungsquelle (Batterie)........................................................................................................5
3.5
Shunt ............................................................................................................................................5
3.6
Multimeter ...................................................................................................................................5
4
Aufbau der Messungen.......................................................................................................................6
5
Beobachtungen ....................................................................................................................................7
6
Auswertung...........................................................................................................................................8
6.1
Berechnungen (Messung 1).......................................................................................................8
6.2
Zusatzmessung (Messung 2).....................................................................................................9
6.3
Zusatzfragen............................................................................................................................. 10
7
Schlussfolgerung ............................................................................................................................... 11
8
Administrative Angaben.................................................................................................................. 12
9
Anhang............................................................................................................................................... 13
9.1
Diagramme ............................................................................................................................... 13
9.2
Handschriftliche Notizen....................................................................................................... 17
Felix Iseli/Philip Fankhauser V1a
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Elektro Laborbericht
1
Kondensator
Aufgabenstellung
Angesichts einer Laborarbeit wurde folgender Auftrag erteilt:
•
Messen Sie die Kapazität verschiedener Kondenstoren
•
Dokumentieren Sie die Daten mit dem Excel-Programm
•
Vergleichen Sie die Messresultate mit den Herstellerangaben
Beantworten Sie folgende Fragen:
•
Ändert die Kapazität mit der Erhöhung der Temperatur des Kondensators?
•
Wie kann der Maximalstrom begrenzt werden?
•
Welche nachteiligen Wirkungen können hohe Kondensator-Ladeströme haben?
Erwartete Ergebnisse:
•
Messbericht
•
Präsentation (10-15 min.)
Felix Iseli/Philip Fankhauser V1a
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Elektro Laborbericht
2
Beschreibung der Messobjekte
2.1
Kondensatoren
Kondensator
Kapazität [µF]
Typ gemäss Aufschrift
Umax [V]
470
T0328 (M) / CE 85 °C
35
330
0115 (M) / -40 +85 °C
35
220
B41851 (M) / 105 °C
50
100
SME (M) / 85 °C
50
33
B41850 (M) / 105 °C
50
10
B41850 (M) / 105 °C
100
Felix Iseli/Philip Fankhauser V1a
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Elektro Laborbericht
Kondensator
3
Verwendete Hilfsmittel und Geräte
3.1
Notebook
Marke
Typ
HTI-Nr.
Einstellungen
IBM
Think Pad
0101
keine spez. Einstellungen
3.2
Oszilloskop
Marke
Typ
HTI-Nr.
Einstellungen
Fluke
123 Industrial
Scopemeter
0859
Trigger: Input A,
Auto Range > 1Hz
20 MHz
Zeitachse: ms resp. µs pro Div.
Spannungsachse: 2 Volt pro
Div.
Scope Inputs: DC, normal
Scope Mode: single shot
Waveform Mode: normal
3.3
Thermometer
Marke
Typ
Serien-Nr.
Einstellungen
Fluke
65 Infrared
Thermometer
02486720030 S
keine spez. Einstellungen
3.4
Spannungsquelle (Batterie)
Marke
Typ
Hersteller-Nr.
Einstellungen
Optima Batteries
12 V
1227BCH
keine Einstellungen möglich
Marke
Typ
Nr.
Einstellungen
keine Angaben
12 Ω
keine Angaben
keine Einstellungen möglich
3.5
3.6
Shunt
Multimeter
Marke
Typ
Nr.
Einstellungen
Mastech
MAS 830L
keine Angaben
DC Volt, Ohm
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Elektro Laborbericht
4
Kondensator
Aufbau der Messungen
Die Messschaltung besteht aus einer Batterie als Spannungsquelle (3.4), einem Taster (Abb. 4-2
unten) zur Aktivierung des Ladevorganges, einem zu messenden Kondensator (siehe Tabelle 2.1)
und einem Shunt zur Begrenzung des Stroms und zur Verlängerung der Ladezeit. Der Kanal A
des Oszilloskops (3.2) misst die Spannung am Kondensator und der Kanal B misst den
Spannungsabfall über dem Shunt (3.5).
Taster
Batt
Kondensator
12.8 V
Kanal A
Kanal B
R
12 Ohm
Scopmeter
Kanal B
Kanal A
Abbildung 4-1 Aufbau der Messschaltung
Die jeweils entladenen Kondensatoren werden durch Betätigung des Tasters (Abb. 4-2) geladen.
Das daraus entstandene Spannungsdiagramm (Abb. 4-3) wird mit Hilfe des Fluke-Oszilloskops
(Kapitel 3.2) aufgezeichnet.
Abbildung 4-2 Taster
Abbildung 4-3 Oszilloskopanzeige
Die Messungen bei erhöhter Kondensatortemperatur fanden nach Erwärmen des entladenen
Kondensators mit einem Heissluftföhn statt. Das restliche Vorgehen erfolgte analog zu den
vorangehend beschriebenen Schritten.
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Elektro Laborbericht
5
Kondensator
Beobachtungen
•
Der Shunt ist vorzugsweise in die Masseleitung zu schalten, da sonst Messfehler entstehen
können. Konkret auf unser Beispiel bezogen heisst das, dass der Ladestrom nie auf
annähernd Null Ampere zurückging.
•
Bei den Kondensatoren mit eher geringen Kapazitäten konnten in den ersten paar
Mikrosekunden starke Spannungsschwankungen festgestellt werden, welche sich auf den
gewählten Kippschalter (Abb. 5-2) zurückführen lassen. Durch den Einsatz eines präziseren
Tastschalters (Abb. 4-2) konnte das Problem behoben werden.
Abbildung 5-1 Kippschalter verursacht Spannungssprung
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Elektro Laborbericht
6
Auswertung
6.1
Berechnungen (Messung 1)
Kondensator
Die Kapazität der Kondensatoren wird folgendermassen berechnet:
Bestimmen von Umax in der Excel-Tabelle.
Zeit(t) wo 63% von Umax erreicht sind in der Excel-Tabelle herauslesen, gegebenenfalls durch
Interpolation angleichen.
Für die, für jeden Kondensator geltende Maximalspannung von 12,8 V ergibt sich somit ein U63%
von 8,064 V.
Die Kapazität berechnet sich anschliessend nach der folgenden Formel:
τ: = Zeitkonsta tan te [s ]bei 63% von U max
Grundformel :
τ = R ⋅ C [s ]
wobei U max : = U Batt : = 12.8V
Formel für Berechnung :
C=
τ
 As s 
F, ,
R  V Ω 
R: = Vorwiders tan d oder auch Shunt : = 12Ω
 As s 
C: = Kapazität des Kondensators  F, , 
 V Ω
Die erhaltenen Resultate sind in der folgenden Tabelle dargestellt (genaue Berechnungen siehe
Anhang 9.2):
Temperatur
[°C]
Sollwert [µF] Istwert [µF]
Abweichung [%]
Abweichung durch Temp.
[%/°C]
0.63
20
10
4.5
-55.0
55
10
5.5
-45.0
20
33
18.75
-43.2
40
33
18.3
-44.5
20
100
53.3
-46.7
77
100
55
-45.0
20
220
106.7
-51.5
97
220
100
-54.5
20
330
150
-54.5
67
330
175
-47.0
20
470
208.3
-55.7
60
470
208.3
-55.7
Mittelwerte
-49.9
Felix Iseli/Philip Fankhauser V1a
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-0.12
0.06
-0.08
0.35
0.00
0.14
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Elektro Laborbericht
6.2
Kondensator
Zusatzmessung (Messung 2)
Vergleicht man die gemessenen Werte mit den Herstellerangaben, so fallen die grossen
Abweichungen auf, welche etwa 50% betragen. Daraus muss der Schluss gezogen werden, dass
etwas mit den Messungen nicht stimmte, da alle Messungen ähnlich aus der Toleranz fallen.
Diese sollte laut Unterricht maximal ±30% betragen. Es lässt sich zudem feststellen, dass mit
zunehmender Temperatur auch die Kapazität ändert. Diese Änderung ist aber so klein, dass sie
vernachlässigbar ist.
Um die Messungen nochmals zu überprüfen und allfällige Fehlerquellen ausfindig zu machen,
wurde die Schaltung nochmals aufgebaut (Abb. 6-1), nur diesmal anstatt des 12Ω Widerstandes
mit einem 1kΩ Widerstand, um eine längere Ladezeit zu erreichen. Zudem liessen wir die
Strommessung über den Kanal B (Spannungsabfall am Shunt) ausser Acht, da die Strommessung
durch den Shunt, wie wir nachträglich erfahren haben, zur Berechnung der Kapazität gar nicht
benötigt wird. Diese Messung ergab folgendes Resultat (die genauen Berechnungen sind alle im
Anhang 9.2 zu finden):
Temperatur [°C]
Sollwert [µF]
Istwert [µF]
Abweichung [%]
23
470
489.95
4.25
Anschliessend wurde der 1kΩ Widerstand erneut durch den 12Ω Widerstand ersetzt, was
folgendes Resultat ergab:
Temperatur [°C]
Sollwert [µF]
Istwert [µF]
Abweichung [%]
23
470
500
6.4
Da nun die Resultate in der Toleranz liegen, muss bei den ersten Messungen ein Fehler bei den
Einstellungen des Fluke Scopemeters (Kapitel 3.2) vorgelegen haben. Möglicherweise hatte auch
die Strommessung über den B-Kanal einen negativen Einfluss. Die nun korrekten Einstellungen
sind im Kapitel 3.2 zu finden. In den Diagrammen (9.1) der ersten sechs Messungen fällt auch
eine Unregelmässigkeit der Biegung der Kurve auf, welche bei den beiden zweiten Messungen
nicht mehr zu erkennen ist. Die Unregelmässigkeit ist umso grösser, je kleiner die Kapazität des
jeweiligen Kondensators ist.
Taster
Batt
Kondensator
12.8 V
Kanal A
Scopmeter
R
12 Ohm
Abbildung 6-1 Messaufbau der Zweitmessung
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14.10.2005
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Elektro Laborbericht
6.3
Kondensator
Zusatzfragen
1. Ändert die Kapazität mit der Erhöhung der Temperatur des Kondensators?
Ja, die Kapazität verändert sich bei erhöhter Temperatur (siehe Diagramme und
Berechnungen im Anhang).
2. Wie kann der Maximalstrom begrenzt werden?
Der Maximalstrom wird durch den Shunt begrenzt. Je grösser der Shunt gewählt wird, je
weniger Strom fliesst durch den Kondensator.
3. Welche nachteiligen Wirkungen können hohe Kondensator-Ladeströme haben?
Zu hohe Kondensatorladeströme können bei Gleichrichterschaltungen die
Gleichrichterdioden zerstören, weshalb dort die Kapazität des Kondensators nicht beliebig
gross gewählt werden kann (Cmax in den technischen Daten beachten!).
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Elektro Laborbericht
7
Kondensator
Schlussfolgerung
Die ersten Messungen (Tabelle Seite 8) haben gezeigt, dass die gemessen und errechneten
Kapazitäten nicht den Herstellerwerten entsprechen. Dass sie mehr als ±30% abweichen, ist
unwahrscheinlich und kann nur mit Messfehlern begründet werden, welche jedoch nicht genau
lokalisiert werden konnten. Es konnte auch gezeigt werden, dass eine Temperaturerhöhung nur
einen kleinen Einfluss auf die Kapazität hat.
Zudem ist es von Vorteil, den Shunt in die Masseleitung zu schalten um Messfehler zu
vermeiden. Auch ist, besonders bei schnellen Ladevorgängen, der Einsatz eines flinken Schalters
zu empfehlen, um Spannungssprünge zu verhindern (Abb. 5-2). Des Weiteren ist es vor allem für
die Berechnungen einfacher, den Widerstand so zu wählen, dass nicht zu kurze Ladezeiten
entstehen. Zudem wird damit der Ladestrom niedrig gehalten.
Bei der nächsten Messübung werden wir uns zuerst darüber informieren, welche Werte wir zur
Beantwortung der gestellten Fragen wirklich brauchen. Damit können wir uns eine Menge Ärger
ersparen.
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Elektro Laborbericht
8
Kondensator
Administrative Angaben
Ort:
Hochschule für Technik und Informatik
Fachbereich Automobiltechnik
2537 Vauffelin
Zeitpunkt:
Mittwoch 30. März 2005
Freitag 3. Juni 2005
Messbedingungen:
22°C Raumtemperatur
Messteam:
Iseli Felix
Fankhauser Philip
Die Richtigkeit bescheinigt:
Iseli Felix
Felix Iseli/Philip Fankhauser V1a
Fankhauser Philip
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Elektro Laborbericht
9
Anhang
9.1
Diagramme
Kondensator
10µF Kondensator
14
12
Spannung [V]
10
8
6
4
2
0
0
0.0002
0.0004
0.0006
0.0008
0.001
0.0012
0.0014
0.0016
0.0018
0.002
0.003
0.0035
0.004
0.0045
0.005
Zeit [s]
20,2°C
55°C
33µF Kondensator
14
12
Spannung [V]
10
8
6
4
2
0
0
0.0005
0.001
0.0015
0.002
0.0025
Zeit [s]
20,5°C
Felix Iseli/Philip Fankhauser V1a
14.10.2005
40°C
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Elektro Laborbericht
Kondensator
100µF Kondensator
14
12
Spannung [V]
10
8
6
4
2
0
0
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
0.007
0.008
0.009
0.01
0.012
0.014
0.016
0.018
0.02
Zeit[s]
18,6°C
77°C
220µF Kondensator
14
12
Spannung [V]
10
8
6
4
2
0
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
Zeit [s]
18°C
Felix Iseli/Philip Fankhauser V1a
14.10.2005
97°C
Seite 14/17
Elektro Laborbericht
Kondensator
330µF Kondensator
14
12
Spannung [V]
10
8
6
4
2
0
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
0.04
0.045
0.05
0.03
0.035
0.04
0.045
0.05
Zeit [s]
20,8°C
67°C
470µF Kondensator
14
12
Spannung[V]
10
8
6
4
2
0
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
Zeit [s]
23,2°C
Felix Iseli/Philip Fankhauser V1a
14.10.2005
60°C
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Elektro Laborbericht
Kondensator
470µF bei 1kΩ
14
12
Spannung [V]
10
8
6
4
2
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
0.03
0.035
0.04
4.5
5
Zeit [s]
470µF bei 12Ω
14
12
Spannung [V]
10
8
6
4
2
0
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.045
0.05
Zeit [s]
Felix Iseli/Philip Fankhauser V1a
14.10.2005
Seite 16/17
Elektro Laborbericht
Abbildung 9-1 Erste Messserie
9.2
Kondensator
Abbildung 9-2 Zweite Messserie
Handschriftliche Notizen
Die kopierten handschriftlichen Originalaufzeichnungen sind auf den folgenden drei Seiten
beigefügt.
Felix Iseli/Philip Fankhauser V1a
14.10.2005
Seite 17/17