Tutorium Laboreinführung TET_1 Elektrische Quellen

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1 HOCHSCHLE OSTFL Fakultät Elektrotechnik Prof. Dr. Ose Version Labor Elektrotechnik Teilnehmer 1: Matrikel-Nr.: Teilnehmer 2: Matrikel-Nr.: Datum: Gruppenkennzeichen: Testat: Tutorium Laboreinführung TET_1 Elektrische Quellen 1) Theoretische Grundlagen (Kurzfassung gilt auch für TET_2) (vgl. [1] 1) und VL 2) bschn. 3.4) Eine elektrische Quelle hat die ufgabe, einem elektrischen Stromkreis die für den Ladungstransport notwendige Leistung zuzuführen. Sie speist einen angeschlossenen Verbraucher sowohl mit einer Quellenspannung als auch mit einem Quellenstrom, d.h. sie gibt im aktiven etriebsfall eine Quellenleistung an den Verbraucher ab. Die ezeichnungen Spannungs- bzw. Stromquelle ergeben sich dann im Zusammenhang mit der Eigenschaft der Quelle, dem variablen Verbraucher entweder eine konstante Spannung bereitzustellen (Spannungseinspeisung) oder einen konstanten Strom aufzuprägen (Stromeinspeisung). Die Richtungskennzeichnung einer Quelle wird nach dem Quellen-Zählpfeilsystem (Q-ZPS) vorgenommen. Wenn die Quelle Leistung abgibt, sind die Zählpfeile von Quellenspannung und Quellenstrom bei positiven Quellengrößen einander entgegengerichtet (ild 1.1.a). m vorliegenden Versuch werden lediglich lineare Gleichspannungsquellen betrachtet. Die Quellenkennlinie einer linearen Quelle ist eine Gerade. Sie verbindet in einer Strom-Spannungs-Kennlinie = f ( ) den Kurzschlussstrom (Schnittpunkt: Ordinatenachse) mit der Leerlaufspannung (Schnittpunkt: bszissenachse; siehe auch ild 1.2.a). Zur eschreibung des Klemmenverhaltens (an den Punkten und im ild 1.1) einer elektrischen Quelle verwendet man die Klemmenspannung k. Sie ist bei einer belasteten Quelle (gemäß ild 1.1.a) gleich der Spannung über dem Lastwiderstand a. ei einer leerlaufenden Spannungsquelle (ild 1.1.b) ist die Klemmenspannung gleich der Quellenspannung k = q und bei einer leerlaufenden Stromquelle gilt: k = q (siehe ild 1.1.c). Reale elektrische Quellen besitzen einen nicht vernachlässigbaren nnenwiderstand, der die Verluste bei der Wandlung in elektrische Energie einschließlich der entsprechenden Übergangswiderstände beschreibt. Reale Quellen werden durch eine Ersatzschaltung ihrer idealen Quellenwirkung ( q ; q ) in Kombination mit dem realen nnenwiderstand nachgebildet. ei einer realen Spannungsquelle wirkt der nnenwiderstand in der Ersatzschaltung in Reihe zur Quelle (ild 1.1.b). Dem Verbraucher kann somit bei variabler Last eine nahezu konstante Spannung bereitgestellt werden, wenn der nnenwiderstand viel kleiner als der Lastwiderstand ist. 1) [1] Ose, R.: Elektrotechnik für ngenieure. Grundlagen. 4. uflage. München: Carl Hanser Verlag, ) Vorlesung Grundlagen der ET Gleichstrom-Netzwerke

2 Prof. Dr. Ose Labor Elektrotechnik TL: Versuch TET_1 Seite 2 Von einer Stromquelle spricht man immer dann, wenn dem Verbraucher bei variabler Last ein konstanter Strom aufgeprägt werden kann. Das ist der Fall, wenn der nnenwiderstand der Quelle viel größer als der Lastwiderstand ist. Er wirkt in der Ersatzschaltung parallel zur idealen Quelle (ild 1.1.c). q Elektr. Quelle k = a R a q k q k a) b) c) ild 1.1: Ersatzschaltungen elektrischer Quellen a) allgemeine Quelle b) reale Spannungsquelle c) reale Stromquelle Die bisherigen usführungen weisen bereits darauf hin, dass die ezeichnung einer Quelle letztendlich eine uffassungssache ist. Jede Spannungsquelle liefert neben ihrer Quellenspannung zugleich einen Quellenstrom, und jede Stromquelle stellt zugleich eine Quellenspannung bereit. Eine der beiden elektrischen Quellengrößen ist jedoch bei einem variablen Lastwiderstand immer durch eine bessere Konstanz gekennzeichnet. Diese Grundgröße (Spannung oder Strom) bestimmt den jeweiligen Namen der Quelle. ild 1.2 zeigt die entsprechenden Quellenkennlinien in der Darstellung = f ( ). α a) b) c) tanα 0 tanα = tanα ild 1.2: Quellenkennlinien [a) reale Quelle b) ideale Spannungsquelle c) ideale Stromquelle] deale Quellen sind technisch nicht realisierbar, denn sie müßten in der Lage sein, eine unendlich große elektrische Leistung abzugeben. Reale Quellen sind jedoch idealisierbar, wenn der jeweilige nnenwiderstand gegenüber dem Lastwiderstand vernachlässigbar ist. So signalisiert ein relativ kleiner nnenwiderstand ( << R a ) die Charakteristik einer Spannungsquelle. Ein relativ großer nnenwiderstand weist auf ein Verhalten als Stromquelle ( >> R a ) hin. Der nnenwiderstand einer Quelle kann über den Kehrwert des nstieges der Quellenkennlinie bestimmt werden und wird aus dem Quotienten von Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom berechnet: L tan α = = Ri (1.1) K Die im ild 1.2 angegebenen Quellenkennlinien wurden hier in eine allgemeine Strom-Spannungskennlinie = f ( ) eingezeichnet. Kennlinien stellt man in der Praxis immer so dar, dass die abhängig Veränderliche als Funktion der unabhängig Veränderlichen dargestellt wird. eispiele: 3) y = f (x) oder u = f (t) oder = f ( ) Die Funktionsdarstellung a = f ( a ) gilt für ein Lastbauelement, dessen Kennlinie mit einer Spannungseinspeisung (unabhängig Veränderliche) aufgenommen wurde. Zur estimmung des rbeits- 3) Vorlesung Elektronische auelemente rbeitsblätter

3 Prof. Dr. Ose Labor Elektrotechnik TL: Versuch TET_1 Seite 3 punktes, in dem dieses auelement dann betrieben wird, zeichnet man die Quellenkennlinie (deren Daten in der Regel über und bekannt sind) mit in diese Darstellung ein. Der Schnittpunkt von Quellenkennlinie und Lastkennlinie ergibt dann den rbeitspunkt. m vorliegenden Versuch sollen Quellenkennlinien bzw. elastungskennlinien einer Quelle aufgenommen werden. Somit ist die elastungsgröße (Lastwiderstand R a bzw. Laststrom a ) die unabhängig Veränderliche und die Klemmenspannung k ist die abhängig Veränderliche. Konsequenterweise muss man dann diese Zusammenhänge als Spannungs-Strom-Kennlinie k = f ( a ) darstellen. Das mzeichnen in eine Kennlinie a = f ( a ) zum Zwecke der estimmung des rbeitspunktes eines Lastbauelementes ist dann gemäß ild 1.3 unproblematisch (siehe auch: [2] 4) Kap. 1 und die Vorlesung Elektronische auelemente 3) ). k a) b) a Quellenkennlinie Lastkennlinie α rbeitspunkt a ild 1.3: a) elastungskennlinie einer Quelle b) Quellenkennlinie mit Kennlinie des Lastbauelementes a Spannungsquellen können gleichsinnig oder gegensinnig in Reihe geschaltet werden. ei einer gleichsinnigen Reihenschaltung (ild 1.4.a) addieren sich die beiden Spannungswerte, und bei einer gegensinnigen Reihenschaltung (ild 1.4.b) werden sie voneinander subtrahiert. q1 1 q2 2 q1 1 q2 2 q = q1 + q2 q = q1 q2 = = ild 1.4: Reihenschaltung von Spannungsquellen [ a) gleichsinnig b) gegensinnig ] Eine Parallelschaltung von Spannungsquellen ist nur gleichsinnig und mit gleichen Quellenspannungswerten sinnvoll (z.. zur Erhöhung der Kapazität von kkumulatoren). nderenfalls kommt es zu relativ großen usgleichsströmen, die eine Quellenwirkung nach außen mehr oder minder hemmen. Machen Sie sich in Vorbereitung auf diesen Laborversuch mit den zu verwendenden Vielfach-Messgeräten 10 xx bis 12 xx (Messbereiche; nnenwiderstände, Polarität der Messklemmen, usw.) sowie mit dem Dreifach-Netzgerät HM 7042 (25 xx) vertraut. Entsprechende Hinweise dazu finden Sie im Netz der HS 5). 4) [2] Ose, R.: Elektrotechnik für ngenieure. auelemente. 1. uflage. München: Carl Hanser Verlag, ) Labor Elektrotechnik nleitungen zum TL Geräte

4 Prof. Dr. Ose Labor Elektrotechnik TL: Versuch TET_1 Seite 4 2) elastung von kkumulatoren ([1] bschn. 3.5) Kennenlernen von typischen Eigenschaften elektrischer Quellen rbeit mit Quellenkennlinien V 2: Entwerfen Sie eine Messschaltung zur ufnahme der elastungskennlinie einer Spannungsquelle k = f (R a ) bzw. k = f ( a ) gemäß D 2 mit zwei Zeigerinstrumenten 5) NGOR 10 xx und NGOR 11 xx. Die abhängig Veränderliche k soll unverfälscht gemessen werden (vgl. auch TET_2). D 2: elasten Sie einen 12 V kkumulator (24 xx) kurzzeitig über einen Taster (65 xx) mit der Widerstandslastdekade WLD 5) (30 xx) und erfassen Sie mit hrer Messschaltung die Klemmenspannung der Quelle als Funktion des Lastwiderstandes (an der WLD ablesen) und als Funktion des Laststromes (messen). Verringern Sie dazu den Lastwiderstand in sinnvollen Schritten (ab 100 Ω in 20 Ω- Schritten; ab 20 Ω in 2 Ω-Schritten; ab 10 Ω in 1 Ω-Schritten), bis die Klemmenspannung auf k = 4,5 V abgesunken ist. Messen Sie anschließend die Klemmenspannung im Leerlauffall ( k = ) nach. nmerkung: Der nnenwiderstand der Quelle (24 xx) wurde im Sinne einer praktikablen Versuchsdurchführung künstlich vergrößert (Warum?). 2.1: Stellen Sie die Funktion k = f (R a ) für den Spannungsbereich oberhalb 4,5 V grafisch dar und zeichnen Sie zusätzlich die Leerlaufspannung ein. Leiten Sie aus dieser Kennlinie Schlußfolgerungen für den praktischen Einsatz von kkumulatoren ab. Hinweis: Hier soll die Frage beantwortet werden, wie sich die Klemmenspannung bei unterschiedlicher elastung verändert. 2.2: Stellen Sie die Funktion a = f ( k ) für den Spannungsbereich oberhalb 4,5 V grafisch dar. n dieser Darstellung erhalten Sie einen Teil der Quellenkennlinie, die in ihrer Verlängerung die chsen bei bestimmten Werten (Welche?) schneidet. Zeichnen Sie in hre Kennlinie die Widerstandsgerade für den Lastfall R a = 20 Ω ein und bestimmen Sie aus den Werten dieses rbeitspunktes den nnenwiderstand der Quelle. Diskutieren Sie kurz die rsachen für eventuelle bweichungen hrer gemessenen Kennlinie vom linearen Verlauf. 3) Eigenschaften von einstellbaren Netzteilen Handhabung eines Netzteils Kennenlernen von typischen Eigenschaften elektrischer Netzteile rbeit mit der Strombegrenzung V 3: Welche Forderungen stellt man an regelbare Netzteile und welche ufgabe hat dabei die einstellbare Strombegrenzung (eispiel)? D 3: elasten Sie ein Netzteil des Dreifach-Netzgerätes 5) (25 xx) mit der Widerstandslastdekade WLD (30 xx) und nehmen Sie für q = 30 V die Kennlinie k = f ( a ) mit verschiedenen egrenzungen des Quellenstromes ( q = 500 m; 1 und 2 ) auf. Variieren Sie dazu den Lastwiderstand so, dass der Laststrom bis kurz über die eingestellte Strombegrenzung ansteigt. Messgeräte 5) : Zeigerinstrumente NGOR (10 xx und 11 xx) 3: Stellen Sie die gemessenen Funktionen in einem gemeinsamen Diagramm mit q als Parameter dar und diskutieren Sie die Ergebnisse. 4) [2] Ose, R.: Elektrotechnik für ngenieure. auelemente. 1. uflage. München: Carl Hanser Verlag, ) Labor Elektrotechnik nleitungen zum TL Geräte

5 Prof. Dr. Ose Labor Elektrotechnik TL: Versuch TET_1 Seite 5 4) Reihen- und Parallelschaltung von Spannungsquellen Kennenlernen von typischen Schaltungskombinationen elektrischer Quellen Leistungsbetrachtungen im Grundstromkreis V 4: Entwerfen Sie je eine Messschaltung zur ufnahme der elastungskennlinie mit: a) einer Ersatz-Spannungsquelle, bestehend aus zwei gleichsinnig in Reihe geschalteten Netzteilen des Dreifach-Netzgerätes (25 xx) gemäß D 4. b) einer Ersatz-Spannungsquelle, bestehend aus zwei gleichsinnig parallel geschalteten Netzteilen des Dreifach-Netzgerätes (25 xx) gemäß D 4. ([1] bschn. 3.4) D 4: elasten Sie beide Ersatz-Quellen gemäß V 4 mit der Widerstandslastdekade WLD (30 xx) und nehmen Sie für q1 = q2 = 20 V die Kennlinie k = f ( a ) mit einer Strombegrenzung q1 = q2 = 500 m auf. Messgeräte 5) : Zeigerinstrumente NGOR (10 xx und 11 xx). 4.1: Stellen Sie für die Reihenschaltung (V 4.a) die Funktion k = f ( a ) grafisch dar und leiten aus dieser Kennlinie Schlußfolgerungen für den praktischen Einsatz von in Reihe geschalteten Spannungsquellen ab. 4.2: Stellen Sie für die Parallelschaltung (V 4.b) die Funktion k = f ( a ) grafisch dar und errechnen Sie daraus die im Lastwiderstand umgesetzten Leistungen. Welche Schlußfolgerungen können aus dem Funktionsverlauf P a = f ( a ) für den praktischen Einsatz von gleichsinnig (und mit gleichem Quellenspannungswert) parallel geschalteten Spannungsquellen abgeleitet werden? Zeichnen Sie dazu die Funktionen k = f ( a ) und P a = f ( a ) untereinander. 5) Konstante Stromeinspeisung Kennenlernen von Maßnahmen für eine konstante Stromeinspeisung Erkennen von Eigenschaften einer Stromquelle V 5: Leiten Sie den Wirkungsgrad für eine (mit R a belastete) reale Spannungsquelle und für eine (mit R a belastete) reale Stromquelle her. Wann wirkt eine reale Quelle als Spannungsquelle und wann wirkt sie als Stromquelle? Definieren Sie die egriffe Spannungs- und Stromeinspeisung. ([1] bschn. 3.4 und 3.5) D 5: Schalten Sie zu einem Netzteil (25 xx) mit q = 30 V einen künstlichen nnenwiderstand von *= 1 MΩ (obere Reihe 5) der WLD 30 xx) in Reihe. Diese nordnung wird im Weiteren als Ersatz- Quelle aufgefasst. elasten Sie nun diese Ersatz-Quelle mit einem variablen Lastwiderstand R a (restliche Reihen der WLD 30 xx) und bestimmen Sie messtechnisch die Funktionen k = f (R a ) [Messung mit MLTV 5) (44 xx)] und a = f (R a ) [Messung mit NGOR (10 xx)]. Der Lastwiderstand durchläuft den ereich 0 R a 400 kω. b einem Lastwiderstand von 10 kω sollte eine größere Schrittweite bei der Variation von R a (z.. mit 40 kω und ab 250 kω mit 50 kω) gewählt werden. 5.1: Stellen Sie die gemessenen Funktionen grafisch dar. Welche rt der Einspeisung erfährt der Lastwiderstand (egründung!)? 5.2: estimmen Sie aus den Widerstandsrelationen zwischen R a und für die Widerstandswerte hrer Messreihe den Verlauf des Wirkungsgrades der Ersatz-Quelle. 4) [2] Ose, R.: Elektrotechnik für ngenieure. auelemente. 1. uflage. München: Carl Hanser Verlag, ) Labor Elektrotechnik nleitungen zum TL Geräte