Praktikum Grundlagen der Elektrotechnik 1 (GET1) Versuch 2

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1 Werner-v.-Siemens-Labor für elektrische Antriebssysteme Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. H. Biechl Prof. Dr.-Ing. E.-P. Meyer Praktikum Grundlagen der Elektrotechnik 1 (GET1) Versuch 2 Spannungsteiler Ersatzspannungsquelle Leistungsanpassung Lernziel: Ziel dieses Praktikumsversuches ist es, theoretische Zusammenhänge, die in der Vorlesung Grundlagen der Elektrotechnik vermittelt werden, experimentell zu überprüfen und hierdurch das Wissen und Verständnis zu festigen. Es werden sowohl der unbelastete als auch der belastete Spannungsteiler untersucht und Rechenwerte mit Messwerten verglichen. Weiterhin wird auf die Ersatzspannungsquelle eingegangen mit Bestimmung des Innenwiderstandes und der Leerlaufspannung sowie auf die Leistungsanpassung. Version 2.3 Fakultät Elektrotechnik Seite 1 / 17

2 1. Allgemeine Informationen Maximale Verlustleistung von Widerständen Die maximale Verlustleistung P max (manchmal auch P tot ) gibt die maximal zulässige Leistung an, die in einem Bauteil umgesetzt werden darf. Bei Überschreitung von P max wird das Bauteil thermisch zerstört. In diesem Praktikum werden Widerstände mit P max =0,25W verwendet. Hieraus ergeben sich die Maximalwerte des Stromes durch das Bauteil und der Spannung, die an dem Bauteil anliegen darf. P max 2 max U 2 = = Imax R R z.b. R= 100 Ω ; P = 0,25W max I P R max max = = 50 ma bzw. Umax = Pmax R = 5V Version 2.3 Fakultät Elektrotechnik Seite 2 / 17

3 2. Spannungsteiler 2.1 Unbelasteter Spannungsteiler Man baue die nachfolgend skizzierte Schaltung auf: A I R 1 = 1kΩ U R 2 = 1kΩ V U Vorbereitung Man berechne aus P max =0,25W die Werte für I max sowie U max an den Eingangsklemmen und beachte, dass diese im weiteren Verlauf des Praktikums nicht überschritten werden (Angegebene Leistung für P max gilt für 1 Bauteil) Versuchsdurchführung Die Versorgungsspannung U ist in 10 Schritten bis U max zu erhöhen. Die Werte für U und U 2 sind in Tabelle einzutragen Zeichnen Sie die Kennlinie U 2 = f (U) in Diagramm 1 ein. Version 2.3 Fakultät Elektrotechnik Seite 3 / 17

4 Tabelle U [V] Diagramm U [V] 30 Version 2.3 Fakultät Elektrotechnik Seite 4 / 17

5 2.2 Belasteter Spannungsteiler Man baue die nachfolgend skizzierte Schaltung auf: R 1 = 1kΩ U=5V A I 3 R 2 = 1kΩ V U 2 R 3 (1k-Poti) Vorbereitung Man berechne für die Widerstandswerte von R 3 (siehe Tabelle 2.2.3) die zugehörigen Spannungswerte für U 2. Hierzu ist die Gleichung für U 2 =f (R 3 ) herzuleiten. Die en Spannungswerte sind in Tabelle einzutragen Mit den en Werten ist die Kennlinie U 2, = f (R 3 ) in Diagramm 2 einzutragen Versuchsdurchführung Das Potentiometer R 3 ist jeweils so einzustellen, dass sich die Spannungen für U 2 gemäß Tabelle ergeben. Zu jedem dieser Spannungswerte ist der Strom I 3 aufzunehmen und der Widerstandswert von R 3 zu errechnen. Diese Daten sind in Tabelle einzutragen Mit den Werten von Tabelle ist die Kennlinie U 2,Versuch = f (R 3 ) ebenfalls in Diagramm 2 einzuzeichnen. Version 2.3 Fakultät Elektrotechnik Seite 5 / 17

6 Tabelle (Vorbereitung) R 3 [Ω] R 3 [Ω] Tabelle (Versuch) I 3 [ma] R [Ω] I 3 [ma] R [Ω] Version 2.3 Fakultät Elektrotechnik Seite 6 / 17

7 Vorbereitung und Versuch Diagramm 2 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, R 3 [Ω] Version 2.3 Fakultät Elektrotechnik Seite 7 / 17

8 3. Elektrisches Netzwerk 3.1 Wirkungsgradbestimmung und Ersatznetzwerk Schaltung 1: Man baue die nachfolgend skizzierte Schaltung 1 auf: I 1 R1 100Ω A U 1 =5V R2 6,8kΩ R5 100Ω I 2 R3 1,5kΩ R4 1kΩ U 2 R L Widerstandsnetzwerk B Versuchsdurchführung Man messe die Spannung U 2 sowie die Ströme I 1 und I 2 für verschiedene Widerstände R L und trage diese in Tabelle 3a ein Aus den gemessenen Daten ist die durch die Spannungsquelle zugeführte Leistung P zu und die an den Widerstand R L abgegebene Leistung P ab zu bestimmen. Weiterhin berechne man den Wirkungsgrad η und die Verlustleistung P V in Abhängigkeit von I 2 und trage alle Rechenwerte in Tabelle ein. P P P ab zu V V Wirkungsgrad η= = = 1 Pzu Pzu Pzu Verlustleistung P P ( 1 η) P 1 η = = Pab η V zu Zeichnen Sie die Kurven von U 2 (I 2 ), P v (I 2 ) und η (I 2 ) in die Diagramme 3a-3c ein. Version 2.3 Fakultät Elektrotechnik Seite 8 / 17

9 Tabelle (Schaltung 1) R L [Ω] I 1 [ma] U 2 [V] I 2 [ma] P zu [mw] P ab [mw] P v [mw] η [%] 10 *) *) falls nicht erreichbar, kleinsten einstellbaren Wert für R L verwenden Version 2.3 Fakultät Elektrotechnik Seite 9 / 17

10 Versuch Schaltung 1 und Schaltung 2: Diagramm 3a I 2 [ma] Version 2.3 Fakultät Elektrotechnik Seite 10 / 17

11 Diagramm 3b 120 P V [mw] I 2 [ma] Version 2.3 Fakultät Elektrotechnik Seite 11 / 17

12 Diagramm 3c 45 η [%] I 2[mA] Version 2.3 Fakultät Elektrotechnik Seite 12 / 17

13 Schaltung 2: Innenwiderstand I 1 R i A I 2 Rechenwerte: R i = U o = U 0 U 2 R L Messwerte: R i = U o = B Vorbereitung: Man berechne den Innenwiderstand R i und die Leerlaufspannung U 0 so, dass sich bezüglich der Klemmen AB das gleiche elektrische Verhalten ergibt, wie bei dem Widerstandsnetzwerk der Schaltung 1. Zur Überprüfung sind beide Werte auch noch messtechnisch zu ermitteln Versuchsdurchführung Man ersetze das Widerstandsnetzwerk durch den en Widerstand R i (Potentiometer verwenden!) und stelle die Spannungsquelle auf die Leerlaufspannung U 0 ein Man messe die Spannung U 2 sowie den Strom I 2 für die gleichen Lastwiderstände R L wie bei Schaltung 1 und trage diese Werte in Tabelle ein Zeichnen Sie die Kennlinie U 2 =f (I 2 ) ebenfalls in Diagramm 3a ein. Version 2.3 Fakultät Elektrotechnik Seite 13 / 17

14 Tabelle (Schaltung 2) R L [Ω] U 2 [V] I 2 [ma] Version 2.3 Fakultät Elektrotechnik Seite 14 / 17

15 3.2 Leistungsanpassung Man baue die nachfolgend skizzierte Schaltung auf (U 1 = 5V): Innenwiderstand I 1 R i 500Ω I 2 U 1 P ab U 2 R L (1k-Poti) Vorbereitung: Die Leistung P=f(R L ) lässt sich wie folgt bestimmen: P = I R I 2 ab 2 L 2 U1 U = 1 Pab + 2= Ri RL Ri RL + R L Für die in Tabelle angegebenen Lastwiderstände R L sind die Klemmenspannung U 2 sowie die abgegebene Leistung P ab zu berechnen Man trage die Leistungskennlinie P ab =f(r L ) in Diagramm 4 ein Versuchsdurchführung Das Potentiometer R L ist so einzustellen, dass sich Spannungswerte für U 2 gemäß Tabelle 4a ergeben. Zu jeder Spannung ist der Strom I 2 aufzunehmen und der Widerstand R L zu errechnen. Diese Daten sind in Tabelle einzutragen Zeichnen Sie nun die auf diese Weise gewonnenen Werte für P ab (R L ) ebenfalls in das Diagramm 4 ein und vergleichen Sie Bei welchen Widerstand R L ergibt sich ein Maximum der abgegebenen Leistung P ab? Version 2.3 Fakultät Elektrotechnik Seite 15 / 17

16 Tabelle (Vorbereitung) R L [Ω] P ab [ mw] R L [Ω] P ab [ mw] Tabelle (Versuch) U 2 [ mv] I 2 [ma] R L [Ω] P L [mw] U 2 [ mv] I 2 [ma] R L [Ω] P L [mw] Version 2.3 Fakultät Elektrotechnik Seite 16 / 17

17 Diagramm P ab [mw] ,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 R L [kω] Version 2.3 Fakultät Elektrotechnik Seite 17 / 17