Tutorium Laboreinführung TET_2 Kennlinienaufnahme

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1 HOCHSCHLE OSTFL Fakultät Elektrotechnik Prof. Dr. Ose ersion Labor Elektrotechnik Teilnehmer 1: Teilnehmer 2: Matrikel-Nr.: Matrikel-Nr.: Datum: Gruppenkennzeichen: Testat: Tutorium Laboreinführung TET_2 Kennlinienaufnahme 1) Theoretische Grundlagen 1) (Kurzfassung) (vgl. auch [1] bschn. 4.2 und Kap. 6) 2) Ein Meßwert ist der zu einem Messzeitpunkt ermittelte Wert der zu beschreibenden physikalischen Größe. Das Messmittel soll für die weiteren Betrachtungen ein Zeigerinstrument sein. Es besitzt einen nicht vernachlässigbaren nnenwiderstand, der einen Eigenverbrauch bewirkt und bei Kombinationsmessungen zu Messfehlern führt. Ein Spannungsmesser wird parallel zum Messobjekt geschaltet. Er soll einen möglichst großen nnenwiderstand i haben und einen geringen Eigenverbrauch P M aufweisen. Bild 2.1: Spannungsmessung M i = (2.1) M M ist die ollausschlagsspannung und M ist der ollausschlagsstrom. Ein Strommesser ist zum Messobjekt in eihe zu schalten. Er soll einen möglichst kleinen nnenwiderstand i haben und einen geringen Eigenverbrauch P M aufweisen. Bild 2.2: Strommessung i M M = (2.2) P M ist die Leistungsaufnahme (Eigenverbrauch) des Messgerätes bei ollausschlag. PM 2 2 M M M = = M i i = (2.3) Zur Beantwortung der Frage nach der Eignung eines Messinstrumentes für eine bestimmte Messaufgabe ist nicht vorrangig der bsolutwert seines nnenwiderstandes ausschlaggebend. iel wichtiger ist ein möglichst geringer Eigenverbrauch. 1) orlesungen Grundlagen der ET Gleichstrom-Netzwerke 2) [1] Ose,.: Elektrotechnik für ngenieure. Grundlagen. 4. uflage. München: Carl Hanser erlag, 2008

2 Prof. Dr. Ose Labor Elektrotechnik TL: ersuch TET_2 Seite 2 Kombinationsmessungen (z.b. zur Kennlinienaufnahme oder zur Widerstandsbestimmung mittels Strom-Spannungs-Messung) sind sowohl aus der Sicht einer möglichst unverfälschten Spannung über dem Messobjekt (spannungsrichtige Messung) als auch eines möglichst unverfälschten Stromes durch das Messobjekt (stromrichtige Messung) durchführbar. Dem nwender obliegt die ufgabe, eine sinnvolle Entscheidung über die jeweils geeignete Messschaltung zu treffen. Dazu muss er die nnenwiderstände der verfügbaren Messinstrumente 3) kennen oder mit einer Zusatzmessung bestimmen. Spannungsrichtige Messung Gemessener Wert: Tatsächlicher Wert: '= = Bild 2.3: Spannungsrichtige Messschaltung Da der Gesamtstrom größer ist als der Strom, wird für den Widerstand ein zu kleiner Wert ermittelt. Durch Einsetzen von = ist eine Messwertkorrektur möglich. 1 = = = 1 = (2.4) ' 1 1 Diese Messschaltung sollte man anwenden, wenn der nnenwiderstand des Spannungsmessers viel größer als der Widerstand des Messobjektes ist. i i >> (2.5) Wenn diese Bedingung nicht oder nur unzureichend erfüllt ist, muss die stromrichtige Messschaltung verwendet oder eine Korrekturrechnung [Gleich. (2.4)] durchgeführt werden. Stromrichtige Messung Gemessener Wert: Tatsächlicher Wert: = '' = Bild 2.4: Stromrichtige Messschaltung Da die Gesamtspannung größer ist als der Spannungsabfall über, wird für den Widerstand ein zu großer Wert ermittelt. Durch Einsetzen von = kann wieder eine Messwertkorrektur vorgenommen werden. = = = = '' i (2.6) Diese Messschaltung sollte man anwenden, wenn der nnenwiderstand des Strommessers viel kleiner als der Widerstand des Messobjektes ist. i << (2.7) 3) Labor Elektrotechnik nleitungen zum TL Geräte

3 Prof. Dr. Ose Labor Elektrotechnik TL: ersuch TET_2 Seite 3 Wenn die Bedingung gemäß Gleich. (2.7) nicht oder nur unzureichend erfüllt ist, muss die spannungsrichtige Messschaltung verwendet oder eine Korrekturrechnung [Gleich. (2.6)] durchgeführt werden. Machen Sie sich in orbereitung auf diesen Laborversuch mit den zu verwendenden Zeigerinstrumenten (Messbereiche, nnenwiderstände, Polarität der Messklemmen, usw.) vertraut. Hinweise dazu finden Sie im Netz der FH 3). Testrechnung zur Laborvorbereitung: Zur Festlegung der zu verwendenden Messbereiche, zur Berücksichtigung der nnenwiderstände der Messbereiche sowie zur Entscheidung über die einzusetzende Messschaltung sollten Sie folgende Testrechnung durchführen: n eine reale (lineare) Quelle mit q = 9 und i = 5 Ω wird ein einstellbarer Lastwiderstand mit a = (1 Ω; 10 Ω; 100 Ω; 1 kω; 10 kω; 100 kω) angeschaltet. n a soll eine Strom-/ Spannungsmessung mit Zeigerinstrumenten (ielfach-messgerät NGO) durchgeführt werden. Berechnen Sie für diese 6 Lastfälle den Strom und den Spannungsabfall über dem Lastwiderstand. Legen Sie nun die erforderlichen Messbereiche für die geplante Strom-/ Spannungsmessung fest und 3) bestimmen die jeweiligen nnenwiderstände. Jetzt können Sie eine Entscheidung (Begründung!) über den Einsatz der spannungsrichtigen oder der stromrichtigen Messschaltung gemäß Gleich. (2.5) und (2.7) treffen. Je besser eine der beiden Bedingungen erfüllt ist, desto geringer wird die bweichung des gemessenen vom tatsächlichen Widerstandswert. Treffen beide Bedingungen nur unzureichend zu, sollte gegebenenfalls die der gewählten Messschaltung entsprechende Korrekturrechnung auf das Messergebnis angewendet werden. ls Entscheidungshilfe für diese Testrechnung soll hier gelten: Gleich. (2.5): i >> ist erfüllt, wenn i > 1000 Gleich. (2.7): i << ist erfüllt, wenn i < / 50 nsbesondere bei der Kennlinienaufnahme ist es empfehlenswert, die Notwendigkeit der Korrekturrechnung zu prüfen bzw. ab einem bestimmten Messpunkt die Messschaltung im Sinne eines möglichst geringen Messfehlers zu wechseln. Eine solche Maßnahme ist beispielsweise bei der ufnahme der Sperrkennlinie einer Z-Diode erforderlich. m flachen Bereich der Kennlinie besitzt die Diode einen relativ großen Gleichstromwiderstand (stromrichtige Messung). Nach Erreichen der Z Spannung (Knickpunkt) verläuft die Kennlinie sehr steil, da die Diode schlagartig leitet. hr Gleichstromwiderstand nimmt nun sehr kleine Werte an (spannungsrichtige Messung). 2) Kennlinie einer Diode (vgl. auch [1] 4) bschn. 2.4) ufnahme der Strom-Spannungs-Kennlinie Kennenlernen der Kenngrößen von Dioden 2: Entwerfen Sie eine spannungsrichtige und eine stromrichtige Messschaltung zur ufnahme der Durchlasskennlinie einer Diode. n welchem Bereich der Kennlinie sollte welche Schaltung angewendet werden (Begründung!). (vgl. [1] bschn. 6.1) Hinweis: Das in D 2 zu verwendende Netzteil 25 3) ist für die Einstellung kleiner Spannungswerte nur bedingt geeignet. erwenden Sie zur Teilung der Quellenspannung einen zusätzlichen (mit der Diode belasteten) Spannungsteiler [dekadischer Spannungsteiler 31 3) ; siehe Schrank C] und variieren Sie die Quellenspannung dann so, dass der gewünschte Spannungswert an der Diode anliegt. 2) [1] Ose,.: Elektrotechnik für ngenieure. Grundlagen. 4. uflage. München: Carl Hanser erlag, ) [2] Ose,.: Elektrotechnik für ngenieure. Bauelemente uflage. München: Carl Hanser erlag, 2007

4 Prof. Dr. Ose Labor Elektrotechnik TL: ersuch TET_2 Seite 4 D 2: Nehmen Sie die Kennlinie der Diode 1N 5400 ( 58 ) gemäß 2 mit Hilfe der ielfach- 3) Messgeräte NGO 10 und 11 mit der spannungsrichtigen und mit der stromrichtigen Messschaltung auf. Die Messung ist erst beim Erreichen der erlustleistung (P = 300 mw) der Diode beendet. ls Spannungsquelle dient das Dreifach-Netzgerät 25 (Kanal 3) ). 2.1: Zeichnen Sie die beiden gemessenen Kennlinien in ein Diagramm und diskutieren Sie bweichungen der beiden Kennlinien voneinander. 2.2: Führen Sie eine Messwertkorrektur für beide Messungen von D 2 durch und zeichnen Sie die korrigierte Kennlinie mit der dazu gehörenden gemessenen Kennlinie jeweils in ein gemeinsames Diagramm (siehe nmerkung). Diskutieren Sie die bweichungen zwischen den gemessenen und der korrigierten Kennlinie. nmerkung: Zur Diskussion der bweichungen sollen die Kennlinien von 2.2 in zwei Diagramme mit unterschiedlichem Maßstab zerlegt werden. Das erste Diagramm endet mit dem Erreichen der Schwellenspannung und das zweite Diagramm beginnt mit der Schwellenspannung. Es entstehen somit zwei Teilkennlinien für die spannungsrichtige Messung (und Korrektur) und zwei Teilkennlinien für die stromrichtige Messung (und Korrektur). Wählen Sie für die Kennlinien sinnvolle Maßstäbe, um die bweichungen auch noch darstellen und erkennen zu können. 3) Kennlinie eines Kaltleiters (vgl. auch [1] 4) bschn. 2.3) Kennenlernen der Eigenschaften eines Kaltleiters Kennlinienaufnahme durch Spannungseinspeisung Bestimmung des Leistungsumsatzes im rbeitspunkt 3.1: Nennen Sie typische Eigenschaften eines Kaltleiters und skizzieren Sie seine Strom- Spannungs-Kennlinie = f ( ) auf Millimeterpapier. ([1] bschn. 6.2) 3.2: Entwerfen Sie eine Messschaltung zur Kennlinienaufnahme mit zwei ielfach-messgeräten NGO 3) 10 und 11. ls Entscheidungshilfe für die Wahl der Messschaltung kann die Testrechnung aus Punkt 1 dienen (Daten: siehe D 3.1). D 3.1: Nehmen Sie die Kennlinie gemäß 3.2 mit einer Spannungseinspeisung auf. Der Kaltleiter (Metallfaden-Glühlampe) befindet sich in einem Kunststoffbehälter in der Schrankwand (C) und wird auf dem Laboraufbau 58 (Schrank C) befestigt. Für die Kennlinienaufnahme des Kaltleiters gilt: ma = 10. D 3.2: Stellen Sie durch Einschalten eines orwiderstandes a einen Leistungsumsatz im Kaltleiter von P a = 0,6 W ein. erwenden Sie dazu das Dreifach-Netzgerät 25 mit q = 10 (Kanal ). Der orwiderstand (Widerstandslastdekade 3) WLD 30 ) erzeugt den notwendigen nstieg der Quellenkennlinie zur Einstellung des für diesen Leistungsumsatz erforderlichen rbeitspunktes. Senken Sie nun den Leistungsumsatz im Kaltleiter auf P b = 0,3 W ab, indem Sie den Wert des orwiderstandes auf b verändern. Messen Sie die beiden eingestellten orwiderstände a und b mit dem Digital-Messgerät DMG 40 3) (Schrank ) nach. Dazu ist der Widerstand aus der Schaltung zu entfernen (Warum?). 2) [1] Ose,.: Elektrotechnik für ngenieure. Grundlagen. 4. uflage. München: Carl Hanser erlag, ) [2] Ose,.: Elektrotechnik für ngenieure. Bauelemente uflage. München: Carl Hanser erlag, 2007

5 Prof. Dr. Ose Labor Elektrotechnik TL: ersuch TET_2 Seite 5 3: Konstruieren Sie die Strom-Spannungs-Kennlinie = f ( ) des Kaltleiters aus hren Messwerten (ohne Messwertkorrektur) und zeichnen Sie die rbeitspunkte (mit Hilfe der Leistungshyperbel) sowie die Quellenkennlinien von D 3.2 ein. 4) Kennlinie eines Heißleiters (vgl. auch [1] 4) bschn. 2.3) Kennenlernen der Eigenschaften eines Heißleiters Kennlinienaufnahme durch Stromeinspeisung 4: Entwickeln Sie eine Schaltung zur Kennlinienaufnahme eines Heißleiters mittels Stromeinspeisung unter erwendung eines orwiderstandes = 100 Ω (WLD 30 ). Beschreiben Sie mit Stichworten den blauf des Messvorganges. ([1] bschn. 6.2) Nutzen Sie zur Strommessung das ielfach-messgerät NGO 10 oder 11 und zur Spannungsmessung das Digital-Messgerät DMG 40. D 4: Nehmen Sie die Kennlinie gemäß 4 auf. Der Heißleiter befindet sich in einem Kunststoffbehälter in der Schrankwand (C) und wird auf dem Laboraufbau 58 (Schrank C) befestigt. Zur ermeidung äußerer Temperatureinflüsse wird der Kunststoffbehälter als bdeckung auf den Laboraufbau aufgesetzt. Für den Heißleiter gilt: ma = 200 m. Hinweis: Nach der Einstellung des jeweiligen Messpunktes (eingespeister Strom) sollte man vor dem blesen der Messwerte eine Stabilisierung des sich einstellenden rbeitspunktes abwarten (Warum?). 4: Stellen Sie mit hren Messwerten die Kennlinie des Heißleiters ohne Messwertkorrektur grafisch dar. Da die Kennlinie mit Stromeinspeisung aufgenommen wurde, sollten Sie hier die Wirkung (abhängig eränderliche) als Funktion der rsache (unabhängig eränderliche) darstellen. Es entsteht eine Kennlinie = f ( ) im Gegensatz zu 2 und 3. Hinweise zur rbeit mit Kennlinien finden Sie in [1], in [2] und im Netz der HS 5). 5) orlesung Elektronische Bauelemente rbeitsblätter