Elektrische Nachrichtentechnik Grundlagen der Elektrotechnik Versuch M-4 im Fachbereich Technik an der HS Emden-Leer

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1 1. Versuchsanleitung Ziel des Versuchs M-4 ist das VerstÄndnis der Eigenschaften von Spannungsquellen får Gleichspannung und Wechselspannung sowie Signalquellen allgemein. Der Versuch geht auf die Beschreibung von mittels einer Kennlinie ein. Verschiedene Arten von Kennlinien werden gemessen. Voraussetzungen Als theoretische Grundlage får die DurchfÅhrung dieses Versuchs ist die zugehçrige Vorlesung, Kapitel 2, aus dem zweiten Studiensemester und die Vorlesung Hardware-Grundlagen aus dem ersten Studiensemester notwendig und hinreichend. WeiterfÅhrende Literatur ist z.b. - R. Pregla, Grundlagen der Elektrotechnik, Teil 1 - R. Paul, Elektrotechnik und Elektronik får Informatiker, Band 1 - BÇhmer/Ehrhardt/Oberschelp, Elemente der angewandten Elektronik Kenntnisse aus anderen FÄchern der ersten beiden Studiensemester, speziell Mathematik 1 und 2, werden ebenfalls vorausgesetzt. Ersatzmodelle einer Spannungsquelle Was hier får eine Gleichspannungsquelle dargestellt ist, gilt entsprechend auch får andere. Eine Gleichspannungsquelle ohne Regelungseinrichtungen mit fester Leerlaufspannung und festem Innenwiderstand wird durch die folgende Ersatzschaltung beschrieben: Bild 1-1: Ersatzmodell får eine einfache Gleichspannungsquelle mit Lastwiderstand U 0 : Leerlaufspannung, R i : Innenwiderstand U: Klemmenspannung I: Klemmenstrom, der bei Anschluss eines Lastwiderstandes flieöt Seite 1 von 8

2 Mit Hilfe eines veränderlichen Lastwiderstandes R Last kann der Zusammenhang zwischen der Klemmenspannung und dem Klemmenstrom aufgenommen werden, siehe Bild 1-2: Bild 1-2: Kennlinie der Ersatzspannungsquelle mit Kennlinie des Lastwiderstandes. Der Schnittpunkt der Kennlinien von Lastwiderstand und Quelle ergibt die Spannung und den Strom an den Anschlussklemmen der Quelle. VergrÇÖert man den Lastwiderstand, sinkt der Strom und die Spannung steigt, der Schnittpunkt rutscht nach links oben. Bei Lastwiderstand unendlich liegt der Leerlauffall vor: I=0, U=U 0. Verkleinert man den Lastwiderstand, steigt der Strom und die Spannung sinkt, der Schnittpunkt rutscht nach rechts unten. Bei Lastwiderstand null liegt der Kurzschlussfall vor: U=0, I=I k. Der Innenwiderstand ist konstant und ergibt sich aus der Steigung der Kennlinie: R i =U 0 /I k. FÅr eine Batterie oder einen Akku muss noch der Entladevorgang beråcksichtigt werden. Das Modell nach Bild 1-2 hat dann eine Leerlaufspannung und einen Innenwiderstand, die nur zeitlich begrenzt als feste GrÇÖen betrachtet werden dårfen. Will man die Kennlinie messen, darf die Belastung nur so kurz wie mçglich erfolgen. FÅr eine Spannungsquelle mit Regelungseinrichtung muss das obige Ersatzmodell dadurch erweitert werden, dass die Leerlaufspannung und/oder der Innenwiderstand veränderlich sind. Die Leerlaufspannung kann mit steigendem Strom steigen und der Innenwiderstand grçöer werden. Bild 1-3: Spannungsquelle mit Regelung: Kennlinie mit veränderlicher Steigung Beide GrÇÖen sind nur noch auf Abschnitten der Kennlinie konstant. Vorteile: konstante Klemmenspannung bei steigender Belastung bis zu einer oberen Grenze, Begrenzung des Stromes bei Kurzschluss zum Schutz der Last und der Spannungsquelle. Seite 2 von 8

3 2. Aufgaben zur Vorbereitung Die folgenden Aufgaben sind vor dem Labortermin zu bearbeiten. Die Ergebnisse sollen zum Labortermin mitgebracht werden. 2.1 Bestimmen von Klemmenstrom und -spannung Ein einfache Spannungsquelle habe die folgende U-I-Kennlinie: Tragen sie die Kennlinien får die LastwiderstÄnde R Last = 0,5, 1, 2, 4 ein und ermitteln Sie die zugehçrigen Werte von Klemmenstrom und spannung. 2.2 Messaufbau fär Kennlinienmessungen Entwerfen Sie einen Messaufbau, mit dem die Kennlinie einer Batterie oder eines Labornetzteils gemessen werden kann. Die verwendeten Bauteile sind zu kennzeichnen. Seite 3 von 8

4 3. Arbeitsblatt fär die praktischen Versuchsanteile im Labor Dieses Arbeitsblatt dient als Aufgabenstellung und als Messprotokoll, in dem alle Messergebnisse festgehalten werden. Es muss der Ausarbeitung beigefågt werden. Die Messergebnisse parallel elektronisch festzuhalten, ist erlaubt, genågt aber nicht in OriginalgrÄÅe ausdrucken und ins Labor mitnehmen Signalgenerator, ungeregelt Zu messen ist die Kennlinie einer einstellbaren Wechselspannungsquelle. Die Quelle ist ein Signalgenerator, dessen Signalform, Spannung und Frequenz eingestellt werden kçnnen. Stellen Sie die Signalform auf Sinus, die Frequenz auf 50 Hz und die Spannung im Leerlauf (nur mit Voltmeter) auf 1,0 V ein. Als variable BelastungswiderstÄnde stehen eine sog. Widerstandsdekade und einstellbare WiderstÄnde groöer Bauform får hçhere Verlustleistungen und StrÇme zur VerfÅgung. Besonders wenn man die Widerstandsdekaden verwendet, ist darauf zu achten, dass der maximal zulässige Strom und die zulässige Verlustleistung nicht Åberschritten werden. Diese Werte sind auf den Bauteilen zu finden. Auf den WiderstÄnden groöer Bauform sind der Gesamtwiderstand und der zulässige maximale Strom angegeben. Hinweise: Die Kennlinie ist ungefähr eine Gerade. Es ist nicht nçtig, sie vollständig zu messen, d.h. bis hin zum Kurzschluss. Wie bei allen Messungen treten auch hier Fehler auf. Eine Mindestanzahl von Messpunkten ist notwendig, um Fehler zu erkennen und um die tatsächliche Form der Kennlinie zu erkennen. 3.2 Geregelte Gleichspannungsquelle (Labor-Netzteil) Zu messen ist die Kennlinie einer Gleichspannungsquelle mit fester Spannung, 5V oder 12V. Als variable BelastungswiderstÄnde stehen wieder die Widerstandsdekade und einstellbare WiderstÄnde groöer Bauform får hçhere Verlustleistungen und StrÇme zur VerfÅgung. Besonders wenn man die Widerstandsdekaden verwendet, ist darauf zu achten, dass der maximal zulässige Strom und die zulässige Verlustleistung nicht Åberschritten werden. Seite 4 von 8

5 Diese Werte sind auf den Bauteilen zu finden. Auf den WiderstÄnden groöer Bauform sind der Gesamtwiderstand und der zulässige maximale Strom angegeben. Hinweise: Die Kennlinie setzt sich aus geraden Abschnitten zusammen. Es ist zu empfehlen, die Messpunkte sofort in einer Skizze darzustellen. Man kann daraus sehen, wo wenig ánderungen auftreten, so dass die Messpunkte weiter auseinander liegen kçnnen, oder eben nicht. Wie bei allen Messungen treten auch hier Fehler auf. Eine Mindestanzahl von Messpunkten ist notwendig, um Fehler zu erkennen und um die tatsächliche Form der Kennlinie zu erkennen. 3.3 Batterie Zu messen ist die Kennlinie einer Batterie mit relativ fester Spannung, 1,2 bis 1,5V. Die Batterie kann ganz neu oder schon verbraucht sein. Was vorliegt, zeigt die Messung. Als variable BelastungswiderstÄnde stehen wieder die Widerstandsdekade und einstellbare WiderstÄnde groöer Bauform får hçhere Verlustleistungen und StrÇme zur VerfÅgung. Besonders wenn man die Widerstandsdekaden verwendet, ist darauf zu achten, dass der maximal zulässige Strom und die zulässige Verlustleistung nicht Åberschritten werden. Hinweise: 1) Da die Leerlaufspannung und der Innenwiderstand vom Ladezustand der Batterie abhängen, ist darauf zu achten, dass jede einzelne Messung schnell genug geht, d.h. dass die Batterie nur kurzzeitig angeschlossen wird. Die Ladung der Batterie darf sich während des Messablaufs nicht stark Ändern. 2) Ein Problem ist die ánderung der Messwerte jeweils zum Anfang einer Einzelmessung. Dies ist eine Eigenheit der Batterie. Probieren Sie, ob ein analoges oder ein digitales Instrument angenehmer zu verwenden ist. Das analoge Instrument hat das Problem der relativ unbequemen Ablesung, das digitale Instrument Ändert zunächst ständig die Anzeige. Bei beiden Instrumenten darf aber nicht zu lange mit der Ablesung gewartet werden. 3) Bei einer neuen Batterie ist der Kurzschlussstrom eventuell so groö, dass er mit dem Strommesser nicht mehr zu erfassen ist. Die Messung muss dann bei dem maximal messbaren Strom abgebrochen werden. Zusatz-Messung: Um zu untersuchen, wie sich die Entladung der Batterie auswirkt, beobachten Sie den Kurzschlussstrom mit einem Strommesser an den Klemmen der Batterie. Nehmen Sie den Kurzschlussstrom nach 1s, 5s, 10s, 20s auf. Seite 5 von 8

6 4. Ausarbeitung AbschlieÖend soll eine Ausarbeitung des Versuchs in Reinschrift erstellt werden. Dabei sind zusätzliche Fragen zu beantworten. Die Ausarbeitung ist mit einer Textverarbeitung zu schreiben, får Berechnungen und graphische Darstellungen bitte eine Tabellenkalkulation benutzen. Die Ausarbeitung soll zusammen mit dem Messprotokoll (Kap. 3) und dem Deckblatt zum Versuch abgegeben werden. ZusÄtzliche Fragen zu 3.1 Stellen Sie die Messpunkte graphisch dar. Wie gut ist die Kennlinie tatsächlich durch eine Gerade anzunähern? Sind Messfehler zu erkennen? Bestimmen Sie eine Kennlinie in Form einer Funktion U(I), die an die gemessenen Punkte mit dem kleinsten mittleren quadratischen Fehler angenähert ist. Tragen Sie diese Funktion in die Graphik ein. Wie groö ist der Innenwiderstand der Signalquelle? ZusÄtzliche Fragen zu 3.2 Stellen Sie die Messpunkte graphisch dar. Sind Messfehler zu erkennen? In welchen Abschnitten ist die Kennlinie durch eine Gerade anzunähern? Zeichnen Sie eine gemittelte Kennlinie, die an die gemessenen Punkte mçglichst gut angenähert ist, in die Graphik ein. Wie groö ist der Innenwiderstand der Signalquelle in den geraden Abschnitten der Kennlinie? Welche Eigenschaften hat die Signalquelle in den verschiedenen Abschnitten jeweils? Seite 6 von 8

7 ZusÄtzliche Fragen zu 3.3 Stellen Sie die Messpunkte graphisch dar. Sind Messfehler zu erkennen? Zeichnen Sie eine gemittelte Kennlinie, die an die gemessenen Punkte mçglichst gut angenähert ist, in die Graphik ein. Wie groö ist der Innenwiderstand der Batterie ungefähr? Stellen Sie die Messwerte aus der Zusatz-Messung graphisch dar. Wie verändert sich der Kurzschlussstrom? FÄllt er ständig oder nähert er sich einem festen Wert? Seite 7 von 8

8 Hochschule Emden-Leer FACHBEREICH TECHNIK Elektrotechnik und Informatik PRAKTIKUM VERSUCH M - 4 Spannungsquellen Versuchsanleitung / Aufgabenstellung Gruppe: Teilnehmer: Name Matr.-Nr Testat 1 (VersuchsdurchfÅhrung): Datum: Testat 2 (Bericht): Seite 8 von 8