Labor Einführung in die Elektrotechnik

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1 Laborleiter: Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften Fakultät Elektrotechnik Labor Einführung in die Elektrotechnik Prof. Dr. T. Uelzen Laborbetreuer: Versuch 2: Erstellen technischer Berichte, Ersatzspannungsquelle zur Modellierung von Netzwerken 1. Teilnehmer: Klasse: 2. Teilnehmer: Klasse: Datum Durchführung Gruppen- Kennzeichen Tln. Vorbereitung Durchführung Bericht Form Bericht Inhalt Gesamtnote 1 2 Lernziele: Kennenlernen der grundlegenden Regeln für das Anfertigen technischer Berichte Kennenlernen des Unterschiedes zwischen idealer, linearer und realer elektrischer Quelle Aufnehmen und Darstellen der Quellenkennlinie I = f (U) eines linearen aktiven Zweipols Experimentelle Ermittlung der Quellenkennlinie einer Ersatzspannungsquelle Bestimmen der Kennwerte einer Ersatzspannungsquelle für einen linearen aktiven Zweipol Beurteilung der Ersatzspannungsquelle zur Modellierung realer Gleichstromnetzwerke 1 Einführung in das Erstellen technischer Berichte V 1.1: Lesen Sie gründlich das Dokument [1] durch, das Sie als PDF-Datei auf der Web-Seite des Labors EET finden. V 1.2: Suchen Sie sich zwei beliebige (Schul-) Bücher heraus, die jeweils mindestens zwei eindeutig identifizierbare Autoren haben und bringen Sie diese Bücher zum Laborversuch mit. Ergänzen Sie das Literaturverzeichnis am Ende dieses Berichtes um die Angaben für die beiden Bücher, die die Einträge [3] und [4] erhalten. A 1: Ergänzen Sie diesen Umdruck um fehlende formale Angaben 2 Messtechnische Bestimmung der I = f (U)-Kennlinie eines aktiven Zweipols V 2.1: Eine ideale Gleichspannungsquelle liefert unabhängig von dem Strom I, der durch sie fließt, eine konstante Quellenspannung U q. Skizzieren Sie in Bild 1 den Verlauf der Funktion U = f 1 (I) einer idealen Gleichspannungsquelle für den Fall, dass U q = 1,5 V gilt. V 2.2: Eine lineare Gleichspannungsquelle liefert, wenn sie nicht belastet wird, also im Leerlauf, eine bestimmte Leerlaufspannung U L. Wenn die Quelle kurzgeschlossen wird, liefert sie einen bestimmten Kurzschlussstrom I k. Skizzieren Sie in Bild 2 den Verlauf der Funktion U = f 2 (I) einer linearen Gleichspannungsquelle für den Fall, dass U 0 = 1,5 V und I k = 3 A gilt. Labor EET Versuch 2 v18_001 Harriehausen/Ahrend/Grunert/Maaß Seite 1

2 Zwischen diesen beiden extremen Belastungsfällen wird die Abhängigkeit zwischen der Spannung der Quelle und dem Strom durch die Quelle durch eine lineare Funktion beschrieben. Lineare Funktionen werden grafisch durch eine Gerade dargestellt. Bild 1 Bild 2 V 2.3: Ein elektrisches/elektronisches Bauelement (und sein idealisiertes Modell), das zwei Klemmen oder zugänglich gedachte Klemmen hat, wird als Zweipol bezeichnet. Ein aktiver Zweipol kann über seine Anschlüsse dauerhaft elektrische Energie an die restliche Schaltung abgeben. Ideale elektrische Quellen sind die einfachsten aktiven Zweipole. Als Kennzeichnung haben Strom und Spannung gegensinnige Pfeilrichtungen. Alle Zweipole, die nicht dauerhaft elektrische Energie abgeben können bzw. eine elektrische Leistung aufnehmen können, heißen passive Zweipole. Widerstände sind die einfachsten passiven Zweipole. Als Kennzeichnung haben Strom und Spannung gleichsinnige Pfeilrichtungen. Das Bild 3 zeigt eine Schaltung, die aus einer Gleichspannungsquelle und drei Widerständen besteht. Die Quellenspannung U q der Quelle und die Werte der Widerstände R 1, R 2, R 3 sind konstant. Damit liefert die Schaltung an ihren Anschlüssen (Klemmen) A und B eine bestimmte Leerlaufspannung. Bild 3 Schaltplan eines linearen aktiven Zweipols Berechnen Sie, mit Hilfe der Gesetze der Spannungsteilung, den Wert der Leerlaufspannung als Funktion der gegebenen Quellenspannung U q und der gegebenen Widerstände R 1, R 2 und R 3. ( 1 ) Labor EET Versuch 2 v18_001 Harriehausen/Ahrend/Grunert/Maaß Seite 2

3 Nun werden die beiden Klemmen A und B direkt miteinander verbunden (kurzgeschlossen). Berechnen Sie den Wert des Kurzschlussstroms als Funktion der Größen U q, R 1, R 2, R 3. ( 2 ) ( 3 ) V 2.4: Bereiten Sie eine Excel-Datei vor, mit der Sie die Messwerte aus der Aufgabe D 3 grafisch darstellen können. Dazu ist ein Excel- Punkt(XY) -Diagramm wie in Bild 4 vorzubereiten. Bitte berücksichtigen Sie bei der Erstellung die aktuelle DIN, insbesondere die DIN 461. Bild 4 Diagramm für die einzutragenden Messwerte der Quellenkennlinie Bitte geben Sie das vorbereitete Diagramm eine Woche vor dem Tag, an dem die erste Gruppe den Versuch 2 durchführt ihrem Lehrer und bringen Sie die Datei zusätzlich auf einem USB-Stick am Versuchstag mit. Labor EET Versuch 2 v18_001 Harriehausen/Ahrend/Grunert/Maaß Seite 3

4 V 2.5: Machen Sie sich mit der Schaltung der Widerstandslastdekade (WLD) 30-XX mittels [2] vertraut. Klären Sie Fragen, die Sie zu WLD haben, im Labor. D 2.1: Demonstrieren Sie ihrem Laborbetreuer die möglichst genaue Einstellung der Widerstandslastdekade (WLD) für einen Widerstandswert von 220 Ω und deren Kontrollmessung mit dem Digitalmultimeter 1 xx. Bestätigung durch Handzeichen eines Laborbetreuers: D 2.2: Nehmen Sie die Quellenkennlinie einer Ihnen unbekannten Quelle auf, um die elektrischen Eigenschaften bestimmen zu können. Die zu nutzende Quelle (BBS-Q-x) befindet sich vor Ihnen auf dem Tisch und ist in Bild 5 dargestellt. An der Rückseite können Sie die Quelle einschalten. Ist die Quelle eingeschaltet, leuchtet die rote LED an der Vorderseite. Schalten Sie die Quelle nur während der Messungen ein und während des Einstellens neuer Widerstandswerte immer wieder aus. Bild 5 Lineare Quelle der Versuchsdurchführung Belasten Sie die Quelle jeweils mit den in Tabelle 2 angegebenen Widerstandswerten und messen Sie den Strom (MB: ma) bzw. die spannungsrichtige Spannung (MB: Gleichspannung) am Lastwiderstand mit den Digitalmultimetern (1-xx) und (2-xx). Tragen Sie die gemessenen Werte in die Tabelle 2 ein. Lassen Sie die Schaltung vor der ersten Messung von einem Laborbetreuer abnehmen. Hinweis: Jede Gruppe erhält eine andere Quelle mit abweichenden Eigenschaften (Leerlaufspannung, Innenwiderstand). Sie werden daher andere Werte und Verläufe als die anderen Gruppen erhalten. Labor EET Versuch 2 v18_001 Harriehausen/Ahrend/Grunert/Maaß Seite 4

5 Tabelle 2 Messung: Variabel: Gemessen: Gemessen: Nummer D 2.3: Notieren Sie die Nummer der von Ihnen verwendeten Quelle im folgenden Textfeld A 2.1: Übertragen Sie die ermittelten Messwerte aus der Tabelle 2 in das unter V 2.4 erstellte Diagramm. Drucken Sie das Diagramm auf einem separaten Blatt DIN A4 im Labor aus und fügen Sie das Blatt als Anhang A1 in den Bericht ein. A 2.2: Ermitteln Sie mit Hilfe des Excel-Funktionsassistenten die Steigung und den Achsenabschnitt der Quellenkennlinie und lassen Sie in dem Diagramm die Gleichung der Trendfunktion für die Quellenkennlinie anzeigen. Die ermittelten bzw. abzulesenden Ergebnisse aus dem Excel-Punkt(XY)-Diagramm sind in die nachfolgende Tabelle 3 einzutragen. Labor EET Versuch 2 v18_001 Harriehausen/Ahrend/Grunert/Maaß Seite 5

6 Tabelle 3 Auswertung des Excel-Punkt(XY)-Diagramms für die Quellenkennlinie Achsenabschnitt der y-achse bzw. der Kurzschlussstrom I K in ma: Steigung der Quellenkennlinie bzw. der Leitwert G i der Quellenkennlinie in ms: Der Kehrwert des Leitwertes ergibt den Innenwiderstand R i in Ω: Achsenabschnitt der x-achse bzw. die Leerlaufspannung U L in V:..... A 2.3: Sie sollen die Eigenschaften der Quelle aus D2.2 durch eine Ersatz-Spannungsquelle nachbilden. Eine Ersatz-Spannungsquelle ist eine lineare Quelle. Sie besteht nach Bild 6 aus einer Reihenschaltung aus einer idealen Spannungsquelle mit der Quellenspannung U q und einem Widerstand. Dieser Widerstand wird als Innenwiderstand R i der Quelle bezeichnet. = Quellenspannung Strom = Innenwiderstand Klemmenspannung Bild 6 Die Kennlinie der Ersatzspannungsquelle, die Leerlaufspannung und der Kurzschlussstrom kann durch die Gesetzmäßigkeiten aus dem Ersatzschaltplan nach Bild 6 aufgestellt werden. 2. Kirchhoffsches Gesetz: ( 4 ) Umformung: Quellenkennlinie allgemein: ( 5 ) ( 6 ) Labor EET Versuch 2 v18_001 Harriehausen/Ahrend/Grunert/Maaß Seite 6

7 Leerlaufspannung: ( 7 ) Kurzschlussstrom: ( 8 ) Bestimmen Sie mit Ihren Messwerten aus der Tabelle 2 und der Tabelle 3 die Kennwerte: Quellenspannung U q und den Innenwiderstand R i, und die Quellenkennlinie und die Leerlaufspannung und den Kurzschlussstrom Tragen Sie die ermittelten Werte in die Tabelle 4 als Zahlenwertgleichung nach DIN 1313 ein bzw. für die Quellenkennlinie lediglich als Mischgleichung ein, da der Lastwiderstand bei der Ersatzspannungsquelle noch nicht angeschlossen ist. Tabelle 4 Kennwerte der Ersatzspannungsquelle Quellenspannung U q Innenwiderstand R i, Quellenkennlinie Kurzschlussstrom A 2.4: Berechnen Sie nun mit der Ersatzspannungsquelle aus A 2.3 und den Widerstandsnennwerten aus D 2.2 die zu erwartenden Strom und Spannungswerte und tragen Sie diese in die Tabelle 5, in die Spalten 3 und 4 ein. In die Spalten 5 und 6 tragen Sie bitte Ihre gemessenen Werte aus D2.2 ein. Labor EET Versuch 2 v18_001 Harriehausen/Ahrend/Grunert/Maaß Seite 7

8 Messung: Variabel: Mit Ersatzquelle berechnet In D 2.2 gemessen Nummer A 2.5: Vergleichen Sie die Messwerte aus D 2.2 mit den errechneten Zweiggrößen über das Verfahren der Ersatzspannungsquelle nach A 2.4. Beschreiben Sie ihre Erfahrungen für den Einsatz der Ersatzspannungsquelle zur Ermittlung von Zweiggrößen auf Eignung oder Nichteignung in einer kurzen Begründung A 2.6: Überprüfen Sie, ob es bei einer linearen Quelle ausreichend ist, mit zwei Messpaaren aus Strom und Spannung und deren Quotienten den Innenwiderstand zu bestimmen. Nehmen Sie dazu zwei Messpaare aus D 2.2, z.b. bei 100 Ω und 1000 Ω und tragen Sie die Werte in die Tabelle 6 ein. Labor EET Versuch 2 v18_001 Harriehausen/Ahrend/Grunert/Maaß Seite 8

9 Messung: Variabel: Gemessen: Gemessen: Nummer Bilden Sie anschließend den Quotienten gemäß der Formel 8 und berechnen Sie den Widerstand. (8) Vergleichen Sie Ihren in Formel 8 ermittelten Innenwiderstand mit dem Ergebnis aus A 2.3 und beurteilen Sie Ihr Ergebnis. Funktioniert das Verfahren auch bei realen Quellen mit nicht linearen Innenwiderständen? A 3: Beantworten Sie kurz folgende Fragen zu Erstellung eines Laborberichtes: 1. Was erhalten alle Tabellen im Bericht? 2. Womit beginnt jedes Kapitel eines Berichtes oder einer technischen Dokumentation? 3. Wie müssen Bilder, Tabellen und Formeln in einem Laborbericht durchnummeriert sein? 4. Was folgt am Ende eines jeden Laborberichtes? Labor EET Versuch 2 v18_001 Harriehausen/Ahrend/Grunert/Maaß Seite 9

10 Literaturverzeichnis Die nachfolgend angegebenen Quellen werden bei Bedarf überarbeitet. Falls die unten angegebene Version nicht mehr verfügbar sein sollte, ist jeweils die aktuellste Version des Dokuments zu verwenden. Alle Dokumente sind von der Web-Seite des Labors EET unter erreichbar. [1] Harriehausen, Thomas: Hinweise zur Anfertigung technischer Berichte. Wolfenbüttel : Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften, Fakultät Elektrotechnik. URL Hinweise_zur_Anfertigung_technischer_Berichte_v1.pdf [2] N. N.: Gerätebeschreibung Widerstandslastdekade 30-XX. Wolfenbüttel : Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften, Fakultät Elektrotechnik. URL Geraetebeschreibungen/30_WLD_v2.pdf Labor EET Versuch 2 v18_001 Harriehausen/Ahrend/Grunert/Maaß Seite 10