1. Ablesen eines Universalmessgerätes und Fehlerberechnung

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1 Laborübung Ablesen eines Universalmessgerätes und Fehlerberechnung Wie groß ist die angezeigte elektrische Größe in den Bildern 1 bis 6? Mit welchem relativen Messfehler muss in den sechs Ableseübungen gerechnet werden, wenn die folgenden Güteklassen auf dem Messgerät angegeben sind? Gleichspannung, Gleichstrom: Güteklasse 1,5 Wechselspannung, Wechselstrom: Güteklasse 2,5 Widerstände: 10 % Fehler vom Messwert im Bereich des verstärkt gezeichneten Skalenbogens. Messbereich:100 V~ Messbereich: 100 A--

2 Laborübung Messbereich: 1 ma~ Messbereich: 3 V-- Messbereich: x 1 Messbereich: x 100

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4 Laborübung Ohmsches Gesetz Anhand geeigneter Versuchsaufbauten und Messreihen ist das ohmsche Gesetz zu überprüfen. Die Ergebnisse sind graphisch darzustellen. Versuch 1: I in Abhängigkeit von U Zeichne fachgerecht die. Es sind alle Messinstrumente und Klemmen in die einzuzeichnen. Weise die Proportionalität zwischen Strom und Spannung an drei verschiedenen Widerständen nach. Zur Verfügung stehen eine regelbare Spannungsquelle (Spannungsbereich 0 bis 10V wählen) und drei Widerstände von 1 k 2,2 k, und 4,7 k. Entwerfe die Tabelle zur Eintragung der Messwerte. Vergleiche die Messwerte mit den mittels des ohmschen Gesetz berechneten Werten und begründe eventuelle Unterschiede. Trage die Abhängigkeit I = f(u) für die drei Widerstandswerte in ein gemeinsames Diagramm ein und diskutiere den Kurvenverlauf. Versuch 2: I in Abhängigkeit von R Gleiche Schaltung wie bei Versuch 1 Weise die umgekehrte Proportionalität zwischen Strom und Widerstand an zwei verschiedenen Spannungen; 4V und 8V nach. Zur Verfügung stehen eine regelbare Spannungsquelle und fünf Widerstände von , kund 2,2 k. Vergleiche die gemessenen Werte mit den berechneten und erkläre eventuelle Unterschiede. Trage die Abhängigkeit I = f(r) für die zwei Spannungswerte in ein gemeinsames Diagramm ein und diskutiere den Kurvenverlauf. Bemerkung: Die Anzahl der Messpunkte in den einzelnen Versuchsreihen soll so ausgewählt sein, dass man eine über den gesamten Messbereich anschauliche Darstellung erhält. Vorbereitung: Messtechnik, Ohmsches Gesetz

5 Laborübung Messen der elektrischen Leistung Anhand geeigneter Versuchsaufbauten und Messreihen ist die Abhängigkeit der elektrischen Leistung von Spannung und Strom zu untersuchen. Die Ergebnisse sind grafisch darzustellen. Versuch 1: Indirekte Leistungsmessung Zeichne fachgerecht die zur indirekten Leistungsmessung an einem Widerstand. Die Spannung soll dabei direkt am Widerstand gemessen werden. Untersuche die Abhängigkeiten P = f(u) und P = f(i) an einem Widerstand. Zur Verfügung stehen eine regelbare Spannungsquelle und ein Widerstand von 100. Entwerfe die Tabelle zur Eintragung der Messwerte. Stelle die Abhängigkeiten P = f(u) und P = f(i) grafisch dar und diskutiere die Kurvenverläufe. Versuch 2: Direkte Leistungsmessung Zeichne fachgerecht die zur direkten Leistungsmessung an einem Widerstand. Untersuche die Abhängigkeiten P = f(u) und P = f(i) an einem Widerstand. Zur Verfügung stehen eine regelbare Spannungsquelle 0 bis und ein Widerstand von 100. Achte darauf, dass weder der Strom- noch der Spannungspfad des W-Meters überlastet wird. Die Strom- und Spannungsmesswerte aus Versuch 1 sollen dabei als Richtwerte dienen. Entwerfe die Tabelle zur Eintragung der Messwerte. Trage die Abhängigkeiten P = f(u) und P = f(i) in ein Diagramm ein. Bemerkung: Die Anzahl der Messpunkte in den einzelnen Versuchsreihen soll so ausgewählt sein, dass man eine über den gesamten Messbereich anschauliche Darstellung erhält. Vorbereitung: Messtechnik, Energieumsetzung im elektrischen Stromkreis

6 Laborübung Reihenschaltung von Widerständen Anhand geeigneter Versuchsaufbauten sind die folgenden Gesetze der Reihenschaltung zu untersuchen. I = konstant U n U i i 1 R n R i i 1 U x R x (an mindestens zwei verschiedenen Verhältnissen) U y R y Versuch: Zeichne fachgerecht die (en) für zwei Widerstände R 1 und R 2. Es sind alle Spannungen und Ströme einzutragen. Zur Durchführung des Versuchs stehen folgende Geräte bzw. Bauteile zur Verfügung: regelbare Gleichspannungsquelle drei Vielfachmessgeräte zwei Widerstände 220 und 470. Die Spannung an der Reihenschaltung soll vor jeder Messung auf 10V eingestellt werden. Entwerfe die Tabelle(n) zur Eintragung der Messwerte. Beweise die Richtigkeit der Gesetze mit Hilfe der Messwerte. Vorbereitung: Kirchhoffsche Gesetze und Widerstandsschaltungen.

7 Laborübung Parallelschaltung Anhand geeigneter Versuchsaufbauten sind die folgenden Gesetze der Parallelschaltung zu untersuchen. U = konstant I n I i i 1 G n G i i 1 I I x y G G x (an mindestens zwei verschiedenen Verhältnissen) y Versuch: Zeichne fachgerecht die (en) für zwei Widerstände R 1 und R 2. Es sind alle Spannungen und Ströme einzutragen. Zur Durchführung des Versuchs stehen folgende Geräte bzw. Bauteile zur Verfügung: regelbare Gleichspannungsquelle drei Vielfachmessgeräte zwei Widerstände 220 und 470. Die Spannung an der Parallelschaltung soll vor jeder Messung auf 10V eingestellt werden. Entwerfe die Tabelle(n) zur Eintragung der Messwerte. Beweise die Richtigkeit der Gesetze mit Hilfe der Messwerte. Vorbereitung: Kirchhoffsche Gesetze und Widerstandsschaltungen.

8 Laborübung Der Spannungsteiler Einführung: In der Elektrotechnik und Elektronik tritt häufig der Fall auf, dass die zur Verfügung stehende, feste Betriebsspannung zu hoch für den Anschluss bestimmter Verbraucher ist. Sollen diese Verbraucher trotzdem an die Betriebsspannung angeschlossen werden, so muss diese herabgesetzt werden. Eine Möglichkeit hierzu bietet der sogenannte Spannungsteiler (Potentiometer). U g R 1 Schleifer R 1 U 1 R g U g R 2 U 2 R 2 U 2 Beim Spannungsteiler kann man die Ausgangsspannung U 2 kontinuierlich verändern. Dies erfolgt mit Hilfe eines beweglichen Schleifkontaktes, der den Gesamtwiderstand R g in die beiden Teilwiderstände R 1 und R 2 aufteilt. Es entstehen zwei Teilspannungen U 1 und U 2, wobei U 2 als Ausgangsspannung dient. An die Ausgangsspannung wird der Lastwiderstand R L angeschlossen. U g R g U 2 R L

9 Laborübung Versuch: Ein Spannungsteiler (Potentiometer) mit einem Gesamtwiderstand von R g = 10k wird an eine konstante Gleichspannung U g = 10V gelegt. Die Ausgangsspannung U 2 wird in Abhängigkeit von der Schleiferstellung des Potentiometers gemessen. Die Messungen werden für verschiedene Lastwiderstände R L wiederholt. Zeichne fachgerecht die. Nehme für jeden Belastungswiderstand die Abhängigkeit U 2 = f(schleiferstellung) auf und trage die Messwerte in eine geeignete Messtabelle ein. Schleiferstellungen: 0 ; 1 ; 2 ; 3 ; 4 ; 5 ; 6 ; 7 ; 8 ; 9 ; 10 (am Potentiometer aufgedruckt) Lastwiderstände R L : (Leerlauf) ; 2,2k ; 1k ; 330 Trage die Abhängigkeit U 2 = f(schleiferstellung) mit R L als Parameter in ein Diagramm ein. Das Diagramm ist mit Hilfe von EXCEL zu erstellen. Die Tabelle sowie das Diagramm werden dabei auf dem gleichen Arbeitsblatt erstellt. Leite eine Formel für die Ausgangsspannung U 20 in Abhängigkeit der Größen U g, R 1, und R 2 her, für den Fall, wo R L = (Leerlauf) gilt. Leite eine Formel für die Ausgangsspannung U 2 in Abhängigkeit der Größen U g, R 1, R 2 und R L her, für den Fall, wo R L = endlich ist. Beschreibe was mit der Ausgangsspannung U 2 passiert, wenn der Belastungswiderstand R L ausgehend von verkleinert wird (bei gleicher Schleiferstellung). Begründe die Feststellung mit Hilfe der hergeleiteten Formeln. Vorbereitung: Kapitel 6

10 Laborübung Spannungsquellen Aufgabenstellung Mit Hilfe von geeigneten Messungen und Berechnungen sollen die Leerlaufspannung, der Innenwiderstand sowie der Kurzschlussstrom einer gegebenen Batterie ermittelt werden. Für die Belastung der Batterie stehen Belastungswiderstände von 50 und 10 zur Verfügung. Der Versuch wird in einer Laboreinheit durchgeführt und ein vollständiger Bericht ist am Ende der Stunde abzugeben. Der Laborbericht muss folgende Teile beinhalten: (en) mit ESB der Batterie Messwerte vollständige Belastungskennlinie mit den Maßstäben 0,5V / cm und 0,25A / cm mathematische Gleichung der Kennlinie Ermittlung der Kennwerte Außerdem sollen folgende theoretische Fragen genau beantwortet werden: Wie verändern sich Leerlaufspannung, Innenwiderstand und Kurzschlussstrom, wenn 3 Batterien in Reihe geschaltet werden? Wie verändern sich Leerlaufspannung, Innenwiderstand und Kurzschlussstrom, wenn 3 Batterien parallel geschaltet werden? Achtung: Die Batterie darf in keinem Fall kurzgeschlossen werden. Damit die Batterie während der Messungen nur kurzzeitig belastet wird, muss im Versuchsaufbau ein Taster vorgesehen werden. Bei Kurzschluss der Batterie oder anderen leichtsinnigen Fehlern werden mindestens 5 Punkte abgezogen. Die Übung wird in Gruppenarbeit oder alleine vollkommen selbständig durchgeführt. Gespräche mit anderen Gruppen sind nicht erlaubt. Kursunterlagen sowie Vorbereitungsunterlagen sind während des Übungsablaufs nicht erlaubt. Vorbereitung: Kapitel 8 (Spannungsquellen)

11 Laborübung Indirekte Widerstandsmessung mit V- und A-Meter Aufgabenstellung Zwei Widerstände mit den Nennwerten 10 1% und 1 M 1% sollen einmal mit der Spannungsfehlerschaltung und einmal mit der Stromfehlerschaltung nachgemessen werden. Der Versuch ist genau nach der folgenden Beschreibung durchzuführen: für R = 10 : Messbereich V-Meter auf 1V (R iv = 10M ) einstellen. Messbereich A-Meter auf 100mA (R ia = 1,2 ) einstellen. In beiden en die Spannung vorsichtig erhöhen, bis ein Messinstrument Vollausschlag anzeigt. U und I ablesen und aufschreiben. für R = 1M : Messbereich V-Meter auf 10V (R iv = 10M ) einstellen. Messbereich A-Meter auf 10µA (R ia = 10k ) einstellen. In beiden en die Spannung vorsichtig erhöhen, bis ein Messinstrument Vollausschlag anzeigt. U und I ablesen und aufschreiben. Der Laborbericht muss folgende Teile beinhalten: fachgerechte en Messtabellen Auswertung Hinweise zur Auswertung: Aus den Messwerten von U und I ist jeweils der gemessene Widerstandswert R M zu ermitteln. Mit Hilfe des gemessenen Wertes R M und mit den Innenwiderständen der Messgeräte ist jeweils der tatsächliche Wert von R zu berechnen. Mit Hilfe der Messergebnisse ist zu begründen, welche Messschaltung am besten für große bzw. kleine Widerstandswerte geeignet ist. Vorbereitung: Kapitel 7.4 Achtung: Die Übung wird in Gruppenarbeit oder alleine vollkommen selbständig durchgeführt. Gespräche mit anderen Gruppen sind nicht erlaubt. Kursunterlagen sowie Vorbereitungsunterlagen sind während des Übungsablaufs nicht erlaubt.

12 Laborübung Lade- und Entladevorgang beim Kondensator Hinweis: Bei dem hier verwendeten Elektrolytkondensator muss unbedingt auf die richtige Polung geachtet werden. In diesem Versuch sollen die Eigenschaften des Kondensators im Gleichstromkreis beim Laden und beim Entladen untersucht werden. Versuch: 1. Baue eine Messschaltung nach dem vorgegebenen Stromlaufplan mit R = 1k und C = 4700µF auf. Stelle das A-Meter auf den Messbereich 10mA und das V-Meter auf den Messbereich 10V ein. 2. Bringe den Schalter in die Position a (Entladestellung) und stelle an der Spannungsquelle eine Spannung von 10V ein. 3. Ladevorgang: Bringe den Schalter in die eingezeichnete Ladestellung, messe den Kondensatorstrom und die Kondensatorspannung in Abhängigkeit von der Zeit (z.b. alle 5s) und trage die Messwerte in eine Tabelle ein. Hinweis: Der Ladevorgang kann jederzeit wiederholt werden, nachdem der Kondensator über die Entladestellung a entladen wurde. Während dem Entladen muss das A-Meter wegen der umgekehrten Stromrichtung kurzgeschlossen werden. 4. Entladevorgang: Pole den Strommesser um (wichtig!). Bringe den Schalter in die Entladestellung a und messe den Kondensatorstrom und die Kondensatorspannung in Abhängigkeit von der Zeit (z.b. alle 5s). Hinweis: Der Entladevorgang kann jederzeit wiederholt werden, nachdem der Kondensator über die Ladestellung aufgeladen wurde. Während dem Aufladen muss das A-Meter wegen der umgekehrten Stromrichtung kurzgeschlossen werden. 5. Stelle den zeitlichen Verlauf des Stromes und der Spannung beim Lade- und Entladevorgang eines Kondensators zeichnerisch dar. 6. Beschreibe den Strom- und Spannungsverlauf während der Lade- und Entladezeit des Kondensators. 7. Welchen Widerstand stellt der Kondensator für die Spannungsquelle im ungeladenen bzw. im aufgeladenen Zustand dar? Begründe! 8. Messe die Lade- und Entladezeiten für die folgenden Wertekombinationen von R und C und trage sie in eine Tabelle ein. Stelle dabei das A-Meter auf den Messbereich 100 ma. R = 1k, C = 4700µF R = 0,47k, C = 4700µF R = 1k, C = 2200µF R = 0,47k, C = 2200µF 9. Welchen Einfluss haben Widerstand und Kapazität auf die Lade- bzw. Entladezeit des Kondensators? Vorbereitung: Kapitel 9.6