Labor Einführung in die Elektrotechnik

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1 Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften Fakultät Elektrotechnik Labor Einführung in die Elektrotechnik Laborleiter: Prof. Dr. Laborbetreuer: Versuch 1: Laboreinführung, Stromund Spannungsmessungen 1. Teilnehmer: Klasse: 2. Teilnehmer: Klasse: Datum Durchführung Gruppen- Kennzeichen Tln. Vorbereitung Durchführung Bericht Form Bericht Inhalt Gesamtnote 1 2 Lernziele: Kennenlernen des Arbeitens in einem elektrotechnischen Labor Kennenlernen des Unterschiedes zwischen Schaltplan und Ersatzschaltbild Praktisches Anwenden der Kirchhoffschen Gesetze und des Ohmsches Gesetzes Messung von Spannungen und Strömen in einfachen Gleichstrom-Netzwerken Widerstandsbestimmung durch Kombinationsmessung mit Korrekturrechnung 1 Einführung in den Laborbetrieb 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: Notieren Sie stichwortartig die Fragen bezüglich der Organisation des Laborbetriebes und der Anfertigung der Laborberichte, die bei Ihnen offen geblieben sind: D 1.1: Klären Sie während der Laboreinführung am Anfang des Laborversuchs Ihre unter V 1.2 notierten Fragen. D 1.2: Notieren Sie stichwortartig alle von den Laborteilnehmern gestellten Fragen und dazu gegebenen Antworten während der Laboreinführung. Verwenden Sie hierfür ggf. ein zusätzliches Blatt mit der Seitennummer 1a. Version vom Seite 1 von 7

2 2 Sicherheitsbelehrung V 2.1: Lesen Sie gründlich das Dokument [2] durch, das Sie als PDF-Datei auf der Web-Seite des Labors EET finden. Das Arbeiten in einem Labor ist immer gefährlich. Die Gefährdung der Teilnehmer des Labors EET ist außer bei grob fahrlässigem Handeln jedoch vergleichsweise gering. V 2.2: Bitte notieren Sie stichwortartig die Fragen bezüglich der Sicherheitsvorschriften, die bei Ihnen offen geblieben sind: D 2.1: Klären Sie während der Sicherheitsbelehrung am Anfang des ersten Laborversuchs Ihre unter V 2.2 notierten Fragen. D 2.2: Notieren Sie stichwortartig alle von den Laborteilnehmern gestellten Fragen und dazu gegebenen Antworten während der Sicherheitsbelehrung. Verwenden Sie hierfür ggf. ein zusätzliches Blatt mit der Seitennummer 2a. D 2.3: Am Ende der Sicherheitsbelehrung bestätigen Sie durch Ihre Unterschrift auf einem Formular, das Sie von uns erhalten, die Teilnahme an der Sicherheitsbelehrung und damit die Kenntnis der Sicherheitsvorschriften. 3 Widerstandsbestimmung durch Kombinationsmessungen mit Korrekturrechnung V 3.1: Arbeiten Sie das Dokument [3] durch, das Sie als PDF-Datei auf der Web-Seite des Labors EET finden. Klären Sie ggf. Fragen mit Ihrem Fachlehrer ab. V 3.2: Sie kennen die Formel ρ l R = (1) A zur Berechnung des elektrischen Widerstandes R von Leitern. Dabei ist ρ der spezifische elektrische Widerstand, l die Länge und A die Querschnittsfläche. Häufig wird nicht der spezifische elektrische Widerstand, sondern die elektrische Leitfähigkeit κ = 1/ρ verwendet. Die Formel (1) ist nicht allgemeingültig, sondern nur in bestimmten Fällen anwendbar, die in der Praxis aber oft auftreten. Für welche Art von Leitern ist Gl. (1) nur anwendbar? Version vom Seite 2 von 7

3 V 3.3: Wir haben für Sie 6 verschiedene Leiter vorbereitet. Sie sollen zunächst deren Widerstandswerte nach (1) berechnen. Vervollständigen Sie dazu die Tabelle 1. d ist der Leiterdurchmesser. Tabelle 1 Daten verschiedener elektrischer Leiter Leiternr d in mm 0,28 0,28 0,3 0,7 0,3 0,7 A in mm 2 l in m 26, κ in Sm/mm R Leiter in Ω V 3.4: In elektrischen Schaltplänen wird unter Verwendung genormter Schaltzeichen grafisch dargestellt, welche realen Geräte bzw. Bauteile wie zu einer elektrischen Schaltung verbunden werden. Schaltpläne zeigen Ihnen z. B., wie Sie im Labor verschiedene Geräte durch Laborkabel verbinden sollen. In Ersatzschaltbildern werden die gleichen Schaltzeichen wie in Schaltplänen verwendet, jedoch symbolisieren sie jetzt idealisierte Geräte bzw. Bauteile. Ersatzschaltbilder werden zur genauen Berechnung elektrischer und elektronischer Schaltungen verwendet. Dabei wird das Verhalten eines realen Gerätes oder Bauelements durch eine Ersatzschaltung aus idealen Elementen beschrieben (modelliert). Ein Beispiel: Ein Amperemeter in einem Ersatzschaltbild ist ideal. Es hat den Innenwiderstand 0 Ω. Das Verhalten eines realen Amperemeter wird in einem Ersatzschaltbild durch eine Reihenschaltung aus einem idealen Amperemeter und einem idealen Ohmschen Widerstand, dessen Wert gleich dem Innenwiderstand des Amperemeters ist, nachgebildet ([3]). Bild 1 zeigt den Schaltplan einer Schaltung zum spannungsrichtigen Messen von Spannung und Strom bei einem Widerstand. A I Mess V U Mess R x Bild 1 Schaltplan zum spannungsrichtigen Messen an einem Widerstand Zeichnen Sie das zugehörige Ersatzschaltbild zu dem Schaltplan in Bild 1, in dem Sie die Innenwiderstände der beiden Messgeräte durch zusätzlich eingezeichnete Widerstände R ia und R iv berücksichtigen. Bild 2 Ersatzschaltbild zum Schaltplan in Bild 1 V 3.5: Die Innenwiderstände R ia und R iv der verwendeten Messgeräte seien bekannt. Die Messgeräte zeigen bei der Messschaltung nach Bild 1 die Messwerte U Mess bzw. I Mess an. Version vom Seite 3 von 7

4 Leiten Sie eine Berechnungsvorschrift zur Bestimmung des unbekannten Widerstandes R x aus den bekannten und gemessenen Größen her, in der Sie die Rückwirkung der Messgeräte korrigieren. (Ohmsches Gesetz und Kirchhoffscher Knotensatz reichen hierfür aus.) V 3.6: Zeichen Sie in Bild 3 einen Schaltplan zum stromrichtigen Messen an einem Widerstand entsprechend zu Bild 1. Bild 3 Schaltplan zum stromrichtigen Messen an einem Widerstand Zeichen Sie in Bild 4 das Ersatzschaltbild zum Schaltplan in Bild 3 ein. Bild 4 Ersatzschaltbild zum Schaltplan in Bild 3 V 3.7: Leiten Sie entsprechend zu V 3.5 eine Berechnungsvorschrift zur Bestimmung des unbekannten Widerstandes R x aus den bekannten und gemessenen Größen in der Schaltung nach Bild 3 her, in der Sie die Rückwirkung der Messgeräte korrigieren. (Ohmsches Gesetz und die beiden Kirchhoffschen Sätze reichen hierfür aus.) D 3.1: Bauen Sie die Messschaltung gemäß V 3.4 (spannungsrichtiges Messen) auf. Verwenden Sie das einstellbare Labornetzteil Hameg HM (25-XX), dessen Vorderseite in Bild 5 dargestellt ist. Bild 5 Labornetzteil Hameg HM Bild 6 Schutzschaltung Version vom Seite 4 von 7

5 Verbinden Sie die linke rote Ausgangsbuchse (+) des Netzteils mit einem roten Laborkabel mit der ganz linken roten Buchse der in Bild 6 dargestellten Schutzschaltung, die in einem schwarzen Pultgehäuse untergebracht ist. Verbinden Sie die linke schwarze Ausgangsbuchse (-) des Labornetzteils mit einem blauen Laborkabel mit der ganz linken blauen Buchse der Schutzschaltung. Schalten Sie das Netzteil zunächst nicht ein. Die Laborkabel finden Sie an der Gangseite Ihres Laborplatzes. Die rote und die blaue Buche in der Mitte des Pultgehäuses (beschriftet mit Quelle A ) liefern Ihnen die Spannung für Ihre Messschaltung. Auf Ihrem Laborplatz finden Sie einen der Leiter vor, deren Daten in Tabelle 1 angegeben sind. Als Amperemeter und Voltmeter verwenden Sie zwei analoge Multimeter vom Typ Unigor 3n mit den Gerätenummern 10-XX und 11-XX [4]. Am Amperemeter stellen Sie den Messbereich 0,3 A Gleichstrom ein, am Voltmeter den Messbereich 3 V Gleichspannung. Bauen Sie Ihre Messschaltung vollständig auf. Zeigen Sie die Schaltung dem Laborpersonal. Wenn die Schaltung in Ordnung ist, schalten Sie das Labornetzteil ein und stellen an ihm mit dem linken Drehknopf Voltage eine Spannung von 10 V ein. Verkleinern Sie dann ggf. die Messbereiche von Volt- und Amperemeter, um die Messwerte genauer ablesen zu können. Messbereich Voltmeter: Zugehöriger Innenwiderstand R iv = Messbereich Amperemeter: Zugehöriger Innenwiderstand R ia = Notieren Sie die angezeigten Messwerte: U Mess = I Mess = Schalten Sie das Netzteil aus und bauen Sie dann die Schaltung ab. D 3.2: Bauen Sie die Messschaltung gemäß V 3.6 (stromrichtiges Messen) mit den gleichen Geräten wie bei D 3.1 auf. Verwenden Sie zunächst wieder die Messbereiche 0,3 A und 3 V, die Sie ggf. verkleinern. Notieren Sie die angezeigten Messwerte: Messbereich Voltmeter: R iv = Messbereich Amperemeter: R ia = U Mess = I Mess = A 3: Berechnen Sie mittels der in V 3.5 bzw. der V 3.7 hergeleiteten Formeln und den unter D 3.1 bzw. D 3.2 erhaltenen Messwerten den Widerstandswert des Leiters: R x = bei spannungsrichtiger Messung (V 3.5, D 3.1) R x = bei stromrichtiger Messung (V 3.7, D 3.2) Diskussion der Messergebnisse (Abweichungen von dem unter V 3.3 berechneten Wert): 4 Strom- und Spannungsmessungen in einer Abzweigschaltung V 4.1: Betrachtet wird die in Bild 7 dargestellte Schaltung. I 1 R 1 R 3 I 3 U U 1 R 2 I 2 U 3 U 2 Bild 7 Abzweigschaltung Version vom Seite 5 von 7

6 Berechnen Sie die Ströme I 1, I 2 und I 3 sowie die Spannungen U 1, U 2 und U 3 als Funktion der Eingangsspannung U und der Widerstandswerte R 1, R 2 und R 3 in allgemeiner Form. Verwenden Sie die symbolische Schreibweise R A R B für die Parallelschaltung von R A und R B. D 4.1: Bauen Sie die in Bild 7 dargestellte Schaltung auf. Am Netzgerät stellen Sie wieder 10 V ein. Die Eingangsspannung U für die Messschaltung entnehmen Sie wieder dem mittleren Buchsenpaar ( Quelle A ) der Schutzschaltung. Als Messgeräte verwenden Sie wieder die Unigor 3n im Messbereich 10 V bzw. 30 ma. Die Widerstände finden Sie auf dem in Bild 8 dargestellten Bauelementträger 74-XX, der auf Ihrem Labortisch liegt. Auf dem Träger befinden sich vorn 4 Widerstände mit 220 Ω und hinten 5 Widerstände mit 440 Ω. Verwenden Sie die Werte R 1 = 220 Ω, R 2 = 440 Ω und R 3 = 220 Ω. Messen Sie zunächst mit dem Voltmeter die Spannungen: U = V; U 1 = V; U 2 = V; U 3 = V Messen Sie nun mit dem Amperemeter die Ströme: I 1 = ma; I 2 = ma; I 3 = ma Bauelementträger 74-XX A 4: Berechnen Sie mit Ihren Gleichungen aus V 4.1 die Spannungen und Ströme und stellen Sie sie den Messwerten in Form einer Tabelle gegenüber. Tabelle 2 Berechnete und gemessene Spannungen und Ströme in der Abzweigschaltung U U 1 U 2 U 3 I 1 I 2 I 3 berechnet ---- gemessen Diskutieren Sie die Abweichungen zwischen Ihren Rechen- und Messwerten. Version vom Seite 6 von 7

7 5 Rückmeldung zum Inhalt des Laborversuchs A 5.1: Was hat Ihnen an diesem Versuch besonders gut gefallen? A 5.2: Welche konkreten Verbesserungsvorschläge haben Sie für diesen Versuch? Geräteliste Bitte vervollständigen Sie die vorbereitete Geräteliste: Gerätebezeichnung Gerätetyp Gerätenummer Labornetzteil Hameg HM Schutzschaltung -- Multimeter Unigor 3n Multimeter Unigor 3n Bauteilträger Leiter -- Leiter 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: Organisation des Labors EET. URL Organisation_Labor_EET_v2.pdf [2] Harriehausen, Thomas: Sicherheitsvorschriften zum Labor EET. URL Sicherheitsvorschriften_Labor_EET_v3.pdf [3] Harriehausen, Thomas: Einführung in das Messen von Strömen, Spannungen und Widerständen. URL Messen_von_Stroemen_und_Spannungen_v1.pdf [4] N. N.: Gerätekurzbeschreibung Vielfachmessgerät UNIGOR 3n 10-XX. URL geraete/10_unigor_3n_v2.pdf Version vom Seite 7 von 7