Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften Fakultät Elektrotechnik

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1 Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften Fakultät Elektrotechnik Labor Mess- und Elektrotechnik Laborleiter: Prof. Dr. Ing. Prochaska Versuch 5: Laborbetreuer: Schwingkreise 1. Teilnehmer: Matrikel-Nr.: 2. Teilnehmer: Matrikel-Nr.: Datum Durchf. Gruppen-Kennz. Tln. Vorbereitung Durchführung Bericht Gesamtnote Der Laborbericht soll auch bzgl. formaler Mängel durchgesehen und bewertet werden: ja nein Lernziele: Selbstständiges Anwenden und Vertiefen des in der Vorlesung Wechselstromtechnik behandelten Stoffs mittels geeigneter Fachliteratur, z. B. Kapitel 7 von [1]. Planung und Durchführung messtechnischer Analysen von Schwingkreisen mittels Frequenzgenerator, Oszilloskop und Multimeter. Bestimmung von Kenngrößen von Schwingkreisen aus Amplitudenfrequenzgängen. Kritische Diskussion von Messergebnissen. Die Versuchsdurchführung dauert bei guter Vorbereitung nicht länger als 1 Stunde. Der Laborbericht ist spätestens eine Woche nach dem Termin der Durchführung abzugeben. 1 Reihenschwingkreis als Übertragungsvierpol V 1.1) Zeichnen Sie a) die Schaltung eines elementaren RLC-Reihenschwingkreises und b) das vollständige qualitative Zeigerdiagramm aller Spannungen und Ströme in der Schaltung für den Fall, dass sie ohmsch-kapazitives Klemmenverhalten aufweist. V 1.2) a) Skizzieren Sie (manuell!) für die Schaltung nach V 1.1 den prinzipiellen Verlauf der Frequenzgänge der auf die Gesamtspannung U ges bezogenen Spannungen U R, U L und U C über den drei enthaltenen idealen Zweipolen R, L, C in einem gemeinsamen Diagramm. Markieren Sie die unter V 1.3 angegebenen Kenngrößen in dem Diagramm. b) Begründen Sie den Verlauf der Kurven unter a). 1. März von 5

2 V 1.3) Geben Sie jeweils an, aus welcher der unter V 1.2 a) skizzierten, messtechnisch ermittelten Kurven man wie a) die Resonanzfrequenz f res, b) die Grenzfrequenzen f gu und f go, c) die Bandbreite B sowie d) die Güte Q des Schwingkreises ablesen kann (R, L, C seien unbekannt). e) Wie würden sich die unter V 1.2 a) skizzieren Kurven verändern, wenn bei konstanten Werten von L und C der Wert von R vergrößert würde? Begründung! V 1.4) Erweitern Sie die Schaltung des Zweipols aus V 1.1 so, dass ein Übertragungsvierpol mit den unter V 1.3 angegebenen Parametern entsteht. (Überlegen Sie sich dazu, über welchem Zweipol die Ausgangsspannung des Übertragungsvierpols abgegriffen werden muss.) V 1.5) a) Zeichnen Sie das Schaltbild der vollständigen Messschaltung zu D 1.1 c). b) Zeichnen Sie das Schaltbild der vollständigen Messschaltung zu D 1.1 d). V 1.6) Zeichnen Sie das Schaltbild der vollständigen Messschaltung zu D 1.3. Hinweis zum Aufbau der Schaltung: Es sollten die kürzest möglichen Verbindungsleitungen verwendet werden. D 1.1) a) Bauen Sie einen realen Reihenschwingkreis mit R = 20 Ω (30-XX) auf. Den zu verwendenden Wert von C (32-XX) und die zu verwendende Spule, die mit Spule X beschriftet ist (X ist eine Zahl zwischen 1 und 9), finden Sie an Ihrem Laborplatz vor. Die Spannung U ges liefert der Funktionsgenerator (33-XX). Wert von C: Spulennummer: b) Bestimmen Sie zunächst mit dem Funktionsgenerator (konstante Amplitude von 2 V mittels 1-XX nachregeln) durch indirekte Messung des Stromes mittels eines Oszilloskops im Bereich zwischen 100 Hz und 3000 Hz die ungefähre Resonanzfrequenz. Berechnen Sie daraus den Messbereich gemäß V 1.5 für die nachfolgenden Messungen unter D 1.1 und D 1.2. Ungefährer Wert der Resonanzfrequenz: Geplanter Messbereich von f: c) Nehmen Sie nun mit Messpunkten die Frequenzgänge der Effektivwerte der Spannungen über den realen Bauelementen Widerstand (U Wid ), Spule (U Sp ) und Kondensator (U Kond ) auf. Die Messwertaufnahme erfolgt mit dem Programm MET-V5, die Funktionsweise entspricht dem Programm aus Versuch 4 und ist ggf. unter [2] nachzulesen. Die folgende Zuordnung der Multimeter ist dabei zwingend einzuhalten. 1. März von 5

3 Frequenz mit 1-XX(am Generator) U Wid mit 2-XX U Kond mit 4-XX I ges mit 5-XX U Sp mit 3-XX Messen Sie die Gesamtspannung mit einem Oszilloskop und regeln Sie sie am Funktionsgenerator auf eine konstante Amplitude von 2 V nach. Nehmen Sie den Ausdruck in den Anhang Ihres Laborberichtes auf. Die Messwertaufnahme erfolgt mit dem Programm MET-V5, die Funktionsweise entspricht dem Programm aus Versuch 4 und ist ggf. unter [2] nachzulesen. D 1.2 (Freiwilliger Zusatzteil, kann die Note nur verbessern) Wiederholen Sie die Messungen aus D 1.1 mit einem auf R = 40 Ω (30-XX) vergrößerten Widerstand. D 1.3) a) Nehmen Sie Messpunkte der Frequenzgänge des Effektivwertes der Gesamtspannung U ges sowie der Spannungen über den drei enthaltenen Zweipolen der Schaltung aus D 1.1 bei Einspeisung eines Stromes mit einer konstanten Amplitude (ggf. nachregeln!) auf. Die einzustellende Stromamplitude erhalten Sie bei der Versuchsdurchführung. b) Wie halten Sie die Amplitude des Stromes konstant? Vorgegebener Wert von î: Die unter D 1.1 verwendete Zuordnung der Messgeräte bleibt im wesentlichen erhalten, lediglich das Multimeter 5-XX wird jetzt zur Messung der Gesamtspannung verwendet. Bitte beachten Sie, dass das zur Frequenzmessung verwendete DMM 1-XX bei kleinen Spannungen (unterhalb von ca. 150 mv) keine Frequenzanzeigen liefert. In diesen Fällen lesen Sie die Frequenz direkt am Funktionsgenerator 33-XX ab und tragen sie manuell in das Feld links unten in der Maske des Messwerterfassungsprogramms ein. Es ist möglich, dass der Generator am unteren oder/und oberen Ende des Frequenzbereichs den geforderten Strom nicht liefern kann. Dann können Sie nur in einem entsprechend eingeschränkten Frequenzbereich messen. A 1.1) Stellen Sie mittels der Messwerte aus D 1.1 d) die Frequenzgänge der unter V 1.2 beschriebenen Größen jeweils in einem gemeinsamen Diagramm b) über einer logarithmisch geteilten Frequenzachse dar. Wählen Sie jeweils den Frequenzbereich so, dass die Resonanzfrequenz etwa in der Mitte der Frequenzachse liegt. Markieren Sie jeweils die aufgenommenen Messpunkte. c) Diskutieren Sie Abweichungen vom erwarteten Verlauf. A 1.2)(Nur, wenn D 1.2 durchgeführt wurde) Stellen Sie mittels der Messwerte aus D 1.2 die Frequenzgänge der unter V 1.2 beschriebenen Größen jeweils in einem gemeinsamen Diagramm b) über einer logarithmisch geteilten Frequenzachse dar. Wählen Sie jeweils den Frequenzbereich so, dass die Resonanzfrequenz etwa in der Mitte der Frequenzachse liegt. Markieren Sie jeweils die aufgenommenen Messpunkte. 1. März von 5

4 c) Beschreiben und begründen Sie die Abweichungen zwischen den Ergebnissen von A 1.1 und A 1.2. A 1.3) Stellen Sie mittels der Messwerte aus D 1.3 a) die Frequenzgänge der Effektivwerte von Gesamtspannung sowie der Spannungen über der Spule und dem Kondensator jeweils in einem gemeinsamen Diagramm b) über einer logarithmisch geteilten Frequenzachse dar. Wählen Sie jeweils den Frequenzbereich so, dass die Resonanzfrequenz etwa in der Mitte der Frequenzachse liegt. Markieren Sie jeweils die aufgenommenen Messpunkte. c) Diskutieren Sie größere Abweichungen vom erwarteten Verlauf. A 1.4) a) Lesen Sie sowohl aus den Ergebnissen von A 1.1 als auch aus denen von A 1.3 nachvollziehbar die unter V 1.3 genannten Kenngrößen des Schwingkreises ab und stellen Sie sie in Tabelle 1.1 einander gegenüber. Tabelle 1.1: Kenngrößen des untersuchten Schwingkreises nach A 1.1 bzw. A 1.3 Kenngröße ermittelter Wert nach A 1.1 ermittelter Wert nach A 1.3 Resonanzfrequenz f res untere Grenzfrequenz f gu obere Grenzfrequenz f go Bandbreite B Güte Q b) Diskutieren Sie Abweichungen zwischen den aus A 1.1 bzw. A 1.3 gewonnenen Kenngrößen. A 1.5)(Freiwilliger Zusatzteil, kann die Note nur verbessern) a) Bestimmen Sie, unter der Annahme idealer Bauteile, aus den in D 1.1 aufgenommenen Messwerten den Phasenverlauf der Gesamtspannung und stellen diesen in einem Diagramm dar. b) Berechnen Sie, unter der Annahme idealer Bauteile, aus den in D 1.1 gewonnenen Messwerten den Real- und Imaginärteil der Impedanz des Schwingkreis und stellen die Ortskurve dar. c) Diskutieren Sie Abweichungen vom erwarteten Verlauf. 1. März von 5

5 2 Rückmeldung zum Inhalt des Laborversuchs A 2.1) Was hat Ihnen an diesem Versuch besonders gut gefallen? A 2.2) Welche konkreten Verbesserungsvorschläge haben Sie für diesen Versuch? Literatur [1] Harriehausen, T. ; Schwarzenau, D.: Moeller Grundlagen der Elektrotechnik. Bd. 23. Auflage. Springer Vieweg, ISBN [2] Meier, P.: Bedienhinweise für die Programme MET-V4 und MET-V5. Wolfenbüttel: Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften, Fakultät Elektrotechnik, GeraetebeschreibungenPDF/Messwertaufnahme_V4V5.pdf, Abruf: März von 5