V8 : Messen elektrischer Größen

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1 IMR Prof. Dr.-Ing. O.Nelles MTL-V8 Messtechnik-Laboratorium V8 : Messen elektrischer Größen 8.1 Einführung Elektrische Schaltungen werden für unterschiedliche Aufgaben eingesetzt. Beispiele sind Netzgeräte zur Bereitstellung von Hilfsenergie und Messverstärker zur Verstärkung und Aufbereitung von Messsignalen. Die dort auftretenden elektrischen Größen wie Spannung, Strom und Widerstand werden mit elektrischen Messgeräten erfasst. In diesem Laborversuch werden typische Messprobleme und die Einsatzgebiete elektrischer Messgeräte behandelt. 8.2 Versuchsaufbau Mit dem vorhandenen Experimentierfeld können die elektrischen Schaltungen für die folgenden Teilversuche aufgebaut werden: - Belasteter Spannungsteiler - Wechselstrommessung - Einweggleichrichtung - Zweiweggleichrichtung Zur Messung stationärer Größen werden Vielfachmessgeräte eingesetzt. Mit einem Oszilloskop können zeitlich veränderliche Signale gemessen werden (siehe auch Versuch 6: Messen mit Oszilloskopen). V 8-1

2 8.3 Versuchsbeschreibung und -durchführung Belasteter Spannungsteiler Durch Strom- und Spannungsmessungen am unbelasteten und am belasteten Spannungsteiler (mit Brücke B r ) soll die Abhängigkeit der Teilerspannung U a vom Belastungswiderstand (auch Bürde genannt) untersucht werden. Dazu ist U a /U e in Abhängigkeit vom Spannungsteilerverhältnis für ein vorgegebenes Widerstandsverhältnis r = R/ zu ermitteln. R = α R(1-α)R I e A Ue (1 α) R B r U e s t a b = α R R U a - Bild 8.1: Spannungsteilerschaltung a) Zeigen Sie zur Vorbereitung des Versuchs, dass die Übertragungsfunktion des Spannungsteilers Ua/Ue = 1/(1/αr(1-α)) lautet. b) Der Spannungsteiler besitzt keine Skala, wie können Sie trotzdem die verschiedenen α einstellen? c) Wählen Sie zur Messung der Widerstände R und eines der beiden Multimeter aus. Beschreiben Sie die Vorteile der einzelnen Messgeräte und begründen Sie Ihre Auswahl. d) Messen Sie für die angegebenen Teilerverhältnisse α jeweils U a und tragen Sie die Ergebnisse U a /U e (α) für die gemessen Werte in die Tabelle 8.2 und das Diagramm 8.3 ein. V 8-2

3 Messung α Nr Ua ohne Belastung Ua mit Belastung Ie mit Belastung Ua/Ue Tabelle 8.2: Messwerte Ua/Ue 1 0,8 r = 0 r = 10 r = (theor.) r = (prakt.) 0,6 0,4 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1 α Diagramm 8.3: Funktion U a /U e (α) V 8-3

4 8.3.2 Wechselstrommessung Mit Hilfe eines Transformators wird die Netzspannung von 220V auf U TR reduziert. Diese Spannung kann über die Brücke B r mit den ohmschen Widerstand belastet werden. I eff A B r U T R U e f f U s s Bild 8.4: Ohmscher Widerstand im Wechselstromkreis a) Sie können den Widerstand auf zwei verschiedene Arten bestimmen/ messen. Welche wählen Sie? Begründen Sie Ihre Wahl. b) Messen Sie im unbelasteten Zustand die Spannung von Spitze zu Spitze (U SS ) und den Effektivwert der Spannung (U eff ). c) Belasten Sie den Transformator mit und messen Sie U SS, U eff und I eff. Berechnen Sie die effektive Leistung P eff? d) Kontrollieren Sie den rechnerischen Zusammenhang von U eff und U SS für den belasteten Fall. Bestimmen Sie den relativen Fehler. Belastungswiderstand = Trafo unbelastet: U SS = U eff = Trafo belastet: U SS = U eff = I eff = P eff = V 8-4

5 8.3.3 Einweggleichrichtung Zur Umformung der Wechselspannung in eine Gleichspannung wird auf der Sekundärseite des Transformators eine in Reihe geschaltete Diode als Gleichrichter eingesetzt. Auf diese Weise wird die negative Halbwelle der Sinusspannung unterdrückt. Mit Hilfe eines Elektrolytkondensators im Parallelzweig kann die gleichgerichtete Spannung geglättet werden. U T R D I O D E C L _ B r 1 B r 2 U = ^ U U B r Bild 8.5: Einweggleichrichterschaltung a) Stellen Sie mit den Brücken Br1 und Br2 die verschiedenen Betriebszustände her und messen Sie die sich ergebenden Spannungen. Tragen Sie diese in die Tabelle ein. Einweggleichrichter Û [V] U= [V] U BR ss [V] UBr eff [V] ohne ohne mit mit V 8-5

6 8.3.4 Zweiweggleichrichtung Ersetzt man die einzelne Diode durch eine Gleichrichterbrücke mit 4 Dioden, dann werden beide Sinushalbwellen gleichgerichtet. U TR - C L _ Br1 Br2 U= ^ U U Br Bild 8.6: Zweiweggleichrichterschaltung (Graetz-Schaltung) a) Stellen Sie mit den Brücken Br1 und Br2 die verschiedenen Betriebszustände her und messen Sie die sich ergebenden Spannungen. Tragen Sie diese in die Tabelle ein. Zweiweggleichrichter Û [V] U= [V] U BR ss [V] UBr eff [V] ohne ohne mit mit b) Vergleichen Sie die Messergebnisse mit der Einweggleichrichtung und erläutern Sie die Unterschiede. Von welchen Faktoren ist die Brummspannung abhängig? V 8-6

7 8.4 Gliederung des Versuchsprotokolls 1. Versuchsbeschreibung 2. Gleichstrommessung 2.1 Belasteter Spannungsteiler 3. Wechselstrommessung 4. Gleichrichterschaltungen 4.1 Einweggleichrichtung 4.2 Zweiweggleichrichtung 8.5 Hinweise Aufgabe 8.3.1a ist Bestandteil der Versuchsvorbereitung und wird zu Versuchsbeginn abgeprüft. Bei ungenügender Versuchsvorbereitung bzw. - durchführung kann das Endtestat verweigert werden. Zur Erzielung des Endtestates muss dann ein gemeinsames Gruppenprotokoll angefertigt werden. Verwenden Sie dabei die zu Beginn des Versuchs ausgegebene Teilnehmerliste als Deckblatt. Geben Sie das Protokoll in einem Hefter mit Klarsichtdeckel bis spätestens 14 Tage nach der Versuchsdurchführung ab. Es besteht nur eine einzige Korrekturmöglichkeit für das Protokoll Literaturverzeichnis siehe Versuch 6 V 8-7