Fakultät für Technik Bereich Informationstechnik Versuch 4 Transformator und Gleichrichtung SS 2009 Name: Gruppe: Version ankreuzen 1 2 Erstelldatum Zu korrigierende Seiten Korrektur- Datum Version ankreuzen Erstelldatum Korrektur- Datum Versuch bestanden Ja/Ne Unterschrift 3 Alte Versionen sd vollständig mit abzugeben: Bei Version 2 ist Version 1 mit abzugeben und vor Version 1 zu heften. Bei Version 3 ist Version 1 und 2 mit abzugeben und vor Version 2 und 1 zu heften. Bei nur wenigen Korrekturen ohne Seitenumbrüche genügt es nur die neuen Seiten vor den Altversionen ezuheften Kriterien für Akzeptanz des Protokolls: - Alle Aufgaben, Fragen etc. vorhanden und korrekt bearbeitet - Akzeptable Form (Anordnung, Aufbau, genieursgerechte Formulierungen, ) - Alle Zeichnungen, Diagramme etc. OK (Achsenbeschriftung, Skalierung, Maßstab, ) - Alle Ergebnisse etc. nachvollziehbar berechnet und diskutiert
2 1 Allgemees Der Übungstransformator dient zur quantitativen Untersuchung und Demonstration der Eigenschaften und Gesetzmäßigkeiten des technischen Ephasen-Transformators und der Stromgleichrichtung. Stichworte zur Vorbereitung: - Transformator - Gleichrichtung mit Dioden und Brückengleichrichtern - Wechselstromparameter Bei eigen Aufgaben sollen Sie een Schaltplan der Versuchanordnung skizzieren. In 5 fden Sie dazu jeweils den przipiellen Aufbau der Versuchsanordnung eer nicht ganz üblichen Darstellungsweise. Skizzieren Sie bitte Ihrem Messprotokoll die Schaltpläne der Versuchanordnung nochmals der Ihnen aus den Vorlesungen bekannten Darstellungsweise. 2 Theoretische Vorbereitung Folgende Fragen sollten Sie als Vorbereitung bearbeiten und beantworten können. Zu Begn des Labors wird die Vorbereitung kontrolliert. Mangelnde Vorbereitung bedgt den Ausschluss vom Labor. Skizieren Sie das Przipschema ees Transformators und beschreiben Sie die Funktionsweise. Wie fdet die Energieübertragung eem Transformator statt und warum überträgt e Transformator nur Wechselspannung bzw. -strom? Antwort: Was verstehen Sie unter dem Begriff Potentialtrennung? Antwort:
3 Skizieren Sie een Eweggleichrichter und erläutern Sie anhand der Spannungsverläufe die Funktionsweise. Antwort: Was versteht man unter dem Effektivwert ees Wechselstromes? Antwort:
4 3 Versuchsdurchführung 3.1 Eführung Jeder Laborplatz besteht aus eem digitalen Speicheroszilloskop, eem Labornetzteil, zwei digitalen Vielfachmessgeräten (Multimeter), eem Stelltrafo für verschiedene 50 Hz Wechselspannungen, eem Übungstransformator entsprechend Fig.1 Kapitel 5, eer Plate (Widerstandsbrett) mit Hochlastwiderständen, Prüfspitzen und Kabel sowie verschiedenen Bauteilen (Widerstände, Kondensatoren, Dioden, Gleichrichter, usw.) kl. Steckbrett. Dokumentieren Sie Tabelle 3.1 den Typ und sofern vorhanden die Seriennummern der verwendeten Geräte. Tabelle 3.1: Liste der verwendete Geräte Gerät Typ Seriennummer Speicheroszilloskop Labornetzteil Multimeter Multimeter Stelltrafo Übungstransformator 3.2 Induktiver Widerstand und Induktivität Ermitteln Sie den Induktiven Widerstand X L und die Induktivität L Abhängigkeit von der Stromstärke (s. Kapitel 5 Gebrauchsanweisung des Übungstransformators Fig. 8.1) und tragen Sie den Induktiven Widerstand und die Induktivität e Diagramm e. Diskutieren Sie Ihre Ergebnisse. Schaltplan der Versuchsanordnung: Herleitung der Formel zur Berechnung des duktiven Widerstands und der Induktivität:
5 Messergebnisse und Berechnung des duktiven Widerstands und der Induktivität: Tabelle 3.2: Induktiver Widerstand X L und Induktivität L Abhängigkeit von U und I U eff V I eff ma X l Ohm L H Diagramm: Auswertung: - Diskussion der Ergebnisse - Bewertung der Ergebnisse - Vergleich der Ergebnisse mit der Literatur 3.3 Hysteresekurve Messen Sie die Hysteresekurve entsprechend Fig. 9 Kapitel 5. Verwenden Sie aber abweichend von Fig. 9 die Widerstände 47 Ω statt 1 Ω und die Kapazität 47 µf statt 4,7 µf. Verifizieren Sie das Schirmbild Ihres Oszilloskops anhand Abbildung 3.1 und diskutieren Sie Ihre Ergebnisse. Schaltplan der Versuchsanordnung:
6 Abbildung 3.1: Bestimmung der Hysteresekurve Auswertung (Abbildung 3.1 verwenden): - Diskussion der Ergebnisse - Bewertung der Ergebnisse - Vergleich der Ergebnisse mit der Literatur 3.4 Spannungstransformation Untersuchen Sie die Spannungstransformation am unbelasteten Transformator (analog Fig. 3 Kapitel 5 mit U = 4 V statt mit U = 3 V und ohne Widerstand) für die Fälle primär : sekundär 1:1, 2:1, 1:2. Verifizieren Sie das theoretische Übertragungsverhältnis (Formel) durch Messung von Egangs- und Ausgangsspannung mit Multimetern und begründen Sie eventuelle Abweichungen hiervon.
7 Schaltplan der Versuchsanordnung: Herleitung der Formel zur Berechnung des Übertragungsverhältnisses: Ü = Messergebnisse und Berechnungen zur Spannungstransformation: Tabelle 3.3: Spannungstransformation am unbelasteten Transformator N 1 N 2 Übertragungsverhältnis 300 300 1 : 1 1,0 300 150 2 : 1 2,0 150 300 1 : 2 0,5 Ü U 1 primär V U 2 sekundär V U 1 /U 2 Bem.: U 1 ca. 4 V; alle Spannungen mit Nachkommastellen messen und notieren Auswertung: - Diskussion der Ergebnisse - Bewertung der Ergebnisse - Vergleich der Ergebnisse mit der Literatur 3.5 Trenntransformator Trenntransformator entsprechend Fig. 4 Kapitel 5. Erklären Sie den przipiellen Unterschied ees Trenntransformators zu eem gewöhnlichen Transformator, wie er z.b. bei der Spannungstransformation egesetzt wird. Wo und weshalb setzt man Trenntransformatoren e? Beantwortung der Fragen:
8 3.6 Spartransformator Spartransformator entsprechend Fig. 5 Kapitel 5. Erklären Sie den przipiellen Unterschied ees Spartransformators zu eem gewöhnlichen Transformator, wie er z.b. bei der Spannungstransformation egesetzt wird. Wo und weshalb setzt man Spartransformatoren e? Beantwortung der Fragen: 3.7 'Harter' und 'Weicher' Transformator Vergleichen Sie den 'Harten'und 'Weichen'Transformator entsprechend Fig. 6.1 und 6.2 Kapitel 5 Bezug auf die Abhängigkeit der Sekundärspannung vom Sekundärstrom, d.h. Abhängigkeit von der Belastung (Fig. 6.3 Kapitel 5). Verwenden Sie hier als Belastungswiderstände das Widerstandsbrett mit den Hochlastwiderständen sowie R = 0Ω und R mit eer Primärspannung U 1 von 3 V. Tragen Sie U 2 über I 2 für beide Transformatoren e Diagramm e und diskutieren Sie Ihre Messergebnisse (Auswertung wie Fig. 6.3 Kapitel 5). Schaltplan der Versuchsanordnung: Messergebnisse zu Harter und Weicher Transformator: Tabelle 3.4: Vergleich `Harter` und `Weicher` Transformator R Ohm 100 47 10 4,7 0 Weicher Transformator U 2 sekundär V I 2 sekundär ma Harter Transformator U 2 sekundär V I 2 sekundär ma Bem.: Werte mit Nachkommastellen Diagramm:
9 Auswertung: - Diskussion der Ergebnisse - Bewertung der Ergebnisse - Vergleich der Ergebnisse mit der Literatur 3.8 Stromtransformation bei Kurzschluss Stromtransformation bei Kurzschluss entsprechend Fig. 7 Kapitel 5. Erklären Sie die beiden Begriffe Kurzschlussspannung und Kurzschlussstrom. Können Sie mit Ihrem Versuchsaufbau die Kurzschlussspannung bestimmen? Schaltplan der Versuchsanordnung: Auswertung: - Diskussion der Ergebnisse - Bewertung der Ergebnisse - Vergleich der Ergebnisse mit der Literatur
10 3.9 Gleichrichtung mit eer Diode Verwenden Sie bei diesem Versuch und allen folgenden Versuchen den Übungstransformator mit eem Übertragungsverhältnis von 1:1 und eer Egangsspannung von 6V. Führen Sie die Messungen auf dem Steckbrett durch! Verwenden Sie dazu die vorhandenen Bauteile. Verifizieren Sie Ihre Ergebnisse anhand der Oszillogramme Abbildung 3.2. Messen Sie die kapazitätsgepufferte Gleichrichtung mit eer Diode unter verschiedenen Bedgungen; es ist jeweils die Ausgangsspannung (Größe und Welligkeit) zu notieren. Stellen Sie aus Abbildung 3.2 drei typische Fälle gegenüber und diskutieren Sie anhand dieser Fälle das Verhalten bei Gleichrichtung mit eer Diode. An Kondensatoren sd die Werte 0 F, 10 nf, 100 nf, 47 µf und 470 µf zu verwenden. Die Lastwiderstände bauen Sie am besten mit eem Schalter e, was die Messungen erleichtert. Verwenden Sie für alle genannten Kapazitätswerte een Lastwiderstand R L = 10 kω; messen Sie die beiden Kapazitäten 47 µf und 470 µf zusätzlich mit R L = 470 Ω. Zeichnen sie die Welligkeiten über C für R L = 10 kω e Diagramm e und diskutieren Sie die Ergebnisse. Achtung!! Bei der Gleichrichtung bedeutet e 0 µf Kondensator nicht, dass ee Brücke zu verwenden ist. Dies führt zu eem Kurzschluss, der die Dioden zerstört. Schaltplan der Versuchsanordnung: Messergebnisse zu Gleichrichtung mit eer Diode: Tabelle 3.5: Gleichrichtung mit eer Diode R L kω C µf 10 ke bzw. 0 10 0,01 10 0,1 10 47 10 470 0,47 47 0,47 470 Welligkeit V Effektivwert V
11 Oszillogramme bei Gleichrichtung mit eer Diode und verschiedenen R L und C: R L = 10 kω; C = 0 µf; DC/DC R L = 10 kω; C = 0,01 µf; DC/DC R L = 10 kω; C = 47 µf; DC/DC R L = 10 kω; C = 47 µf DC/AC R L = 10 kω; C = 470 µf; DC/AC R L = 0,47 kω; C = 47 µf; DC/DC Abbildung 3.2: Gleichrichtung mit eer Diode und verschiedenen R L und C
12 Diagramm aus Tabelle 3.5 für R L = 10 kω: Auswertung: - Diskussion der Ergebnisse (aus Diagramm und Oszi-Bildern) - Bewertung der Ergebnisse - Vergleich der Ergebnisse mit der Literatur 3.10 Symmetrische Ausgangsspannungen Für bestimmte elektronische Bauteile und Baugruppen, wie z.b. Operationsverstärker, wird ee symmetrische Versorgungsspannung, d.h. U + und U - benötigt. Bauen Sie ee solche Stromversorgung mit 2 Dioden und jeweils der Kapazität 470 µf und R L = 10 kω auf. Verwenden Sie bitte folgende Anschlüsse entsprechend Fig.1 Kapitel 5 : U + an d 2, U - an c 1, Masse an d 1 und c 2. Skizzieren Sie Ihren Aufbau und messen Sie die beiden Spannungen U + und U -. Schaltplan der Versuchsanordnung: Messergebnisse: U + = U - = Auswertung: - Diskussion der Ergebnisse - Bewertung der Ergebnisse - Vergleich der Ergebnisse mit der Literatur
13 3.11 Brückengleichrichtung Bauen Sie ee Brückengleichrichtung mit eem Pufferkondensator von 47 µf auf. Bestimmen Sie die Effektivspannung und die Welligkeit ohne Last und mit den Lastwiderständen 100 kω, 47 kω, 10 kω, 470 Ω sowie 100 Ω. Stellen Sie aus Abbildung 3.3 drei typische Fälle gegenüber und diskutieren Sie anhand dieser Fälle das Verhalten bei Brückengleichrichtung. Zeichnen Sie die Welligkeit Abhängigkeit von R L e Diagramm e und diskutieren Sie die Ergebnisse. Schaltplan der Versuchsanordnung: Messergebnisse zu Brückengleichrichtung: Tabelle 3.6: Brückengleichrichtung R L kω C µf 0,1 47 0,47 47 10 47 47 47 100 47 47 Welligkeit V Effektivwert V
14 Oszillogramme bei Brückengleichrichtung für verschiedenen R L : R L = 0 kω; C = 0 µf; DC R L = 0,1 kω; C = 47 µf; AC R L = 0,470 kω; C = 47 µf; AC R L = 10 kω; C = 47 µf AC Abbildung 3.3: Brückengleichrichtung bei verschiedenen R L Diagramm aus Tabelle 3.6: Auswertung: - Diskussion der Ergebnisse - Bewertung der Ergebnisse - Vergleich der Ergebnisse mit der Literatur
15 3.12 Analyse von Oszilloskop-Signalen In diesem Versuchsteil sollen Sie mit Hilfe ees Tabellenkalkulationsprogramms e verrauschtes und digitalisiertes Sussignal untersuchen. Die gemessen Werte des Signals fden Sie der Datei Messwerte.txt, welche Sie im Downloadbereich der Versuchsunterlagen fden. Ihre Aufgabe ist es, e Sussignal an die Messwerte zu fitten, die Differenz beider Signale zu bestimmen und das Ergebnis visuell darzustellen. Des Weiteren sollen der Mittelwert und die Summe der so ermittelten Differenz berechnet werden. Ee Hilfe dazu fden Sie 4.
16 Die folgenden Teile brauchen nicht ausgedruckt und abgegeben zu werden! 4 Hilfestellung zu Excel Kopieren Sie sich als erstes die vorgegebenen Messwerte aus der Datei Messwerte.txt ee Excel Tabelle. Mit der Versuch 1 erlernten Vorgehensweise zur Simulation ees Sussignals können Sie versuchen, durch Variation der Amplitude und der Frequenz, ee Susfunktion zu fden die grob zu den Messwerten passt. Die passenden Werte für Amplitude und Frequenz lassen sich am leichtesten mit Hilfe ees Diagramms fden. Deshalb sollten Sie als nächsten Schritt die 2 Signale eem Diagramm darstellen. Die Vorgehensweise sollte aus Versuch 2 klar se. Berechnen Sie nun die Differenz der Signale Messwerte und Fit. E Beispiel, wie Ihre Excel Tabelle aussehen könnte, fden Sie Abbildung 4.1. Die Differenz der beiden Signale soll im gleichen Diagramm dargestellt werden, wie die Signale selbst. Dafür ist ee zweite y-achse mit anderer Skalierung von Vorteil. Fügen Sie zuerst die Datenreihe das Diagramm e, markieren diese mit eem Rechtsklick und gehen auf Datenreihen formatieren. Im Reiter Achsen weisen Sie der Datenreihe die Sekundärachse zu. Skalieren und beschriften Sie die Achsen so, dass Ihr Diagramm etwa Abbildung 4.2 entspricht. Zum Schluss berechnen Sie noch den Mittelwert und die Summe der Differenz. Abbildung 4.1: Excel Tabelle Vergleich Oszi - Excel-Simulation U/V 15 1,50 Diff 10 1,25 5 0-5 1,00 0,75 0,50 Messwerte Fit Diff (MW-Fit) -10 0,25-15 0,00 0 0,5 1 1,5 2 t/ms Abbildung 4.2: Excel Diagramm
17 5 Gebrauchsanweisung des Übungstransformators
18 d2 d1 c2 c1
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