niversity of Applied Sciences Cologne Fakultät 07: nformations-, Medien- & Elektrotechnik nstitut für Elektrische Energietechnik Laboratorium für Grundlagen Elektrotechnik Versuch 1 1.1 Aufnahme von Widerstandskennlinien 1.2 Ermittlung des Temperaturkoeffizienten α 1.3 Ermittlung des nnenwiderstandes einer Spannungsquelle 1.4 Widerstandsmessung an einer Diode Gruppe: Protokollführer: Teilnahmetestat: Versuchstermin: Abgabetermin: Name: Vorname: Matr.-Nr. Anerkennungstestat:
Grundlagen Begriffserklärung: Als linear bezeichnet man Widerstände, bei denen sich der hindurchfließende Strom proportional zur anliegenden Spannung verhält. Als nichtlinear werden alle anderen Widerstände bezeichnet, die dieses Verhalten nicht aufweisen. Verschiedene Widerstandswerkstoffe sind auch in unterschiedlichem Maße von ihrer Temperatur abhängig (also nicht-linear). Man unterscheidet das Verhalten in: PTC (Positive Temperature Coefficient) Werkstoffe deren Widerstand mit steigender Temperatur auch steigt NTC (Negative Temperature Coefficient) Werkstoffe deren Widerstand mit steigender Temperatur sinkt n welcher Weise und wie extrem sich der Widerstandswert in Abhängigkeit von der Temperatur ändert gibt der Temperaturkoeffizient α an. Ausgehend von einer Temperatur von C ändert sich ein Widerstandswert um den Faktor α pro Kelvin. Es gilt: ( 1 + α ϑ) ( X C) X + α 14243 X ϑ wobei X Widerstandswert bei der Temperatur X in Ω und X Temperatur des Widerstandes in C Auch Spannungs- und Stromquellen besitzen einen Widerstand, den man sich allerdings nicht als konkretes Bauteil vorstellen darf. Man kann eine Spannungsquelle jedoch durch folgendes Ersatzschaltbild charakterisieren: Mit q : Quellenspannung : nnenwiderstand Für den Leerlauf gilt: Bei Kurzschluß gilt: 0 q Kl q KL q i nstitut für Elektrische Energietechnik Stand : 04.04 1
Dioden sind Halbleiterbauelemente ( Vorlesung Elektr. Bauelemente) und wirken wie ein Ventil im Stromkreis. Bei einer idealen Diode kann der Strom in Durchlass- ichtung ungehindert fließen, nicht jedoch in Sperrrichtung. Bei der realen Diode fließt auch in Sperr-ichtung ein kleiner Strom (Sperrstrom), d.h. die Diode erreicht keinen unendlichen Widerstandswert. n Durchlass-ichtung ist auch ein Widerstand vorhanden, der zudem noch nichtlinear ist. Bei vielen Anwendungen ist das Verhalten der Diode in Durchlass-ichtung relevant und kann nicht einfach durch DODE angegeben werden. Es ist entscheidend wie sich der D Strom in Abhängigkeit von der Spannung ändert. Das Verhältnis einer kleinen Dioden-Kennlinie Spannungsänderung zu der dazugehörigen Stromänderung nenn man differentiellen Widerstand diff. diff S 0 D Versuchsdurchführung 1.1 Aufnahme von Widerstandskennlinien Gegeben sind je ein Kupfer-, Konstantan- und Wolframleiter. An diese wird jeweils eine Gleichspannung von 0 24 V angelegt die Schrittweite soll 4 V betragen. Beim Wolframleiter sind zusätzlich die Messpunkte 0,5 V ; 1 V ; 2 V ; 3 V ; 5 V ; 6 V aufzunehmen. Diese Spannungs- und ihre zugehörigen Stromwerte sind in eine Tabelle einzutragen und deutlich als Messpunkte in einem --Diagramm auf Millimeterpapier einzuzeichnen. Die jeweilige Widerstands-Kennlinie des Materials wird zwischen den einzelnen Punkten in der Form hindurchgelegt, dass eine stetige Kurve entsteh NTC Linearer Widerstand PTC nstitut für Elektrische Energietechnik Stand : 04.04 2
1.2 Ermittlung des Temperaturkoeffizienten α Vorbereitung: Die Formel X + ( X C) berechnet werden kann. α ist so umzustellen, dass α Durchführung: Die Widerstände der aufgewickelten Leiterwerkstoffe sind mittels Strom- und Spannungsmessung zu ermitteln. Dies soll zum einen bei ca. 0 C im Eiswasser und zum anderen bei ca.100 C in kochendem Wasser geschehen. Aus den aufgenommenen Messwerten bei ungefähr 0 C und 100 C ist nun α zu bestimmen. Anhand α und einschlägiger Literatur (Tabellenbuch) kann nun das Material der Leiter bestimmt werden. Tip: Aus zwei Gleichungen (bei 0 C und 100 C) können die zwei nbekannten α und berechnet werden. 1.3 Ermittlung des nnenwiderstandes einer Spannungsquelle Von einer gegebenen Gleichspannungsquelle sind nnenwiderstand und Quellenspannung zu ermitteln und die Strom-Spannungs-Kennlinie aufzuzeichnen (Millimeterpapier). n unserem Fall soll kein Kurzschluss hergestellt werden. Anstatt dessen wird ein Lastwiderstand in eihe geschaltet und unter variabler Last gemessen. Der Widerstand L ist nur so weit zu verkleinern, dass die Klemmenspannung KL den Minimalwert von 0,75 q nicht unterschreitet, da sonst die Spannungsquelle wegen des zu großen Stromes beschädigt wird. m zu große Erwärmung und Schäden zu vermeiden, müssen die Messungen möglichst schnell durchgeführt werden! q nter Belastung gilt: i q + L KL i L nstitut für Elektrische Energietechnik Stand : 04.04 3
Es ist zu berechnen: a) der nnenwiderstand i b) der Kurzschlussstrom K c) die Klemmenspannung KL, die vorhanden wäre, wenn durch den Lastwiderstand ein Strom von 0,8 A fließt. q 0 d) KL unter der Voraussetzung, dass eine weitere Spannungsquelle mit gleicher Quellenspannung q und einem nnenwiderstand von 1,7 Ω parallelgeschaltet wird. Der Strom durch L soll dabei 1,1 A betragen. i KL K 1.4 Widerstandsmessung an einer Diode V D D a) Bei einer in Sperr-ichtung geschalteten Diode ist der Sperrstrom bei 25 V zu messen. b) n Durchlass-ichtung geschaltet wird nun die Diodenspannung D im Bereich von 640 mv 840 mv jeweils um mv verändert. Es sind hierbei die Werte D, D,,, und diff zu messen bzw. zu errechnen und in eine Tabelle einzutragen. c) Aus den Werten D und D ist die Dioden-Kennlinie auf Millimeterpapier zu zeichnen. nstitut für Elektrische Energietechnik Stand : 04.04 4