1

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

1

Dipl.-Ing. (FH) Sven Slawinski,

Dipl.-Ing. (FH) Denny Ehrler

sven.slawinski@fh-zwickau.de Tel.: +49 (0) 375 536 1405

denny.ehrler@fh-zwickau.de Tel.: +49 (0) 375 536 1497

y://Lehre/Etechnik/Ehrler bzw. Slawinski

Einführungsveranstaltung

Grundlagen der Praktika

Zwickau, 20.09.2012

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

2

Inhalt

Messgeräte

Handmultimeter

Tischmultimeter

Leistungsmesser

Oszilloskope

Anwendung der Messgeräte

Messung Strom, Spannung, Leistung

Messung von Signalverläufen

Praktika

Zielstellung

Versuchsvorbereitung und Versuchsdurchführung

Versuchsauswertung

2

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

3

Messgeräte Handmultimeter

- Spannung

- DC 0,1 V – 1000 V

- AC 0,1 V – 750 V (??? 750 V ?)

- Strom

- (1) DC/AC 0,1 A – 0,3 A

- (2) DC/AC 0,1 A – 10,0 A

- Widerstand

- 10 mΩ – 1 MΩ

- Auflösung (Genauigkeit)

- Je nach Messbereich/Modell

- 1 mV, 10 mV, …, 1V

- AC Effektivwert bei 50 Hz Sinus

- True RMS größerer Frequenzbereich Quelle: www.elsinger.at

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

4

Messgeräte Effektivwert / Spitzenwert

𝑈𝑆 = 2 ∙ 𝑈𝑒𝑓𝑓

𝑈𝑆 = 2 ∙ 230𝑉 = 325,3𝑉

𝑈𝑆 = 2 ∙ 750𝑉 = 1060,7𝑉

Effektive DC-Leistung an einem Ohm'schen Widerstand entspricht

der mittleren AC-Leistung an demselben Widerstand.

Quelle: www.dj4uf.de & www.elektroniktutor.de

𝑈𝑆 = 3 ∙ 580𝑉 = 1004,6𝑉

3

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

5

Messgeräte Effektivwert / Spitzenwert

Einfache Messgeräte nur 50 Hz Sinus

True RMS (Root Mean Square)

Wahrer Effektivwert

- Für verschiedene Signalformen (Dreieck, Rechteck, usw.)

- Für verschiedene Frequenzen

Quelle: www.elektroniktutor.de

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

6

Messgeräte Handmultimeter

- Anzeige

- Wahlschalter U, I, R, Diode, …

- Messbuchsen

4

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

7

Messgeräte Handmultimeter

Messbuchsen

Strom bis 10 A Strom bis 300 mA Spannung bis 1000 V

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

8

Messgeräte Tischmultimeter

- Effektivwert meist True RMS

- Frequenzbereich je nach Type (Preis)

- Spannung

- DC 20 mV – 1000 V

- AC 20 mV – 750 V

- Strom

- (1) DC/AC 20 mA – 0,5 A

- (2) DC/AC 0,5 A – 10,0 A

- Auflösung (Genauigkeit)

- Je nach Messbereich

- 10 µV, 100 µV, …, 10 mV

5

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

9

Messgeräte Tischmultimeter

- Anzeige

- Wahlschalter

U, I, R, Diode, … | Messbereiche

Messbuchsen

- Spannung & Strom bis 200 mA

- Strom bis 10 A

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

10

Messgeräte Leistungsmesser

- Spannung

+

- Strom über Stromzange

Quelle: www.sv-koch.de

6

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

11

Messgeräte Oszilloskop

- Spannung / Signalverlauf

- DC/AC 1,0 mV/Div – 10 V/Div

- Mit Tastkopfteiler 1:10

- DC/AC 10,0 mV/Div – 100 V/Div

- Strom nur über Mess-Shunt (Widerstand)

oder Stromzange

Quelle: www.datumtest.com

Quelle: http://doc.es.aau.dk

Quelle: www.messweb.de

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

12

Inhalt

Messgeräte

Handmultimeter

Tischmultimeter

Leistungsmesser

Oszilloskope

Anwendung der Messgeräte

Messung Strom, Spannung, Leistung

Messung von Signalverläufen

Praktika

Zielstellung

Versuchsvorbereitung und Versuchsdurchführung

Versuchsauswertung

7

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

13

Anwendung Spannungsmessung

U = ?

12 V 10 Ω

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

14

Anwendung Strommessung

12 V 10 Ω

I = ?

𝐼 =𝑈

𝑅=

12𝑉

10Ω= 1,2A

8

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

15

Anwendung Strommessung

𝐼 =𝑈

𝑅=

12𝑉

20𝑚Ω= 600A

Kurzschluss der Batterie

Quelle: www.pewa.de

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

16

Anwendung

Aufteilung der Arbeitsumgebungen in Kategorien

Quelle: www.elektrofachkraft.de

9

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

17

Messgeräte Leistungsmessung

Quelle: www.sv-koch.de

Stromzange Messspitze (+)

Messspitze (-)

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

18

Anwendung

Verwendung des Oszilloskops

Allgemeines

10

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

19

Anwendung Oszilloskop

Vertikal

Amplitudenteilung (Y-DIV)

Horizontal

Zeitteile (X-DIV)

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

20

Anwendung Oszilloskop Anzeige

Amplitude (Y)

in V/DIV

Zeit (X)

In s/DIV

DIV

Quelle: www.doctronics.co.uk

DIV

11

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

21

Anwendung Oszilloskop Anzeige

Quelle: www.ls.haw-hamburg.de

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

22

Anwendung Oszilloskop Masseproblem

Überbrückung R2

Strom steigt

Folgen:

Falscher Messwert

Zerstörung Schaltung /Oszilloskop

Quelle: www.datec.de

12

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

23

Anwendung Oszilloskop Masseproblem

Überbrückung R2

Strom steigt

Folgen:

Falscher Messwert

Zerstörung Schaltung /Oszilloskop

X

Quelle: www.datec.de

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

24

Anwendung

𝑓 =1

𝑡

Oszilloskop Masseproblem

Lösung: Potentialtrenner

13

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

25

Anwendung

Oszilloskop grundlegende Bedienung

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

26

Anwendung

Verwendung des Oszilloskops

Anwendung

14

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

27

Anwendung

Oszilloskop Anwendung an Beispielschaltung

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

28

Anwendung

Oszilloskop Nullpunkteinstellung

15

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

29

Anwendung

Oszilloskop Nullpunkteinstellung

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

30

Anwendung

Oszilloskop Nullpunkteinstellung

16

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

31

Anwendung

Darstellung des AC-Anteils

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

32

Anwendung

Darstellung mit DC-Anteil

17

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

33

Anwendung

Darstellung mit DC-Anteil

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

34

Anwendung

Display optimal Nutzen

18

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

35

Anwendung

Oszilloskop Zeiteinstellung

𝑓 =1

𝑇

Beispiel für 50 Hz

𝑇 =1

50 𝐻𝑧= 20 𝑚𝑠

Anzeige hat 10 DIV

𝑡 =20 𝑚𝑠

10 𝐷𝐼𝑉= 2 𝑚𝑠/𝐷𝐼𝑉

Für die Darstellung einer Periode ist die

einzustellende Zeit Horizontal = 2 ms

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

36

Anwendung

Oszilloskop Zeiteinstellung

19

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

37

Anwendung

Oszilloskop Zeiteinstellung

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

38

Anwendung

Oszilloskop

Verwendung des Triggers

20

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

39

Anwendung

Oszilloskop Trigger

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

40

Anwendung

Oszilloskop Trigger

21

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

41

Anwendung

Oszilloskop Trigger

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

42

Anwendung

Oszilloskop Trigger

22

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

43

Anwendung

Oszilloskop

Durchführen von Messungen

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

44

Anwendung

Oszilloskop Cursor-Funktionen

23

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

45

Anwendung

Oszilloskop Cursor-Funktionen

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

46

Anwendung

Oszilloskop Cursor-Funktionen

24

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

47

Anwendung

𝑓 =1

1𝑚𝑠= 1000𝐻𝑧 = 1𝑘𝐻𝑧

Wie ist die Periodendauer?

𝑇 = 200µ𝑠

𝐷𝐼𝑉∙ 5𝐷𝐼𝑉 = 1 𝑚𝑠

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

48

Anwendung

Oszilloskop Messfunktionen

25

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

49

Anwendung

Oszilloskop Messfunktionen

10%

90%

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

50

Anwendung

Oszilloskop Messfunktionen

26

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

51

Anwendung

Oszilloskop Signalverbesserung

Achtung! Schmale Impulse können verloren gehen!

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

52

Anwendung

Oszilloskop Signalverbesserung

27

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

53

Anwendung

Oszilloskop Signalverbesserung

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

54

Inhalt

Messgeräte

Handmultimeter

Tischmultimeter

Leistungsmesser

Oszilloskope

Anwendung der Messgeräte

Messung Strom, Spannung, Leistung

Messung von Signalverläufen

Praktika

Zielstellung

Versuchsvorbereitung und Versuchsdurchführung

Versuchsauswertung

28

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

55

Praktika

Zielstellung

Warum werden Praktika durchgeführt?

Praktika sollen:

- Vorlesungen unterstützen

- Umgang mit Messmitteln schulen

- vielfältige Messmethoden aufzeigen

- Aufbereitung und Dokumentation wissenschaftlicher Versuche

vermitteln

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

56

Praktika

Wie können diese Ziele erreicht werden?

Das Praktikum gliedert sich in drei Teile:

- Versuchsvorbereitung

- Versuchsdurchführung

- Versuchsauswertung

29

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

57

Praktika

Versuchsvorbereitung

- Lesen und Analysieren der Versuchsanleitung

- Vorbereiten der notwendigen Messwerttabellen

- Ermitteln aller notwendigen Randparameter (Nennwerte, Grenzwert,

Schrittweiten …)

- Tiefgreifende Wiederholung der theoretischen Zusammenhänge

(Einen Anhaltspunkt geben die formulierten

Kolloquiumsschwerpunkte.)

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

58

Praktika

Versuchsdurchführung

- Aufbau des Versuchsstandes nach Versuchsanleitung

- Versuchsstand in Betrieb nehmen (nach Rücksprache mit dem

Betreuer)

- bei der Versuchsdurchführung sind zu notieren:

- Versuchs- bzw. Randbedingungen

- Messwerte der einzelnen Versuchsteile

- Beobachtungen, Erkenntnisse …

30

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

59

Praktika

Versuchsauswertung

- Deckblatt mit Versuchsbezeichnung, Datum, Bearbeiter und

Praktikumsgruppe

- Einleitung mit kurzer Erläuterung des Versuchszieles

- Darstellung des Versuchsaufbaues inklusive der verwendeten

Messgeräte

- Festhalten der Randbedingungen (Nennwerte, Parameter …)

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

60

Praktika

- Messergebnisse aufbereitet und in Tabelle darstellen

Bsp.: Versuch Grundstromkreis

geg.: Ri, RH, RR, Uq

zu messen: U1, U2, I in Abhängigkeit von Ra

31

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

61

I [A] U1 [V] U2 [V] Ri [W] RL [W] Ra [W] PV [W] Pa [W] Pg [W] η

0,0 90 90 0,0 0,0 0,0

0,3 85 84 16,7 3,3 280,0 1,8 25,2 27,0 0,93

0,4 84 70 16,3 33,8 175,0 8,0 28,0 36,0 0,78

0,5 82 66 16,0 32,0 132,0 12,0 33,0 45,0 0,73

0,6 81 61 15,0 33,3 101,7 17,4 36,6 54,0 0,68

0,8 78 52 15,0 32,5 65,0 30,4 41,6 72,0 0,58

1,0 74 44 16,0 30,0 44,0 46,0 44,0 90,0 0,49

1,2 71 35 15,8 30,0 29,2 66,0 42,0 108,0 0,39

1,4 68 26 15,7 30,0 18,6 89,6 36,4 126,0 0,29

1,6 65 17 15,6 30,0 10,6 116,8 27,2 144,0 0,19

1,8 62 8 15,6 30,0 4,4 147,6 14,4 162,0 0,09

2,0 58 2 16,0 28,0 1,0 176,1 3,9 180,0 0,02

gemessene Werte berechnete Werte

Praktika

𝜂 =𝑈2

𝑈𝑞 𝑅𝑖 =

𝑈𝑞 −𝑈1

𝐼

𝑅𝐿 =𝑈1 −𝑈2

𝐼

𝑅𝑎 =𝑈2

𝐼 𝑃𝑔 = 𝑈𝑞 ∙ 𝐼

𝑃𝑎 = 𝑈2 ∙ 𝐼

𝑃𝑉 = 𝐼 ∙ 𝑈𝑞 −𝑈2 Ri=(Uq-U1)/I 𝑃𝑔 = 𝑈𝑞 ∗ 𝐼

I [A] U1 [V] U2 [V]

0,0 90 90

0,3 85 84

0,4 84 70

0,5 82 66

0,6 81 61

0,8 78 52

1,0 74 44

1,2 71 35

1,4 68 26

1,6 65 17

1,8 62 8

2,0 58 2

Ri [W] RL [W] Ra [W] PV [W] Pa [W] Pg [W] η

0,0 0,0 0,0

16,7 3,3 280,0 1,8 25,2 27,0 0,93

16,3 33,8 175,0 8,0 28,0 36,0 0,78

16,0 32,0 132,0 12,0 33,0 45,0 0,73

15,0 33,3 101,7 17,4 36,6 54,0 0,68

15,0 32,5 65,0 30,4 41,6 72,0 0,58

16,0 30,0 44,0 46,0 44,0 90,0 0,49

15,8 30,0 29,2 66,0 42,0 108,0 0,39

15,7 30,0 18,6 89,6 36,4 126,0 0,29

15,6 30,0 10,6 116,8 27,2 144,0 0,19

15,6 30,0 4,4 147,6 14,4 162,0 0,09

16,0 28,0 1,0 176,1 3,9 180,0 0,02

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

62

Praktika

- Auswertung der Mess- bzw. Berechnungsergebnisse

- Diagramme

- Diskussion der Ergebnisse anhand der theoretischen

Zusammenhänge

32

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

63

Praktika

Diagramme

U [V]

I [A]

𝑈1 = −𝑅𝑖 ∙ 𝐼 + 𝑈𝑞

𝑈2 = − 𝑅𝑖 + 𝑅𝐿 ∙ 𝐼 + 𝑈𝑞

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

64

Praktika

Diagramme

33

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

65

𝑚𝑖𝑡 𝑈𝑞 = 90𝑉 = 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡

Praktika

Diskussion der Kennlinien

𝑈1 = −𝑅𝑖 ∙ 𝐼 + 𝑈𝑞

𝑈2 = − 𝑅𝑖 + 𝑅𝐿 ∙ 𝐼 + 𝑈𝑞 𝑅𝐿 = 28,4Ω = 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡.

𝑅𝑖 = 15,8Ω = 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡.

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

66

Diskussion der Kennlinie U2=f(I)

linear abfallende Gerade mit

- dem Schnittpunkt mit der y-Achse bei 90V (Leerlaufspannung)

- einem negativen Anstieg von 15,8W + 28,4W = 44,2W (d.h. 44,2V pro A)

- dem Schnittpunkt mit der x-Achse bei (Kurzschlussstrom am

Leitungsende)

𝐼 =𝑈𝑞

𝑅𝑖=

90𝑉

44,2Ω= 2,04𝐴

Praktika

Diskussion der Kennlinie U1=f(I)

linear abfallende Gerade mit

- dem Schnittpunkt mit der y-Achse bei 90V (Leerlaufspannung)

- einem negativen Anstieg von 15,8W (d.h. 15,8V pro A)

- dem Schnittpunkt mit der x-Achse bei (Kurzschlussstrom) 𝐼 =𝑈𝑞

𝑅𝑖=

90𝑉

15,8Ω= 5,7𝐴

𝑈1 = −𝑅𝑖 ∙ 𝐼 + 𝑈𝑞

𝑈2 = − 𝑅𝑖 + 𝑅𝐿 ∙ 𝐼 + 𝑈𝑞

𝑚𝑖𝑡 𝑅𝐿 = 28,4Ω = 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡. 𝑅𝑖 = 15,8Ω = 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡.

𝑈𝑞 = 90𝑉 = 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡

34

S. Slawinski, D. Ehrler

Einführungsveranstaltung Grundlagen der Praktika

67

Vielen Dank für Ihre

Aufmerksamkeit!