Transformator und...

Labor Grundlagen Elektrotechnik Prof. Dr. K. Blankenbach Dipl.-Phys. Michael Bauer Version 8

Fakultät für Technik

Bereich Informationstechnik

Labor Grundlagen Elektrotechnik

Versuch 4

Transformator und Gleichrichtung

SS 2009

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- Alle Aufgaben, Fragen etc. vorhanden und korrekt bearbeitet - Akzeptable Form (Anordnung, Aufbau, ingenieursgerechte Formulierungen, …) - Alle Zeichnungen, Diagramme etc. OK (Achsenbeschriftung, Skalierung, Maßstab, …) - Alle Ergebnisse etc. nachvollziehbar berechnet und diskutiert

Labor Grundlagen Elektrotechnik 2


1 Allgemeines Der Übungstransformator dient zur quantitativen Untersuchung und Demonstration der Eigenschaften und Gesetzmäßigkeiten des technischen Einphasen-Transformators und der Stromgleichrichtung. Stichworte zur Vorbereitung: - Transformator - Gleichrichtung mit Dioden und Brückengleichrichtern - Wechselstromparameter Bei einigen Aufgaben sollen Sie einen Schaltplan der Versuchanordnung skizzieren. In 5 finden Sie dazu jeweils den prinzipiellen Aufbau der Versuchsanordnung in einer nicht ganz üblichen Darstellungsweise. Skizzieren Sie bitte in Ihrem Messprotokoll die Schaltpläne der Versuchanordnung nochmals in der Ihnen aus den Vorlesungen bekannten Darstellungsweise.

2 Theoretische Vorbereitung Folgende Fragen sollten Sie als Vorbereitung bearbeiten und beantworten können. Zu Beginn des Labors wird die Vorbereitung kontrolliert. Mangelnde Vorbereitung bedingt den Ausschluss vom Labor. Skizieren Sie das Prinzipschema eines Transformators und beschreiben Sie die Funktionsweise. Wie findet die Energieübertragung in einem Transformator statt und warum überträgt ein Transformator nur Wechselspannung bzw. -strom? Antwort: Was verstehen Sie unter dem Begriff Potentialtrennung? Antwort:



Skizieren Sie einen Einweggleichrichter und erläutern Sie anhand der Spannungsverläufe die Funktionsweise. Antwort: Was versteht man unter dem Effektivwert eines Wechselstromes? Antwort:



3 Versuchsdurchführung

3.1 Einführung Jeder Laborplatz besteht aus einem digitalen Speicheroszilloskop, einem Labornetzteil, zwei digitalen Vielfachmessgeräten (Multimeter), einem Stelltrafo für verschiedene 50 Hz Wechselspannungen, einem Übungstransformator entsprechend Fig.1 in Kapitel 5, einer Platine (Widerstandsbrett) mit Hochlastwiderständen, Prüfspitzen und Kabel sowie verschiedenen Bauteilen (Widerstände, Kondensatoren, Dioden, Gleichrichter, usw.) inkl. Steckbrett. Dokumentieren Sie in 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 XL und die Induktivität L in Abhängigkeit von der Stromstärke (s. Kapitel 5 Gebrauchsanweisung des Übungstransformators Fig. 8.1) und tragen Sie den Induktiven Widerstand und die Induktivität in ein Diagramm ein. Diskutieren Sie Ihre Ergebnisse. Schaltplan der Versuchsanordnung: Herleitung der Formel zur Berechnung des induktiven Widerstands und der Induktivität:



Messergebnisse und Berechnung des induktiven Widerstands und der Induktivität: Tabelle 3.2: Induktiver Widerstand XL und Induktivität L in Abhängigkeit von U und I

Ueff in V

Ieff in

mA

Xl in

Ohm

L in 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 in 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:



Abbildung 3.1: Bestimmung der Hysteresekurve Auswertung (Abbildung 3.1 verwenden): - Diskussion der Ergebnisse



3.4 Spannungstransformation Untersuchen Sie die Spannungstransformation am unbelasteten Transformator (analog Fig. 3 in 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 Eingangs- und Ausgangsspannung mit Multimetern und begründen Sie eventuelle Abweichungen hiervon.



Schaltplan der Versuchsanordnung: Herleitung der Formel zur Berechnung des Übertragungsverhältnisses:

Ü = Messergebnisse und Berechnungen zur Spannungstransformation: Tabelle 3.3: Spannungstransformation am unbelasteten Transformator N1 N2 Übertragungs-

verhältnis

Ü

U1 primär in V

U2 sekundär in V

U1/U2

300 300 1 : 1 1,0 300 150 2 : 1 2,0 150 300 1 : 2 0,5 Bem.: U1 ca. 4 V; alle Spannungen mit Nachkommastellen messen und notieren Auswertung: - Diskussion der Ergebnisse



3.5 Trenntransformator Trenntransformator entsprechend Fig. 4 in Kapitel 5. Erklären Sie den prinzipiellen Unterschied eines Trenntransformators zu einem gewöhnlichen Transformator, wie er z.B. bei der Spannungstransformation eingesetzt wird. Wo und weshalb setzt man Trenntransformatoren ein? Beantwortung der Fragen:



3.6 Spartransformator Spartransformator entsprechend Fig. 5 in Kapitel 5. Erklären Sie den prinzipiellen Unterschied eines Spartransformators zu einem gewöhnlichen Transformator, wie er z.B. bei der Spannungstransformation eingesetzt wird. Wo und weshalb setzt man Spartransformatoren ein? Beantwortung der Fragen:

3.7 'Harter' und 'Weicher' Transformator Vergleichen Sie den 'Harten' und 'Weichen' Transformator entsprechend Fig. 6.1 und 6.2 in Kapitel 5 in Bezug auf die Abhängigkeit der Sekundärspannung vom Sekundärstrom, d.h. in Abhängigkeit von der Belastung (Fig. 6.3 in Kapitel 5). Verwenden Sie hier als Belastungswiderstände das Widerstandsbrett mit den Hochlastwiderständen sowie R = 0Ω und R → ∞ mit einer Primärspannung U1 von 3 V∼. Tragen Sie U2 über I2 für beide Transformatoren in ein Diagramm ein und diskutieren Sie Ihre Messergebnisse (Auswertung wie in Fig. 6.3 in Kapitel 5). Schaltplan der Versuchsanordnung: Messergebnisse zu ’Harter’ und ’Weicher’ Transformator: Tabelle 3.4: Vergleich `Harter` und `Weicher` Transformator

Weicher Transformator Harter Transformator R in

Ohm

U2 sekundär in V

I2 sekundär in

mA

U2 sekundär in V

I2 sekundär in

mA

100 47 10 4,7 0

Bem.: Werte mit Nachkommastellen Diagramm:



Auswertung: - Diskussion der Ergebnisse



3.8 Stromtransformation bei Kurzschluss Stromtransformation bei Kurzschluss entsprechend Fig. 7 in 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





3.9 Gleichrichtung mit einer Diode Verwenden Sie bei diesem Versuch und allen folgenden Versuchen den Übungstransformator mit einem Übertragungsverhältnis von 1:1 und einer Eingangsspannung von 6V∼. Führen Sie die Messungen auf dem Steckbrett durch! Verwenden Sie dazu die vorhandenen Bauteile. Verifizieren Sie Ihre Ergebnisse anhand der Oszillogramme in Abbildung 3.2. Messen Sie die kapazitätsgepufferte Gleichrichtung mit einer Diode unter verschiedenen Bedingungen; 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 einer Diode. An Kondensatoren sind die Werte 0 F, 10 nF, 100 nF, 47 µF und 470 µF zu verwenden. Die Lastwiderstände bauen Sie am besten mit einem Schalter ein, was die Messungen erleichtert. Verwenden Sie für alle genannten Kapazitätswerte einen Lastwiderstand RL = 10 kΩ; messen Sie die beiden Kapazitäten 47 µF und 470 µF zusätzlich mit RL = 470 Ω. Zeichnen sie die Welligkeiten über C für RL = 10 kΩ in ein Diagramm ein und diskutieren Sie die Ergebnisse. Achtung!! Bei der Gleichrichtung bedeutet ein 0 µF Kondensator nicht, dass eine Brücke zu verwenden ist. Dies führt zu einem Kurzschluss, der die Dioden zerstört. Schaltplan der Versuchsanordnung: Messergebnisse zu Gleichrichtung mit einer Diode: Tabelle 3.5: Gleichrichtung mit einer Diode

RL in kΩΩΩΩ

C in µF

Welligkeit in V

Effektivwert in V

10 kein bzw. 0 10 0,01 10 0,1 10 47 10 470

0,47 47 0,47 470



Oszillogramme bei Gleichrichtung mit einer Diode und verschiedenen RL und C:

RL = 10 kΩΩΩΩ; C = 0 µF; DC/DC RL = 10 kΩΩΩΩ; C = 0,01 µF; DC/DC

RL = 10 kΩΩΩΩ; C = 47 µF; DC/DC RL = 10 kΩΩΩΩ; C = 47 µF DC/AC

RL = 10 kΩΩΩΩ; C = 470 µF; DC/AC RL = 0,47 kΩΩΩΩ; C = 47 µF; DC/DC

Abbildung 3.2: Gleichrichtung mit einer Diode und verschiedenen RL und C



Diagramm aus Tabelle 3.5 für RL = 10 kΩ: Auswertung: - Diskussion der Ergebnisse (aus Diagramm und Oszi-Bildern)



3.10 Symmetrische Ausgangsspannungen Für bestimmte elektronische Bauteile und Baugruppen, wie z.B. Operationsverstärker, wird eine symmetrische Versorgungsspannung, d.h. U+ und U- benötigt. Bauen Sie eine solche Stromversorgung mit 2 Dioden und jeweils der Kapazität 470 µF und RL = 10 kΩ auf. Verwenden Sie bitte folgende Anschlüsse entsprechend Fig.1 in Kapitel 5 : U+ an d2, U- an c1, Masse an d1 und c2. Skizzieren Sie Ihren Aufbau und messen Sie die beiden Spannungen U+ und U-. Schaltplan der Versuchsanordnung: Messergebnisse:

U+ =

U- = Auswertung: - Diskussion der Ergebnisse





3.11 Brückengleichrichtung Bauen Sie eine Brückengleichrichtung mit einem 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 in Abhängigkeit von RL in ein Diagramm ein und diskutieren Sie die Ergebnisse. Schaltplan der Versuchsanordnung: Messergebnisse zu Brückengleichrichtung: Tabelle 3.6: Brückengleichrichtung

RL in kΩΩΩΩ

C in µF

Welligkeit in V

Effektivwert in V

0,1 47 0,47 47 10 47 47 47 100 47 47



Oszillogramme bei Brückengleichrichtung für verschiedenen RL:

RL = 0 kΩΩΩΩ; C = 0 µF; DC RL = 0,1 kΩΩΩΩ; C = 47 µF; AC

RL = 0,470 kΩΩΩΩ; C = 47 µF; AC RL = 10 kΩΩΩΩ; C = 47 µF AC

Abbildung 3.3: Brückengleichrichtung bei verschiedenen RL Diagramm aus Tabelle 3.6: Auswertung: - Diskussion der Ergebnisse





3.12 Analyse von Oszilloskop-Signalen In diesem Versuchsteil sollen Sie mit Hilfe eines Tabellenkalkulationsprogramms ein verrauschtes und digitalisiertes Sinussignal untersuchen. Die gemessen Werte des Signals finden Sie in der Datei „Messwerte.txt“, welche Sie im Downloadbereich der Versuchsunterlagen finden. Ihre Aufgabe ist es, ein Sinussignal 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. Eine Hilfe dazu finden Sie in 4.



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“ in eine Excel Tabelle. Mit der in Versuch 1 erlernten Vorgehensweise zur Simulation eines Sinussignals können Sie versuchen, durch Variation der Amplitude und der Frequenz, eine Sinusfunktion zu finden die grob zu den Messwerten passt. Die passenden Werte für Amplitude und Frequenz lassen sich am leichtesten mit Hilfe eines Diagramms finden. Deshalb sollten Sie als nächsten Schritt die 2 Signale in einem Diagramm darstellen. Die Vorgehensweise sollte aus Versuch 2 klar sein. Berechnen Sie nun die Differenz der Signale Messwerte und Fit. Ein Beispiel, wie Ihre Excel Tabelle aussehen könnte, finden Sie in Abbildung 4.1. Die Differenz der beiden Signale soll im gleichen Diagramm dargestellt werden, wie die Signale selbst. Dafür ist eine zweite y-Achse mit anderer Skalierung von Vorteil. Fügen Sie zuerst die Datenreihe in das Diagramm ein, markieren diese mit einem 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 in 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

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 0,5 1 1,5 2

t/ms

U/V

0,00

0,25

0,50

0,75

1,00

1,25

1,50Diff

MesswerteFit

Diff (MW-Fit)

Abbildung 4.2: Excel Diagramm



5 Gebrauchsanweisung des Übungstransformators



d2

d1

c2

c1

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