Kennlinien aufnehmen

Trägt man für ein Bauteil die Stromstärke $I$ über der Spannung $U$ auf, entsteht seine Kennlinie. Sie zeigt auf einen Blick, wie das Bauteil auf Spannung reagiert: gehorsam linear (Widerstand), gekrümmt (Glühlampe) oder mit Ventilverhalten (Diode und LED). Die Messschaltung ist immer dieselbe; nur der Prüfling wechselt.

Reale Schaltungen bestehen längst nicht nur aus ohmschen Widerständen: In jedem Netzteil arbeiten Dioden, in jeder Anzeige LEDs. Für solche Bauteile gibt es keinen festen Widerstandswert, den man nachschlagen könnte; ihr Verhalten steckt vollständig in der Kennlinie. Wer Kennlinien aufnehmen und lesen kann, kann jedes unbekannte Zweipol-Bauteil charakterisieren und versteht nebenbei, warum eine LED nie ohne Vorwiderstand betrieben werden darf.

Kennlinien sind das Standardwerkzeug der Elektronik seit den ersten Vakuumröhren um 1900: Datenblätter jedes Halbleiterbauteils enthalten bis heute genau die Diagramme, die in diesem Versuch von Hand entstehen.

Nimm für einen Festwiderstand ($100\ \Omega$) die Kennlinie zwischen $0$ und $10\ \mathrm{V}$ in Schritten von $2\ \mathrm{V}$ auf und zeichne sie.

Aus dem ohmschen Gesetz folgt die Erwartung: $I = U/R$, also eine Ursprungsgerade mit der Steigung $1/R = 0{,}01\ \mathrm{A/V}$, das heißt $10\ \mathrm{mA}$ je Volt. Diese Vorhersage vor der Messung aufzuschreiben ist wichtig: Nur eine ausgesprochene Erwartung kann von der Messung bestätigt oder widerlegt werden.

Messschaltung mit dem 100-Ω-Widerstand als Prüfling; kein Schutzwiderstand nötig, das Bauteil begrenzt den Strom selbst.

Schaltplan der U-I-Messschaltung; daneben das vorbereitete Diagramm mit U auf der Rechtsachse (0 bis 10 V) und I auf der Hochachse (0 bis 100 mA).

Messschaltung wie bei der U-I-Methode: regelbare Gleichspannungsquelle, Amperemeter in Reihe, Voltmeter parallel zum Prüfling. Der Prüfling sitzt in einer Steckfassung und wird zwischen den Zielsetzungen getauscht. Für Diode und LED kommt ein Schutzwiderstand in Reihe dazu.

Spannung von $0$ bis $10\ \mathrm{V}$ in 2-V-Schritten erhöhen, je Schritt beide Werte gleichzeitig ablesen, Punkt sofort ins Diagramm eintragen. Das sofortige Eintragen deckt Ausreißer auf, solange sich der Messpunkt noch wiederholen lässt.

Die Punkte liegen auf einer Ursprungsgeraden mit Steigung $10\ \mathrm{mA/V}$, wie vorhergesagt. Der Kehrwert der Steigung ist der Widerstand: $R = 100\ \Omega$, konstant über den ganzen Bereich. Diese Gerade ist die Referenz: Jede Abweichung von der Geradenform bei den nächsten Prüflingen zeigt nicht-ohmsches Verhalten an.

Die Kennlinie des Festwiderstands ist eine Ursprungsgerade: Er ist ein ohmsches Bauteil, vollständig durch den einen Wert R beschrieben.

Die Fehlerquellen entsprechen denen der Gesetzesprüfung (Erwärmung, Nullpunkt, Ablesung); bei diesem robusten Prüfling bleiben sie klein.