Kennlinien aufnehmen
Worum geht es?
Trägt man für ein Bauteil die über der 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.
Warum macht man dieses Experiment?
Reale Schaltungen bestehen längst nicht nur aus : 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.
Die physikalische Idee
Die wird in kleinen Schritten erhöht und die jeweils gemessen: Jede Einstellung liefert einen Punkt der Kennlinie. Bei Bauteilen mit steilem Anstieg (Diode, LED) müssen die Schritte im steilen Bereich besonders fein sein, sonst springt die Kurve. Die Deutung folgt aus der Form: konstanter Quotient heißt ohmsch, wachsender Quotient heißt zunehmende Hemmung, ein Knick heißt Schwellenverhalten.
Benötigtes Vorwissen
Für dieses Experiment hilft dir dieses Vorwissen. Du kannst es jederzeit nachschlagen — das Experiment bleibt auch so verständlich.
Wissenschaftliche Einordnung
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.
Versuchsziel
Was möchtest du untersuchen?
Aktuelles Versuchsziel
Kennlinie einer Glühlampe
Nimm die Kennlinie einer Glühlampe auf und erkläre ihre Krümmung. Kernfrage: Warum hat eine Glühlampe keinen festen ?
Gemessen
- — Spannung (in )
Schrittweise bis zur Nennspannung der Lampe erhöht.
- — Stromstärke (in )
Je Spannungsschritt gemessen.
Berechnet
- — Widerstand im Arbeitspunkt (in )
je Messpunkt: Sein Anstieg entlang der Kennlinie ist der eigentliche Befund.
Der Weg von der Messung zum Ergebnis:
Für diese Zielsetzung brauchst du:
- Wird hier je Messpunkt ausgewertet: Ein konstantes R hieße ohmsch, ein wachsendes R zeigt die Temperaturabhängigkeit.Zur Formelsammlung
Versuchsprotokoll
So ist ein physikalisches Versuchsprotokoll aufgebaut. Die Reihenfolge ist immer dieselbe — die Inhalte gehören zu deinem gewählten Versuchsziel.
1Aufgabenstellung
Nimm die Kennlinie einer Glühlampe (6 V) von bis auf, berechne für jeden Messpunkt den Quotienten und deute den Verlauf.
2Vorbetrachtung
Der Glühfaden ist ein Metalldraht (Wolfram), und für Metalle gilt: Der Widerstand wächst mit der , weil die stärker schwingenden Gitteratome die Elektronen häufiger streuen. Anders als beim Festwiderstand ändert sich die Fadentemperatur hier dramatisch mit der : von Zimmertemperatur bis über beim hellen Leuchten. Die Erwartung ist deshalb keine Gerade: Mit steigender Spannung sollte der Strom immer weniger stark zunehmen, die Kennlinie flacht ab.
3Geräte / Stoffe
Messschaltung mit der Glühlampe als Prüfling. Die Nennspannung nicht überschreiten: Darüber sinkt die Lebensdauer des Fadens drastisch.
Regelbares Netzgerät (Gleichspannung, fein einstellbar)
Liefert die schrittweise veränderte .
Prüflinge: Festwiderstand 100 Ω, Glühlampe 6 V, Si-Diode, rote LED
Die vier Bauteile, deren Kennlinien verglichen werden.
Schutzwiderstand (z. B. 100 Ω)
Begrenzt den Strom durch Diode und LED im steilen Kennlinienbereich.
Amperemeter und Voltmeter
Messen Strom durch den Prüfling und am Prüfling.
4Skizze des Versuchsaufbaus
Schaltplan unverändert; im vorbereiteten Diagramm zusätzlich die Referenzgerade des 100-Ω-Widerstands aus Zielsetzung A eintragen, so wird die Krümmung sofort sichtbar.
Zwei nichtlineare Kennlinien im Vergleich zur Geraden des ohmschen Widerstands: Die Glühlampe flacht ab (ihr Widerstand wächst mit der ), die Diode sperrt erst und leitet dann steil.
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.
5Durchführung
in 1-V-Schritten von bis erhöhen; je Schritt beide Werte ablesen. Vor dem Ablesen jeweils zwei, drei Sekunden warten: Der Faden braucht einen Moment, bis seine und damit der Strom stabil sind.
6Beobachtung
Die Lampe beginnt zwischen 2 und 3 V sichtbar zu glimmen und leuchtet bei 6 V hell. Die Stromzunahme wird pro Volt immer kleiner:
| in | in | in |
|---|---|---|
| 1,0 | 90 | 11 |
| 2,0 | 120 | 17 |
| 3,0 | 145 | 21 |
| 4,0 | 165 | 24 |
| 5,0 | 180 | 28 |
| 6,0 | 190 | 32 |
Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.
7Auswertung
Die Kurve flacht ab, genau wie erwartet: Zwischen und steigt der Strom noch um , zwischen und nur noch um . Der je Punkt berechnete Quotient wächst von auf , fast das Dreifache.
Deutung: Höhere heißt mehr umgesetzte , heißt heißerer Faden, heißt größerer Widerstand. Die Glühlampe verletzt nicht das , sie verletzt seine Bedingung (konstante ). Ein einzelner „Widerstand der Glühlampe“ existiert nicht; sinnvoll ist nur der Widerstand in einem Arbeitspunkt.
Bemerkenswert ist auch der kalte Zustand: Direkt beim Einschalten (Faden noch kalt, hier grob oder weniger) fließt kurzzeitig ein Vielfaches des Betriebsstroms. Deshalb brennen Glühlampen fast immer im Einschaltmoment durch.
8Fazit
Die Kennlinie der Glühlampe ist gekrümmt: Ihr Widerstand wächst mit der Fadentemperatur von auf . Die Lampe ist kein ohmsches Bauteil, weil ihre nicht konstant bleibt.
9Fehlerbetrachtung
Hier ist die nicht Störgröße, sondern Untersuchungsgegenstand; die Fehler betreffen die Stabilität der Arbeitspunkte:
Ablesen vor dem Temperaturgleichgewichteher systematisch
- Ursache
Nach jedem Spannungsschritt braucht der Faden einen Moment, bis und Strom stabil sind.
- Auswirkung
Zu früh abgelesene Ströme sind zu groß (Faden noch zu kalt), die Kurve wirkt verwaschen.
- Verbesserung
Vor jedem Ablesen warten, bis die Anzeige steht.
Netzgerät bricht bei großem Strom leicht eineher systematisch
- Ursache
Einfache Netzgeräte halten die eingestellte unter Last nicht exakt.
- Auswirkung
Die tatsächliche am Prüfling weicht von der Einstellung ab; wer die Einstellung statt des Voltmeterwerts notiert, verzerrt die Kurve.
- Verbesserung
Immer den gemessenen Spannungswert notieren, nie den eingestellten.
Das Wichtigste
- Kennlinie
Das --Diagramm eines Bauteils. Die Messschaltung ist immer dieselbe; die Kurvenform charakterisiert das Bauteil.
- Vier Formen
Widerstand: Ursprungsgerade. Glühlampe: abflachende Kurve (Widerstand wächst mit der Fadentemperatur). Diode/LED: Ventil mit Schwellenspannung, darunter sperrend, darüber steil leitend.
- Kein fester R-Wert
Für nichtlineare Bauteile gibt es keinen konstanten Widerstand: Der Quotient hängt vom Arbeitspunkt ab.
- Vorwiderstand
LEDs brauchen immer einen strombegrenzenden : .