2.7 Strom-Spannungs-Kennlinie und Leistung einer ... - Phywe
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<strong>Strom</strong>-<strong>Spannungs</strong>-<strong>Kennlinie</strong> <strong>und</strong> <strong>Leistung</strong> <strong>einer</strong> Solarzelle<br />
Schlüsselworte<br />
Solarzelle, <strong>Kennlinie</strong>, Spannung, <strong>Strom</strong>stärke, <strong>Leistung</strong>,<br />
Widerstand, Innenwiderstand, Anpassung<br />
Prinzip<br />
Die <strong>Strom</strong>-<strong>Spannungs</strong>-<strong>Kennlinie</strong> <strong>einer</strong> Solarzelle beschreibt ihr Verhalten bei Belastung. Die Ausgangleistung<br />
der Solarzelle ist maximal, wenn ihr Innenwiderstand so groß ist wie der äußere Widerstand.<br />
Zur Aufnahme der <strong>Kennlinie</strong> wird eine Widerstandsdekade an die Solarzelle angeschlossen. Sie besitzt<br />
12 Schalterstellungen, mit verschiedenen Widerständen (auch Kurzschluss <strong>und</strong> offen), deren Werte so<br />
ausgewählt wurden, dass der Verlauf der <strong>Kennlinie</strong> gut dargestellt werden kann. Mit Hilfe der Cobra4<br />
Sensor-Unit Energy werden Spannung, <strong>Strom</strong>stärke <strong>und</strong> <strong>Leistung</strong> gemessen.<br />
Material<br />
*4 Leitungsbaustein, winklig, DB 09401-02<br />
*1 Leitungsbaustein, unterbrochen, DB 09401-04<br />
*2 Anschlussbaustein, DB 09401-10<br />
*1 Solarzelle, DB 09470-00<br />
1 Widerstandsdekade, DB 09420-00<br />
*1 Muffe auf Träger für Demo-Tafel 02164-00<br />
Zusätzlich wird benötigt<br />
1 Demo Physik Hafttafel mit Gestell 02150-00<br />
1 Stativstange “PASS”, l = 630 mm 02027-55<br />
1 Lampenfassung E27, Reflektor, Halter 06751-01<br />
1 Glühlampe 230 V / 120 W, mit Reflektor 06759-93<br />
Abb. 1: Versuchsaufbau<br />
P9502760 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG © All rights reserved 1<br />
ENT<br />
<strong>2.7</strong><br />
**1 Cobra4 Wireless Manager 12600-00<br />
**1 Cobra4 Wireless-Link 12601-00<br />
**1 Cobra4 Sensor-Unit Energy 12656-00<br />
**1 Halter für Cobra4, mag. 02161-10<br />
**1 Software measure für Cobra4 14550-61<br />
1 Verbindungsleitung, 500 mm, rot 07361-01<br />
2 Verbindungsleitung, 500 mm, blau 07361-04<br />
1 Verbindungs.eitung, 500 mm, gelb 07361-02<br />
1 PC, USB-Schnittstelle, XP, Vista, Win7<br />
* In Set ENT 1 enthalten 09492-88<br />
** In Cobra4 Ergänzungsset enthalten 12608-88<br />
www.phywe.com
ENT<br />
<strong>2.7</strong><br />
<strong>Strom</strong>-<strong>Spannungs</strong>-<strong>Kennlinie</strong> <strong>und</strong> <strong>Leistung</strong> <strong>einer</strong> Solarzelle<br />
Hinweis<br />
Werden Spannung <strong>und</strong> <strong>Strom</strong>stärke in einem <strong>Strom</strong>kreis gleichzeitig gemessen, dann kann die Anordnung<br />
von Voltmeter <strong>und</strong> Amperemeter im <strong>Strom</strong>kreis für die Genauigkeit der Messung wichtig sein.<br />
Wenn bei der Aufnahme <strong>einer</strong> <strong>Strom</strong>-<strong>Spannungs</strong>-<strong>Kennlinie</strong> die Spannung nicht direkt an der <strong>Spannungs</strong>quelle<br />
gemessen wird, sollte der Innerwiderstand des Amperemeters sehr klein sein.<br />
Da der Innenwiderstand der Solarzelle selbst klein ist (ca. 2 Ω), muss beim Anschluss der Solarzelle an<br />
den Eingang der Cobra4 Sensor-Unit Energy unbedingt der A -Messbereich verwendet wird, der einen<br />
sehr kleinen Innenwiderstand von 32 mΩ hat.<br />
Aufbau<br />
- Auf der rechten Tafelhälfte nach Abb. 1 den <strong>Strom</strong>kreis mit der<br />
Widerstandsdekade aufbauen <strong>und</strong> an den Ausgang der Cobra4<br />
Sensor-Unit Energy anschließen.<br />
- Links davon, in etwas größerem Abstand, die Solarzelle mit<br />
zwei Anschlussbausteinen setzen.<br />
- Solarzelle mit dem Eingang der Sensor-Unit Energy verbinden.<br />
Darauf achten, dass der positive Pol der Solarzelle mit<br />
der A -Buchse der Sensor Unit verb<strong>und</strong>en wird.<br />
- Über der Solarzelle, an der oberen Kante der Demo-Tafel, die<br />
Muffe auf Träger sorgfältig festschrauben <strong>und</strong> darin die Stativstange<br />
“PASS“ befestigen (siehe Abb. 2).<br />
Abb. 2: Aufbau Lampe<br />
- Am Ende der Stativstange die Reflektorlampe befestigen <strong>und</strong><br />
auf die Solarzelle richten. Der Abstand soll etwa 40 cm betragen.<br />
Abb. 3: Messwerterfassung<br />
2 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG © All rights reserved P9502760
Durchführung<br />
- PC <strong>und</strong> Windows starten.<br />
<strong>Strom</strong>-<strong>Spannungs</strong>-<strong>Kennlinie</strong> <strong>und</strong> <strong>Leistung</strong> <strong>einer</strong> Solarzelle<br />
- Cobra4 Wireless Manager in die USB-Schnittstelle des PC stecken.<br />
- Softwarepaket measure am PC starten.<br />
- Cobra4 Wireless-Link mit der Cobra4 Sensor-Unit verbinden. Nach dem Einschalten wird die Sensor-Unit<br />
automatisch erkannt <strong>und</strong> dem Cobra4 Wireless-Link wird eine ID-Nummer zugewiesen, die<br />
im Display sichtbar ist. Die Kommunikation zwischen dem Cobra4 Wireless Manager <strong>und</strong> dem Cobra4<br />
Wireless-Link wird durch die LED Data angezeigt.<br />
- Cobra4 Wireless-Link mit angesteckter Cobra4 Sensor-Unit Energy einschalten. Die Sensor-Unit<br />
<strong>und</strong> die elektrischen Größen U, I, P <strong>und</strong> W werden als Messkanäle angezeigt.<br />
- Experiment laden (Experiment > Experiment öffnen > …). Es werden nun alle benötigten Voreinstellungen<br />
zur Messwertaufnahme geöffnet (Abb. 3).<br />
- Stellknopf der Widerstandsdekade auf Position 0 Ω drehen (Kurzschluss).<br />
- Lampe einschalten <strong>und</strong> so auf die Solarzelle ausrichten, dass die <strong>Strom</strong>stärke in dieser Stellung<br />
(Kurzschlussstromstärke) ca. 180 mA beträgt.<br />
- Messwertaufnahme in measure starten �.<br />
- Einzelmessung durchführen .<br />
- Weitere Einzelmessungen zügig nacheinander (nur jeweils ca. 1 s warten) in den weiteren Schalter-<br />
stellung bis einschließlich ∞ durchführen .<br />
- Messwertaufnahme in measure beenden �.<br />
- Alle Messungen in das measure Hauptprogramm übertragen.<br />
- Lampe ausschalten.<br />
- Stellknopf der Widerstandsdekade auf Position 0 Ω drehen (Kurzschluss).<br />
- Lampenstellung verändern <strong>und</strong> die <strong>Strom</strong>-<strong>Spannungs</strong>-<strong>Kennlinie</strong> für eine Kurzschlussstromstärke<br />
von ca. 140 mA messen.<br />
Beobachtung<br />
Die beiden gemessenen <strong>Strom</strong>-<strong>Spannungs</strong>-<strong>Kennlinie</strong>n der Solarzelle zeigen jeweils einen charakteristischen<br />
Verlauf: Bei kleinen Spannungen (kleinen Widerstandswerten) sinkt die <strong>Strom</strong>stärke nur wenig,<br />
erst wenn die maximale Spannung (Leerlaufspannung, Stellung ∞) fast erreicht ist, fällt die Kurve stark<br />
ab. Wie der gleichzeitig gemessene Verlauf der <strong>Leistung</strong> zeigt, erreicht die <strong>Leistung</strong> ungefähr in diesem<br />
„Eckpunkt“ der <strong>Strom</strong>-<strong>Spannungs</strong>-<strong>Kennlinie</strong> ihr Maximum.<br />
Ist die Lichtintensität kl<strong>einer</strong> sind auch Kurzschlussstromstärke <strong>und</strong> <strong>Leistung</strong> kl<strong>einer</strong>. Die Leerlaufspannung<br />
nimmt nur geringfügig ab.<br />
Auswertung<br />
Nach der Übertragung der Messwerte in das measure Hautprogramm wird die Auswertung im „Multigraph-Diagramm<br />
durchgeführt, in dem <strong>Strom</strong>stärke I <strong>und</strong> <strong>Leistung</strong> P über der Spannung U dargestellt<br />
sind.<br />
Durch Anklicken der Symbole "I" <strong>und</strong> „P“ mit der rechten Maustaste kann auf der linken Seiten des Diagramms<br />
die skalierte Achse für die <strong>Leistung</strong> P gezeichnet werden <strong>und</strong> auf der rechten Seite die skalierte<br />
Achse für die <strong>Strom</strong>stärke I.<br />
Aus der <strong>Leistung</strong>skennlinie <strong>einer</strong> <strong>Spannungs</strong>quelle lässt sich ihr Innenwiderstand Ri bestimmen, er ist so<br />
groß wie der äußere Widerstand im Maximum der Kurve.<br />
Liegt ein Messwert direkt auf dem Maximum der <strong>Leistung</strong>skennlinie, dann lässt sich der Widerstand direkt<br />
aus der Schalterstellung ablesen.<br />
Im allgemeinen Fall wird aus der <strong>Leistung</strong>skennlinie mit Hilfe der Funktion „Regression“ <strong>und</strong> zwei<br />
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ENT<br />
<strong>2.7</strong><br />
www.phywe.com
ENT<br />
<strong>2.7</strong><br />
<strong>Strom</strong>-<strong>Spannungs</strong>-<strong>Kennlinie</strong> <strong>und</strong> <strong>Leistung</strong> <strong>einer</strong> Solarzelle<br />
Regressionsgraden das Maximum der <strong>Leistung</strong> bestimmt, um an dieser Stelle die Spannung U abzulesen<br />
(Abb. 4). Anschließend wird zu dieser Spannung mit Hilfe der <strong>Strom</strong>-<strong>Spannungs</strong>-<strong>Kennlinie</strong> <strong>und</strong> der<br />
Funktion „Vermessen“ die dazugehörige <strong>Strom</strong>stärke I abgelesen (Kurvenabschnitt etwas „abr<strong>und</strong>en“)<br />
<strong>und</strong> der Innenwiderstand Ri näherungsweise berechnet.<br />
Ri = U / I<br />
An der Stelle des Maximums werden in Abb. 4 folgende Werte für Spannung U <strong>und</strong> <strong>Strom</strong>stärke I abgelesen:<br />
Messung 1 (Imax = 180 mA)<br />
U = 438 mV, I = 150 mA, Ri = 2,9 Ω<br />
Entsprechend:<br />
Messung 2 (Imax = 140 mA)<br />
U = 417 mV, I = 126 mA, Ri = 3,3 Ω<br />
Bei kl<strong>einer</strong>er Beleuchtung steigt der Innenwiderstand <strong>einer</strong> Solarzelle.<br />
Hinweis zur Auswertung<br />
Die aufgenommene <strong>Kennlinie</strong> beginnt bei der Schalterstellung 0 Ω der Widerstandsdekade (Kurzschluss)<br />
nicht mit <strong>einer</strong> Spannung von U = 0 V, da sich hier nicht nur der Innenwiderstand des Amperemeters<br />
der Cobra4 Sensor-Unit Energy sondern auch die Steckverbindungen der Kabel <strong>und</strong> die Bausteinverbindungen<br />
bemerkbar machen.<br />
Abb. 4: <strong>Kennlinie</strong>n Messung 1<br />
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<strong>Strom</strong>-<strong>Spannungs</strong>-<strong>Kennlinie</strong> <strong>und</strong> <strong>Leistung</strong> <strong>einer</strong> Solarzelle<br />
Anwendung<br />
Zum Betrieb eines elektrischen Gerätes mit Solarenergie muss natürlich zuerst von der Solarzelle (oder<br />
dem Solarmodul aus mehreren Solarzellen) mindestens die erforderliche (Leerlauf-) Spannung bereitgestellt<br />
werden. Wegen des kleinen Innenwiderstandes der Solarzellen können nur Geräte mit geringem<br />
<strong>Strom</strong>bedarf betrieben werden, also z. B. LED´s oder kleine Solarmotoren. Kleine Glühlampen leuchten<br />
meistens nur sehr schwach.<br />
Hinweise<br />
Korrespondenz Schülerversuche TESS EN<br />
2.10 <strong>Strom</strong>-<strong>Spannungs</strong>-<strong>Kennlinie</strong> <strong>einer</strong> Solarzelle (P9512000)<br />
Für die Durchführung des Versuches ohne PC werden die in der Materialliste (Seite 1)<br />
aufgeführten <strong>und</strong> mit (**) gekennzeichneten Artikel durch Folgende ersetzt:<br />
Versuch P9502763<br />
1 Cobra4 Mobile-Link 12620-00<br />
1 Cobra4 Display-Connect, Set aus Sender <strong>und</strong> Empfänger 12623-88<br />
1 Halter für Handmessgeräte 02161-00<br />
1 Digitale Großanzeige 07157-93<br />
1 Cobra4 Sensor-Unit Energy 12656-00<br />
Versuch P9502700<br />
1 Arbeits- <strong>und</strong> <strong>Leistung</strong>smessgerät 13715-93<br />
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ENT<br />
<strong>2.7</strong><br />
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ENT<br />
<strong>2.7</strong><br />
Raum für Notizen<br />
<strong>Strom</strong>-<strong>Spannungs</strong>-<strong>Kennlinie</strong> <strong>und</strong> <strong>Leistung</strong> <strong>einer</strong> Solarzelle<br />
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