Fachhochschule Bielefeld Fachbereich Elektrotechnik. Versuchsbericht für das elektronische Praktikum. Praktikum Nr. 2. Thema: Widerstände und Dioden

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1 Fachhochschule Bielefeld Fachbereich Elektrotechnik Versuchsbericht für das elektronische Praktikum Praktikum Nr. 2 Name: Pascal Hahulla Matrikelnr.: 207XXX Thema: Widerstände und Dioden Versuch durchgeführt am: Protokoll vorgelegt am: Teilnahme bestätigt am:

2 Inhaltsverzeichnis Nr. Thema Seite 0 Einführung: Widerstände und Dioden 2 1 U-I Kennlinien Kennlinie einzelner Widerstände Kennlinien zwei in Reihe geschalteter Widerstände Kennlinie einer Germanium-Diode 7 2 Gleichrichtung einer Wechselspannung mittels einer Silizium-Diode 9 Elektronik Praktikumsbericht Pascal Hahulla Seite 1

3 Widerstände und Dioden In diesem Praktikum sollen die elektrischen Eigenschaften von Widerständen und Dioden untersucht werden. Das Praktikum ist in 4 Versuche eingeteilt: Untersuchung der U-I Kennlinie eines einzelnen Widerstandes Untersuchung der U-I Kennlinie zwei in Reihe geschalteter Widerstände Untersuchung der U-I Kennlinie einer Germanium-Diode Gleichrichtung einer Wechselspannung mittels einer Silizium-Diode U-I Kennlinien geben Auskunft über den Strom, der abhängig von der Spannung durch ein Bauteil fließen kann. Dies ist wichtig für die Auswahl und Dimensionierung von Bauteilen in Schaltkreisen. Durch Darstellung in Graphen lässt sich der Zusammenhang von Spannung und Strom visualisieren. Die Messung erfolgt mithilfe von Volt- und Amperemeter. Dioden verfügen über eine Sperr- und eine Durchlassrichtung. Wird eine Diode in Sperrrichtung betrieben, kann kein Strom fließen. Wird nun die Polung umgekehrt, ist die Diode in Durchlassrichtung und kann Strom leiten. Diesen Effekt kann man nutzen, um eine Wechselspannung in eine Gleichspannung umzuwandeln. Bei der einfachen Gleichrichtung wie sie in diesem Versuch praktiziert wird, leitet die Diode nur die obere Amplitude der sinusförmigen Wechselspannung. Übrig bleibt eine pulsierende Gleichspannung, welche sich mit einem Oszilloskop visualisieren lässt. Elektronik Praktikumsbericht Pascal Hahulla Seite 2

4 1 U-I Kennlinien 1.1 U-I Kennlinie eines einzelnen Widerstandes Der Zusammenhang von zwei U-I Kennlinien unterschiedlicher Widerstände soll untersucht werden. Hierfür wird eine Schaltung wie in Abbildung 1 aufgebaut. Die Stromstärke wird vor dem Widerstand gemessen, an ihm die Spannung. A I R U V Abb. 1: Schaltung zur Bestimmung der U-I Kennlinie eines Widerstandes Mittels einer regelbaren wird die Spannung in 2 Volt Schritten von 0 auf 10 Volt angehoben. Bei jedem Schritt werden Spannung und Stromstärke gemessen. Dies wird für zwei Widerstände durchgeführt, ihre Widerstandswerte betragen 2,2 kω und 470 Ω. Tabelle 1: Messwerte für Widerstand R = 2,2 kω I / ma 0 1 1,9 2,8 3,7 4,6 U 0 2,06 4,06 6,04 8 9,99 Tabelle 2: Messwerte für Widerstand R = 470 Ω I / ma 0 4,4 8,6 12,7 16,8 21 U 0 2,06 4,02 5,96 7,88 9,84 Aufgrund der nicht exakten Anzeige der Spannungsquelle wurden bei beiden Messreihen am Widerstand höhere Spannungswerte als 2 bzw. 4 Volt gemessen. Die Spannungsquelle muss also dort eine etwas höhere Spannungen liefern, als sie anzeigt. Elektronik Praktikumsbericht Pascal Hahulla Seite 3

5 Überträgt man beide Kennlinien in einen Graphen (Graph 1), so wird die Lineare Abhängigkeit von Strom und Spannung zueinander ersichtlich. Ebenfalls wird deutlich, dass ein kleinerer Widerstand einen größeren Strom fließen lässt. Beides entspricht dem Ohmschen Gesetz, wonach U = R * I ist. 22 I / ma R = 470 Ω Lineare Regression für R = 470 Ω R = 470 Ω Lineare Regression für R = 470 Ω U Graph 1: U-I Kennlinien der Widerstände R = 2,2 kω und R = 470 Ω Elektronik Praktikumsbericht Pascal Hahulla Seite 4

6 1.2 U-I Kennlinien zwei in Reihe geschalteter Widerstände Zwei unterschiedlich große Widerstände werden in Reihe geschaltet. Erneut wird eine Gleichspannung angelegt, welche von 0 auf 10 Volt in 2 Volt schritten erhöht wird. Zuerst wird eine Messreihe angelegt, bei der die Stromstärke vor beiden Widerständen gemessen wird, die Spannung über die beiden in Reihe geschalteten Widerstände (Abbildung 2). In der zweiten Messreihe wird die Stromstärke zwischen beiden Widerständen gemessen und die Spannung die am Widerstand R 1 anliegt (Abbildung 3). A I R 1 U R M V Abb. 2: Schaltungen zur Bestimmung der U-I Kennlinie von zwei Widerständen in Reihe R M A I R 1 U 1 V Abb. 3: Schaltungen zur Bestimmung der U-I Kennlinie an einem von zwei Widerständen in Reihe Da es sich bei zwei in Reihe geschalteten Widerständen um einen Spannungsteiler handelt, misst man in der zweiten Messreihe am Widerstand R 1 (Abbildung 3, Tabelle 4) eine niedrigere Spannung als in der ersten Messreihe, in der die Spannung über beide Elektronik Praktikumsbericht Pascal Hahulla Seite 5

7 Widerstände gemessen wurde (Abbildung 2, Tabelle 3). Die Stromstärke müsste je Messung genau gleichgroß sein, ihre Abweichung kommt allerdings durch die der Spannungsquelle zustande, welche zwar in den Messreihen die gleiche Spannung anzeigt, aber nicht exakt die selbe liefert. Tabelle 3: Messwerte für R M + R I / ma 0 0,92 1,75 2,6 3,43 4,28 U 0 2,08 3,99 5,95 7,85 9,8 Tabelle 4: Messwerte für R I / ma 0 0,91 1,77 2,61 3,48 4,31 U 0 1,96 3,81 5,7 7,56 9,44 Die Differenz beider Spannungswerte zueinander steigt linear mit der anliegenden Spannung, wie in Graph 2 gut zu sehen ist. Je größer die anliegende Spannung, desto größer ist auch die Spannung, welche am Widerstand RM abfällt. I / ma Messung bei R1 Lineare Regression für Messung bei R1 Messung bei R1 Lineare Regression für Messung bei R U Graph 2: U-I Kennlinien für R M + R 1 und R 1 Elektronik Praktikumsbericht Pascal Hahulla Seite 6

8 1.3 U-I Kennlinie einer Germanium-Diode Die U-I Kennlinie einer Germanium-Diode (Typ AA118) soll bestimmt werden, hierfür wird eine Schaltung wie in Abbildung 4 aufgebaut. Vor der Diode wird die Stromstärke, an ihr die abfallende Spannung gemessen. Als Messwiderstand wird ein Widerstand mit R M = 100 Ω vorgeschaltet. Die wird von 0 auf 10 Volt in unterschiedlich großen Schritten hoch geregelt, welche Tabelle 5 zu entnehmen sind. Die Strombegrenzung an der Spannungsquelle ist auf 100 ma eingestellt. R M A I U V Abb. 4: Schaltung zur Bestimmung der U-I Kennlinie einer Germanium-Diode Tabelle 5: Messwerte für Germanium-Diode 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 I / ma 0 0,23 1,1 1,7 2,25 3,25 4,8 U 0,01 0,26 0,38 0,46 0,52 0,61 0,75 1,5 2 2, I / ma 6,7 9,6 12,5 15, U 0,88 1,06 1,24 1,39 2,08 2,66 3,3 Elektronik Praktikumsbericht Pascal Hahulla Seite 7

9 Anhand der Messwerte aus Tabelle 5 lässt sich eine U-I Kennlinie für die Germanium- Diode erstellen (Graph 3). Die Stromstärke steigt bei zunehmender Spannung exponentiell an. Dies ist typisch für Kennlinien von Dioden. 70 I / ma U Graph 3: U-I Kennlinien einer Germanium-Diode Elektronik Praktikumsbericht Pascal Hahulla Seite 8

10 2 Gleichrichtung einer Wechselspannung mittels einer Silizium-Diode Obwohl Haushalte mit einer Wechselspannung versorgt werden, benötigen die meisten elektronischen Geräte eine weitaus niedrigere Gleichspannung. Dazu wird die Wechselspannung erst heruntertransformiert und anschließend gleichgerichtet. In diesem Versuchsteil soll die Gleichrichtung einer sinusförmigen Wechselspannung mittels einer Siliziumdiode erfolgen. Da anschließend keine Glättung erfolgt, pulsiert die Gleichspannung, da nur noch die oberen Amplituden der Wechselspannung vorhanden sind. Zwischen diesen Amplituden über der Nulllinie liegt keine Spannung an. Die Schaltung hierzu wird in Abbildung 5 dargestellt. Zur Erzeugung einer Wechselspannung dient ein Funktionsgenerator. Als Diode wird eine Silizium-Diode vom Typ 1N4005 verwendet. Die Messung der gleichgerichteten Spannung erfolgt an einem Lastwiderstand mit R = 1 kω. Hierzu wird ein Oszilloskop verwendet, da der Zeitliche Verlauf der Spannung für diesen Versuch von Bedeutung ist. Diode Funktionsgenerator ~ U R Abb. 5: Schaltung zur Gleichrichtung einer Wechselspannung Zuerst wird am Funktionsgenerator eine 5 Volt Peak-to-Peak Amplitude eingestellt, d.h. die Auslenkung beträgt vom Maximum bis zum Minimum 5 Volt. Eine Amplitude hat somit einen Betrag von 2,5 Volt. Als Frequenz werden 50 Hz gewählt, was zur Folge hat, dass eine Periode jeweils 20 ms lang ist. Als Signalform wird Sinus eingestellt, für Offset der Wert Null dies bedeutet, dass die Nulllinie der Schwingung nicht nach oben oder unten verschoben ist, sie liegt bei 0 Volt. Die beschriebenen en werden direkt am Funktionsgenerator mit einem Oszilloskop gemessen und in Graph 4 dargestellt. Elektronik Praktikumsbericht Pascal Hahulla Seite 9

11 U/V 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0-0,5-1 -1,5-2 -2, t/ms Graph 4: Wechselspannung (50Hz) Alle en werden beibehalten, bis auf die Frequenz, welche nun auf 500 Hz erhöht wird. Das Oszilloskop wird ebenfalls wieder direkt am Funktionsgenerator angeschlossen. Wie sich in Graph 5 ablesen lässt (die vollständige Sinuskurve), hat sich nur die Periodenlänge verändert: Sie beträgt nun 2 ms, ist also um den Faktor 10 kürzer. U/V 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0-0,5-1 -1,5-2 -2, t/ms Graph 5: Wechselspannung (500Hz) und ihre Gleichrichtung mittels einer Diode Nun wird mit diesen en des Funktionsgenerators die Schaltung aus Abbildung 5 angeschlossen. Die Messung mit dem Oszilloskop erfolgt an dem Lastwiderstand. Die Kurve wird zusätzlich in Graph 5 eingezeichnet. Die positiven Amplituden sind leicht gestaucht, ihre Auslenkung beträgt nur noch ca. 1,8 Volt. Ebenfalls sind sie minimal kürzer ihre Dauer liegt etwa bei 0,8 ms, ohne Gleichrichtung betrug sie vorher exakt 1 ms. An den Stellen, wo vormals negative Amplituden waren, bewegt sich die Spannung nahe der Nulllinie. Dort liegt sie in der ersten Hälfte minimal unter der ihr, danach verläuft sie um den gleichen Faktor über ihr. Elektronik Praktikumsbericht Pascal Hahulla Seite 10