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1 Testat Mo Di Mi Do Fr Spannungsverstärker Datum: Versuch: 8 Abgabe: Fachrichtung Sem. 1. Einleitung Nachdem Sie in Versuch 7 einen Spannungsverstärker konzipiert haben, erfolgen jetzt der Schaltungsaufbau und die messtechnische Ermittlung des Amplitudenfrequenzganges. Neben der Verstärkung spielen aber auch Signaltreue, Übersteuerung und Phasenverschiebung eine wichtige Rolle in der Anwendung von Verstärkern. Zusätzlich zu den bereits bekannten Geräten lernen Sie hier Geräte der Elektronik wie Funktionsgenerator und Digitales Speicheroszilloskop (DSO) kennen und bedienen 2. Versuchsaufbau und Grundlagen Die in Versuch 7 benutzte Messschaltung wird entsprechend der Anleitung am Arbeitsplatz erweitert. Ganz wesentlich ist dabei der Einbau des ermittelten Arbeitswiderstandes R a, und der Koppelkondensatoren C 1 und C 2. (siehe Schaltplan!) Die Koppelkondensatoren dienen der Ein- und Auskopplung der Wechselspannungen und der Trennung von der Gleichspannung. Ein Kondensator lässt, vereinfacht gesprochen, Wechselspannung durch und sperrt Gleichspannung. Die Gleichstromverhältnisse der Gesamtschaltung werden durch diese nicht verändert, so dass der eingestellte Arbeitspunkt erhalten bleibt. Die niedrige sinusförmige Wechselspannung (Eingangsspannung) wird von einem Funktionsgenerator erzeugt und über den Koppelkondensator C 1 dem Gitter der Triode zugeführt. Gleichzeitig wird sie an den Kanal 1 des Speicheroszilloskops gelegt. Das verstärkte Signal (Ausgangsspannung) wird über den Koppelkondensator C 2 ausgekoppelt und auf Kanal 2 des Speicheroszilloskops gelegt. So lässt sich für jede gewählte Frequenz die Verstärkung V ermitteln. V = ΔU a /ΔU g Seite 1 von 6

2 Einschub: PHY Wichtige Begriffe bei Messungen von Wechselspannungen: Der Spitze-Spitze-Wert U ss (engl. peak-to-peak amplitude), gibt in der Elektrotechnik die Höhe der Auslenkung gemessen vom niedrigsten Wert bis zum höchsten Wert einer Wechselgröße an. Bei symmetrischen Wechselgrößen entspricht der Spitze-Spitze- Wert dem doppelten Maximalwert. Unter dem Effektivwert U eff (Abk: RMS engl. root mean square) versteht man in der Elektrotechnik den quadratischen Mittelwert eines zeitlich veränderlichen Signals. Intention bei der Einführung des Begriffes ist es, den Wert derjenigen Gleichspannung zu finden, die an einem ohmschen Verbraucher dieselbe Leistung umsetzt. Der Effektivwert hängt sowohl vom Scheitelwert (Amplitude) als auch von der Kurvenform ab. Als Scheitelwert oder Spitzenwert U s bezeichnet man den Höchstwert eines Signals oder einer Wechselspannung. Bei periodischen Signalen spricht man im Allgemeinen von der Amplitude. Bei sinusförmiger Spannung gilt: 2 U + B C 1 R a C 2 u e = U g kleine Eingangsspannung vom Generator Spannungsteiler für Gitterspannung _ + U g R g I a A G K U a _ u a = U a verstärkte Ausgangsspannung zum Oszilloskop Messschaltung zur Bestimmung des ( Amplituden-) Frequenzganges des Verstärkers Sie werden feststellen, dass die Verstärkung frequenzabhängig ist. Die grafische Darstellung dieses Zusammenhangs wird als Frequenzgang bezeichnet. Der typische Verlauf des Frequenzganges wird im Wesentlichen durch die Koppelkondensatoren und durch Effekte in der Röhre beeinflusst. Bei der tiefen und hohen Grenzfrequenz (f t und f h ) soll die Spannungsverstärkung um den 1 geringer sein als die Maximalverstärkung Vmax. (halbe Leistung da P=U²/R) Faktor 2 Die nutzbare Bandbreite eines Verstärkers ist der Bereich innerhalb der Grenzfrequenzen. Seite 2 von 6 Seite 2 von 6

3 Für Ihre Untersuchungen stehen Ihnen folgende Geräte zur Verfügung: Der Funktionsgenerator (auch Frequenzgenerator genannt) Funktionsgeneratoren erzeugen zu Messzwecken Spannungsverläufe unterschiedlicher Form (Sinus, Rechteck, Sägezahn) mit variabler Amplitude und Frequenz. Das Digitale Speicheroszilloskop (DSO) Dieses besitzt zwei separate Eingangskanäle und zeichnet den zeitlichen Spannungsverlauf formgetreu auf. Moderne Geräte messen sofort Frequenz und Spannung (Vorsicht welche Spannung angezeigt wird: U eff, U ss oder U s - kann am Gerät eingestellt werden) beider Signale. Zusätzlich kann durch digitale Speicherschaltungen der Spannungsverlauf abgespeichert werden. Machen Sie sich mit der grundsätzlichen Funktion des DSO vertraut. 3. Messprogramm und Auswertung 3.1. Ermittlung der Frequenzabhängigkeit der Verstärkung (Amplituden- Frequenzgang) Sie müssen folgende Arbeitsschritte durchführen: Stromversorgung ausschalten, Ermittelten, neuen Arbeitswiderstand R a einbauen, Anschluss des Funktionsgenerators und des Oszilloskops, Stromversorgung einschalten und die vorgegebene Betriebsspannung U B einstellen, vorgegebenen Arbeitspunkt AP einstellen, Seite 3 von 6 Seite 3 von 6

4 Vergleichen Sie die Anzeigen auf den 3 Messgeräten für Ug,Ua,Ia mit den Koordinaten des Arbeitspunktes aus dem Ia-Ua -Diagramm aus V 7, Funktionsgenerator und Oszilloskop einschalten, Stellen Sie U ss der Eingangsspannung u ess so ein, dass der Verstärker nicht "übersteuert" wird. Empfehlung: Eingangsspannung u ess =1 V, damit Sie die Verstärkung V möglichst einfach berechnen können, Vorbereiten des halblogarithmischen Papiers (Querformat, Achsen beschriften), f-achse (Frequenzachse): logarithmische Einteilung, V-Achse (Verstärkungsachse): lineare Einteilung Papierfläche voll ausnutzen, Verändern Sie systematisch die Frequenz f und bestimmen Sie jeweils die Verstärkung V. Empfehlung: 1 Hz, 2 Hz, 5 Hz,10 Hz, 20 Hz, 50 Hz, 100 Hz, 200 Hz, 500 Hz, 1 khz, 2 khz, 5 khz, 10 khz, 20 khz, 50 khz, 100 khz,200 khz, 500 khz, 1 MHz, die Messwerte werden sofort in die Wertetabelle und das Diagramm eingetragen, danach Zwischenwerte der Frequenz einstellen, so dass die Form der Kurve präziser wird. Abstände der Messpunkte im Bereich der Verstärkungsänderung kleiner wählen, zeichnen Sie die Messkurve (Ausgleichskurve) für den Frequenzgang (Kurvenlineal!), Die hohe f h und die tiefe f t Grenzfrequenz bestimmen Sie, indem Sie zunächst die Maximalverstärkung V max aus dem Diagramm ermitteln und dann die beiden zum Wert 2 gehörenden Frequenzen in dieses deutlich einzeichnen (siehe Skizze Frequenzgang) Röhrentyp V max Daten des Arbeitspunktes Versorgungsspannung U B / V Anodenspannung U a /V Arbeitswiderstand R a / kω Gitterspannung U g /V Koppelkondensator C 1 /...F Anodenstrom I a / ma Koppelkondensator C 2 /...F Maximale Verstärkung V max tiefe Grenzfrequenz f t / Hz hohe Grenzfrequenz f h /Hz f /Hz u e / V u a / V V=u a /u e f /Hz u e / V u a / V V=u a /u e Seite 4 von 6 Seite 4 von 6

5 Zur Beurteilung der Qualität eines Verstärkers betrachtet man die Phasenverschiebung und die Signalverzerrung. Phasenverschiebung keine Phasenverschiebung Phasenverschiebung Seite 5 von 6 Seite 5 von 6

6 Signalverzerrung Verzerrung einer rechteckigen Eingangsspannung Signalverzerrung wegen Sättigung Untersuchen Sie qualitativ Ihren Verstärker bei verschiedenen sinusförmigen Eingangssignalen: Frequenz Niedrig (1-10Hz) Mitte (ca. 1 khz) Hoch (ca. 0,5 MHz) Phasenverschiebung Signalverzerrung Sättigungsbereich ab ca. wie viel Volt? Seite 6 von 6 Seite 6 von 6

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