1. Laboreinheit - Hardwarepraktikum SS 2005

Transkript

1 1. Versuch: Gleichstromnetzwerk Ohmsches Gesetz Kirchhoffsche Regeln Gleichspannungsnetzwerke Widerstand Spannungsquelle Maschen A B 82 Ohm Abbildung 1 A1 Berechnen Sie für die angegebene Schaltung alle Teilströme und Spannungsabfälle und tragen Sie die Ergebnisse in der Tabelle ein. Widerstand U/V I/A R1 75Ω R2 240Ω R3 82Ω R4 160Ω A2 Bestimmen Sie mit dem Multimeter die Spannungen über allen Bauelementen und alle Teilströme der Schaltung. Tragen Sie die Messergebnisse in der Tabelle ein. A3 Tragen Sie in die Schaltung die messtechnisch ermittelten Stromflussrichtungen und die Richtung der Spannungsabfälle ein. A4 Überprüfen Sie die Ergebnisse durch eine Schaltungssimulation und dokumentieren Sie die Ergebnisse. A5 Vergleichen Sie die Ergebnisse aus der Berechnung, der Simulation und der Messung und diskutieren Sie diese hinsichtlich der folgenden Gleichungen: I ν = 0 für die eingezeichneten Knotenpunkt A (oben) und B (unten) U ν = 0 für die Masche M1 und M2 1/6

2 2. Versuch: Belasteter Spannungsteiler Potentiometer Spannungsquelle mit Innenwiderstand belasteter/unbelasteter Spannungsteiler U R1 U R2 U R3 Abbildung 2 A1 Vervollständigen Sie die angegebene Tabelle und erstellen Sie eine Grafische Abbildung für die Abhängigkeit von U 2 in Volt über dem Teilerverhältnis V = R2/(R1+R2). V soll dabei von 0 bis 1 in Schritten von 0,2 variiert werden und die Messung für drei unterschiedliche Widerstandswerte von R 3 mit 160Ω, 1,2kΩ und 180kΩ wiederholt werden. Nehmen Sie parallel zur Messung eine Schaltungssimulation vor. Verhältnis 0 0,2 0,4 0,6 0, Ω Spannungsabfall U/V über R3 unter Verwendung des angegebenen Widerstands 160Ω 1,2kΩ 1,2kΩ 180kΩ 180kΩ A2 Vergleichen Sie die Ergebnisse aus Simulation und Messung. A3 Diskutieren Sie das Ergebnis der grafischen Abbildung, hinsichtlich der Nutzungsgrenzen des Spannungsteilers aus R 1 und R 2 als veränderliche Spannungsquelle für eine angeschlossene elektrische Last R 3. 2/6

3 3. Versuch: Kondensator Frequenzgenerator U A Oszilloskop Kondensator Zeitkonstante Lade- und Entladevorgang bzw. Kurve Wechselspannungsquelle/Frequenzgenerator Oszillograph/Oszilloskop R C U B U C C 20 Ohm Abbildung 3 A1 Bauen Sie die dargestellte Schaltung aus Abbildung 3 auf. Stellen Sie die Amplitude des Frequenzgenerators auf 5V und die Offsetspannung auf 2,5V ein. Kontrollieren Sie die Auswirkung der vorzunehmenden Einstellungen mit Hilfe des Oszillographen. Der Frequenzgenerator soll eine rechteckförmige Spannung U im Bereich von 0V bis 5V liefern. Ermitteln Sie mit Hilfe des Oszillographen die Zeitkonstante τ für die Widerstandswerte R=1,2kΩ, 5,6kΩ und 180kΩ. Dokumentieren Sie dazu den Spannungsverlauf am Knotenpunkt A und B der Schaltung. Benutzen Sie zur Ermittlung der Zeitkonstanten τ die Cursor-Funktion des Oszillographen. Berechnen Sie die Zeitkonstante parallel dazu. Widerstand R 1,2kΩ 5,6Ω 180kΩ Zeitkonstante τ unter Verwendung des angegebenen Widerstands A2 Welche Funktion besitzt der 20Ω Widerstand in der dargestellten Schaltung? Hilfestellung: Bei der Messung mit dem Oszillographen ist es nur möglich Spannungen zu messen. Was kann über 20Ω Widerstand indirekt werden? A4 Nehmen Sie für den Widerstandswert R=1,2kΩ den Spannungsverlauf am Knotenpunkt B und den Spannungsverlauf am Knotenpunkt C auf, dabei ist die Frequenz am Frequenzgenerator so zu wählen, dass ein Ladungs- und Entladungsvorgang des Kondensators abgebildet wird. Diskutieren Sie die Ergebnisse und begründen Sie den Wechsel der Polarität der Spannung am Knotenpunkt C. A5 Wie kann mess- und rechentechnisch der maximale Kondensatorstrom für den Ladungs- und Entladungsvorgang bestimmt werden? 3/6

4 4. Versuch: RC Glied Tiefpass-Filter Grenzfrequenz Zeigerdiagramme Phasenverschiebung U B U R1 U C A1 A2 Stellen Sie die Spannungen U, U R1 und U C1 sowie den Strom I der Schaltung in einem Zeigerdiagramm dar und tragen Sie in dieses Diagramm den Phasenwinkel φ ein. Berechnen Sie für die angegebenen Werte von R 1 und C 1 aus der oben dargestellten Schaltung die Grenzfrequenz f gr und die Zeitkonstante τ. Abbildung 5 A3 Bauen Sie nun die Schaltung auf. Der Frequenzgenerator soll für die Messung eine konstante sinusförmige Ausgangsspannung von 10V liefern. Die Frequenz f soll im Bereich von 200 bis 2000Hz in Schritten von 200Hz variiert werden. Bestimmen Sie den sogenannten Amplitudengang (das Verhältnis U C /U) rechnerisch und messtechnisch. Ermitteln Sie die Amplituden der Spannungen auf Basis der Cursormessung mit dem Oszillographen und der gleichzeitigen Messung mit dem Multimeter. Tragen Sie die Ergebnisse in die Tabelle ein und stellen sie diese in einer Grafik dar (Amplitudengang aufgetragen über der Frequenz). Frequenz/Hz U C /V Amplitudengang Oszillograph Multimeter Oszillograph Multimeter A4 A5 Bestimmen Sie die Phasenverschiebung zwischen U C und U rechnerisch und messtechnisch und durch Simulation für 4 selbst gewählte Frequenz im Frequenzbereich von 200 Hz bis 2000 Hz und die Grenzfrequenz. Für die messtechnische Bestimmung der Phasenverschiebung nutzen Sie die jeweils verfügbare Cursormessung. Welche Veränderungen sind bei Verwendung einer rechteckförmigen Ausgangsspannung U im Vergleich zu einer sinusförmigen Ausgangsspannung des Frequenzgenerators zu beobachten? Belegen Sie die Beobachtung durch Zeitverläufe und erklären Sie diesen Sachverhalt. Frequenz/Hz Phasenverschiebung zwischen U C und U in Grad Gemessen 4/6

5 5. Versuch: Diode Diode Kennlinie Gleichrichter 1,2 kω U B Anode Kathode C U X 20 Ohm U Y Abbildung 6 A1 Welche Aufgabe hat der Widerstand R 2 in der dargestellten Schaltung? A2 Bauen Sie die Schaltung aus Abbildung 6 auf. Dokumentieren Sie jeweils einen Zeitverlauf durch die Schaltungssimulation und überprüfen Sie das jeweilige Ergebnis unter Nutzung des Oszillographen für folgende Fälle: Frequenzgenerator mit sinusförmiger Ausgangsspannung (U=10V, f =100Hz, 10kHz) Frequenzgenerator mit rechteckförmiger Ausgangsspannung (U=10V, f=100hz, 10kHz) Erläutern Sie anhand der aufgenommenen Kurven für U X und U Y die Funktionsweise der Diode. Markieren Sie in einem Zeitverlauf den Zustand Diode sperrt und Diode leitet. A3 Durch welche Spannungen (U X,U Y ) wird die Flussspannung, die Sperrspannung und der Strom durch die Diode repräsentiert? A4 Diskutieren Sie die aufgenommenen Zeitverläufe hinsichtlich der Nutzung der Diode als Gleichrichter und dem Verhalten bei sinus- und rechteckförmiger Spannung mit unterschiedlichen Frequenzen. A5 Stellen Sie den Frequenzgenerator auf eine Sinusspannung von U=10V und eine Frequenz von f=200hz ein. Nun wird eine spezielle Messung durchgeführt, die XY Messung (siehe dazu Geräte.pdf, Kapitel XY-Messung), diese Messung stellt die Abhängigkeit der Spannung U Y am Kanal 2 über der Spannung U X am Kanal 1 dar. Bestimmen Sie durch eine Kursormessung die Schwellspannung der Diode. Erstellen Sie aus der XY Darstellung auf dem Oszillographen das Kennlinienfeld der Diode A6 Untersuchen Sie das Verhalten der Kennlinie für die Frequenzen 1Hz, 1kHz und 1MHz bei einer sinusförmigen und bei einer rechteckförmigen Spannung. Dokumentieren und diskutieren Sie die Beobachtungen. 5/6

6 6. Versuch: Einweggleichrichtung mit geglätteter Gleichspannung Gleichrichtung mit Glättung belasteter/unbelasteter Gleichrichter R MIN C1 4,7µF 1,2 kω Abbildung 7 Untersuchen Sie die Spannungsverhältnisse der Schaltung aus Abbildung 7 in den folgenden drei Fällen: 1) nur die Widerstände R 1 und R 2 sind angeschlossen und der Kondensator C 1 fehlt, 2) nur der Kondensator C 1 ist angeschlossen und die Widerstände R 1 und R 2 fehlen und 3) die Widerstände R 1 und R 2 und der Kondensator C sind vorhanden, wobei R 1 variiert wird. A1 Bauen Sie die Schaltung aus Abbildung 7 auf. Das Potentiometer ist auf 5kΩ einzustellen. Untersuchen Sie die Schaltung für die drei oben aufgeführten Fälle. Die Untersuchung erfolgt bei einer sinusförmig Eingangsspannung von U=10V und einer Frequenz f =50 Hz. Übernehmen Sie die Zeitverläufe als Bildschirmkopie in das Protokoll. Diskutieren Sie die Ergebnisse hinsichtlich der Glättung der Sinusspannung. A2 Welche Aufgabe hat der Widerstand R 2 in der Schaltung? Begründen Sie ihre Meinung, Betrachten Sie dabei die möglichen Stellungen des Potentiometers R 1. A3 Für den dritten Fall (mit R1 fest auf 5kΩ eingestellt), untersuchen Sie die Auswirkung der Zeitkonstante τ, auf die Gleichrichtung und die Glättung der Gleichspannung. Nehmen Sie die Zeitverläufe der Spannungen U am Knotenpunkt A und U R am Knotenpunkt B mit Unterstützung des Oszillographen für die Frequenzen f = 5 Hz, 50 Hz und 500 Hz (x10 Funktion des Funktionsgenerators benutzen) auf. Erläutern Sie die Ergebnisse anhand der Zeitverläufe. Führen Sie die gleiche Messung bei einer Frequenz von 50Hz für drei unterschiedliche Werte von R1 (0Ω, 5kΩ und 10 kω) durch. Welche Schlussfolgerungen sind zu ziehen um eine möglichst gute Glättung der Gleichspannung bei unterschiedlichen Frequenzen und Lastwiderständen zu erreichen. A4 Erläutern Sie die in Aufgabe A3 aufgenommenen Zeitverläufe hinsichtlich des Aufladungs- und Entladungsvorganges des Kondensators bei einer Frequenz von 50Hz und einer Veränderung des Widerstandes R 1. 6/6