Zum Aufbau elektrischer Schaltungen und zum Umgang mit Netzgeräten, Vielfachmessgeräten und Funktionsgeneratoren

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1 11 Carl von Ossiezky Universiä Oldenburg - Fakulä V- Insiu für Physik Modul Grundprakikum Physik eil I Zum Aufbau elekrischer Schalungen und zum Umgang mi Nezgeräen, Vielfachmessgeräen und Funkionsgeneraoren 1 Einleiung Sudierende, die noch nie oder nur wenige Male selbssändig experimenier haben, haben ofmals Schwierigkeien bei der Umsezung einer Schalungsskizze oder eines Blockschalbildes in eine reale elekrische Schalung. Auch der Umgang mi Nezgeräen, Vielfach-Messgeräen und Funkionsgeneraoren bereie ihnen anfänglich Probleme. Deshalb wird hier eine kurze Einführung gegeben. Zunächs werden die wichigsen Funkionen der genannen Geräe erläuer. Im Laufe des Grundprakikums werden sie noch genauer behandel. Anschließend werden einfache Schalungsskizzen beschrieben und Foos der zugehörigen realen Aufbauen gezeig. Beim Aufbau einer der Schalungen komm ein Oszilloskop zum Einsaz, dessen Funkionsweise und Berieb in einem separaen Prakikumsermin ausführlich behandel wird. Deails der Foos lassen sich in der PDF-Version dieses exes möglicherweise besser erkennen; siehe dazu hp://physikprakika.uni-oldenburg.de/download/gpr/pdf/schalungen_mulimeer.pdf. 2 Nezgeräe Für viele Versuchsaufbauen im Prakikum werden Gleichspannungen 1 (gelegenlich auch Gleichsröme) mi unerschiedlichen Höhen und Vorzeichen benöig, wie z. B V, - 12 V, + 5 V usw. Solche Spannungen können einem Nezgerä 2 ennommen werden. Nezgeräe werden auch als Sromversorgung oder Spannungsversorgung bezeichne. Abb. 1 zeig ein Nezgerä der Fa. PHYWE, das im Grundprakikum zum Einsaz komm. Es handel sich um ein Doppel-Nezgerä, da es über zwei separa einsellbare Ausgänge verfüg. Am linken Ausgang können Spannungen zwischen 0 V und 15 V eingesell werden, der Srom kann dor maximal 5 A beragen. Am rechen Ausgang sehen Spannungen zwischen 0 V und 30 V zur Verfügung bei einem maximalen Srom von 2,5 A. Abb. 1: Nezgerä vom yp PHYWE. An beiden Ausgängen (jeweils blaue und roe Buchse) is eine Spannung von ca. 10 V eingesell. Mi den Drehknöpfen können die Spannung U und der Srom I eingesell bzw. begrenz werden. In den meisen Fällen wird im Prakikum für den Berieb eines Verbrauchers, z. B. eines Foodeekors, eine besimme Spannung benöig. Diese Spannung wird zunächs ohne angeschlossenen Verbraucher mi dem Drehknopf uner der Spannungsanzeige (V) eingesell. Der eingeselle Wer wird an der Spannungsanzeige überprüf. Anschließend wird der zum selben Ausgang des Nezgeräs gehörende Knopf zur Srombegrenzung an den rechen Anschlag gedreh. Dadurch wird erreich, dass der späer angeschlossene Verbraucher dem Nezgerä so viel Srom ennehmen kann, wie zu seinem Berieb benöig wird. 1 Englisch DC volage; DC bedeue direc curren (Gleichsrom). 2 Englisch Power Supply.

2 12 Jeder Ausgang des Nezgeräs verfüg über zwei Anschlussbuchsen für gewöhnliche Laborkabel. Das Poenial 3 an der blauen Buchse is immer niedriger als das Poenial an der roen Buchse. Vergleich man den Ausgang des Nezgeräs mi einer Baerie, so ensprich die blaue Buchse dem Konak mi der Bezeichnung - und die roe Buchse dem Konak mi der Bezeichnung +. Das Vorzeichen der Spannung zwischen den beiden Anschlussbuchsen häng ausschließlich vom gewählen Bezugspunk ab. Nehmen wir an, am Ausgang des Nezgeräes sei eine Spannung (Poenialdifferenz) von 10 V eingesell. Wählen wir die roe Buchse als Bezugspunk, so is das Poenial an der blauen Buchse um 10 V niedriger. Von diesem Bezugspunk aus berache is die Spannung also U = 10 V. Wählen wir dagegen die blaue Buchse als Bezugspunk, so is das Poenial an der roen Buchse um 10 V höher. Von diesem Bezugspunk aus berache is die Spannung also U = + 10 V. Abb. 2 verdeulich die Zusammenhänge anhand der Spannungsmessung mi zwei als Volmeer beriebenen Vielfachmessgeräen (weieres zu Vielfachmessgeräen in Kap. 4). Abb. 2: Zum Vorzeichen der Spannung aus einem Nezgerä. An dessen linkem Ausgang is eine Spannung von ca.10 V eingesell. Das linke Mulimeer (yp FLUKE) zeig eine Spannung von 10,02 V an, das reche eine Spannung von + 10,01 V 4. Ursache: der Bezugspunk für die Spannungsmessung (schwarze Buchse COM am Mulimeer) is links mi der roen Buchse des Nezgeräes verbunden (an der das höhere Poenial lieg), rechs mi der blauen Buchse (an der das niedrigere Poenial lieg). Die gleichen Überlegungen gelen auch für eine Baerie. Eine Blockbaerie mi einer Spannung von 9 V kann demnach, je nach Bezugspunk, eine Spannung von + 9 V oder - 9 V liefern. 3 Funkionsgeneraoren Funkionsgeneraoren (FG) dienen der Erzeugung von Wechselspannungen 5 mi unerschiedlichen Formen, Ampliuden und Frequenzen. Wahlweise können zu diesen Wechselspannungen Gleichspannungen hinzuaddier werden, man sprich dann von einem DC-Offse. Die gängigse Signalform am Ausgang eines FG is eine sinusförmige Wechselspannung U(), die sich mahemaisch wie folg beschreiben läss: (1) ( ) sin ( ω ) U = U + U 0 DC 3 Das (elekrische) Poenial is eine auf einen fesen Bezugspunk bezogene Spannung. Ein Bezugspunk kann z.b. die Erde sein, gekennzeichne mi den Symbolen oder. Hierbei handel es sich um einen Anschluss (s. Nezgerä in Abb. 2), der elekrisch leiend mi der Erde verbunden is. Dies kann man z. B. erreichen, indem man einen elekrischen Leier in die Erde eingräb und über Kabel mi dem Anschluss verbinde. In Gebäuden finde die Erdung durch einen Fundamenerder sa, an den über eine Poenialausgleichsschiene u.a. der Schuzleier der Sromversorgung angeschlossen is. 4 Die Abweichungen der angezeigen Spannungsberäge um 0,01 V werden durch die beschränke Messgenauigkei der Mulimeer verursach. 5 Englisch AC volage; AC bedeue alernaing curren (Wechselsrom).

3 13 Darin bedeuen: : Zei U 0 DC : Ampliude 2π ω = 2π f = : Kreisfrequenz; f: Frequenz, : Periodendauer U : Gleichspannungsaneil (DC-Offse) Abb. 3 zeig eine solche Wechselspannung zusammen mi anderen ypischen Ausgangsspannungen von Funkionsgeneraoren. In Abb. 4 sind die Fronansichen von zwei im Grundprakikum eingesezen Funkionsgeneraoren dargesell. Über Schaler und Drehknöpfe werden die Form (Funcion: Sinus, Recheck, Dreieck, Sägezahn), die Frequenz (Freq), die Ampliude (Ampl) und der Gleichspannungsaneil (DC-Offse) des Signals eingesell. Auf weiere Einsellmöglichkeien wird im späeren Verlauf des Prakikums eingegangen. Die Ausgabe des Signals erfolg jeweils über die Buchse Oupu. Hierbei handel es sich um eine 2-polige BNC-Buchse 6. Der Innenleier einer solchen Buchse bilde den einen Pol, der äußere Konak den zweien Pol (weieres dazu in Kap. 5.2). U () U 0 U () U DC U () U () U () U () High Low Abb. 3: ypische Ausgangssignale von Funkionsgeneraoren. Oben links: sinusförmige Wechselspannung ohne DC-Offse. Oben rechs: dio mi DC-Offse. Mie links: Dreieckspannung. Mie rechs: Sägezahnspannung. Unen links: Recheckspannung. Unen rechs: L-Signal 7. 6 BNC is ursprünglich ein Produkname der Fa. AMPHENOL und seh für Bayone NEILL CONCELMAN 7 L is die Abkürzung für ransisor-ransisor-logik. Ein L-Signal is ein Logiksignal, das nur zwei Spannungswere U annehmen kann: Low und High. Für ein Ausgangssignal eines Geräes gil: Zusand Low wenn 0 V U < 0,4 V, Zusand High wenn 2,4 V < U 5,0 V. Für ein Eingangssignal in ein Gerä gil: Low wenn 0 V U < 0,8 V, High wenn 2,0 V < U 5,0 V. Hinweis: Das Signal an der Buchse L-OU des FG OELLNER 7401 ensprich dieser Norm nich.

4 14 Abb. 4: Fronansichen von zwei im Prakikum eingesezen Funkionsgeneraoren. Oben: AGILEN 33120A, unen: OELLNER Beim FG OELLNER is die Frequenz f des Ausgangssignals das Produk aus dem am Schaler FREQ RANGE eingesellen Wer (hier 100 Hz) und dem am Drehknopf FREQUENCY eingesellen Muliplikaor (hier 1). Bei der dargesellen Einsellung is also f = Hz = 100 Hz. 4 Vielfachmessgeräe Vielfachmessgeräe 8 (Abb. 5) können, wie der Name sag, je nach Schalersellung zur Messung verschiedener elekrischer Größen eingesez werden. Die wichigsen davon sind (angegeben mi ypischen Bezeichnungen auf den Wahlschalern der Geräe): Gleichspannung: V, DC V Wechselspannung: V, AC V Gleichsrom: A, DC A Wechselsrom: A, AC A Widersand: Ω Kapaziä: 8 Englisch: Mulimeer. Diese Bezeichnung wird auch im Deuschen verwende.

5 15 Abb. 5: Fronansichen von sechs im Prakikum eingesezen Mulimeern. Oben v. l. n. r.: MONACOR DM-3010, ABB MERAWA M2012, FLUKE 112, AGILEN U1251B. Mie: KONRON DMM Unen: AGILEN 34405A. Bei Messung von Wechselspannungen oder Wechselsrömen (AC-Messungen) zeigen die Messgeräe jeweils den Effekivwer (Index eff ) an. Der Effekivwer einer Wechselgröße is derjenige Wer, den eine Gleichgröße haben müsse, um an einem ohmschen Verbraucher die gleiche elekrische Leisung umzusezen. Für sinusförmige Signale ohne DC-Offse gil folgender Zusammenhang zwischen Effekivwer und Ampliude (Index 0 ): (2) Ueff = U ( ) d U0 = 0 2 Ieff = I ( ) d I0 = 0 2 Die Spannung des Sromnezes in Deuschland ha beispielsweise einen Effekivwer von U eff 230 V. Dieser Wer is auf den ypenschildern von Elekrogeräen angegeben. 9 Die zugehörige Ampliude der Nezspannung is also U0 2 U eff = V 325 V 9 Häufig finde sich auf den ypenschildern noch der veralee Wer von 220 V.

6 16 Bei AC-Messungen erhäl man nur für Signale mi Frequenzen innerhalb eines besimmen Inervalls einen korreken Messwer für den Effekivwer. Außerdem muss die Signalform (Sinus, Dreieck, Recheck usw.) bei der Inerpreaion des Messweres beache werden. Deailliere Informaionen dazu finde man in den Handbüchern der Geräe. Vor der Benuzung eines Vielfachmessgeräes muss die zu messende Größe am Wahlschaler eingesell werden. Ers danach dürfen die Kabel mi den Eingangsbuchsen verbunden werden. Die Eingangsbuchse, deren Poenial bei Spannungsmessungen das Bezugspoenial bilde, wird je nach Herseller unerschiedlich bezeichne. Die gängigsen Bezeichnungen sind: Bezugspoenial: COM, COMMON, LO, LOW, 0, Die Farbe dieser Buchse is in der Regel schwarz. Die zweie Buchse, an die bei Spannungsmessungen das Vergleichspoenial geleg wird, räg gelegenlich die Bezeichnungen: Vergleichspoenial: HI, HIGH, + Häufig sind dor jedoch nur die Einheien der zu messenden Größen angegeben, wie z. B.: V, Ω usw. Die Farbe dieser Buchse is in der Regel ro. Für Srommessungen wird neben der COM-Buchse eine andere Buchse als für Spannungs- und Widersandsmessungen benuz. Diese Buchse, ebenfalls ofmals ro, räg dann die Beschrifung: Srommessung: ma, A Für hohe Sromsärken bis z. B. 10 A gib es ofmals separae Anschlussbuchsen. Bei den im Grundprakikum eingesezen Mulimeern handel es sich um Digial-Mulimeer. Diese Geräe bieen eine Anzeigegenauigkei, die durch die Zahl der in der Anzeige vorhandenen Sellen (Digis 10 ) fesgeleg is. Die Selle ganz links kann dabei üblicherweise nur eine 0 oder eine 1 anzeigen, man zähl sie deshalb als halbe Selle. Beispielsweise is das Gerä vom yp AGILEN U1251B ein 4 ½-selliges Mulimeer, das vom yp AGILEN 34405A ein 5 ½ -selliges. Das bedeue: Die erse Selle kann nur 0 oder 1 anzeigen, die übrigen 4 oder 5 Sellen die Ziffern 0 9. Neben dem eigenlichen Messwer (Zahlenwer) erscheinen bei manchen Geräen weiere Angaben auf der Anzeige, wie z. B. die Einhei der gemessenen Größe (ma, A, mv, ), der Signalyp (AC, DC), der Messbereich (100 mv, 100 Ω, ) usw. Bei Widersandsmessungen liefer ein Mulimeer inern einen konsanen essrom I, der von der roen Buchse durch den zu messenden Widersand zur schwarzen Buchse fließ. Durch inerne Messung der Spannung U über dem Widersand R ergib sich dann der Anzeigewer zu R = U / I. Der essrom muss möglichs klein sein, um eine Erwärmung des Widersandes zu vermeiden. Einzelheien zu Widersandsmessungen werden im Versuch Messung ohmscher Widersände behandel. Bei Kapaziäsmessungen wird der Kondensaor mi einem konsanen Ladesrom I L geladen. Durch Messung der Spannung U über dem Kondensaor zu zwei Zeipunken 1 und 2 kann die Kapaziä C besimm werden. Einzelheien zu Kapaziäsmessungen werden im Versuch Messung von Kapaziäen behandel. 5 Exemplarische Schalungen 5.1 Spannungseiler Abb. 6 zeig das Schalbild eines Spannungseilers mi den Widersänden R 1 und R 2, die an eine Gleichspannungsquelle (Nezgerä) mi der Klemmenspannung U angeschlossen sind. Die verwendeen Schalsymbole werden in Kap. 6 erläuer. Mi einem Amperemeer A wird der Srom durch die Widersände gemessen, mi dem Volmeer V die Spannung über dem Widersand R Digi (engl.) = Ziffer.

7 17 Abb. 7 zeig ein Foo des realen Aufbaus. Als Widersände kommen Widersandsdekaden zum Einsaz, an denen mi Hilfe von Schiebeschalern die gewünschen Widersandswere eingesell werden können (rechs R 1 = ( ) Ω, links R 2 = 200 Ω; Genauigkei jeweils ± 1 %). Zur Srom- und Spannungsmessung werden Mulimeer eingesez. Die elekrische Verbindung zwischen den Geräen und Komponenen wird mi gewöhnlichen einadrigen Laborkabeln realisier (blaue und roe Kabel in Abb. 7), die an ihren Enden mi Laborseckern versehen sind. Die Geräe und Komponenen selber verfügen über Laborbuchsen, die zu diesen Laborseckern passen. Is U = 4,8 V die am Nezgerä eingeselle Spannung, so fließ durch die Widersände ein Srom I von (3) I U 4,8 V = = 15,5 ma R + Ω ( ) Dieser Wer wird auf der Anzeige des Amperemeers erware. asächlich zeig das Amperemeer einen Wer von 15,38 ma an. Die Abweichung wird durch die eingeschränke Genauigkei der Widersände aus der Widersandsdekade, der Spannungseinsellung am Nezgerä und des Messgeräes selber verursach. Die Spannung U eil sich auf die Widersände im Verhälnis U1 R1 110 Ω (4) = = = 0,55 U R 200 Ω auf. Mi 2 2 (5) U = U1 + U2 folg dann durch Kombinaion von Gl. (4) und (5) für U 2: U 4,8 V (6) U 2 = = 3,10 V R , 55 R2 asächlich zeig das Volmeer einen Wer von 3,04 V an. Die Abweichung des Zahlenweres is wieder auf die eingeschränken Genauigkeien von R 1, R 2, U und des Messgeräes zurückzuführen. Das negaive Vorzeichen rühr daher, dass die COM-Buchse des Messgeräes mi dem höheren Poenial am Widersand R 2 (roe Leiung) verbunden is. = U A R2 R 1 V Abb. 6: Blockschalbild eines Spannungseilers mi den Widersänden R 1 und R 2, Gleichspannungsquelle mi Klemmenspannung U, Volmeer V und Amperemeer A. Abb. 7: Realer Aufbau der Schalung nach Abb. 6. Am Nezgerä is eine Spannung von ca. 4,8 V eingesell.

8 Funkionsgeneraor und Oszilloskop Abb. 8 zeig ein Blockschalbild mi einem Funkionsgeneraor FG, der eine sinusförmige Wechselspannung U ~ mi einsellbarer Ampliude und Frequenz liefer (z. B. 2 V, 1 khz). An den Ausgang des Funkionsgeneraors wird ein Laswidersand R (z. B. 1 kω) geleg. Die Ausgangsspannung des FG bei dieser Belasung wird mi einem Oszilloskop OS gemessen 11. Abb. 9 zeig ein Foo des realen Aufbaus. Zur elekrischen Verbindung des Funkionsgeneraors mi dem Oszilloskop (Abb. 11) und dem Widersand (Widersandsdekade) kommen in diesem Fall Koaxialkabel zum Einsaz, die im Laufe des Prakikums noch ausführlicher behandel werden. Diese Kabel (Abb. 10) verfügen über einen Innenleier und einen Außenleier, es handel sich also um zweiadrige Kabel. Zwischen Innen- und Außenleier befinde sich ein Isolaor, der Außenleier is von einem Kunssoffmanel umgeben. An den Enden der Kabel befinden sich BNC-Secker. Der innere Sif des Seckers is mi dem Innenleier, der äußere Meallkörper mi dem Außenleier des Kabels verbunden. Die Secker werden mi einem Bajoneverschluss an die zugehörigen BNC-Buchsen von Geräen wie Funkionsgeneraor oder Oszilloskop angeschlossen. Um Komponenen wie z. B. Widersandsdekaden an Koaxialkabel anschließen zu können, gib es zwei Varianen. Enweder werden Kabel verwende, die an einer Seie über einen BNC-Secker und an der anderen Seie über zwei gewöhnliche Laborsecker verfügen (Abb. 9, Verbindung von FG und R), oder man benuz ein geeignees Adapersück (Abb. 10). Mi Hilfe von BNC--Sücken (Abb. 10) kann ein Signal gleichzeiig an zwei Koaxialkabel geleg werden (in Abb. 9 das Ausgangssignal des FG). FG U ~ R OS Abb. 8: Blockschalbild eines Funkionsgeneraors FG mi Ausgangs-Wechselspannung U ~, Laswidersand R und Oszilloskop OS zur Spannungsmessung. Abb. 9: Realer Aufbau der Schalung nach Abb. 8. Manel Isolierung Außenleier (Geflech) Innenleier Abb. 10: Oben links: Koaxialkabel schemaisch, oben rechs: Koaxialkabel mi BNC-Secker, unen v. l. n. r.: - Sück für Koaxialkabel mi BNC-Seckern, Verbindungssück für Koaxialkabel mi BNC-Seckern, Adapersück für den Übergang BNC-Secker Laborbuchse. 11 Einzelheien zum Oszilloskop werden im Versuch Oszilloskop und Funkionsgeneraor behandel.

9 19 Abb. 11: Fronansichen von zwei im Prakikum eingesezen Oszilloskopen. Oben: Digial-Oszilloskop EKRONIX DS 210, Unen: Digial-Oszilloskp EKRONIX DS 1012B. 6 Anhang Auswahl von Schalsymbolen nach DIN EN 60617: V A Spannungsquelle Sromquelle Volmeer Amperemeer Erde Masse Widersand Kondensaor Spule Leiungskreuzung mi Verbindung Leiungskreuzung ohne Verbindung Anschlussbuchse