Widerstandsnetzwerke

Transkript

1 Fakultät für Technik Bereich Informationstechnik Studiengang Elektrotechnik / Informationstechnik Elektrotechnisches Grundlagenlabor Versuch 2 Widerstandsnetzwerke Laboranleitung/Laborbericht Gruppe: Teamnummer: vorgelegt von: Name Vorname Labortermin:

2 Inhalt 1 Einführung Vor dem Labor Während des Labors Nach dem Labor Versuchsdurchführung Reale und ideale Spannungsquellen und Stromquellen Einführende Übungen mit dem Oszilloskop und dem Funktionsgenerator Leistungsanpassung Spannungsteiler Anhang Einführung zum Arbeiten mit dem Oszilloskop Oszilloskop auf Werkseinstellungen zurücksetzen Anschluss einer Messleitung (Tastkopf) Einstellen der vertikalen Verstärkung Einstellen der horizontalen Verstärkung Trigger Funktionsgenerator... 37

3 Elektrotechnisches Grundlagenlabor 1 1 Einführung 1.1 Vor dem Labor Drucken Sie sich diese Laboranleitung aus und arbeiten Sie diese mit Ihrem Team, jeweils immer 2 Studierende, gründlich durch. Bearbeiten Sie die mit Vor dem Labortermin bearbeiten! gekennzeichneten Aufgaben. Alle Antworten, Skizzen, Gleichungen usw. sind dabei handschriftlich in diese Laboranleitung einzutragen. Pro Team ist eine bearbeitete Laboranleitung in Papierform zu erstellen. Diskutieren Sie offene Fragen und Probleme in Ihrem Team. Notieren Sie sich offene Fragen und Probleme und sprechen Sie diese dann im Labor an. Die Laboranleitung mit allen beantworteten Fragen bringen Sie bitte in Originalform ausgedruckt in Papierform am Versuchstag mit (keine Kopien). Drucken Sie sich das Testatblatt aus und füllen Sie es aus. Bitte beachten: Bei fehlender Vorbereitung können Sie nicht am Labor teilnehmen! 1.2 Während des Labors Während der Versuchsdurchführung werden alle Aufgaben gemeinsam bearbeitet und die Aufgaben aus der Vorbereitung ausführlich besprochen. Die Aufgaben, die während des Labors gemeinsam bearbeitet werden, sind mit Wird im Labor bearbeitet! gekennzeichnet. Alle Ergebnisse, Skizzen, Diagramme und Messwerte sind dabei von Ihnen handschriftlich in die Laboranleitung einzutragen. Nutzen Sie bei offenen Fragen die Hilfestellung der Laborbetreuer. Bringen Sie bitte am Versuchstag zusätzliches Papier (am besten kariert), Stifte, Taschenrechner (kein PC) und ein Geodreieck mit. Bringen Sie am letzten Versuchstag Ihr ausgefülltes Testatblatt mit. Haben Sie am Ende des Labors alle gestellten Aufgaben (vgl. Laborordnung, Vorbereitungsfragen beantwortet, aktive Teilnahme an den Versuchen) erfüllt, wird Ihnen das von den Betreuern auf dem Testatblatt mit einer Unterschrift bestätigt. 1.3 Nach dem Labor Überarbeiten Sie Ihren Laborbericht so, dass Sie auch nach einiger Zeit (auch für die Klausurvorbereitung) die Ergebnisse zur Hilfestellung heranziehen können. Sollten noch offene Fragen vorhanden sein, können Sie diese mit den Laborbetreuern beim nächsten Labortermin oder in der Vorlesung besprechen.

4 Elektrotechnisches Grundlagenlabor 2 2 Versuchsdurchführung Jeder Laborplatz besteht aus einem digitalen Speicheroszilloskop, einem Funktionsgenerator, einem Labornetzteil, mehreren digitalen Vielfachmessgeräten (Multimeter), Prüfspitzen und Kabel sowie verschiedenen Bauteilen (Widerständen) inkl. Steckbrett. Eine Beschreibung der Geräte finden Sie auf der Internetseite zum Labor. 2.1 Reale und ideale Spannungsquellen und Stromquellen Für die folgenden Versuche stehen Ihnen verschiedene reale Strom- und Spannungsquellen zur Verfügung. Da die Eigenschaften von realen Strom- und Spannungsquellen bei elektrischen Schaltungen oft nicht vernachlässigt werden können, wollen wir uns diese jetzt genauer anschauen. Die theoretischen Grundlagen hierzu haben Sie in der Vorlesung erfahren, oder es wird Ihnen noch vermittelt.

5 Elektrotechnisches Grundlagenlabor 3 Aufgabe 1: Vor dem Labortermin bearbeiten! In der Vorlesung haben Sie reale und ideale Quellen kennengelernt. Beantworten Sie mit diesem Wissen die folgenden Fragen: Was unterscheidet eine reale Spannungsquelle von einer idealen Spannungsquelle? Was unterscheidet eine reale Stromquelle von einer idealen Stromquelle?

6 Elektrotechnisches Grundlagenlabor 4 Aufgabe 2: Vor dem Labortermin bearbeiten! Skizzieren Sie jeweils eine ideale und reale Spannungs- und Stromquelle. Skizze: Ideale Spannungsquelle: Ideale Stromquelle: Reale Spannungsquelle: Reale Stromquelle:

7 Elektrotechnisches Grundlagenlabor Einführende Übungen mit dem Oszilloskop und dem Funktionsgenerator Bei den folgenden Versuchen würde es ausreichen, mit dem Labornetzteil, das Sie aus dem ersten Versuch bereits kennen, zu arbeiten. Da das Oszilloskop und der Funktionsgenerator für einen Elektrotechnik-Ingenieur sehr wichtige Werkzeuge sind und Sie diese mit hoher Wahrscheinlichkeit in Ihrem Studium benötigen, wollen wir die folgenden Versuche mit diesen Geräten durchführen. So bekommen Sie gleich zu Beginn Ihres Studiums die ersten grundlegenden Kenntnisse im Umgang damit. Hinweis! Das Oszilloskop ist ein sehr komplexes Messwerkzeug und daher gerade für Anfänger nicht leicht zu verstehen. Geben Sie daher bei Ihrem Kampf mit diesem Gerät nicht sofort auf. Übung macht den Meister und Sie stehen gerade am Anfang Ihrer Übungen.

8 Elektrotechnisches Grundlagenlabor 6 Aufgabe 3: Vor dem Labortermin bearbeiten! Arbeiten Sie vor dem Labortermin das Kapitel 4.1 zum Oszilloskop und das Kapitel 4.2 zum Funktionsgenerator durch. Notieren Sie Ihre Fragen, damit wir diese am Versuchstag klären können. Notieren Sie hier Ihre Fragen:

9 Elektrotechnisches Grundlagenlabor 7 Aufgabe 4: Wird im Labor bearbeitet! Schließen Sie entsprechend Kapitel den Kanal 1 des Oszilloskops an die Testspannung an und versuchen Sie die Spannung und die Periodendauer der Rechteckspannung zu messen. Notieren Sie hier Ihre Ergebnisse: Amplitude der Testspannung: U Volt Periodendauer der Testspannung: t µs das entspricht einer Frequenz von

10 Elektrotechnisches Grundlagenlabor 8 Aufgabe 5: Wird im Labor bearbeitet! Schließen Sie den 50-Ω-Ausgang des Funktionsgenerators mit einer BNC-Leitung an den Kanal 1 Ihres Oszilloskops an. Machen Sie sich mit dem Funktionsgenerator vertraut, indem Sie sich nacheinander verschiedene Signalformen mit unterschiedlichen Frequenzen und Amplituden an Ihrem Oszilloskop anzeigen lassen. Testen Sie auch die Funktion des Offset-Drehreglers. Notieren Sie hier Ihre Beobachtungen und Erkenntnisse:

11 Elektrotechnisches Grundlagenlabor Leistungsanpassung In diesem Versuch untersuchen Sie ein praktisches Problem: Sie entwickeln eine elektrische Heizung zum Heizen Ihrer Wohnung. Dazu stehen Ihnen ein Generator und ein Heizelement zur Verfügung. Der Generator könnte zum Beispiel eine Wasserturbine oder eine Photovoltaikanlage auf Ihrem Hausdach sein. Das Heizelement soll aus einem einfachen Ohmschen Widerstand bestehen. Der Generator ist bereits vorhanden, den Heizwiderstand können Sie noch frei wählen. Die Anforderung an die Heizung ist: Aus der vorhandenen elektrischen Energie des Generators soll möglichst viel Wärmeenergie Mithilfe des Heizwiderstandes für die Wohnung erzeugt werden. Ein erfahrener Ingenieur wird diese Aufgabenstellung zu Beginn zunächst theoretisch beschreiben und dann versuchen, damit eine optimale Lösung zu finden. Das versuchen wir nun auch. Sollten wir diese optimale Lösung für unsere Heizung finden, werden wir diese anschließend durch ein Experiment bzw. eine Messung überprüfen, die dann hoffentlich unsere theoretischen Überlegungen bestätigen wird. Das Problem der Heizung lässt sich vereinfacht als reale Spannungsquelle, an die ein Lastwiderstand angeschlossen ist, beschreiben, vergleiche Abbildung 1: Abbildung 1: Modell der Heizung

12 Elektrotechnisches Grundlagenlabor 10 Aufgabe 6: Vor dem Labortermin bearbeiten! Aus der Vorlesung kennen Sie den Zusammenhang für die elektrische Leistung mit P Heizelement. L U I am Leiten Sie daraus eine Gleichung für die Leistung des Heizelements ab, bei der die Leistung P L von U, R i und R L abhängt. Gesucht ist somit die Funktion: P f U, R, R ) Tipp: Ersetzen Sie in der Gleichung P jeweilige Ohmsche Gesetz. L L L ( i L U I für die Leistung die Spannung und den Strom durch das L L L Bitte geben Sie hier die Gleichung (mit Herleitung) für die Berechnung der elektrischen Leistung am Heizelement an:

13 Elektrotechnisches Grundlagenlabor 11 Aufgabe 7: Vor dem Labortermin bearbeiten! Die Anforderung an die Heizung war: Möglichst viel elektrische Energie in Wärmeenergie umzusetzen. In Aufgabe 6 haben Sie den Zusammenhang für die Leistung am Heizelement mit P L ( R i RL R L ) 2 U 2 hergeleitet. Unter welchen Bedingungen die Leistung am Heizelement maximal wird, kann uns die Mathematik (Gleichung) beantworten. Für die Berechnungen nehmen Sie an, dass U und R i konstant sind und R L variiert werden kann. Dabei spielt es erstmal keine Rolle, dass Sie U und R i nicht kennen. Was müssen Sie mathematisch tun, um Erklären Sie die Lösung mit Worten! Tipp: P L in Abhängigkeit von max RL zu bestimmen? Sie müssen das Maximum von P f R, U, R ) mit U = konst., R i = konst. und R L = variabel suchen. L ( L i

14 Elektrotechnisches Grundlagenlabor 12 Aufgabe 8: Vor dem Labortermin bearbeiten! Für die Berechnungen nehmen Sie an, dass U und R i konstant sind und R L variiert werden kann. Berechnen Sie den Wert von R L bei dem die Leistung Herleitung). Bitte geben Sie jeden Ihrer Herleitungsschritte an! P L am Heizelement maximal wird (mit Auf die notwendige Bedingung (erste Ableitung) prüfen reicht. Auf die hinreichende Bedingung (zweite Ableitung) brauchen Sie nicht zu prüfen! Tipp: Bringen Sie die Gleichung für die Leistung P L in die Form 2 2 P L U RL ( Ri RL ) und verwenden Sie die Produkt-Regel der Differentialrechnung.

15 Elektrotechnisches Grundlagenlabor 13 Zur Überprüfung Ihrer Rechnung hier die Lösung: Im Fall von Leistungsanpassung muss gelten: R i = R L Die maximal abgegebene Leistung beträgt dann: P L, max 2 U 4 R L

16 Elektrotechnisches Grundlagenlabor 14 Aufgabe 9: Wird im Labor bearbeitet! Bestimmen Sie durch eine Messung den Innenwiderstand R i des Generators. Bauen Sie dazu den Messaufbau entsprechend der Versuchsskizze aus Abbildung 1 auf. Für R L verwenden Sie eine Widerstandsdekade mit der Sie verschiedene Widerstandswerte R L einstellen können. Für Ihre Messung nehmen Sie verschiedene Werte für R L und messen jeweils die Spannung U L am Lastwiderstand R L. Verwenden Sie als Generator den 50-Ω-Ausgang des Funktionsgenerators. Stellen Sie an diesem Ausgang eine Rechteckspannung von U SS = 10 V mit einer Frequenz von f = 50 Hz im Leerlauf ein. Leerlauf bedeutet es ist kein Lastwiderstand angeschlossen. Für die Messung von U L verwenden Sie Kanal 1 des Oszilloskops und messen jeweils die Amplitude der Rechteckspannung. Tragen Sie Ihre Messergebnisse in die folgende Tabelle 1 ein und berechnen Sie daraus entsprechend P L 2 U L die Leistung P L. R L Notieren Sie nur so viele Nachkommastellen wie nötig! Aufgabe 10: Vor dem Labortermin bearbeiten! Skizzieren Sie Ihre Versuchsanordnung entsprechend Abbildung 1 mit allen für Ihre Messung notwendigen Messgrößen und Beschriftungen hier nochmal. Zur Messung der Spannung U L am Lastwiderstand verwenden Sie Kanal 1 des Oszilloskops. Skizze der Versuchsanordnung:

17 Elektrotechnisches Grundlagenlabor 15 Tabelle 1: Messung der Leistung P L in Abhängigkeit von R L mit U = 10 V R L in Ω (Widerstandsdekade) U L in V gemessen (Oszilloskop) P L in W berechnet

18 Elektrotechnisches Grundlagenlabor 16 Aufgabe 11: Wird im Labor bearbeitet! Tragen Sie hier P L über R L in einem Diagramm auf und bestimmen Sie zeichnerisch den Punkt der maximalen Leistung. Auf der y-achse stehen die Werte von P L und auf der x-achse die Werte von R L.

19 Elektrotechnisches Grundlagenlabor 17 Aufgabe 12: Wird im Labor bearbeitet! Diskutieren Sie Ihre Ergebnisse: Bei welchem Wert von R L wird die maximale Leistung umgesetzt (aus dem Diagramm)? Vergleichen Sie den gemessenen Wert von R L und den theoretischen Wert von R L aus Aufgabe 8 bei Leistungsanpassung. Stimmt unsere theoretische Lösung mit unserer praktischen Lösung überein?

20 Elektrotechnisches Grundlagenlabor Spannungsteiler In diesem Versuch sollen Sie wieder ein praktisches Problem untersuchen und lösen: Sie haben einen Temperatursensor, der Temperaturen zwischen -40 C und 100 C messen kann. Dieser Temperatursensor gibt die gemessene Temperatur als analoge Spannung im Bereich von 0 bis 10 Volt aus. Sie sollen diesen Temperatursensor an eine Auswerteeinheit, das könnte z.b. ein Rechner oder eine Anzeige sein, für die Weiterverarbeitung anschließen. Diese Auswerteeinheit hat am Eingang entsprechend des zugehörigen Datenblattes einen Spannungsbereich von 0 bis 3,3 Volt. Ihre Aufgabe ist es nun, eine Anpassungsschaltung zu entwickeln, so dass Sie den Temperatursensor an die Auswerteeinheit anschließen können. Die Anpassungsschaltung soll dafür sorgen, dass ihre maximale Ausgangsspannung die maximal zulässige Eingangsspannung der Auswerteeinheit nicht übersteigt. Zusätzlich sollen aus Kostengründen keine aktiven Bauelemente verwendet werden. Wie zuvor werden wir diese Aufgabe daher wieder zu Beginn zunächst theoretisch beschreiben, um damit eine optimale Lösung zu entwickeln. Wir gehen also genau so vor, wie beim letzten Versuch. Anschließend werden wir durch ein Experiment bzw. eine Messung überprüfen, ob unsere theoretischen Überlegungen richtig waren. Unsere Aufgabenstellung lässt sich vereinfacht entsprechend Abbildung 2 beschreiben: Abbildung 2: Modell des Temperatursensors mit Anpassungsschaltung und Auswerteeinheit Hinweis: Im ersten Versuch haben Sie gelernt, was eine Kennlinie ist. Wir haben auch hier Kennlinien. Und zwar ist u S ( T) ks T ks 40 die Kennlinie des Temperatursensors, ua ( ui ) k A ui die Kennlinie der Anpassungsschaltung und T ( u ) k u 40 die Kennlinie der Auswerteeinheit. E E E

21 Elektrotechnisches Grundlagenlabor 19 Aufgabe 13: Vor dem Labortermin bearbeiten! In Abbildung 2 ist die Funktion (Kennlinie) für den Temperatursensor u ( T) k T k 40 und die Funktion (Kennlinie) für die Auswerteeinheit T ( u ) k u 40 gegeben. Die beiden Konstanten k S und k E sollen als bekannt angenommen werden. Bei der Funktion (Kennlinie) für die Anpassungsschaltung u ( u ) k u kennen wir k A nicht und müssen es daher bestimmen. a i A i Die Konstanten k S und k E benötigen Sie für Ihre weiteren Betrachtungen nicht mehr! E E E S S S Bestimmen Sie die Konstante k A als Zahlenwert und geben Sie die Funktion (Kennlinie) für die Anpassungsschaltung an:

22 Elektrotechnisches Grundlagenlabor 20 Aufgabe 14: Vor dem Labortermin bearbeiten! Theoretisch ist unsere Aufgabe mit unseren vorherigen Arbeiten eigentlich gelöst. Sie haben die Kennlinie der Anpassungsschaltung bestimmt. In der Praxis müssten Sie sich jetzt eine elektronische Schaltung überlegen, mit der Sie die Aufgabe lösen können. Da die meisten von Ihnen als Entwickler noch wenig Erfahrung haben, wird Ihnen diese Aufgabe abgenommen. In der Abbildung 3 sehen Sie einen Lösungsvorschlag für die Aufgabenstellung. Als Temperatursensor S werden wir bei allen weiteren Betrachtungen eine ideale und variable Spannungsquelle verwenden. Für Ihre späteren Messungen verwenden Sie dafür den Funktionsgenerator. Den Innenwiderstand R i = 50 Ω des Funktionsgenerators werden wir bei allen weiteren Betrachtungen vernachlässigen! Die Auswerteeinheit wird in unserem Fall einfach als ohmscher Lastwiderstand R 3 dargestellt. Abbildung 3: Schaltplan des Temperatursensors mit Anpassungsschaltung und Auswerteeinheit Zur Vorbereitung machen Sie sich mit dem Schaltplan vertraut und versuchen Sie die Funktionsweise der Schaltung zu verstehen. Tipp: In der Vorlesung wurde diese Aufgabenstellung als Belasteter Spannungsteiler behandelt.

23 Elektrotechnisches Grundlagenlabor 21 Aufgabe 15: Vor dem Labortermin bearbeiten! Aus der Vorlesung kennen Sie die Maschenregel und Knotenregel von Kirchhoff. Stellen Sie für das Widerstands-Netzwerk in Abbildung 3 mit Hilfe dieser Regeln die Gleichungen für alle Teilspannungen und alle Teilströme auf. Verwenden Sie für die Bezeichnung der Spannungen und Ströme bitte folgende Bezeichnungen: u i, u 1, u 2, u 3, i 1, i 2 und i 3 im Schaltplan. Tipp: Sie erhalten zwei Gleichungen mit Teilspannungen und eine Gleichung mit Teilströmen. Bitte geben Sie hier die Gleichungen mit den Spannungen und Strömen an: I: II: III: Ersetzen Sie bitte in den drei Gleichungen die Spannungen u 1, u 2 und u 3 mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes durch: u u u R, 1 1 i1 R und 2 2 i2 R 3 3 i3 Geben Sie deshalb nochmals die drei Gleichungen in dieser Notation an: (es dürfen lediglich noch Widerstände, Ströme und u i auftauchen) I: II: III:

24 Elektrotechnisches Grundlagenlabor 22 Aufgabe 16: Vor dem Labortermin bearbeiten! Kommt Ihnen aus einem anderen Zusammenhang die Form der letzten drei Gleichungen bekannt vor? Aus der Mathematik sind Ihnen lineare Gleichungssysteme bekannt. Diese haben fast genau diese Form. Versuchen Sie daher bitte die drei Gleichungen in eine Matrixdarstellung zu überführen. Tipp 1: Die Matrixdarstellung sollte die Form Mit: M : eine 3 x 3 Matrix M i u haben. i : Spaltenvektor mit drei Elementen u : Spaltenvektor mit drei Elementen Tipp 2: Erweitern Sie die beiden Gleichungen für die Teilspannungen geschickt mit Nullen. Bitte geben Sie hier das obige Widerstandsnetzwerk (belasteter Spannungsteiler) in Matrixdarstellung an: Hinweis: Nutzen Sie Ihre Kenntnisse aus der Schulmathematik.

25 Elektrotechnisches Grundlagenlabor 23 Aufgabe 17: Vor dem Labortermin bearbeiten! Nun zurück zu unserer konkreten Aufgabe: Unsere Aufgabe ist es die Anpassungsschaltung (Spannungsteiler) aus Abbildung 3 so zu dimensionieren, dass die Anforderungen entsprechend der Abbildung 2 erfüllt werden. Die Anpassungsschaltung muss also dimensioniert werden, dass sie die Kennlinie u erzeugt. a ( u ) 0, 3u aus Aufgabe 12 Das bedeutet, die Eingangsspannung u i kann Werte zwischen 0 und 10 Volt annehmen und die Ausgangsspannung darf dann nur Werte zwischen 0 und 3,3 Volt haben. Um unser Problem einfacher zu gestalten, geben wir die Widerstandswerte von R 1 und R 3 vor. Den Widerstand R 2 lassen wir im Moment noch variabel. Mit ihm können wir die gewünschten Anforderungen variabel einstellen. Wir suchen also den Widerstandswert von R 2, mit dem unsere Anforderungen erfüllt werden. i i Der gesuchte Widerstandswert für R 2 lässt sich durch die Beziehung aus dem Ohmschen Gesetz R 2 u i 2 2 berechnen, wenn u 2 und i 2 bekannt wären. Da wir einen linearen Zusammenhang (Gerade durch den Nullpunkt) a i A i u ( u ) k u angenommen haben, können wir einen beliebigen Punkt auf dieser Geraden für unsere Berechnungen nutzen. Wir werden den Punkt bei dass dann u i 10V nehmen. Wir wissen, u 2 3, 3V sein muss. Wir brauchen also nur noch i 2 an diesem Punkt zu bestimmen. Diesen Strom können wir mit dem linearen Gleichungssystem aus Aufgabe 16 berechnen. Für die Berechnung von i 2 mit Hilfe des linearen Gleichungssystems aus Aufgabe 16 verwenden wir folgende Werte: R 1 = 10 kω R 3 = 100 kω u i = 10 V Für den Widerstand R 2 verwenden wir noch keine Zahlenwerte! Dieser Widerstand soll im Augenblick noch variable bleiben.

26 Elektrotechnisches Grundlagenlabor 24 Berechnung des Stroms i 2 durch R 2 mit R 1 = 10 kω, R 3 = 100 kω und u i = 10 Volt: Berechnen Sie mit Hilfe des Gauß-Verfahrens aus dem folgenden linearen Gleichungssystem i 2 (mit Herleitung): i i i R R

27 Elektrotechnisches Grundlagenlabor 25 Zur Überprüfung Ihrer Rechnung hier die Lösung: i R

28 Elektrotechnisches Grundlagenlabor 26 Berechnung von R 2 : Berechnen Sie mit i 2 aus der vorherigen Berechnung den Widerstandswert von R 2 : Hilfe: Verwenden Sie die Gleichung u 2 R2 mit u 2 = 3,3 Volt. i2 Zur Überprüfung Ihrer Rechnung hier die Lösung: R , 5

29 Elektrotechnisches Grundlagenlabor 27 Aufgabe 18: Wird im Labor bearbeitet! Nun wollen wir durch eine Messung überprüfen ob unsere theoretischen Betrachtungen richtig waren und der berechnete Widerstandswert für R 2 stimmt. Bauen Sie dazu den Messaufbau entsprechend der Versuchsskizze aus Abbildung 3 auf. Für R 2 verwenden Sie die Widerstandsdekade mit der Sie R 2 variieren können. Zur Überprüfung der Anpassungsschaltung variieren Sie die Spannung u i bzw. u s am Eingang und messen jeweils die Ausgangsspannung u a. Verwenden Sie als Generator den 50-Ω-Ausgang des Funktionsgenerators mit einer Rechteckspannung und einer Frequenz von f = 50 Hz. Variieren Sie die Ausgangsspannung zwischen 0 und 10 Volt. Für die Messung von u i verwenden Sie Kanal 1 des Oszilloskops, für die Messung von u a verwenden Sie den Kanal 2 des Oszilloskops und messen jeweils die Amplitude der Rechteckspannungen. Tragen Sie Ihre Messergebnisse in die folgende Tabelle 2 ein. Notieren Sie nur so viele Nachkommastellen wie nötig!

30 Elektrotechnisches Grundlagenlabor 28 Aufgabe 19: Vor dem Labortermin bearbeiten! Skizzieren Sie Ihre Versuchsanordnung entsprechend Abbildung 3 mit allen für Ihre Messung notwendigen Messgrößen und Beschriftungen hier nochmal. Zur Messung von u i verwenden Sie Kanal 1 des Oszilloskops, für die Messung von u a verwenden Sie den Kanal 2 des Oszilloskops. Skizze der Versuchsanordnung: Tabelle 2: Überprüfung der Anpassungsschaltung mit R 1 = 10 kω, R 2 = 5180 Ω und R 3 = 100 kω u i in Volt gemessen u a in V gemessen

31 Elektrotechnisches Grundlagenlabor 29 Aufgabe 20: Wird im Labor bearbeitet! Tragen Sie hier u a über u i in einem Diagramm auf und bestimmen Sie zeichnerisch die Steigung der Kurve.

32 Elektrotechnisches Grundlagenlabor 30 Aufgabe 21: Wird im Labor bearbeitet! Geben Sie hier die zeichnerisch ermittelte Steigung der Kurve an:

33 Elektrotechnisches Grundlagenlabor 31 Aufgabe 22: Wird im Labor bearbeitet! Diskutieren Sie Ihre Ergebnisse:

34 Elektrotechnisches Grundlagenlabor 32 Abschlußbemerkung: Bitte überarbeiten Sie im Anschluss der Laborübung Ihr Protokoll mit allen Ergebnissen, die wir im Labor besprochen haben. Sie sollen Ihr Labor-Protokoll auch für spätere Anwendungen verwenden können. Darüber hinaus lernen Sie, wie Sie gestellte Aufgaben vorbereiten, durchführen und dokumentieren. Viel Spaß.

35 Elektrotechnisches Grundlagenlabor 33 4 Anhang 4.1 Einführung zum Arbeiten mit dem Oszilloskop Anhand des Oszilloskops vom Typ Agilent DSO5012A (Abbildung 4) soll eine kurze Einführung in das Messen mit dem Oszilloskop gegeben werden. Im ersten Versuch haben Sie bereits den Umgang mit digitalen Multimetern kennen gelernt. Diese eignen sich sehr gut zum exakten Messen von konstanten Spannungen, Widerständen und konstanten Strömen. Das Oszilloskop hingegen findet seine Anwendung beim Darstellen von Spannungsverläufen. Es können typischerweise mehrere Spannungen gleichzeitig, samt deren zeitlicher Beziehung zueinander, gemeinsam auf einer Zeitbasis dargestellt werden. Die Messabweichung von Oszilloskopen liegt jedoch bei 3% bis 5%, dazu kommen noch Ablesefehler, und ist damit deutlich höher als bei Multimetern. In der folgenden Abbildung 4 finden Sie die wichtigsten Bedienelemente des Oszilloskops Agilent DSO5012A: Abbildung 4: Im Labor eingesetztes Oszilloskop Agilent DSO5012A

36 Elektrotechnisches Grundlagenlabor Oszilloskop auf Werkseinstellungen zurücksetzen Schalten Sie das Oszilloskop ein und drücken Sie nacheinander folgende Tasten: Save/Recall Default Setup Dadurch werden alle Einstellungen, welche evtl. noch vom Vorgänger gespeichert sind, zurückgesetzt Anschluss einer Messleitung (Tastkopf) Verbinden Sie den Tastkopf mit der Anschlussbuchse des Kanals 1. Am Oszilloskop existieren unter dem Display zwei Kontakte (mit einem roten Kreis in Abbildung 5 gekennzeichnet), die eine Testspannung für die Kalibrierung der Tastköpfe ausgeben. Klemmen Sie den Tastkopf wie in Abbildung 5 dargestellt an diese Kontakte an. Abbildung 5: Tastkopf an Kalibriersignal angeschlossen

37 Elektrotechnisches Grundlagenlabor Einstellen der vertikalen Verstärkung Mit dem Regler für die Amplitude in Abbildung 5 können Sie das Signal, das am Tastkopf anliegt, in vertikaler Richtung verstärkt auf dem Display darstellen. Welche Verstärkung Sie eingestellt haben, erkennen Sie in der linken oberen Ecke auf dem Display. Das Ablesen eines Spannungswertes geschieht dann Mithilfe dieser Verstärkung und dem Gitter auf dem Display. Die Anzahl der Gitterlinien, die der abgelesenen Spannung entspricht, multipliziert mit der Verstärkung ergibt die Spannung die am Tastkopf anliegt. Probieren Sie es einfach aus Einstellen der horizontalen Verstärkung Mit dem Regler für die Zeitbasis in Abbildung 5 können Sie das Signal, das am Tastkopf anliegt, in horizontaler Richtung verstärkt (zeitlich strecken oder stauchen) auf dem Display darstellen. Welcher Zeit einer horizontalen Gitterlinie entspricht, erkennen Sie an der dritten Zahl rechts oben auf dem Display in Abbildung 6. In Abbildung 6 lesen Sie 200 sec ab. Diese Zeit entspricht genau einer Gitterlinie in horizontaler Richtung. Abbildung 6: Testspannung für die Kalibrierung der Tastköpfe

38 Elektrotechnisches Grundlagenlabor Trigger Um auf dem Displays eines Oszilloskops ein stehendes Bild zu erhalten, können und müssen verschiedene Trigger-Bedingungen eingestellt werden. Für den Anfang beschränken wir uns auf die beiden wesentlichen Trigger-Bedingungen und wollen diese an einem Beispiel verdeutlichen. Angenommen, Sie möchten eine sich periodisch wiederholende Sinusspannung mit einer Frequenz von 1 khz auf dem Bildschirm des Oszilloskops darstellen. Stellen Sie sich nun vor, das Oszilloskop zeichnet den Kurvenverlauf dieser Sinusspannung von links nach rechts auf dem Display auf. Kommt die Aufzeichnung am rechten Rand des Displays an, springt die Aufzeichnung wieder an den linken Rand des Displays und die Aufzeichnung beginnt von neuem. Um ein stehendes Bild der Sinusspannung zu erhalten, muss der Anfang der neuen Aufzeichnung nahtlos an die vorhergehende Aufzeichnung anknüpfen. Das bedeutet, dass zwischen beiden Anfangspunkten der Aufzeichnungen keine Phasendifferenz und kein Amplitudenunterschied vorliegen darf. Für den einfachen Fall unserer Sinusschwingung reicht der Drehknopf Trigger-Level in Abbildung 5. Um ein stehendes Bild zu erhalten drehen Sie diesen so, dass er den gezeichneten Sinus schneidet. Beobachten Sie beim Drehen an diesem Knopf die eingeblendete horizontale Line!

39 Elektrotechnisches Grundlagenlabor Funktionsgenerator Verwenden Sie in diesem Labor den digitalen Funktionsgenerator SFG2104 von GwINSTEK entsprechend Abbildung 7. Dieser kann zum einen als Frequenzzähler, zum anderen auch als Signalquelle für Wechselsignale verwendet werden. In diesem Laborversuch verwenden Sie den Funktionsgenerator als Signalquelle. Hierfür stehen Ihnen zwei Ausgänge zur Verfügung. Der CMOS/TTL-Ausgang dient zum Betrieb von Digitalschaltungen und kann daher ausschließlich Rechtecksignale mit den spezifizierten Spannungspegeln erzeugen. Verwenden Sie daher den 50-Ω- Ausgang für den Standardbetrieb als Signalgenerator. Hier können Sie Wechselsignale mit unterschiedlicher Signalform, Frequenz und Amplitude erzeugen. Die ersten beiden Drehregler, Sweep Span und Sweep Time, dienen zur Einstellung des Frequenzzählers und sind für dieses Labor nicht von Bedeutung. Ebenso der Drehregler TTL/CMOS, mit dem die Pegel des CMOS/TTL-Ausgangs eingestellt werden. Mit dem Drehregler Amplitude stellen Sie den Signalpegel ein. Die Primärfunktion des Offset-Drehreglers ist nur im herausgezogenen Zustand aktiv und erlaubt die Addition einer Gleichspannung. Mit der Wave Taste können Sie zwischen den verschiedenen Signalformen Sinus-, Rechteck- und Dreieckform umschalten. Die Frequenz können Sie über das Tastenfeld, oder den großen Drehregler einstellen. Mit den Pfeiltasten unter dem großen Drehregler verschieben Sie die Dezimalstelle der Frequenz, die Sie mit dem großen Drehregler ändern.

40 Elektrotechnisches Grundlagenlabor 38 Abbildung 7: Funktionsgenerator