Frequenzabhängigkeit von RLC- Bauelementen

Transkript

1 Fachhochschule für Technik und Wirtschaft Berlin ET- Labor Frequenzabhängigkeit von RLC- Bauelementen Stephan Schreiber Olaf Drzymalski Versuch am Protokoll vom

2 Seite 2 Et-Labor Frequenzabhängigkeit von RLC- Bauelementen Inhaltsverzeichnis 1 Vorbetrachtungen IEC- Normreihen Kennzeichnung von Widerständen und Kondensatoren Drahtwiderstände Kondensatorarten Anwendungsklassen von Kondensatoren Reale Spule Versuchsdurchführung Proband Proband Proband Proband Proband Proband Proband Proband Proband

3 Et-Labor Frequenzabhängigkeit von RLC- Bauelementen Seite 3 1 Vorbetrachtungen 1.1 IEC- Normreihen Die IEC- Widerstands Normreihen geben Auskunft über die Anzahl der Widerstandswerte in einer Dekade. In den höheren Reihen werden die Toleranzen für die Werte kleiner. Die Widerstandswerte berechnen sich prinzipiell wie folgt: Reihen nicht genau dem berechneten Wert entsprechen. E i Zi 1 Auszug aus der E-192 Reihe zwischen 7Ω und 8Ω: Die Toleranz beträgt +/-,5% =, wobei einige Werte in den E- 1.2 Kennzeichnung von Widerständen und Kondensatoren Bei großen Bauformen wird der Wert aufgedruckt. Beispiele: R47 =,47Ω 47K = 47kΩ 4µ7 = 4,7µF nur Kondensatoren: 14 = 1nF Der Buchstabe kennzeichnet die Zehner- Potenz und gibt die Kommaposition an. Außerdem gibt es folgende Farbkennzeichnung: Ring- oder Punktfarbe 1. Stelle 1. Ziffer 2. Stelle 2. Ziffer 3. Stelle 3. Ziffer 4. Stelle Multiplikator 5. Stelle Toleranz in % für Wider. für Kond. 6. Stelle Betr. spg. bei Kond. ohne ±2-5V silber ±1-2V gold ±5-1V schwarz 1 - ±2 - braun ±1 ±1 1V rot ±2 ±2 2V orange V gelb V grün ±,5 ±5 5V blau ±,25-6V violett ±,1-7V grau V weiß ±1 9V Bei den Normreihen E6,E12 und E24 entfällt die 3. Stelle. Bei SMD- Widerständen werden die Ziffern aufgedruckt. 1.3 Drahtwiderstände Bei Drahtwiderständen wirkt sich die Wicklung des Widerstandsdrahtes auf die Frequenzabhängigkeit des Widerstandes aus. Bei Widerständen kleiner als 1Ω wirkt sich hauptsächlich die Induktivität des Drahtes aus. Bei Widerständen größer als 1kΩ hat die Kapazität zwischen den Wicklungen die größte Auswirkung. Die Induktivität des Widerstandes läßt sich verringern, indem der Draht auf ein Hartpapier- oder Glimmerplättchen gewickelt wird. Außerdem kann der Draht in den einzelnen Lagen überkreuz gewickelt werden oder die Wicklung besteht aus einer Drahtschleife.

4 Seite 4 Et-Labor Frequenzabhängigkeit von RLC- Bauelementen 1.4 Kondensatorarten Papierkondensatoren haben ein Dielektrikum aus zwei oder mehreren Lagen Zellulosepapier. Die Beläge werden von Aluminiumfolien gebildet. Die Anschlußdrähte sind an dünne Bleche angeschweißt, die mit eingewickelt sind. Der Wickel wird oft unter Vakuum mit einem flüssigen Isolierstoff imprägniert. Metallpapier- Kondensatoren (MP- Kondensatoren) haben als Dielektrikum gleichfalls Papier. Auf dieses wird eine dünne Metallschicht aus Aluminium oder Zink im Vakuum aufgedampft. Dadurch erreicht man größere Kapazitätswerte bei kleineren Abmessungen als beim Papierkondensator. Auf der Stirnseite des Wickels ist eine Metallschicht aufgespritzt, die als Anschluß für die Beläge und Anschlußdrähte dient (Bild 1). Dadurch ist die Induktivität klein. Ein großer Vorteil der MP- Kondensatoren ist ihre Selbstheilung. Schlägt ein Kondensator durch, so entsteht an der Durchschlagstelle ein Lichtbogen. Dadurch verdampft an dieser Stelle die dünne Metallschicht. Es entsteht eine metallfreie Zone. Ein Kurzschluß der Metallbeläge und eine Zerstörung des Kondensators werden somit verhindert. MP- Kondensatoren werden in der Nachrichtentechnik, Elektronik, Meßtechnik, Steuerungs- und Regelungstechnik als Koppel- und Siebkondensatoren, in Zeitgliedern und als Motorkondensatoren verwendet. Kunststoffolienkondensatoren haben ein Dielektrikum aus Kunststoffolien wie Polypropylen, Polyester, Polykarbonat. Bei den Film-Folien-Kondensatoren sind die Metallbeläge Aluminiumfolien. Bei den metallisierten Kunststoffolienkondensatoren (MK- Kondensatoren) werden die Metallbeläge im Vakuum auf die Kunststoffolien aufgedampft. Dadurch erreicht man bei gleichen Kapazitatswerten kleinere Abmessungen. Die MK- Kondensatoren sind wie die MP- Kondensatoren selbstheilend. Eine mehrschichtige Lackumhüllung schützt gegen Feuchtigkeitseinflüsse und mechanische Beanspruchungen. Der Anschluß der Beläge erfolgt an beiden Stirnseiten des Wickels. Dadurch erreicht man neben einer guten Kontaktsicherheit eine kleine Induktivität. Kunststoffolienkondensatoren haben einen sehr kleinen Verlustfaktor, sehr hohe Kapazitätskonstanz (enge Kapazitätstoleranz) und einen hohen Isolationswiderstand. Kunststoffolienkondensatoren werden in der Rundfunk-, Fernseh-, Phonoindustrie und in der Meß-, Regel- und Nachrichtentechnik verwendet. Elektrolytkondensatoren haben als Dielektrikum eine dünne Oxidschicht. Dadurch ist es möglich, kleine Kondensatoren mit großen Kapazitäten zu bauen. Aluminium- Elektrolytkondensatoren (Bild 2) bestehen aus einem Wickel von zwei Aluminiumbändern mit Papierzwischenlage. Das eine Aluminiumband, der Pluspol (Anode), ist oft aufgerauht. Dadurch erreicht man eine größere Kapazität. Das andere Aluminiumband dient als Zuführung zum Elektrolyt. Das Papier ist mit dem Elektrolyt getränkt. Der Elektrolyt ist der Minuspol (Katode). Der Wickel des Elektrolytkondensators ist in einen Aluminiumbecher eingebaut. Bei den Aluminium- Elektrolytkondensatoren mit festem Elektrolyten besteht der Minuspol aus einer Glasfasergewebeschicht, die mit Mangandioxid als festem Halbleiterelektrolyt angefüllt ist. Aluminium- Elektrolytkondensatoren werden als Sieb- und Koppelkondensatoren verwendet. 1 1 Bilder aus: Fachkunde Radio-, Fernseh- und Funkelektronik 1986

5 Et-Labor Frequenzabhängigkeit von RLC- Bauelementen Seite 5 Tantal- Folienkondensatoren (Bild 1) bestehen aus einer meist aufgerauhten Tantalfolie als Anode, die mit einer Katodenfolie und einem porösen Abstandshalter zu einem Wickel zusammengerollt ist. Der Wickel wird mit einem Elektrolyt imprägniert, in einen Metall- oder Kunststoffbecher eingebaut und dicht verschlossen. Tantal- Sinterkondensatoren (Bild 1) haben eine Anode aus gesintertem Tantalpulver. Die Katode der Tantal- Sinterkondensatoren mit flüssigem Elektrolyt besteht aus Schwefelsäure oder aus Lithiumchloridlösung. Bei den Bauformen mit festem Elektrolyt wird die Anode mit einer Mangannitratlösung getränkt, die sich beim Erhitzen unter Bildung von Mangandioxid zersetzt und als fester Halbleiterelektrolyt in den Poren und an der Oberfläche der Anode abscheidet. Die Zuführung erfolgt durch eine Metallschicht, die auf den Elektrolyt aufgebracht ist. Tantal- Elektrolytkondensatoren werden als Koppelkondensatoren und als Siebkondensatoren in der Nachrichten-, Meß- und Regeltechnik verwendet. Kunststoffumhüllte Tantal- Elektrolytkondensatoren werden in Geräte der Rundfunk-, Fernseh- und Phonoindustrie eingebaut. Keramik- Kondensatoren haben als Dielektrikum eine keramische Masse. Sie werden als Rohr- und als Scheibenkondensatoren ausgeführt. Kondensatoren für SMD- Technik sind Bauelemente mit sehr kleinen Abmessungen, die direkt auf die Oberfläche von Leiterplatten montiert werden. Die Kondensatoren eignen sich wegen der sehr kleinen Abmessungen und der fehlenden oder stummelartigen Anschlußbeine sehr gut für hohe Frequenzen. Aluminium- Chip- Elektrolyt- Kondensatoren (Bild 2) sind Wickelkondensatoren mit flüssigem Elektrolyt. Die Elektroden bestehen aus stark aufgerauhten Aluminiumfolien. Tantal- Chip- Kondensatoren (Bild 3) haben einen rechteckförmigen Anodenkörper aus reinem gesintertem Tantal. Die Anode ist von einer elektrolytisch formierten dielektrischen Schicht umhüllt.

6 Seite 6 Et-Labor Frequenzabhängigkeit von RLC- Bauelementen Keramik- Vielschicht- Chip- Kondensatoren (Bild 4) haben ein Dielektrikum aus Keramikfolie, auf die die Elektroden in Siebdrucktechnik aufgebracht sind. Die Folien werden übereinandergeschichtet. Die Elektroden greifen dabei kammartig ineinander Anwendungsklassen von Kondensatoren Kondensatoren werden teilweise mit Farbmarkierungen (siehe 1.2) gekennzeichnet. Bei den größeren sind oft folgende Angaben aufgedruckt: - Kapazität - Toleranz - Spannungsfestigkeit - Temperaturbereich 1.6 Reale Spule Ein reale Spule hat Verluste durch den Widerstand des Spulendrahtes. Bei Spulen mit einem Eisenkern geht Energie bei der Ummagnetisierung des Eisenkerns verloren. 1 Bilder aus: Fachkunde Radio-, Fernseh- und Funkelektronik 1986

7 2 Versuchsdurchführung Bei dem Versuch wurden mehrere unbekannte Schaltungen mit einem Vector Analyzer ZPV-Z1 untersucht. Dieser mißt die Spannung und den Strom an dem Testobjekt, daraus berechnet der Analyzer die Impedanz und die Phasenverschiebung die der Proband verursacht. 2.1 Proband 1 Frequenz [MHz],1,4,7 1 1,3 1,6 1,9 2,2 2, Z [Ohm] 99,48 98,67 98,75 99,2 98,96 98, ,96 99,5 98,93 99,17 99,26 99,52 99,57 99,93 1,1 1,2 1,5 1,7 11,1,6 1,1 1,1 1,4 1,5 1,7 1,8 1,8 1,9 2,9 4,7 6,6 8,5 1,3 12,1 13,9 15,6 17,5 19,2 21,1 11, Z [Ohm] 1,5 1 99, ,5 Hierbei handelt es sich um einen 1Ω Drahtwiderstand, da sich bei den höheren Frequenzen eine leichte positive Phasenverschiebung ergibt.

8 Seite 8 Et-Labor Frequenzabhängigkeit von RLC- Bauelementen 2.2 Proband 3 Frequenz [MHz],1,4,7 1 1,3 1,6 1,9 2,2 2, Z [Ohm] ,9 482,4 486,9 491,4 496,3 52,4 59,3 517,4 63,7 864, ,7 4,6 7,2 9,8 12,2 14,8 17,1 19,4 21,6 37,6 57,5 67, ,6 82,9 84,4 85, ,4 Z [Ohm] Das ist eine RL- Reihenschaltung (R=47Ω), weil sich bei den höheren Frequenzen eine deutliche Phasenverschiebung in Richtung +9 zeigt.

9 Et-Labor Frequenzabhängigkeit von RLC- Bauelementen Seite Proband 6 Frequenz [MHz],1,4,7 1 1,3 1,6 1,9 2,2 2, Z [kohm] 1,36 1,1 1,8 1,1 1,2 1,9 1,1 1,8 1,2 1,2 9,969 9,815 9,69 9,454 9,294 9,49 8,799 8,577 8,244 8,48-3,3,1 -,9,1,3 -,2 -,2 -,3-1,6-4,7-7,6-1,6-13,2-15,5-18,2-2,4-22,9-24,7-26, Z [kohm] Hierbei handelt es sich wahrscheinlich um einen Widerstand (R=1kΩ) mit kapazitiven Anteilen, da sich bei den höheren Frequenzen eine leichte negative Phasenverschiebung ergibt.

10 Seite 1 Et-Labor Frequenzabhängigkeit von RLC- Bauelementen 2.4 Proband 9 Frequenz [MHz],1,4,7 1 1,3 1,6 1,9 2,2 2, Z [Ohm] ,1 76,5 619,5 38,4 15,5 96,6 68,77 51,89 4,7 3,99 23,86 17,78 12,55 7,946-99, ,5-88,7-88,3-88,2-88,7-88,6-88,5-88,3-87, ,6-86,1-85,4-84, ,2-82,4-81, Z [Ohm] Da über den gesamten Frequenzbereich die Phasenverschiebung bei knapp 9 liegt, ist es ein Kondensator.

11 Et-Labor Frequenzabhängigkeit von RLC- Bauelementen Seite Proband 11 Frequenz [MHz],1,4,7 1 1,3 1,6 1,9 2,2 2,5 5 5,475 5,52 5,54 5,55 5, Z [Ohm] 153,4 38,41 21,74 14,79 11,5 8,624 6,976 5,716 4,77,58,14,11,1,1,12 3,29 5,559 7,799 9,946 12,1 14,1 16,1 18,1 2 21,98-88,9-88,7-88,8-88,2-88,1-88,1-87,9-87,8-87,8-8, ,8 9,9 91, ,3 93,8 94,8 95,5 96, Z[Ohm] Das ist ein Reihenschwingkreis, da sich bei den tiefen Frequenzen eine Phasenverschiebung von 9 und bei den hohen eine von +9 ergibt und die Impedanz ein Minimum erreicht. Bandbreite: b = fo fu = 5,82MHz 5,475MHz = 345kHz Güte: Q = fr / b = 5,54MHz / 345kHz = 16,6

12 Seite 12 Et-Labor Frequenzabhängigkeit von RLC- Bauelementen 2.6 Proband 15 Frequenz [MHz],1,4,49,7,85 1 1,3 1,445 1,6 1,9 2,2 2,45 2,5 4, Z [Ohm] 14,54 3,72 3,2 2,552 2,4 2,36 2, ,71 2,43 2,49 2,7 2,87 2,5 2,761 4,822 6,923 9,29 11,16 13,23 15,34 17,37 19,43 21,52 23,59-79, , ,9-3,4 4,9 11,4 18, , ,6 72,7 79,4 83,2 85,9 87,9 89,3 9,9 92,1 93,2 94,2 Z[Ohm] Hierbei handelt es sich ebenfalls im einen Reihenschwingkreis, dessen Qüte wesentlich geringer ist, weil die Kurven flacher verlaufen. Bandbreite: b = fo fu = 4,15MHz,49MHz = 3,66MHz Güte: Q = fr / b = 1,445MHz / 3,66MHz =,395

13 Et-Labor Frequenzabhängigkeit von RLC- Bauelementen Seite Proband 21 Frequenz [MHz],1,4,7 1 1,3 1,6 1,9 2,2 2, Z [Ohm] 5,46 2,24 36,14 52,23 66,79 79,74 91,16 11,8 11,6 166, ,3 287,4 35,7 318,9 331,5 34,8 349,8 357,2 363,7 92,3 9,4 87,3 81,7 76,9 72, ,4 51 4,6 35,6 32, ,8 28,8 28,1 27,6 27,2 27 Z [Ohm] Da bei tiefen Frequenzen die Impedanz sehr gering ist und mit steigender Frequenz die Phasenverschiebung stark abnimmt, handelt es sich wahrscheinlich um RL- Parallelschaltung.

14 Seite 14 Et-Labor Frequenzabhängigkeit von RLC- Bauelementen 2.8 Proband 22 Frequenz [MHz],1,4,7 1 1,3 1,6 1,9 2,2 2, ,54 14,89 14, ,14 15, Z [Ohm] 62, , ,2 989, ,7 89,3 89,9 9,6 9,8 9,8 9,8 91,2 9,9 91,4 9, , , ,8-8,9-78,4-79,9-79,4-78,3 Z[Ohm] Das könnte ein Parallelschwingkreis sein, da sich bei den tiefen Frequenzen eine Phasenverschiebung von +9 und bei hohen von 9 ergibt und die Impedanz ein Maximum erreicht. Wahrscheinlich ist es eine Spule, bei der bei den hohen Frequenzen die kapazitiven Anteile überwiegen und der Impedanzverlauf nicht an einen Schwingkreis erinnert. Bandbreite: b = fo fu = 15,55MHz 14,54MHz = 1,1MHz Güte: Q = fr / b = 14,99MHz / 1,1MHz = 14,84

15 Et-Labor Frequenzabhängigkeit von RLC- Bauelementen Seite Proband 24 Frequenz [MHz],1,3,5,7,9 1,1 1,3 1,5 1,691 1,7 1,718 1,737 1,756 1,785 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7 2,9 Z [Ohm] ,3 7, ,4 86, ,1 86,6 85,1 8, , ,5-81,1-83,5-84,5-85,2-85, Z [Ohm] , ,1 1 1 Hierbei handelt es sich wahrscheinlich um einen Parallelschwingkreis, da sich bei den tiefen Frequenzen eine Phasenverschiebung von +9 und bei hohen von 9 ergibt und die Impedanz ein Maximum erreicht. Bandbreite: b = fo fu = 1,785MHz 1,691MHz = 94kHz Güte: Q = fr / b = 1,737MHz / 94kHz = 18,48