Spannungen und Ströme

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1 niversität Koblenz Landau Name:..... Institut für Physik orname:..... Hardwarepraktikum für Informatiker Matr. Nr.:..... Spannungen und Ströme ersuch Nr. 1 orkenntnisse: Stromkreis, Knotenregel, Maschenregel, Parallelschaltung, Reihenschaltung, Arten von Widerständen und deren Kennlinien. Gleichstrom und Gleichspannungsmessung, Widerstandsmessung. Transistor als Schalter, logische Grundgatter

2 ersuch Strom und Spannungsmessung in einem einfachen Stromkreis 1.1 Aufgabe Es soll der Widerstandswert einer Glühlampe durch Strom- und Spannungsmessung bestimmt werden. 1.2 Messschaltung A I 0 L Werte und Messbereiche 0 : Einstellbare Spannung am Gleichspannungsnetzgerät A : Amperemeter Digitales Messgerät Messbereich A : oltmeter Digitales Messgerät Messbereich L : Birnchen Widerstandwert soll bestimmt werden 1.3 ersuchsdurchführung und Ergebnisse Bauen Sie den ersuch nach Messschaltung (1.2) auf. Stellen Sie von in Schritten von 0,2 und zwischen in Schritten von 1.0 ein. Messen Sie I und und tragen Sie die gemessenen Wertepaare in die Tabelle ein. Berechnen Sie aus den gemessenen Wertepaaren die sich ergebenden Widerstandswerte 2

3 ersuch 1 3 I A R Ω 1.4 Übertragen Sie die gemessenen Wertepaare (I/) und (R/) in das folgende Diagramm I A R Ω

4 ersuch Bestimmung eines ohmschen Widerstandes durch Stromund Spannungsmessung 2.1 Aufgabe Es soll der Widerstandswert eines ohmschen Widerstandes R x durch Stromund Spannungsmessung bestimmt werden. 2.2 Messschaltung A I 0 R x Werte und Messbereiche 0 : Einstellbare Spannung am Gleichspannungsnetzgerät A : Amperemeter Digitales Messgerät Messbereich ma : oltmeter Digitales Messgerät Messbereich R x : Widerstand Wert soll bestimmt werden 2.3 ersuchsdurchführung und Ergebnisse Bauen Sie den ersuch nach Messschaltung (2.2) auf. Stellen Sie von in Schritten von 1.0 ein. Messen Sie I und und tragen Sie die gemessenen Wertepaare in die Tabelle ein. I ma R x Ω 4

5 ersuch 1 5 Berechnen Sie aus den gemessenen Wertepaaren die Widerstandswerte und bestimmen Sie den Mittelwert. R x = Aufbau eines Spannungsteilers 3.1 Aufgabe Es sollen die abfallenden Spannungen an ohmschen Widerständen bestimmt werden. 3.2 Messschaltung = 5 0 R R Werte und Messbereiche 0 : Festspannungsnetzteil 5 : oltmeter Digitale Messgeräte Messbereich R 1/2 : Widerstände 3.3 ersuchsdurchführung und Ergebnisse Bauen Sie den ersuch nach Messschaltung (3.2) auf. Wählen Sie für R 1 einen Widerstand von 100 Ω und für R 2 Widerstände mit 10 Ω, 100 Ω, 1 KΩ und 10KΩ. Messen Sie die abfallenden Spannungen 1 und 2 und tragen Sie die Werte in die folgende Tabelle ein 5

6 ersuch 1 6 R 1 R 2 R 1 R 2 R 1 R 2 R 1 R 2 R Ω (gemessen) (berechnet) 3.4 Aufgabe Leiten Sie aus dem ohmschen Gesetz = R I und der Berechnungsvorschrift zur Ermittlung des Gesamtwiderstandes R g einer Reihenschaltung von Widerständen R g = R 1 + R 2 die Gleichung zur Berechnung der abfallenden Spannungen 1 und 2 her. 1 = 2 = 3.5 Aufgabe Berechnen Sie anhand Ihrer Gleichungen die Spannungswerte aus 3.3 und tragen Sie die Werte in die Tabelle ein. 6

7 ersuch Der Transistor als Schalter 4.1 Aufgabe In der Spannungsteilerschaltung aus Aufgabe 3 soll der untere Widerstand durch einen Transistor (regelbarer Widerstand) ersetzt werden. Die Basis des Transistors wird durch einen orwiderstand R v geschützt. 4.2 Messschaltung R =100Ω L =5 0 = R =10KΩ v T out in Werte und Messbereiche 0 : Festspannungsnetzteil 5 : oltmeter Digitale Messgeräte Messbereich R : Widerstände T : Transistor 4.3 Aufgabe Wird eine Spannung zwischen Basis und Emitter des Transistors angelegt, so schaltet der Transitor durch. Der Widerstand zwischen Collektor und Emitter wird dann sehr gering. Ist keine Spannung vorhanden, so sperrt der Transistor und sein Widerstand wird sehr groß. Im idealisierten Fall besitzt der Transistor somit die Widerstandswerte R leit = 0Ω und R sperr = Ω. Führen Sie eine Grenzwertbetrachtung für diese beiden Werte durch und berechnen Sie so die zu erwartenden Ausgangsspannungen. 7

8 ersuch 1 8 in = 0 out = in = 5 out = 4.4 Messen Sie die Ausgangspannungen out für in =0 und in =5. in = 0 out = in = 5 out = 8

9 ersuch Aufnahme von Übertragungskennlinien 5.1 Aufgabe Es sind die Übertragungskennlinie einer Inverterschaltung aus Aufgabe 4 sowie eines TTL-Gatters 74LS04 vergleichend aufzunehmen. Dazu ist der Schalter im Eingang der Inverterschaltung aus Aufgabe 4 durch einen regelbaren Widerstand (Potentiometer) zu ersetzen. Die zweite Schaltung ersetzt unseren diskret aufgebauten Inverter durch ein Gatter der 7400-TTL Serie (74LS04) 5.2 Messschaltungen =5 0 = R =10KΩ P R =10KΩ v R =100Ω L =5 0 = R =10KΩ P 1 in T out in out Werte und Messbereiche 0 : Festspannungsnetzteil 5, : oltmeter Digitale Messgeräte Messbereich R : Widerstände R P : Potentiometer T : Transistor 5.3 ersuchsdurchführung und Ergebnisse Bauen Sie die ersuche der Messschaltungen (5.2) nacheinander auf. Stellen Sie in von in Schritten von 0.5 ein. Messen Sie out und tragen Sie die gemessenen Wertepaare als Kennlinie in das folgende Diagramm. Nichtlinearitäten in den Kennlinien sind durch kleine Messabstände genauer aufzulösen 9

10 ersuch 1 10 out in 5.4 Interpretieren Sie den nterschied 10

11 ersuch Aufbau NAND und NOR Gatter 6.1 Aufgabe Erweitern Sie den Aufbau der Messschaltung (4.2) zu je einem diskreten NAND bzw NOR Gatter 11

12 ersuch Logikanalyse ntersuchen Sie das elektrische und das logische erhalten Ihrer Schaltungen, zunächst mit positiver Logik (H = 1, L = 0) und mit negativer Logik (H = 0, L = 1). Geben Sie jeweils die ermittelten Funktionen an. NAND Gatter elektrisch positive Logik negative Logik A B Y A B Y A B Y L L L H H L H H Funktion NOR Gatter elektrisch positive Logik negative Logik A B Y A B Y A B Y L L L H H L H H Funktion 12