Physikalisches Experimentieren 1 (PE-1) Elektronikpraktikum

Transkript

1 Physikalisches Experimentieren 1 (PE-1) Elektronikpraktikum Dozent: Dr. Michael Krieger Lehrstuhl für Angewandte Physik niversität Erlangen-Nürnberg Seite 1

2 Elektronik für Physiker? Beispiele: Seite 2

3 Elektronik für Physiker? Beispiele: Seite 3

4 Elektronik für Physiker? Beispiele: Seite 4

5 Elektronik für Physiker? Elektronik steckt in jedem Physiklabor Verständnis der Messelektronik wichtig bei Planung Durchführung Verständnis empfindlicher (elektrischer) Messungen häufig "Selbstbauapparaturen" Seite 5

6 Überblick Grundlagen: Spannung, Strom, Widerstand, IV-Kennlinien Elektronische Messgeräte im Elektronikpraktikum Passive Filter Signaltransport im Kabel Transistor Operationsverstärker Sensorik PID-egler Lock-In-Verstärker Digitalelektronik Digital-Analog- / Analog-Digital-Wandlung Mikrocontroller Labview und Virtual Instruments Seite 6

7 Überblick Grundlagen: Spannung, Strom, Widerstand, IV-Kennlinien Elektronische Messgeräte im Elektronikpraktikum Passive Filter Signaltransport im Kabel Transistor Operationsverstärker Sensorik PID-egler Lock-In-Verstärker Digitalelektronik Digital-Analog- / Analog-Digital-Wandlung Mikrocontroller Labview und Virtual Instruments Seite 7

8 Spannung, Strom und Widerstand Stromkreis: Zusammenschaltung von Strom- und Spannungsquellen sowie von elektrischen Bauelementen Seite 8

9 Spannung und Potential Wassermodell (nur für Ihre Intuition) AB = Φ A Φ B = W Q AB B = E ds Spannung = Potentialdifferenz A AB Seite 9

10 Spannung und Potential Spannung: Symbol: oder V (international) Einheit: Volt (abgekürzt V) Potential: Symbol: Φ Einheit: Volt (abgekürzt V) Schaltzeichen einer Spannungsquelle: 15 V= ~ DIN EN Alessandro Volta ( ) Elektrische Spannung wird immer zwischen 2 Punkten gemessen (Potentialdifferenz)! Seite 10

11 Spannung und Potential Besondere Potentiale: Masse oder Bezugspotential (0 V) Erde oder Erdpotential Seite 11

12 Spannung und Potential Kleine Farbenlehre: schwarz: rot: blau: Masse oder Bezugspotential positives Potential negatives Potential Farben in der Hausinstallation: braun oder schwarz: Phase (P), live wire (L), 230V~ blau: Neutralleiter (N), Nullleiter (i.d.. Erdpotential) gelb/grün: Schutzleiter, Erdkontakt, protective earth (PE) Seite 12

13 Elektrischer Strom Strom = Ladung pro Zeit: I = dq dt Symbol: I Einheit: Ampere (abgekürzt A) Schaltzeichen von Stromquellen: DIN EN André-Marie Ampère ( ) Seite 13

14 Elektrischer Strom In welche ichtung fließt der elektrische Strom? + - elektrischer Verbraucher (z.b. Lampe) Technische Stromrichtung: plus nach minus Seite 14

15 Gefahren durch Strom und Spannung Körperdurchströmung Gefährlichkeit hängt ab von - Höhe des Stroms - Dauer des Stromflusses - dem Strompfad (Herz?) Kurzschluss - akustische Auswirkungen - thermische Auswirkungen - Blenden / Verblitzen der Augen - elektrodynamische Kräfte Sekundärunfälle - Sturz oder Absturz - Verletzungen (Schnitte, Stiche, Quetschungen) - herabfallende Teile Seite 15

16 Gefahren durch Strom und Spannung ab 5µA ab 1mA ab 10mA ab 20mA ab 50mA ab 80mA ab 300mA Wahrnehmbarkeitsgrenze mit der Zungenspitze Nervenerschütterungen in den Fingerspitzen, aber noch kein Einfluss auf den Herzschlag Verkrampfungen, die aus eigener Kraft gerade noch lösbar sind. Verkrampfungen, die aus eigner Kraft nicht mehr lösbar sind reversibler Herzstillstand, eventuell Bewusstlosigkeit Herzkammerflimmern bei Einwirkung >0,2s, Benommenheit/Bewusstlosigkeit Herzkammerflimmern, Bewusstlosigkeit, Herztod, wenn nicht sofortige medizinische Versorgung stattfindet. aus EAM 6/89 S. 23 Seite 16

17 Gefahren durch Strom und Spannung Höchstzulässige Berührspannung (VDE 0100) 50 V~ Wechselspannung 120 V= Gleichspannung Übliche Spannungen: 1,5 V= V= Batterie, Akku 8 V~ Klingeltrafo 60 V=, 60 V~ Analogtelefon 230 V~ Netzspannung ca. 9 kv gepulst Weidezaun Seite 17

18 IV-Kennlinien Zusammenhang zwischen Spannung und Strom durch ein elektronisches Bauelement (2-Pol): IV-Kennlinie Beispiel: Solarzelle I Seite 18

19 Ohmsches Gesetz Bauelement mit einfachster IV-Kennlinie: (ohmscher) Widerstand I nimmt zu I ~ = = I const Ohmsches Gesetz gültig für metallische Leiter (z.b. Drähte, Kohleschichten) Seite 19

20 Elektrischer Widerstand Symbol: (engl. resistor) Einheit: Ohm (abgekürzt Ω) 1 Ω = 1 V/A Schaltzeichen von Widerständen: Beispiele von Widerständen: Georg Simon Ohm ( ) geboren in Erlangen Studium und Promotion an der FA Seite 20

21 Elektrischer Widerstand Symbol: (engl. resistor) Einheit: Ohm (abgekürzt Ω) 1 Ω = 1 V/A Schaltzeichen von Widerständen: Leitwert: Einheit: G = 1 [ G] = 1S = 1Ω 1 = 1 G (engl. conductance) Siemens (S) bzw. mho ( ) A V Ω Beispiele von Widerständen: Georg Simon Ohm ( ) geboren in Erlangen Studium und Promotion an der FA Werner von Siemens ( ) Seite 21

22 Elektrischer Widerstand Aufbau von Widerständen: A = L ρ A L ρ = spezifischer Widerstand (Materialkonstante) Kommerzielle Widerstände: Kohleschichten Metallschichten Draht Halbleiter Bereich: 0.01 Ω Ω Leistung: 1/8 W W Immer beachten: 2 P = I = = I 2 Seite 22

23 Elektrischer Widerstand Wikipedia: Widerstand (Bauelement) Seite 23

24 Differentieller Widerstand I I 0 Arbeitspunkt Steigung = differentieller Widerstand r 0 absoluter Widerstand: differentieller Widerstand: = I r = 0 0 d di = 0 Seite 24

25 Differentieller Widerstand Beispiel: Tunneldiode Datenblatt 1N3716 u out = + r t u in u_in r_t tunnel diode mit r t < 0 u out > u in _bias _out = _dc + u_out Seite 25

26 Kirchhoffsche egeln 1. Kirchhoff sche egel (Knotenregel) Die Summe aller Ströme in einen und aus einem Knoten von elektrischen Verbindungen ist 0. (Ladungserhaltung) I 1 I 4 I 2 i I i = 0 I 3 Seite 26

27 Kirchhoffsche egeln 2. Kirchhoff sche egel (Maschenregel) Die Summe aller Spannungen entlang eines geschlossenen Stromkreises (Masche) ist i i = 0 3 Seite 27

28 Schaltungen mit Widerständen eihenschaltung (Serienschaltung) n Ersatzschaltbild ges ges = ges I = n I i = n i= 1 i= 1 i (folgt aus Kirchhoffschen egeln) Seite 28

29 Schaltungen mit Widerständen Häufige Anwendung von Serienschaltungen: Spannungsteiler 1 in 2 out I in + = und out = I out = in Seite 29

30 Schaltungen mit Widerständen Parallelschaltung Ersatzschaltbild I 1 n n n ges = = Ii = = ges i= 1 i= 1 i i= i (folgt aus Kirchhoffschen egeln) Seite 30

31 Helmholtz-Thévenin-Theorem Thévenin _t Jedes Netzwerk mit 2 Anschlüssen bestehend aus Widerständen und Spannungsquellen ist equivalent zu einem Widerstand th in eihe mit einer Spannungsquelle th. Seite 31

32 Helmholtz-Thévenin-Theorem Wie findet man th und th? th : th : Leerlaufspannung des Netzwerkes, d.h. bei offenen Anschlüssen 1. Theoretisch: alle Spannungs- und Stromquellen abschalten (Spannungsquellen durch "Drahtbrücken" ersetzen; Stromquellen "entfernen"), dann ist th der Ersatzwiderstand des verbleibenden Widerstandsnetzwerkes _t 2. Bestimmung des Kurzschlussstromes I sc, dann th = th / I sc 3. Halb-Spannungs-Methode: veränderbaren Widerstand var (Potentiometer) anschließen und Spannung out messen, dann ist th = var out = th / 2 Norton-Theorem: I no no = = th th / th _th _th I_no _no Seite 32

33 Helmholtz-Thévenin-Theorem Beispiel: Spannungsteiler 5 kohm 9 V 1 kohm 1.5 V 833 Ohm Welche Spannung liegt am Verbraucher an? Spannungsteiler!!! z. B. Taschenlampe bulb 15 Ω 15 Ω bulb = 1.5 V = V 833 Ω + 15 Ω Seite 33

34 Spannungs- und Stromquellen Ideale Spannungsquelle Ideale Stromquelle 0 kl I0 kl = 0 = const max 0 I load = I 0 = const eale Spannungsquelle eale Stromquelle 0 i I0 i I load I kl max = 0 = 0 i / i I load I 0 I max Nicht-lineare Spannungsquelle (oder Stromquelle) z.b. Solarzelle, Ausgang eines OpAmp I load max = I = 0 i I 0 kl i Seite 34

35 Spannungs- und Stromquellen Wie bestimmt man i, 0 bzw. I 0? Thévenin 0 bzw. max : Leerlaufspannung, d.h. bei offenen Anschlüssen ( load = ) I 0 bzw. I max : Kurzschlussstrom, d.h. bei gebrückten Anschlüssen ( load = 0) Vorsicht! P i : 1. i = 0 / I max bzw. i = max / I 0 2. Halb-Spannungs-Methode: veränderbaren Widerstand var (Potentiometer) anschließen und Klemmenspannung kl bzw. Laststrom I load messen, dann ist i = var kl = 0 / 2 bzw. I load = I 0 /2 Seite 35

36 Spannungs- und Stromquellen Für welchen Lastwiderstand load erhält man maximale Leistung? an den Verbraucher abgegebene Leistung: P load = kl I load = 2 kl load = 2 0 load 2 2 load bzw. I 2 0 i ( load + i ) ( load + i ) 2 kl Leistungsanpassung: load = i P load 0 P load,max = load = 1 4 I 2 0 load allerdings ist i.d.. P load load / i I max I load load» i (Spannungsquelle) load «i (Stromquelle) Seite 36

37 Messung von Spannung und Strom Voltmeter: Amperemeter: I Multimeter: Seite 37

38 Messung von Spannung und Strom + I + Seite 38

39 Messung von Spannung und Strom eales Voltmeter: Innenwiderstand: i kl = I th th _th _th Seite 39

40 Messung von Spannung und Strom eales Voltmeter: Innenwiderstand: i kl = I th th gemessen = th th i + i _th _th reales Voltmeter _i elativer Fehler: = th 1+ 1 i / th Spannungsmessung: i >> th Ideales Voltmeter: i Seite 40

41 Messung von Spannung und Strom eales Amperemeter: I = ungestört L Seite 41

42 Messung von Spannung und Strom eales Amperemeter: Innenwiderstand: i I = ungestört L reales Amperemeter I gemessen = L i = L + i _i elativer Fehler: I I ungestört = 1+ 1 L / i Strommessung: i << L Ideales Amperemeter: i = 0 Seite 42

43 Überblick Grundlagen: Spannung, Strom, Widerstand, IV-Kennlinien Elektronische Messgeräte im Elektronikpraktikum Passive Filter Signaltransport im Kabel Transistor Operationsverstärker Sensorik PID-egler Lock-In-Verstärker Phase-Locked Loop Digitalelektronik Digital-Analog- / Analog-Digital-Wandlung Mikrocontroller Labview und Virtual Instruments Physik in der Elektronik: Ausblick zur Festkörperphysik Seite 43

44 Arbeitsplatz Kabel Steckbrücken Werkzeug Funktionsgenerator DMM Oszilloskop Bauteilebox für Versuchstag Lötstation Spannungs- / Stromquelle DAQ-Box Steckbrett Seite 44

45 Steckbrett Seite 45

46 Kabel und Bauelemente Seite 46

47 Spannungs- / Stromquelle (Power Supply) Agilent E3631A 3-faches programmierbares Labornetzteil: (0-25) V, 1 A (2x) (0-6) V, 5 A (1x) GPIB-Schnittstelle Grundsätzlich Strombegrenzung verwenden: I max = 100 ma Seite 47

48 DMM (Digital-Multimeter) Agilent 34410A Zu berücksichtigende Eigenschaften bzw. Parameter eines Labor-Digital-Multimeters ( 1. Versuchstag): Labor-Digitalmultimeter 6½ Stellen SB-Schnittstelle Innenwiderstand Messen von Spannung, Strom, Widerstand, Kapazität,... Integrationszeit (NPLC = Number of Power Line Cycles) Spezifikationen ( Betriebstemperatur) Seite 48

49 Funktionsgenerator Agilent 33220A Funktions-/Arbiträrsignalgenerator 20 MHz, 14 bit Sinus, echteck, Dreieck, auschen,... programmierbare Signale Seite 49

50 Digitales Speicheroszilloskop Agilent MSO6014A Digitales (mixed signal) Speicheroszilloskop 4 analoge + 16 digitale Kanäle 100 MHz, 2 GSa/s großer Speicher mit Zoom-Funktion ACHTNG!!! SB-Anschluss (auch für Speicherstift) Masse-Anschlüsse aller BNC-Buchsen liegen gemeinsam auf Erdpotential Kurzschluss-Gefahr Seite 50

51 Digitales Speicheroszilloskop Exkurs: Fouriertransformation und FFT einer zeitabhängigen Funktion f(t): f ( t) 1 i = ω ω t F( ) e dω 2π iωt F( ω ) = f ( t) e dt Seite 51

52 Digitales Speicheroszilloskop Exkurs: Fouriertransformation und FFT einer zeitabhängigen Funktion f(t): Einschränkung für real gemessene Signale: 1. Messung nur in beschränktem Zeitintervall t = 0... T möglich 2. Abtastung des Messsignals nur an diskreten Punkten möglich f n = f(n t) 3. Periodische Fortsetzung des Messintervalls 1 ω ~ T 1 ~ t ω max Seite 52

53 Digitales Speicheroszilloskop Exkurs: Fouriertransformation und FFT einer zeitabhängigen Funktion f(t): Folgen für die Fouriertransformierte: ω 1 1 ω ~ T t ~ max FFT (Fast Fourier Transform): schneller mathematischer Algorithmus zur Berechnung der diskreten Fouriertransformation (nach Cooley und Tukey) Seite 53

54 Präsentationsmöglichkeiten StarBoard: Präsentation PDF / Powerpoint (wie gewohnt) StarBoard-Software: Tafelfunktion Übertragung von den Arbeitsplätzen: PC-Bildschirm VNC SB-Kamera mit Schwanenhals Seite 54