Versuchsumdruck. Impulse auf Leitungen Simulation der Messergebnisse mit PSpice

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1 Hocscule STUDIENGANG ELEKTRO-UND INFORMATIONSTECHNIK Blatt von 3 Ascaffenbug Pof. D.-Ing. U. Boctle, Dipl.-Ing. Hans Hitzinge, Amin Hut Vesuc 4/5 Paktikum Scaltungstecnik I Vesion.0 vom Vesucsumduck Impulse auf Leitungen Simulation de Messegebnisse mit PSpice Inalt 0. Geäte und ubeö.... ielsetzung des Vesucs.... Einfüung Impulsausbeitung auf velustfeien Leitungen Reflexion und Becung an eine Stoßstelle Messung von Impulsen auf Leitungen Fagen und Übungen zu Vobeeitung Vesucsducfüung... 8 Liteatuinweise... << vielleict in eine Netzwekbucse einmessen >>

2 Hocscule STUDIENGANG ELEKTRO-UND INFORMATIONSTECHNIK Blatt von 3 Ascaffenbug Pof. D.-Ing. U. Boctle, Dipl.-Ing. Hans Hitzinge, Amin Hut Vesuc 4/5 Paktikum Scaltungstecnik I 0. Geäte und ubeö - Funktionsgeneato HP 330A - Oszilloskop Hameg - Oszilloskop HP Infinum - divese Leitungen und Steckvebinde (BNC) - vobeeitete BNC-Bucsen - PC mit Simulationstool PSpice. ielsetzung des Vesucs - Dastellung de Impulsübetagung und de Impulsvefomung auf Leitungen und an Leitungsstoßstellen - Untesucung des Einflusses von in die Leitung eingebauten disketen Bauelementen wie z. B. Enegiespeicen - Impulsfomung mit Leitungsstücken. - Entwickeln eines Gefüls fü das elektisce Vealten von Leitungen und Netzweken. - Nacbildung de Messegebisse aus dem paktiscen Teil des Vesuces mit dem Simulationstool PSpice

3 Hocscule STUDIENGANG ELEKTRO-UND INFORMATIONSTECHNIK Blatt 3 von 3 Ascaffenbug Pof. D.-Ing. U. Boctle, Dipl.-Ing. Hans Hitzinge, Amin Hut Vesuc 4/5 Paktikum Scaltungstecnik I. Einfüung Eine quescnittsomogene Leitung (z.b. Koaxialleitung, weidatleitung) mit venaclässigbaen Velusten füt als Gundwelle den TEM-Mode (Tansvesal-Elekto-Magnetisc). Das elektisce und das magnetisce Feld weist dabei keine Komponente in Ausbeitungsictung auf. In Quescnittsebenen senkect zu Ausbeitungsictung entspecen die Feldveteilungen den statiscen Felden beim Betieb de Leitung mit Gleicspannung bzw. Gleicstom. u Besceibung eine weileiteanodnung kann folglic ein diffeentielles Esatzbild (Bild ) angesetzt weden, das den Kapazitätsbelag C' (Kapazität po Länge) und den Induktivitätsbelag L' (Induktivität po Länge) entält. Die genannten Beläge sind spezifisce Gößen jede Leitung und von den geometiscen Abmessungen und dem vewendeten Isoliemateial abängig. Veluste können in se gute Näeung duc Eweiteung des diffeentiellen Esatzscaltbildes um einen Widestandsbelag R' in Reie zu L' und einen Ableitungsbelag G' paallel zu C' beücksictigt weden. Im folgenden sollen jedoc die Leitungs-Veluste stets venaclässigba sein! Bild : Leitungsesatzscaltbild 3. Impulsausbeitung auf velustfeien Leitungen Mit den Kicoffscen Regeln können aus dem Leitungsesatzbild (Bild ) die patiellen Diffeentialgleicungen fü die zeit- und otsabängigen Gößen de Spannung u(x,t) und des Stomes i(x,t) abgelesen weden: δu δx δi L δt δi δu C δx δt

4 Hocscule STUDIENGANG ELEKTRO-UND INFORMATIONSTECHNIK Blatt 4 von 3 Ascaffenbug Pof. D.-Ing. U. Boctle, Dipl.-Ing. Hans Hitzinge, Amin Hut Vesuc 4/5 Paktikum Scaltungstecnik I Man eält ieaus die omogenen Wellengleicungen: δ u δx δx δ i δ u L C δt δ i L C δt Lösungen zu diesen Wellengleicungen gewinnt man duc dem Ansatz nac d'alembet: mit s u + s i x, t i x vt + i x + vt ( x, t) u( x vt) + u( x vt) ( ) ( ) ( ) u ( x vt) u( x + vt) s v L C L C Die Lösungsfunktionen u sind zunäcst beliebig, in eine Leitungsaufgabe abe so zu wälen, dass die Anfangs- und Randbedingungen efüllt sind. Die genannten Funktionen at man als mit de Gescwindigkeit v vowäts laufende bzw. uckwätslaufende Wandewellen aufzufassen. Die vowäts laufende Spannungswelle und Stomwelle sind übe den Wellenwidestand miteinande veknüpft. Dies gilt analog fü die ücklaufenden Wellen. Fü quescnittsomogene, ideal leitende Leitungen mit de Dielektizitätskonstanten ε und de elativen PemeabiIität µ (meist µ ) des Isoliemateials ist das Podukt aus Induktivitätsbelag L' und Kapazitätsbelag C' unabängig von de geometiscen Fom de Leite. Es gilt c L L C µ ε µ 0 ε 0 µ ε cl cm 8 m Lictgescwindigkeit µ ε ns s 0 0

5 Hocscule STUDIENGANG ELEKTRO-UND INFORMATIONSTECHNIK Blatt 5 von 3 Ascaffenbug Pof. D.-Ing. U. Boctle, Dipl.-Ing. Hans Hitzinge, Amin Hut Vesuc 4/5 Paktikum Scaltungstecnik I Mit Kenntnis de Mateialkonstanten genügt also z.b. die Bestimmung des Kapazitätsbelages zu vollständigen Besceibung de Leitung. Es gilt dann: µ v c L ε c L ε C 0 C 0 ' : Kapazitätsbelag one Dielektikum (ε ) Steifenleitungen mit iem gescicteten Dielektikum können in die voangegangenen Übelegungen duc den Näeungsansatz, dass duc Einbingen des Substatmateials keine Ändeung des Induktivitatsbelags L' gegenübe de Anodnung in Luft auftitt, einbezogen weden. De Kapazitätsbelag steigt jedoc um einen Fakto ε,eff : C ε C0 eff ε ε eff eff ε,eff ist die mittlee (effektive) Dielektizitätskonstante de vesciedenen dielektiscen Scicten und folglic von den geometiscen Abmessungen abängig. Diese Paamete spielt insbesondee bei Leitebanen auf Platinen eine wictige Rolle. Die entspecenden Fomeln fü die effektiven Dielektizitätskonstanten können z.b. Hoffmann /5/ entnommen weden. Bild : Scematisce Aufbau eine Steifenleitung (Mikostipleitung)

6 Hocscule STUDIENGANG ELEKTRO-UND INFORMATIONSTECHNIK Blatt 6 von 3 Ascaffenbug Pof. D.-Ing. U. Boctle, Dipl.-Ing. Hans Hitzinge, Amin Hut Vesuc 4/5 Paktikum Scaltungstecnik I 4. Reflexion und Becung an eine Stoßstelle Sind zwei vesciedene Leitungen zusammengescaltet und bewegt sic auf de esten Leitung eine vowätslaufende Welle auf die Stoßstelle zu, so wid davon ein Bucteil an de Stoßstelle eflektiet, d.. eine ückwätslaufende Welle ezeugt. De estlice Teil veusact in de zweiten Leitung eine gebocene Welle (Becung in Anlenung an die Begifflickeit de Optik) in Vowätsictung (Bild 3). Unmittelba an de Stoßstelle besteen die Bezieungen: s u u u b u + b + + Reflexionsfakto zwiscen den Teilwellen, woaus sic dann die zeitlicen Vogänge an beliebigen Oten de Leitungen eleiten lassen. Becungsfakto Bild 3: Stoß-Stelle Ist eine Leitung mit einem ein omscen Widestand R abgesclossen, so wid eine auf den Widestand zulaufende Welle mit einem Reflexionsfakto R R + eflektiet. Offenba entsteen keine Reflexionen fü R. Die Leitung ist dann "ictig abgesclossen", man at den Fall de "Anpassung".

7 Hocscule STUDIENGANG ELEKTRO-UND INFORMATIONSTECHNIK Blatt 7 von 3 Ascaffenbug Pof. D.-Ing. U. Boctle, Dipl.-Ing. Hans Hitzinge, Amin Hut Vesuc 4/5 Paktikum Scaltungstecnik I 5. Messung von Impulsen auf Leitungen u Untesucung von Leitungen und Leitungsscaltungen im eitbeeic dient das Impulseflektomete (Time Domain Reflektomete, TDR), das in sic einen Impulsgeneato zu Ezeugung scnell ansteigende Impulse und einen Samplingoszillogapen veeinigt. Die pinzipielle Wikungsweise zeigt Bild 4a. Mit dem Samplingoszillogapen weden ückwikungsfei die in das Messobjekt gesendeten und die eflektieten, sic dazu übelagenden Impulse beobactet. Infolge de langen Impulsdaue läßt sic das Sendesignal als Spannungsspung auffassen. De Oszillogap des Impulseflektometes wid fü die Rückflanke des Impulses und fü die daauf folgenden Reflexionen eine genügend lange eit dunkelgesteuet. Diese Steueung und die Tiggeung sind in Bild 4 nict angedeutet. Bild 4a: Scematisce Aufbau Impulseflektomete Funktionsgeneato HP330A Oszilloskop Abscluss: ocomig BNC RG58, l60cm Messobjekt Bild 4b: Im Paktikum vewendete Messaufbau Im voliegenden Vesuc soll mit Hilfe des Funktionsgeneatos HP 330A und einem Oszilloskop ein Impulseflektomete nacgebildet weden. Die duczufüenden Messungen mit Leitungen de Länge 0 bis 30 Meten entspecen typiscen Aufbauten von industiellen Netzweken wie z.b. Sensoleitungen, Steueleitungen, Feldbussystemen ode Recnenetzen.

8 Hocscule STUDIENGANG ELEKTRO-UND INFORMATIONSTECHNIK Blatt 8 von 3 Ascaffenbug Pof. D.-Ing. U. Boctle, Dipl.-Ing. Hans Hitzinge, Amin Hut Vesuc 4/5 Paktikum Scaltungstecnik I 6. Fagen und Übungen zu Vobeeitung vo Paktikumsbeginn 6. Leiten Sie aus Bild die beeits angegebenen Diffeentialgleicungen und die Wellengleicung ab! 6. eigen Sie duc Einsetzen in die Diffeentialgleicungen die Gültigkeit des d' Alembetscen Ansatzes. 6.3 Wie goß ist de Eingangswidestand in eine unendlic lange Leitung, bzw. bis zu dem eitpunkt an dem eflektiete Wellen zum Leitungsanfang zuückkeen? 6.4 De Wellenwidestand von Steifenleitungen und die effektive Dielektizitätskonstante können mit eine Genauigkeit von + % näeungsweise angegeben weden zu ε eff Ω Ω ε + ε + ε ε eff eff 8 60 ln + w w π +,4 0,44 + Dabei gelten die Bezeicnungen nac Bild. Das typisceweise (an de Facocscule Ascaffenbug) vewendete Platinenmateial FR4 at als Tägemateial glasfasevestäktes Epoxydaz mit ε 5,5. Die Substatöe betägt,6 mm. Beecnen Sie fü einige Leitebeiten im Wetebeeic w 0, mm die Wete von ε,eff und zeicnen Sie dazu Diagamme (w), ε,eff ε,eff (w). 6.5 Bestimmen und skizzieen Sie den zeitlicen Velauf de Eingangsspannung u (t) de Scaltung nac Bild 5 bei leelaufendem Leitungsende und fü, >, <. Kontollieen Sie den Genzfall t w 4 w w fü w w w fü 6 Bild 5: Felangepasste Leitung

9 Hocscule STUDIENGANG ELEKTRO-UND INFORMATIONSTECHNIK Blatt 9 von 3 Ascaffenbug Pof. D.-Ing. U. Boctle, Dipl.-Ing. Hans Hitzinge, Amin Hut Vesuc 4/5 Paktikum Scaltungstecnik I 6.6 Bestimmen und skizzieen Sie den zeitlicen Velauf de Eingangsspannung ul(t) de Scaltung nac Bild 5 bei kuzgesclossenem Leitungsende. 6.7 Eine abgesclossene Leitung mit dem Wellenwidestand sei an eine Stelle x l C mit eine disketen Kapazität C belastet. Wie siet iezu u (t) aus (Bild 6)? Wie kann bei gegebenem die Kapazität C aus dem Velauf von u (t) bestimmt weden? Bild 6: Kapazitiv belastete Leitung 6.8 In eine abgesclossene Leitung () sei an eine Stelle x l L eine Seieninduktivität L eingefügt. Skizzieen Sie iezu u (t) (siee Bild 7). Wie kann bei gegebenem die Induktivität L aus u (t) bestimmt weden? Bild 7: Induktiv belastete Leitung

10 Hocscule STUDIENGANG ELEKTRO-UND INFORMATIONSTECHNIK Blatt 0 von 3 Ascaffenbug Pof. D.-Ing. U. Boctle, Dipl.-Ing. Hans Hitzinge, Amin Hut Vesuc 4/5 Paktikum Scaltungstecnik I 6.9 Eine Leitung () sei an iem Ende mit einem Paallelscwingkeis bescaltet (Bild 8). Wie siet qualitativ u (t) aus? Keine ausfülice Recnung velangt! Unte welcen Bedingungen weden abklingende Scwingungen angeegt (scwace Dämpfung)? Bild 8: Scwingkeis und Leitung

11 Hocscule STUDIENGANG ELEKTRO-UND INFORMATIONSTECHNIK Blatt von 3 Ascaffenbug Pof. D.-Ing. U. Boctle, Dipl.-Ing. Hans Hitzinge, Amin Hut Vesuc 4/5 Paktikum Scaltungstecnik I 7. Paktisce Vesucsducfüung 7. Scließen Sie an den Messaufbau nac Bild 4b eine 50Ω-Koaxialleitung (BNC, RG 58, 0 m) an. Betacten Sie das Oszillogamm bei leelaufendem, abgesclossenem und kuzgesclossenem Leitungsende. Wälen Sie iezu die folgenden Einstellungen am Geneato: f00khz, Offset 00mV, Amplitude00mV, Recteck. Wie goß ist die elative Dielektizitätskonstante ε des Kabeldielektikums dieses Kabels? 7. Scliessen Sie ans Ende des Kabels aus 7. naceinande die folgenden Leitungen an (bei leelaufendem Leitungsende). RG 58, 0 Mete RG 59, 0 Mete RG 6, 0 Mete Welce Wellenwidestände weisen die Kabel auf? Bestimmen Sie jeweils außedem die Dielektizitätskonstanten ε! 7.3 Entspecend Bild 6 ist aus zwei 50Ω-Koaxialkabeln (je 0 Mete RG58) und de vogegebenen Kapazität C eine kapazitive Stoßstelle naczubilden. Bestimmen Sie den Wet von C (50Ω-Abscluss)! 7.4 Entspecend Bild 7 ist aus zwei 50Ω-Koaxialkabeln (je 0 Mete RG58) und de vogegebenen Induktivität L eine induktive Stoßstelle naczubilden. Bestimmen Sie den Wet von L (50Ω-Abscluss)! 7.5 Bauen Sie die im nacfolgenden Bild skizziete Leitungsscaltung auf. Wie veläuft die Eingangsspannung mit und one Sticleitung (l 60cm, l0m RG58), wenn als Geneatofequenz MHz gewält weden. Wie wid die Impulslänge beeinflusst? Oszilloskop Kuzscluss 50Ω-Abscluss Bild 9: Leitungsstuktu zu Impulsfomung

12 Hocscule STUDIENGANG ELEKTRO-UND INFORMATIONSTECHNIK Blatt von 3 Ascaffenbug Pof. D.-Ing. U. Boctle, Dipl.-Ing. Hans Hitzinge, Amin Hut Vesuc 4/5 Paktikum Scaltungstecnik I 8. Simulation mit PSpice (Ocad Captue) 8. Simulieen Sie mit dem Softwaetool PSpice den unte Aufgabe 7. besciebenen Vesucsaufbau mit abgesclossenem (50 Om), leelaufendem ( MOm) sowie kuzgesclossenem (0,000 Om) Leitungsende und vewenden Sie dabei die gleicen Spannungs- und Leitungspaamete. PSpice finden Sie im Menü Stat/Pogamme/OCad Release 9./Captue. Hie legen Sie zunäcst ein neues Pojekt (Analog o Mixed-Signal Cicuit Wizad)an, das Sie bitte unte C:\Vesuc4_5\Name (eine aus de Guppe) abspeicen. Geben Sie den Scaltplan exakt wie in Bild 0 dagestellt mit Hilfe des Scaltplaneditos ein und editieen Sie die Bauteilpaamete (Doppelklick auf das Bauteil) entspecend. Bild 0: Scaltplan unte Captue Vewendete Bauteile: Libay SOURCE ANALOG TLINE Pat VPULSE R RG58/U Füen Sie nun eine Tansienten-Analyse duc und vesucen Sie die im paktiscenteil des Vesuces emittelten Egebnisse naczuvollzieen. Ducken Sie Ie Egebnisse aus. Hinweis: Eine kuze Einfüung (pdf-datei ) in die Handabung von Ocad Captue finden im gleicen Odne, in dem auc dieses Skipt intelegt ist! 8. Füen Sie nac dem gleicen Scema (Tansienten-Analyse) eine Simulation des unte Punkt 7.3 besciebenen Vesucsaufbaus mit dem dot emittelten Wete fü C duc. Ducken Sie Ie Egebnisse aus.

13 Hocscule STUDIENGANG ELEKTRO-UND INFORMATIONSTECHNIK Blatt 3 von 3 Ascaffenbug Pof. D.-Ing. U. Boctle, Dipl.-Ing. Hans Hitzinge, Amin Hut Vesuc 4/5 Paktikum Scaltungstecnik I 9. Liteatuinweise Küpfmülle, K. Einfüung in die teoetisce Elektotecnik Spinge Velag 960 inke, O., Bunswig, H., Lebuc de Hocfequenztecnik, Spinge-Velag Goll, Mikowellenmesstecnik Vieweg-Velag Meinke, Gundlac Tascenbuc de Hocfequenztecnik Spinge Velag Reinmut K. Hoffmann Integiete Mikowellenscaltungen Spinge Velag, Belin, 983 Käme, Fank Das goße PSpice Abeitsbuc V9 Fäce Velag, Kalsue, 000 Heinemann, Robet PSpice Elektoniksimulation Legang, Handbuc, Kocbuc Hanse Velag, Müncen, 00 Einfüung in Captue und PSpice 9. von Ocad MICROSWISS-entum Rappeswil, CH