1. Laboreinheit - Hardwarepraktikum SS 2003

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1 1. Laboreinheit - Hardwarepraktikum SS Versuch: Gleichstromnetzwerk Berechnen Sie für die angegebene Schaltung alle Teilströme und Spannungsabfälle. Fassen Sie diese in einer Tabelle zusammen und lassen Sie Platz für die Messergebnisse aus der und die Ergebnisse aus der Schaltungssimulation. M1 A M2 B Abbildung 1 A1 Bauen Sie die dargestellte Schaltung auf. Mit dem Netzteil HM8142 stellen Sie die notwendige Spannung von 20V bereit. Unter Nutzung des Multimeter HP 34401A führen Sie die notwendigen Strom- und Spannungsmessungen durch. Hinweise zur Nutzung der Geräte finden Sie auf der HWP Webseite. A2 Bestimmen Sie messtechnisch die Spannungen über allen Bauelementen und alle Teilströme der Schaltung. Tragen Sie nun in die schon vorbereitete Tabelle die Messergebnisse ein. Tragen Sie in die Schaltung die messtechnisch ermittelten Stromflussrichtungen und die Richtung der Spannungsabfälle ein. A3 Überprüfen Sie die Ergebnisse durch eine Schaltungssimulation und Dokumentieren Sie die Ergebnisse. A4 Vergleichen Sie Messergebnisse mit den berechneten Werten und diskutieren Sie die Ergebnisse hinsichtlich der folgenden Formeln: R = U/I für einen ohmschen Widerstand I ν = 0 für die Knotenpunkt A und B U ν = 0 für die Masche M1 und M2

2 2. Versuch: Belasteter Spannungsteiler Wiederholen Sie die Grundgleichungen zur Berechnung von belasteten und unbelasteten Spannungsteilern. Leiten Sie die Gleichungen für die Berechnung aller Teilströme und Teilspannungen, sowie der Leistungen (I R1 = I R2 + I R3, I R2, I R3, U R1, U R2, U R3, P R1, P R2, P R3 ) für die nebenstehende Schaltung (Abbildung 2) ab. U R1 U R2 U R3 Abbildung 2 A1 Bauen Sie die Spannungsteilerschaltung nach der Schaltung (Abbildung 2) auf. Als Spannungsquelle (U) benutzen Sie das Netzteil (HM8142), mit einer Ausgangsspannung von 10V. Für den Spannungsteiler (R 1 /R 2 ) setzen Sie das Potentiometer mit einem Widerstand von 1 kω ein. A2 Erstellen Sie messtechnisch eine Tabelle und eine Grafische Abbildung für die Abhängigkeit von U 2 in Volt über das Teilerverhältnis V = R2/(R1+R2) (V = in Schritten von 0,2) mit R 3 = 160 Ω, 1,2kΩ und 180kΩ dar. A3 Diskutieren Sie das Ergebnis der grafischen Abbildung, hinsichtlich der Nutzungsgrenzen des Spannungsteilers als veränderliche Spannungsquelle für unterschiedliche Widerstandswerte eines Lastwiderstands R3.

3 3. Versuch: Kondensator Machen Sie sich mit den theoretischen Grundlagen des Kondensators und des Lade- und Entladevorgangs vertraut. Frequenzgenerator U A Oszilloskop R C U B U C Abbildung 3 A1 Bestimmen Sie rechnerisch die Zeitkonstante τ = RC für die in der Schaltung angegebenen Werte. Zur Unterstützung: zum Zeitpunkt t = 1τ ist U C = 0,63 U max und zum Zeitpunkt t = 5τ ist U C = U max. A2 Überlegen Sie sich die Funktion des 18Ω Widerstands in der dargestellten Schaltung und begründen Sie ihre Meinung. Mit dem Oszilloskop ist es nur möglich Spannungen zu messen. Was wird indirekt mit der Spannung U C gemessen? A3 Bauen Sie die dargestellte Schaltung (Abbildung 3) auf. Stellen Sie die Amplitude des Frequenzgenerators (HAMEG HM8130) auf 5 V, bei einem Offset von 2.5V ein. Kontrollieren Sie die Auswirkung der Offsetspannung auf die Ausgangspannung des Frequenzgenerators auf dem Oszilloskop (HP 54600). Der Frequenzgenerator sollte dazu eine rechteckförmige Spannung U im Bereich von 0V bis 5V liefern, um einen zyklischen Lade- und Entladevorgang mit einstellbarer Zeitdauer zu generieren. Ermitteln Sie mit Hilfe des Frequenzgenerators und des Oszilloskops die Zeitkonstante τ bei einer Kapazität C = 100 nf für die Widerstandswerte R = 1,2kΩ, 6,8kΩ und 180kΩ. Oszillographieren Sie den Spannungsverlauf am Knotenpunkt A und B der Schaltung. Benutzen Sie zur experimentellen Ermittlung der Zeitkonstanten τ die Cursor-Funktion des Oszilloskops. Die Frequenz am Frequenzgenerator ist so einzustellen, dass für jede Widerstandbeschaltung ein Lade- und Entladevorgang des Kondensators abbilden wird. Nehmen Sie parallel zur Messung eine Simulation der Schaltung vor. Dokumentieren Sie die Zeitverläufe und die Messung der Zeitkonstanten unter Nutzung der Simulation. A4 Nehmen Sie für den Widerstandswert R = 1,2 kω den Spannungsverlauf an Knotenpunkt B und den Spannungsverlauf am Knotenpunkt C auf, dabei ist die Frequenz am Frequenzgenerator so zu wählen, das ein Lade- und Entladevorgang des Kondensators abbilden wird. Diskutieren Sie die Ergebnisse und begründen Sie den Wechsel der Polarität der Spannung am Knotenpunkt C und den Zeitverlauf. A5 Wie kann mess- und rechentechnisch der maximale Kondensatorladestrom und -entladesstrom bestimmt werden? Bestimmen Sie den Strom messtechnisch, rechnerisch und durch die Schaltungssimulation.

4 4. Versuch: RC-Glied Das RC-Glied wird auch als Tiefpass-Filter bezeichnet. Spannungen mit einer Frequenz unterhalb der Grenzfrequenz werden fast ungehindert durchgelassen. Der Versuch soll die U/I-Verhältnisse und den Phasengang am RC-Glied untersuchen. Stellen Sie die Grundgleichungen zur Berechnung der Grenzfrequenz und des Amplituden- und Phasengangs der Ausgangsspannung U 1 in Abhängigkeit von der Eingangsspannung U und der Frequenz f zusammen (Abbildung 4). Stellen Sie die Spannungen U, U R1 und U C1 sowie den Strom I der Schaltung (Abbildung 5) in einem Zeigerdiagramm dar und tragen Sie in dieses Diagramm den Phasenwinkel φ ein. 2,2kΩ 2,2kΩ U B U C Abbildung 4 A1 Berechnen Sie für die angegebenen Werte von R 1 und C 1 aus der oben dargestellten Schaltung die Grenzfrequenz f g und die Zeitkonstante τ. A2 Bauen Sie nun die Schaltung (Abbildung 4) auf und bestimmen Sie den Amplitudengang U/U C =F(f) rechnerisch und messtechnisch. Der Frequenzgenerator soll dabei eine sinusförmige Ausgangsspannung von 10V und einer Frequenz f= hz (Schrittweite von 200Hz) liefern. Stellen Sie auf dem Oszilloskop, bei einer Frequenz von 200 Hz des Funktionsgenerators, eine komplette Amplitude dar, messen Sie dazu am Knotenpunkt B der Schaltung. A3 Bestimmen Sie die Phasenverschiebung zwischen U C und U rechnerisch und messtechnisch und durch die Simulation für 4 selbst gewählte Frequenzen im Frequenzbereich von 200 Hz bis 2000 Hz. Dokumentieren Sie ihre Ergebnisse mit Signalverläufen aus der Simulation. Für die messtechnische Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen den beiden Signalen schlagen Sie in der Oszilloskop Beschreibung unter dem Stichwort Cursor nach. A4 Welche Veränderungen sind bei Verwendung einer rechteckförmigen Ausgangsspannung U im Vergleich zu einer sinusförmigen Ausgangsspannung des Frequenzgenerators zu beobachten? Erklären Sie diesen Sachverhalt. A5 Bestimmen Sie rechnerisch den Amplituden- und Phasengang eines CR-Gliedes (bei gleichen R und C Werten) im Frequenzbereich von 200 bis 2000 Hz. Stellen Sie diesen grafisch dar.

5 5. Versuch: Diode Wiederholen Sie die Theorie des pn-übergangs und die Kennliniencharakteristik der Diode. Ermitteln Sie aus der Datenblattsammlung (siehe 1N4148.pdf) die Durchlasskennlinie der Silizium-Kleindiode 1N4148. U B Anode Katode C U X U Y Abbildung 5 A1 Bauen Sie die oben dargestellte Schaltung (Abbildung 5) auf, oszilloskopieren Sie die Spannung über der Diode mit den unten beschriebenen Ausgangsspannungen des Frequenzgenerators. Vergleichen Sie die Ergebnisse aus der Messung und der Simulation. Dokumentieren Sie jeweils einen Zeitverlauf für sinusförmige, rechteckförmige und sägezahnförmige Ausgangsspannung auf Basis der Simulation. Untersuchen Sie die Strom- und Spannungsverhältnisse in der Schaltung wie folgt: - Frequenzgenerator mit sinusförmiger Ausgangsspannung (U = 10V, f = 100Hz, 1 khz, 10kHz) - Frequenzgenerator mit rechteckförmiger Ausgangsspannung (U = 10V, f = 100Hz, 1 khz, 10kHz) - Frequenzgenerator mit sägezahnförmiger Ausgangsspannung (U = 10V, f = 100Hz, 1 khz, 10kHz) Erläutern Sie anhand der aufgenommenen Kurven die Funktionsweise der Diode und beschreiben Sie die Spannungsverläufe der einzelnen Kurven. A2 Welche Aufgabe hat der Widerstand R 2 in der dargestellten Schaltung. Begründen Sie ihre Meinung im Zusammenhang mit der Darstellbarkeit des Stromes auf dem Oszilloskop. A3 Führen Sie nun zwei weitere Messungen mit der Diode durch. Stellen Sie dazu den Frequenzgenerator auf eine Sinusspannung von U = 10V und eine Frequenz von f = 200 Hz ein. Messen Sie nun die Spannung U X an Punkt B und die Spannung U Y am Punkt C der Schaltung, benutzen Sie dafür die Kanäle 1 und 2 des Oszilloskops. Nun wird eine spezielle Messung durchgeführt, die XY Messung, diese Messung stellt die Abhängigkeit der Spannung am Kanal 2 über der Spannung am Kanal 1 dar. Erläutern Sie das Ergebnis. A4 Dokumentieren Sie die Oszilloskopbilder aus der Simulation und vergleichen Sie diese mit denen aus der Messung. Erstellen Sie aus dem Oszilloskopbild das Kennlinienfeld der Diode und diskutieren Sie die Ergebnisse der XY Messung. Berechnen Sie die Stromamplitude des Diodenstroms aus dem Spannungsabfall über R 2.

6 6. Versuch: Einweggleichrichtung mit geglätteter Gleichspannung Bestimmen Sie aus dem Datenblatt, den maximalen Durchlassstrom der Diode. Berechnen Sie aus diesem Strom nach dem ohmschen Gesetz den minimalen Widerstand R MIN für eine Eingangsspannung UE von 10V. I MAX R MIN U U R Abbildung 6 + Abbildung 7 Untersuchen Sie die Spannungsverhältnisse der Schaltung (Abbildung 7) in den folgenden drei Fällen: In der Schaltung ist/sind - nur die Widerstände R und R2, der Kondensator C fehlt (offene Kontakte) - nur der Kondensator C, die Widerstände R und R2 fehlen (offene Kontakte) - der Widerstand R2 und der Kondensator C vorhanden, R wird variiert (wie abgebildet) A1 Bauen Sie die oben dargestellte Schaltung (Abbildung 7) auf, das Potentiometer stellen Sie etwa auf 5kΩ ein und untersuchen Sie die Schaltung in den 3 vorher erklärten Zuständen. Die messtechnische Untersuchung erfolgt bei einer sinusförmig Eingangsspannung von U = 10V und einer Frequenz f = 50 Hz. Übernehmen Sie die Zeitverläufe aus der Simulation in das Protokoll. Diskutieren Sie die Ergebnisse hinsichtlich der Glättung der Sinusspannung. A2 Untersuchen Sie die Auswirkung der Zeitkonstante τ (Werte wie in A1), für die Gleichrichtung und die Glättung der Gleichspannung, bei unterschiedlichen Frequenzen. Untersuchen Sie die Schaltung mit folgenden Frequenzen f = 5 Hz, 50 Hz und 500 Hz. Dokumentieren und erläutern Sie die Beobachtungen anhand von Zeitverläufen. A3 Erläutern Sie die in Aufgabe A2 aufgenommenen Messkurven hinsichtlich des Auf- und Entladeverhaltens des Kondensators bei gleicher Frequenz und einer Veränderung des Widerstandes R 1 A4 Welche Größenordnungen sind für C und R anzustreben, um eine möglichst ideale Gleichspannung für DC Netzteile zu erhalten? Berechnen Sie exemplarisch einen C-Werte für Einweggleichrichtung mit einer elektrischen Last (100mA bei 10V Spannung) um eine möglichst geglättete Gleichspannung zu erreichen. Testen Sie die Berechnungsergebnisse mit Hilfe der Simulation aus.