Praktikum Elektronik für Wirtschaftsingenieure. Messungen mit Multimeter und Oszilloskop

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1 Praktikum Elektronik für Wirtschaftsingenieure Versuch Messungen mit Multimeter und Oszilloskop 1 Allgemeine Hinweise Die Aufgaben zur Versuchsvorbereitung sind vor dem Versuchstermin von jedem Praktikumsteilnehmer als Hausaufgaben schriftlich auszuführen. Sie sind Bestandteil des Protokolls und werden in die Bewertung des Versuches einbezogen. Ebenso zur Vorbereitung des Praktikums gehört, sich über alle Versuchsaufgaben zu informieren und diese soweit das möglich ist theoretisch vorzubereiten (Formeln, Diagramme, Tabellen, Literaturstudium). Jede Praktikumsgruppe fertigt ein Protokoll an, welches innerhalb von 2 Wochen abzugeben ist. Bei der Versuchsdurchführung sind die Messschaltungen mit Hilfe der Versuchsschaltung und der am Versuchsplatz vorliegenden Versuchsanordnung aufzubauen. Dazu werden die Bauelemente durch Verbindungskabel bzw. -brücken mit dem Versuchsaufbau verbunden oder gebrückt und die Messgeräte angeschlossen. Beachten Sie: Auf- und Abbau der Messschaltungen und alle Veränderungen an der Messschaltung dürfen nur im spannungslosen Zustand vorgenommen werden (Netzschalter). Die Polarität der unsymmetrischen (einseitig geerdeten) elektronischen Messgeräte ist zu beachten. 2 Vorbereitungsaufgaben (1) Lösen Sie für die Versuche 3.1 bis 3.3 sowie 3.5 und 3.6 die dort angegeben Vorbereitungsaufgaben. Die Aufgaben sind von jedem Versuchsteilnehmer auf einem Extrablatt anzufertigen und vor Versuchsbeginn vorzulegen. (2) Informieren Sie sich im Vorlesungsmaterial und in der Literatur über die Funktionsweise eines Zweistrahloszilloskops. Verschaffen Sie sich einen Überblick über die wichtigsten Bedienelemente des verwendeten Gerätes (Anhang).

2 3 Versuchsaufgaben 3.1 Unbelasteter Spannungsteiler Schaltung: R 3 U q=20v R 2 U B R 1 U A (1) Leiten Sie jeweils eine allgemeine Gleichung zur Bestimmung der Spannungen UA und UB her. (2) Berechnen Sie UA und UB für die Werte R1 = 220 Ω, R2 = 470 Ω und R3 = 680 Ω. (1) Stellen Sie an der Spannungsversorgung eine Gleichspannung von Uq = 20 V ein und prüfen Sie die Einstellung mit dem Multimeter. Messen Sie dann UA und UB und vergleichen Sie diese mit den berechneten Werten. Berechnet: UA = UB = Gemessen: UA = UB = (2) Begründen Sie mögliche Abweichungen.

3 3.2 Belasteter Spannungsteiler Schaltung: R 3 U q=20v R 2 U B R L R 1 (1) Leiten Sie eine allgemeine Gleichung für UB in Abhängigkeit des Lastwiderstandes RL her. Führen Sie einen Plausibilitätstest für RL = 0 und RL durch. Hinweis: Fassen Sie Widerstände geeignet zusammen. (2) Berechnen Sie UB für die Werte RL1 = 15 kω, RL2 = 3,3 kω und RL3 = 1 kω. Stellen Sie an der Spannungsversorgung eine Gleichspannung von Uq = 20 V ein und prüfen Sie die Einstellung mit dem Multimeter. Messen Sie UB für die drei Lastwiderstände und vergleichen Sie mit den berechneten Werten. Berechnet: UB1 = UB2 = UB3 = Gemessen: UB1 = UB2 = UB3 = Auswertung: Welche Schlussfolgerung kann aus den gemessenen Werten für die Dimensionierung des Spannungsteilers abgeleitet werden?

4 3.3 Stromteiler Schaltung: R 1 I U q=20v I A R 2 R 3 I B (1) Berechnen Sie den Gesamtstrom I. (2) Ermitteln Sie mit der Stromteilerregel daraus die Teilströme IA und IB für die Werte R1 = 220 Ω, R2 = 470 Ω und R3 = 680 Ω. (1) Stellen Sie an der Spannungsversorgung eine Gleichspannung von Uq = 20 V ein und prüfen Sie die Einstellung mit dem Multimeter. Messen Sie den Gesamtstrom I. I = (2) Messen Sie die Teilströme IA und IB. Vergleichen Sie mit den berechneten Werten. Berechnet: IA = IB = Gemessen: IA = IB =

5 3.4 Beobachtung von Wechselgrößen (1) Speisen Sie Kanal I des Oszilloskops mit der Ausgangsspannung des Frequenzgenerators. Wählen Sie f = 600 Hz und Û = 2 V. Stellen Sie das Oszilloskop im Analogbetrieb so ein, dass mindestens eine volle Periodendauer dargestellt wird. (2) Bestimmen Sie aus dem Schirmbild die Parameter Periodendauer T = Nullphasenwinkel ϕ0 = Hinweis: Als Bezugspunkt für ϕ0 ist die Mitte der Zeitachse zu verwenden. (3) Skizzieren Sie das Schirmbild in das vorbereitete Diagramm. Skalieren Sie dazu die Darstellung. (3) Schalten Sie zur Signalquelle einen Kopfhörer parallel und nehmen Sie den akustischen Eindruck wahr. (4) Verändern Sie die Frequenz auf die Werte 1 khz; 5 khz und 10 khz und beobachten Sie die Veränderung des Schirmbildes und der akustischen Wahrnehmung. Auswertung: Berechnen Sie aus den Messwerten von (2) und aus dem eingestellten Scheitelwert die Kreisfrequenz ω, den Gleichrichtwert u und den Effektivwert U. ω = u = U =

6 3.5 Phasenverschiebung bei R-C-Gliedern Schaltung: C=0,047µF U C U 1 I R=680Ω U R = U 2 (1) Zeichnen Sie qualitativ das Zeigerbild des Stromes und aller Spannungen der obigen Schaltung a) für niedrige Frequenzen, b) für hohe Frequenzen. Hinweis: Beginnen Sie mit dem Zeiger des Stromes. (2) Leiten Sie daraus ab, gegen welchen Wert die Phasenverschiebung zwischen U2 und U1 in den Fällen a) und b) strebt. Stellen Sie Ein- und Ausgangsspannung der Schaltung an Kanal I bzw. II des Oszilloskops dar. Stellen Sie dazu den Scheitelwert von U1 auf 5V ein. Messen Sie am Schirmbild die Phasenverschiebung zwischen U1 und U2 bei folgenden Frequenzen: f1 = 1 khz f2 = 5 khz f3 = 25 khz ϕ1 = ϕ2 = ϕ3 = Hinweis: Es gilt 360 ϕ = t mit t - Verschiebung auf der Zeitachse, T - Periodendauer T

7 3.6 Frequenzgänge von Tiefpässen (R-C bzw. R-L) Schaltung 1: Schaltung 2: R=220Ω L=10mH U 1 U 1 C=0,22µF U 2 R=220Ω U 2 Ermitteln Sie die Grenzfrequenz fg für die gegebenen Schaltungen 1 und 2. (1) Stellen Sie Ein- und Ausgangsspannung der Schaltung 1 an Kanal I bzw. II des Oszilloskops dar. Stellen Sie dazu den Scheitelwert von U1 auf 5V ein. Messen Sie für beide Schaltungen bei konstanter Eingangsspannung U1 die Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Frequenz. Tragen Sie die Messwerte in die unten gegebene Tabelle ein. (2) Wiederholen Sie die Messungen für Schaltung 2. Schaltung 1 Schaltung 2 f / khz 0,2 0,5 1,0 2, ,0 20,0 50,0 Û 2 / V U ˆ / U ˆ 2 1 Û 2 / V U ˆ / U ˆ 2 1

8 Auswertung: (1) Tragen Sie die Verhältnisse U2/U1 in logarithmischer Darstellung in das gegebene Diagramm ein und interpretieren Sie die Ergebnisse ,1 0,01 0, f / khz 100 (2) Welche Einsatzmöglichkeiten ergeben sich auf Grund der ermittelten Frequenzabhängigkeit für die Schaltung?

9 Anhang: Kombi-Oszilloskop HAMEG Bedienelemente im Analogmodus POWER 1 AUTOSET 2 VOLTS/DIV. 20V 1mV VOLTS/DIV. 20V 1mV STOR. ON Y-POS. I Y-POS. II LEVEL X-POS. x X-MAG. TIME/DIV. 100s 50ns Netzschalter 2 Autoset, stellt automatisch sinnvolle Messparameter für die anliegende Messgröße ein. 6/8 Y-Pos., verschiebt die Kurve für Kanal I / II parallel in y-richtung 11 Triggerlevel, legt den Spannungswert fest, bei dem die Messung "getriggert", d.h. ein neuer Vorlauf des Strahles begonnen wird. 12 X-Pos., verschiebt beide Kurven gleichzeitig in x-richtung 13 X-Mag. x10, Taster, der bei Bedarf die Kurven in x-richtung um den Faktor 10 dehnt 14/18 Volts/div., legt den Anzeigemaßstab für die Spannungen des Kanals I / II fest 15/19 Taster, der die Darstellung des Kanals I/II zu- bzw. abschaltet 22 Time/div., legt den Anzeigemaßstab für die Zeitachse fest 25/28 BNC-Buchsen für die Eingangssignale Kanal I/II 26/29 Signaleinkopplung für Kanal I/II GND keine Einkopplung, für Einstellung der Kurve auf Null-Linie DC - direkte galvanische Einkopplung auch von Gleichanteilen AC - Einkopplung über Kondensator (kapazitiv); nur Wechselanteile werden eingekoppelt 40 Umschaltung Analogmodus (LED aus) Digitalmodus (LED an) INPUT CH II CH I CH II INPUT CH II AC/DC/GND AC/DC/GND

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