GRUNDLAGENLABOR CLASSIC RC-GLIED

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1 GUNDLAGNLABO LASSI -GLID Inhal: 1. inleing nd Zielsezng Theoreische Afgaben - Vorbereing Prakische Messafgaben...4 Anhang: in- nd Asschalvorgänge...5 Filename: Version: Ahor: _Glied_2_.doc 2. S. Wicki reaed: Las modified: Page: :23 1 / 9

2 Sdiengang lekroechnik Grndlagenlabor / WK lassic 1. INLITUNG UND ZILSTZUNG In der lekronik werden häfig Kombinaionen as L-Nezwerken als Filer eingesez. Vor allem in Verbindng mi MV 1 -gerechen Schalngsenwrf, kann man af solche Filer nich verzichen. Ach Schalnezeile beinhalen viele Splen als Sromgläer nd Kondensaoren als Spannngsgläer. Darm is es wichig, mi diesen wichigen Komponenen der lekroechnik verra z sein nd ihre igenschafen gena z kennen, m Schalngen schnell enwerfen nd analysieren z können. In diesem Versch sollen diese igenschafen asgemessen nd verief werden. Dieser Versch ha folgende Zielsezngen: Die passiven Grndelemene der lekroechnik z versehen Wichige Krvenformen mi ern im Zeibereich kennen lernen Fesigng der Theorie Benzng des Kahodensrahloszilloskops (KO) Benzng des Signalgeneraors Übng im Umgang mi den Messgeräen 2. THOTISH AUFGABN - VOBITUNG 2.1 Theoreische Grndlagen Sdieren Sie die Theoreischen Grndlagen im Anhang nd lösen Sie Afgaben daz (Kap.2.2). 1 MV: lekromagneische Verräglichkei Version 2. Seie 2 / 9

3 Sdiengang lekroechnik Grndlagenlabor / WK lassic 2.2 Afgaben a) Berechnen nd skizzieren Sie die Asgangsspannng für jeweils zwei Perioden für eine Signalfreqenz von 2Hz nd eine Signalfreqenz von 1kHz mi den lemenen 1 =1kΩ nd 1 =1nF. Der Kondensaor is im Zeipnk = enladen. 1 1 A Fig. 2-1 ingangssignal mi 5% Dy-ycle (ein/t) T 1 b) Vom ingangssignal wird das Tasverhälnis (Dy-ycle) von 5% af 25% geänder. Wie sieh nn das Asgangssignal as (die Schalng bleib besehen, der Kondensaor is im Zeipnk = enladen)? T 1 Fig. 2-2 ingangssignal mi 25% Dy-ycle c) Zm Kondensaor wird nn ein Widersand parallel geschale. Berechnen nd skizzieren Sie die Asgangsspannng für jeweils zwei Perioden für eine Signalfreqenz von 2Hz nd eine Signalfreqenz von 1kHz mi den lemenen 1 =1kΩ, 2 =1kΩ nd 1 =1nF. Der Kondensaor is im Zeipnk = enladen A T 1 Fig. 2-3 ingangssignal mi 5% Dy-ycle nd Widersand parallel zm Kondensaor d) Der verwendee Signalgeneraor ha einen Innenwidersand von 5Ω. Welchen inflss ha dieser Innenwidersand af die Zeikonsane des s. Version 2. Seie 3 / 9

4 Sdiengang lekroechnik Grndlagenlabor / WK lassic 3. PAKTISH MSSAUFGABN 3.1 Transienes Verhalen von -Nez Baen Sie die Schalng gemäss Fig. 3-1 af mi den lemenen 1 =1kΩ nd 1 =1nF. H1 1 H2 1 A T 1 Fig. 3-1 echecksignal mi 5% Dy-ycle a) Unerschen Sie die Af- nd nladekrve (Spannngsverlaf) mi dem KO, indem sie die Periodendaer T 1 >> τ wählen. Zeichnen Sie die Verläfe af. b) Überlegen Sie sich, wie man den Srom drch den Kondensaor messen kann nd nerschen Sie ach hier die Af- nd nladekrve (Sromverlaf) Nezwerk an periodischem echecksignal Baen Sie die Schalngen von den Theoreischen Afgaben (Kap. 2.2) af nd überprüfen Sie die echnngen mi Messngen Nezwerk an harmonischem Signal (Sins) Die Were der lemenen bleib erhalen ( 1 =1kΩ nd 1 =1nF). H1 1 H2 1 A T 1 Fig. 3-2 Sinssignal a) Messen Sie die Phasenverschiebng wie ach die Abschwächng zwischen dem Asgangssignal nd dem ingangssignal, indem Sie die ingangsfreqenz in Vernünfigem Masse ändern. Skizzieren Sie die Phasenverschiebng (linearer Massab) nd die Abschwächng (linearer nd logarihmischer Massab) in Fnkion der Freqenz. b) Schalen Sie den KO in den xy-berrieb nd variieren Sie die Freqenz. Was kann man ablesen, was erkenn man nd wie is das erklärbar? Version 2. Seie 4 / 9

5 Sdiengang lekroechnik Grndlagenlabor / WK lassic ANHANG: IN- UND AUSSHALTVOGÄNG 2 Bei den bisherigen Beispielen mi L-Nezwerken war enweder der Srom- oder der Spannngsverlaf vorgegeben. Im allgemeinen Fall sind der zeiliche Srom- nd Spannngsverlaf nbekanne Grössen. Sell man für ein beliebiges L-Nezwerk z.b. die Maschengleichng af nd sez die ohmschen Geseze ein, so reslier eine sogenanne Differenialgleichng (DGL). Die Lösng der DGL (zsammen mi den Anfangsbedingngen) beschreib dann die gesche Grösse, nämlich die zeiabhängige Spannng (oder den zeiabhängigen Srom). Die mahemaischen Vorassezngen zr Behandlng von Nezwerken im Zeibereich sind also Kennnisse von Differenialgleichngen nd Mehoden zr Lösng derselben. Die folgenden Kapiel sind beschränk af in- nd Asschalvorgänge an - oder L-Nezwerken, bei denen die Lösngsfnkionen der DGL s von der gleichen Srkr sind (xponenialfnkionen). Als einführendes Beispiel wird der Afladevorgang eines Kondensaors nersch. Figr A- 1 zeig das -Nezwerk nd die angelege Spannng 1 (). Zm Zeipnk = wird der Schaler S geschlossen; d.h. für = gil 2 () = 1 (). Der Kondensaor is ngeladen ( (<)=). S i() 2 () 1 () = U 2 () () U = Figr A- 1: Afladen eines Kondensaors: Schaler S wird zm Zeipnk = geschlossen Wie sehen die zeilichen Verläfe von Kondensaorspannng () nd Srom i() as? Mi dem Maschensaz ergib sich (nach dem Schliessen des Schalers): () + i() + () = 2 mi 2 () = U nd i d () () = = & () erhäl man: d & () + () = U, () = (1) Gleichng (1) is die z Figr A- 1 zgehörige Differenialgleichng; die Lösng der DGL beschreib dann den Verlaf der Kondensaorspannng (). 2 Qelle: Skrip Allgemeine lekroechnik, Version , Peer Niklas, FHNW Version 2. Seie 5 / 9

6 Sdiengang lekroechnik Grndlagenlabor / WK lassic Ohne weiere mahemaische Veriefng der DGL-Theorie wird jez die Lösng von (1) angegeben: / τ () = U e, mi τ = 1 c h (2) Drch insezen von (2) in (1) kann die Güligkei der Lösng verifizier werden. Gleichng (2) is der klassische Spannngsverlaf ( Ladekrve ) für die Afladng eines Kondensaors nd wird nn asführlich diskier. Das Prodk τ = bezeichne man als Zeikonsane der Schalng (siehe ach Figr A- 1). Figr A- 2 zeig den Spannngsverlaf am Kondensaor. U () 63% 86% 99% ( = ) = ( = +) = ( = 1 τ).63 U ( = 2 τ).86 U ( = 3 τ).95 U ( = 5 τ).99 U τ 2τ 3τ 4τ 5τ ( ) = U ( ) = U e 1 Figr A- 2: Afladen eines Kondensaors: Spannngsverlaf nd markane Were c / τ h, τ = Die Anfangsseigng der Krve (bei = ) kann mi dem Abragen der Zeikonsanen τ konsrier werden (siehe Figr). Markane Pnke sind z.b. 63% vom ndwer nach einer Zeikonsanen nd 99% vom ndwer nach fünf Zeikonsanen (Kondensaor is prakisch geladen). Die Gleichng (2) zsammen mi der Figr A- 2 sind von elemenarer Bedeng nd müssen jederzei abrfberei sein. Version 2. Seie 6 / 9

7 Sdiengang lekroechnik Grndlagenlabor / WK lassic U () Der Srom i() kann berechne werden mi i() = & (), oder i() = (siehe ach Figr A- 1). Für den Srom ergib sich dami (3). Figr A- 3 zeig den ypischen Sromverlaf. U i () e / = τ, mi τ = (3) U / i() i( = ) = i( = +) = U / i( = 1 τ).37 U / i( = 2 τ).14 U / 37% i( = 3 τ).5 U / 14% 1% τ 2τ 3τ 4τ 5τ i( = 5 τ).1 U / i( ) = Figr A- 3: Afladen eines Kondensaors: Sromverlaf nd markane Were Ach hier kann die Anfangsseigng der Krve (bei = +) mi dem Abragen der Zeikonsanen τ konsrier werden (siehe Figr). Markane Pnke sind z.b. 37% vom Anfangswer nach einer Zeikonsanen nd 1% vom Anfangswer nach fünf Zeikonsanen (Kondensaor is prakisch geladen, es fliess kein Srom mehr). Die Gleichng (3) zsammen mi der Figr A- 3 sind wiederm grndlegend nd wichig. Berache man den Spannngs- nd Sromverlaf am Kondensaor (Figr A- 2 nd Figr A- 3), so sind folgende Besonderheien feszhalen: - Die Spannng am Kondensaor spring nich! - Für = wirk der Kondensaor wie ein Krzschlss ( = ) - Für = fäll die ganze Spannng über dem Widersand ab, nd somi is i(=) = U / Version 2. Seie 7 / 9

8 Sdiengang lekroechnik Grndlagenlabor / WK lassic Als zweies Beispiel wird der nladevorgang eines Kondensaors nersch. in anfänglich geladener Kondensaor wird über einen Widersand enladen. Figr A- 4 zeig das -Nezwerk mi der Anfangsspannng U des Kondensaors. Zm Zeipnk = wird der Schaler S geschlossen; d.h. für = gil () = (). S i() () () mi ( < ) = U (anfänglich geladener Kondensaor) Figr A- 4: nladen eines Kondensaors: Schaler S wird zm Zeipnk = geschlossen Mi dem Maschensaz ergib sich (nach dem Schliessen des Schalers): () () = mi () = i() nd i d () () = = & () erhäl man (Zählpfeile beachen!): d () + & () =, () = U (4) Gleichng (4) is die z Figr A- 4 zgehörige Differenialgleichng; die Lösng der DGL beschreib dann den Verlaf der Kondensaorspannng (). Ach hier wird die Lösng von (4) angegeben (ohne Herleing): / τ () = U e, mi τ = (5) Drch insezen von (5) in (4) kann die Güligkei der Lösng verifizier werden. Gleichng (5) is der Spannngsverlaf für die nladng eines Kondensaors ( nladekrve ). Das Prodk τ = is wieder die Zeikonsane der Schalng (siehe ach Figr A- 4). Mi i () = () = () erhäl man für den Srom: U i () e / = τ, mi τ = (6) Version 2. Seie 8 / 9

9 Sdiengang lekroechnik Grndlagenlabor / WK lassic Spannngs- nd Sromverlaf für die Kondensaorenladng sind in folgenden beiden Figren dargesell. () i() U U / τ 2τ 3τ 4τ 5τ τ 2τ 3τ 4τ 5τ S wird geschlossen Figr A- 5: Kondensaorenladng: Spannngsverlaf S wird geschlossen Figr A- 6: Kondensaorenladng: Sromverlaf Vergleich man die Afladng mi der nladng des Kondensaors, so sind folgende Bemerkngen angebrach: - Der Sromverlaf is für beide Fälle idenisch (ichng ha geänder!) - Die Spannng am Kondensaor spring nich - Alle Lösngsfnkionen für Srom nd Spannng enhalen die xponenialfnkion Für ransienes Verhalen (in- nd Asschalvorgänge) in -Nezwerken (nd L-Nezwerken) is die xponenialfnkion von ässerser Wichigkei, da sie den Kern der Lösngsfnkionen für Srom nd Spannng bilde. Version 2. Seie 9 / 9