Protokollbuch. Friedrich-Schiller-Universität Jena. Physikalisch-Astronomische Fakultät SS Messtechnikpraktikum
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1 Friedrich-Schiller-Universität Jena Physikalisch-Astronomische Fakultät SS 2008 Protokollbuch Messtechnikpraktikum Erstellt von: Christian Vetter (89114) Helena Kämmer (92376) Betreuer: A. Steppke Erstellt am: 19. April 2008 letzte Änderung: 20. Juni 2008
2 2 Spektrumanalyse 10. Juni 2008 I. Aufgabenstellung - aufbauen der unten abgebildeten Schaltungen - aufnahme der zeitlichen Abhängigkeit für eine sinusförmige Eingangsspannung mit U E (f = 50Hz) 1V - berechnen des entsprechenden Fourierspektrums Aufgabe 1: Einweggleichrichtung mit Diode Aufgabe 2: Einweggleichrichtung mit anschlieÿender Glättung Aufgabe 3: Zweiweggleichrichtung
3 3 II. Messwerte Bemerkungen: Aufbau Komponenten Datei Sinussignal tek0001.csv Einweggleichrichtung R = 9, 89kΩ tek0000.csv Einweggleichrichtung mit Glättung R = 9, 89kΩ & C = 4, 175µF tek0002.csv Einweggleichrichtung mit Glättung R = 9, 89kΩ & C = 41, 1µF tek0003.csv Zweiweggleichrichtung R = 276, 1kΩ tek0004.csv Zweiweggleichrichtung R = 9, 89kΩ tek0005.csv Vergleichssignal (Sinus): Aufgabe 1 (Einweggleichrichter ohne Glättung):
4 4 Aufgabe 2 (Einweggleichrichter mit Glättung): Für C = 4, 175µF Für C = 41, 1µF
5 5 Aufgabe 3 (Zweiweggleichrichter): Für R = 276, 1kΩ Für R = 9, 89kΩ
6 6 III. Auswertung Vergleichssignal: Die Fouriertransformation des reinen Sinussignals ergab folgenden Verlauf: Wie erwartet ergibt sich nur ein einziges, steiles Maximum bei f = 50Hz. Der Gleichspannungsanteil beträgt lediglich A = 179mV Aufgabe 1 (Einweggleichrichter ohne Glättung): Bei dieser Schaltung ist eine deutliche Abweichung vom Sinussignal zu erkennen. Das Hauptmaximum ist wesentlich kleiner. Zudem sind mit der Frequenz abnehmende Nebenmaxima (höhere Harmonische) bei f = 100Hz und f = 200Hz zu erkennen. Der Gleichspannungsanteil beträgt hier A = 350mV
7 7 Aufgabe 2 (Einweggleichrichter mit Glättung): Für C = 4, 175µF Für C = 41, 1µF Wie zu erwarten ist nach einer Glättung im Fourierspektrum kaum noch ein Peak erkennbar. Bereits im Spannungs-Zeit-Diagramm (siehe Messwerte) konnte man erkennen, das die Glättung mit C = 41, 1µF deutlich besser ausfällt. Im Frequenzspektrum lässt sich dies durch einen gröÿeren Gleichspannungsanteil und geringere Amplitude bei den höheren Harmonischen beobachten. Während man bei C = 4, 175µF die Frequenzen f = 50Hz und f = 100Hz noch deutlich erkennen kann sind diese bei C = 41, 1µF nahezu nicht mehr vorhanden. Die Gleichspannungsanteile betragen hier A = 970mV für C = 4, 175µF und A = 1050mV für C = 41, 1µF.
8 8 Aufgabe 3 (Zweiweggleichrichter): Für R = 276, 1kΩ Für R = 9, 89kΩ Leider konnten wir bei der Doppelwellengleichrichtung nicht ganz das erwartete Ergebnis erzielen. Zwar ist das Hauptmaximum bei f = 100Hz deutlich erkennbar, dafür aber die erwarteten höheren Harmonischen bei f = 200Hz und f = 300Hz nicht. (Bei R = 9, 89kΩ lieÿe sich ein Peak bei f = 300Hz erahnen.) Eine erstaunliche Beobachtung konnte beim Gleichspannungsanteil gemacht werden. Dieser beträgt für R = 9, 89kΩ, A = 450mV und für R = 276, 1kΩ, A = 640mV.
9 9 Abschlieÿende Betrachtungen: Übersicht über Gleichspannungsanteile: A [mv] Aufbau 179 Sinussignal 350 Einweggleichrichter ohne Glättung 450 Zweiweggleichrichter mit R = 9, 89kΩ 640 Zweiweggleichrichter mit R = 276, 1kΩ 970 Einweggleichrichter mit C = 4, 175µF 1050 Einweggleichrichter mit C = 41, 1µF Anhand der aufgenommenen Messwerte und der ermittelten Fourierspektren lässt sich nun eine eektive Aussage über die Verwendbarkeit der betrachteten Schaltungen als Gleichrichter machen. In der gezeigten Tabelle wird zunächst deutlich, das ein Zweiweggleichrichter einem Einweggleichrichter im einfachen Fall zu bevorzugen ist. Sein Gleichspannungsanteil ist bereits bei R = 9, 89kΩ um 33% gröÿer als der des Einweggleichrichters. Eine weitere Beobachtung die gemacht werden konnte ist, dass die Gleichrichtung mit steigendem Lastwiderstand beim Zweiweggleichrichter weiter zunimmt. So ist der Gleichspannungsanteil von R = 276, 1kΩ um 42% gröÿer als bei R = 9, 89kΩ. Letztendlich führt aber nur eine Glättung zu einem vertretbaren Wert des Anteils der Gleichspannung. Auch hierbei ist zu beachten, das ein gröÿerer Kondensator einen bessere Gleichrichtung ausmacht. Der Einweggleichrichter mit Glättung (C = 41, 1µF ) weist gegenüber dem Einweggleichrichter ohne Glättung einen um 300% höheren Gleichspannungsanteil auf.
10 10 Zusatzaufgabe (Beobachtungen mit dem Spectrumanalyser) Sinussignal Im Gegensatz zur Messung mit Digitaloszilloskop und Fouriertransformation mit Origin war der Spektralanalysator dazu in der Lage Nebenmaxima im Spektrum des Frequenzgenerators aufzuzeigen. Dabei ist jedoch auf die logarithmische Skalierung zu achten. Rechteckspannung Für das Rechteck erwartet man eine Überlagerung unendlich vieler Sinussignale mit ungeradzahligen Vielfachen der Grundfrequenz und sinkender Amplitude. Genau das zeigt auch die Beobachtung mit Spektralanalysator. Weiterhin sind kleinere Zwischenpeaks bei geradzahligen Vielfachen zu erkennen.
11 11 Dreieckspannung Für das Dreieck erwartet man eine Überlagerung von Sinussignale mit geradzahligen Vielfachen der Grundfrequenz und sinkender Amplitude. Auch hier zeigt der Analysator das erwartete Verhalten. Eine weitere, sehr schöne Beobachtung die hier gemacht werden kann ist der doch recht hoch ausfallende 50Hz - Peak der vermutlich durch die umgebenden Geräte erzeugt wird.
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