Versuch 3 aktive Bauelemente (2)

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1 PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2008/2009 VERSUCH 3 1 Versuch 3 aktive Bauelemente (2) 1. Das statische Verhalten des Feldeffekttransistors Wir untersuchen den FET als Leistungsschalter in Source- und Drainschaltung (Abb. 1.1 bis 1.3). Hierzu verwenden wir den N-Kanal-Typ IRF620. Abb. 1.1 Leistungs-FET in Gehäuse TO-220. Anschlußbild Versuchsdurchführung (für beide Schaltungen): 1. Alle Spannungsregler der Labornetzgeräte auf Null (linker Anschlag). Stets vorsichtig betätigen! 2. Betriebsspannung U B auf 10 V. 3. Steuerspannung langsam (!) hochdrehen. Instrumente beobachten! Zu untersuchen: a) Von welcher Gatespannung U GS an bewegt sich die Ausgangsspannung U DS? b) Wie hängt der Durchlaßwiderstand R DSon von der Gatespannung U GS ab?

2 PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2008/2009 VERSUCH 3 2 Hinweis: R DSon = U I DS A Abb. 1.2 Der Leistungs-FET in Sourceschaltung (High Side Drive) Abb. 1.3 Ein n-kanal-fet in Drainschaltung (Low Side Drive) 2. Low Side Drive Low Side Drive mit npn- oder n-kanal-transistoren erfordert eine gegenüber der Betriebsspannung überhöhte Steuerspannung. Die Alternative: pnp- oder p-kanal-transistoren (Abb. 2.1), die gleichsam

3 PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2008/2009 VERSUCH 3 3 verkehrt herum angeschlossen werden (Emitter bzw. Source an Betriebsspannung). Wir verwenden den P-Kanal-FET IRF9620 (gleich Daten wie IRF620, nur anders herum gepolt). Versuchsdurchführung: 1. Alle Spannungsregler der Labornetzgeräte auf Null (linker Anschlag). Stets vorsichtig betätigen! 2. Betriebsspannung U B auf 10 V. 3. Steuerspannung langsam (!) hochdrehen. Instrumente beobachten! Zu untersuchen: a) Welche Ausgangsspannung U A ergibt sich bei Steuerspannung U S = 0 V? b) Steuerspannung U S erhöhen. Wann beginnt sich am Ausgang etwas zu tun (nennenswerte Änderung der Ausgangsspannung U A )? c) Steuerspannung U S weiter erhöhen. Wann hat die Ausgangsspannung den anderen Endwert erreicht? Abb. 2.1 Low Side Drive mit p-kanal-fet. Achtung: Source ist oben! 3. Die induktive Last Es ist ein Relais anzusteuern, und zwar zunächst mit einem n-kanal-fet (Abb. 3.1) und anschließend mit einem p-kanal-fet (Abb. 3.2). Versuchsdurchführung: 1. Betriebsspannung U B auf 15 V. 2. Zunächst keine Freilaufdiode. 3. Steuerspannung auf 15 V SS gegen Masse. Rechteckimpulse. Frequenz zunächst Hz.

4 PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2008/2009 VERSUCH 3 4 Zu untersuchen (in beiden Schaltungen): a) Verlauf der Ausgangsspannung. b) Verlauf des Ausgangsstroms. c) Verlauf der Gatespannung. d) Freilaufdiode einsetzen. Wie sehen jetzt Ausgangsspannung und Gatespannung aus? e) Frequenz soweit herunterdrehen, bis Relais hörbar schaltet (ggf. Betriebsspannung etwas höher). Wie sieht der Ausgangsstrom aus? Vor allem zu untersuchen: Der Verlauf des Ausgangsstroms mit und ohne Freilaufdiode. Hinweis: In der Anordnung gemäß Abb. 3.1 kann der Strom durch den Transistor beobachtet werden, in jener gemäß Abb. 3.2 der Strom durch die Last. Abschließender Demonstrationsversuch: Das Relais wird durch die Sekundärwicklung eines Netztransformators ersetzt. Welche Spannung ergibt sich an der Primärwicklung? Bis zu welcher Frequenz funktioniert das? VORSICHT, HOCHSPANNUNG! Abb. 3.1 Ansteuerung eines Relais mittels n-kanal-fet (High Side Drive)

5 PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2008/2009 VERSUCH 3 5 Abb. 3.2 Ansteuerung eines Relais mittels p-kanal-fet (Low Side Drive) 4. Der Operationsverstärker Mit einem Operationsverstärker des Typs LF 353 werden mehrere Grundschaltungen erprobt (Abbildungen 4.1 bis 4.8). Betriebsspannungen: +12 V, -12 V. Signalamplitude: max. ± 10 V. Abb. 4.1 LF 353 in 8poligem DIP-Gehäuse. Anschlußbelegung. Es wird nur einer der beiden Verstärker genutzt.

6 PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2008/2009 VERSUCH 3 6 Abb :1-Puffer (Impedanzwandler). Statische Erprobung Zu untersuchen: a) Zunächst ohne Belastung. Bereich der Eingangspannung von - 10 V nach + 10 V durchfahren und Ausgangsspannung beobachten. b) Verhalten unter Last (Widerstandsdekade). In welcher Größenordnung der Belastung bleibt die Ausgangsspannung konstant? Hinweis: Maximaler Ausgangsstrom = 45 ma (Datenblatt). ± Abb :1-Puffer (Impedanzwandler). Dynamische Erprobung.

7 PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2008/2009 VERSUCH 3 7 Zu untersuchen (betrifft die Abbildungen 4.3 bis 4.6): a) Ausgangsspannung bei Eingangsamplitude von ± 5 V und verschiedenen Signalformen (Sinus, Dreieck, Rechteck). Welche Verstärkung ergibt sich? Wir beginnen bei einigen hundert Hz. b) Signalfrequenz erhöhen. Wann ist die 3dB-Grenzfrequenz erreicht? (Mit Sinussignal ermitteln.) Wie sehen hier die anderen Ausgangsspannungsverläufe (Dreieck, Rechteck) aus? Abb. 4.4 Nichtinvertierender Verstärker. UA = R + R R1 1 2 U E R R U Abb. 4.5 Invertierender Verstärker. U A = 2 1 E

8 PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2008/2009 VERSUCH 3 8 Abb. 4.6 Subtrahierender Verstärker (Differenzverstärker). Mit R 1 = R 3 und R 2 = R 4 : U = R 2 ( R U 2 U 1) 1 A E E Abb. 4.7 Operationsverstärker als Komparator (mit Hysterese). Erprobung mit Sinus- und Dreiecksignalen.

9 PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2008/2009 VERSUCH 3 9 Abb. 4.8 Schmitt-Trigger als Rechteckgenerator Schaltspannung: U Periodendauer: t S = U A R1 R + R 1 3 R1 P = 2R3C ln( 1+ 2 ) R 2