Fakultät für Physik Prof. Dr. M. Weber, Dr. K. Rabbertz B. An, B. Oldenburg, T. Schuh, B. Siebenborn

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1 Fakultät für Physik Prof. Dr. M. Weber, Dr. K. Rabbertz B. An, B. Oldenburg, T. Schuh, B. Siebenborn 21. November 2016 Übung Nr. A2 Inhaltsverzeichnis 2.1 Diodenkennlinien Vollweggleichrichtung (S) Spannungsquelle mit Zener-Diode (S) Spannungsvervielfacher Spannungsstabilisiertes Netzgerät Diodenkennlinien Diodenkennlinien werden mit Hilfe der Schaltung nach Abb. 1 dargestellt. Als Wechselspannungsquelle dient der Funktionsgenerator im Dreiecksbetrieb. Der Transformator ergibt die nötige Potentialfreiheit. Arbeiten Sie bei niedrigen Frequenzen (unter 100 Hz), da der Transformator sonst das Signal so verformt, daÿ die Kennlinien nur schwer zu erkennen sind. Achtung! Beginnen Sie mit kleinen Amplituden und erhöhen Sie nur langsam, sonst riskieren Sie, das Bauteil zu zerstören. Der Strommeÿwiderstand R i muÿ ausreichend groÿ (z.b. 100 Ω) gewählt werden. Teil 1: Zunächst wird die Gleichspannungsquelle in Abb. 1 durch einen Kurzschluÿ ersetzt. Beobachten Sie zuerst die kompletten charakteristischen Kennlinien dieser Dioden 1 : eine Si-Allzweckdiode (z.b. 1N4148) eine Si-Schottky-Diode (z.b. 1N5818) eine Ge-Allzweckdiode (z.b. OA95) 1 Die Allzweckdiode und die Zener-Diode nden Sie auf dem Komponentenbrett, die anderen beiden können Sie dem Bauteilekasten entnehmen und in die Leerhalterung einsetzen. Z=50Ω 1:2 D u (t) x R i u y(t) Abbildung 1: Schaltung zur Darstellung der Strom-Spannungs-Charakteristik einer Diode D Z

2 Praktikum zur Vorlesung Einführung in die Elektronik 2 An die Übersicht über die charakteristischen Kennlinien dieser Dioden müssen sich einige Detailmessungen anschlieÿen: Aus der inversen Steigung der Durchlaÿkennlinie in einem Arbeitspunkt A, d.h. dem dynamischen Widerstand r bei einem Strom I A (z.b. I A = 30 ma bei der Si-Diode 1N4148) erhält man über Gl. 2 die Temperaturspannung U T und weiter mit Gl. 1 den Wert von I S für diese Diode. ( ) I = I S e U U T 1 (1) r U T I A (2) Eventuell ist hier bereits die Kurvensteigung zu steil, um sie präzise messen zu können. Der relevante Kurvenbereich kann vergröÿert dargestellt werden, indem die Gleichspannungsquelle wie in Abb. 1 hinzugefügt wird. Nun wird am Netzgerät der ungefähre Arbeitspunkt eingestellt und mit Hilfe der Wechselspannungsquelle nur ein Bereich von etwa ±5 ma um A dynamisch durchlaufen. Am Oszilloskop wird bei gleichspannungsentkoppeltem x-eingang (Eingangsschalter auf AC) eine Gerade dargestellt, deren Steigung problemlos meÿbar ist. (Die Gleichspannungsentkopplung, d.h. ein eingefügter Kondensator, bewirkt eine geringe Phasenverschiebung, die sich dadurch äuÿert, daÿ die Gerade zu einer schmalen Ellipse wird.) Allerdings kann so natürlich nicht der Absolutwert der für Gl. 1 benötigten Spannung U gemessen werden. Diese Messung muÿ vorher im DC-Betrieb gemacht werden. Teil 2: Untersucht wird eine Si-Zener-Diode (z.b. ZD6.8). Zeichnen Sie zuerst die komplette charakteristische Kennlinie dieser Diode. Anschlieÿend untersuchen Sie die Zener-Impedanz genauer: Die inverse Steigung der Kennlinie der Zener-Diode im Zener-Gebiet bei einem Strom I A ergibt die Zener-Impedanz r Z. Diese Steigung ist aber so groÿ, daÿ die Ablesung am Oszilloskop Schwierigkeiten macht. Daher wird der Arbeitspunkt A (I A = 30 ma) wie oben beschrieben mit einer zusätzlichen Gleichspannungsquelle eingestellt. Beachten Sie, daÿ man jetzt natürlich eine negative Spannung braucht, um den gewünschten Arbeitspunkt einzustellen. 2.2 Vollweggleichrichtung (S) Die Schaltung nach Abb. 2a) wird mit einem Sinus-Signal von 100 Hz und ca. 5 V Amplitude, dem umgekehrten Transformator, vier Si-Allzweckdioden 2 und einem Ladekondensator C = 10 µf aufgebaut. Teil 1: Die Gleichspannung U 0 am unbelasteten Ausgang ( = 100 kω) wird mit dem Scheitelwert der Wechselspannung verglichen. Teil 2: Dann werden mit einem Lastwiderstand ( = 2.2 kω) die Brummspannung u SS und die mittlere Ausgangsspannung gemessen. Teil 3: Aus U 0, und ergibt sich die Ausgangsimpedanz = U/ I: = (U 0 ) (3) Teil 4: Finden Sie die Näherungsformeln 4 und 5 bestätigt? u SS = = 2fC 1 4fC (4) (5) 2 Die Dioden sind in einer integrierten Grätz-Gleichrichterschaltung (A0503) enthalten. Falls sich keine auf Ihrem Komponentenbrett bendet, können Sie einen vorhandenen IC gegen eine Grätz-Schaltung aus dem Bauteilekasten austauschen.

3 Praktikum zur Vorlesung Einführung in die Elektronik 3 D 1 D 3 u e C U0 D2 D4 Abbildung 2: a) Grätz-Schaltung zur Vollweggleichrichtung, b) Gleichstromersatzschaltung R U U Z Abbildung 3: a) Stabilisierte Gleichspannungserzeugung, b) Gleichstromersatzschaltung 2.3 Spannungsquelle mit Zener-Diode (S) Die Schaltung nach Abb. 3a) wird mit U = 10 V und 20 V und R = 220 Ω aufgebaut. Teil 1: Schätzen Sie aus der Änderung der Leerlaufspannung U Z bei Änderung der Betriebsspannung von 10 V nach 20 V unter Verwendung der Näherung 6 die Zener-Impedanz r b. Der Eingangsschalter des Oszilloskops steht dabei auf DC. r Z U Z U R bei U Z U (6) Teil 2: Bestimmen Sie r Z dynamisch wie folgt: Kleine Änderungen von U Z bei unterschiedlicher Belastung werden mit der Variation des Lastwiderstands (1 kω, 330 Ω) über den 100 Hz-Schalter S erreicht. Dieses Doppelrelais wird durch den Funktionsgenerator (f < 100 Hz, U = 12 V) angesteuert. Die Amplitude U Z der resultierenden Rechtecke kann am Oszilloskop (Eingangsschalter auf AC) gemessen werden. Wie beim Experimentiervorschlag 3.3 ergibt sich daraus die Ausgangsimpedanz, hier die Zener-Impedanz r Z. Unterschiedliche Ergebnisse der nach verschiedenen Methoden bestimmten r Z -Werte sind hauptsächlich durch die Nichtlinearität der Zener-Kennlinie bedingt. 2.4 Spannungsvervielfacher Die Schaltung nach Abb. 4a) wird mit der Maximalspannung des Funktionsgenerators ( f > 100 Hz), vier Si-Allzweckdioden und C 1 = 10 µf, C 2 = 1 µf aufgebaut.

4 Praktikum zur Vorlesung Einführung in die Elektronik 4 C2 C2 D1 D 2 D 3 D 4 4U 0 C1 C1 Abbildung 4: a) Spannungsvervielfacher, b) Gleichstromersatzschaltung Ia 2N2219 T Ua 230V 14V ~ ~ D 1 D 3 A n D2 D4 220µ 1.5k Z 6.8 1k 1k S Abbildung 5: Spannungsstabilisiertes Netzgerät Teil 1: Bestimmen Sie die mittlere Ausgangsspannung und die Brummspannung u SS in Abhängigkeit von der Belastung ( =, 1 MΩ, 470 kω und 220 kω) oszilloskopisch. Bei der Messung von steht der Oszilloskop-Eingangsschalter auf DC (Eingangswiderstand R e typisch 1 MΩ), bei der Messung von u SS auf AC (R e = ). Die zusätzliche Belastung der Kaskade durch R e soll durch Verwendung eines 10:1-Tastkopfes (frequenzkompensierter Spannungsteiler, R e typisch 10 MΩ) verringert werden. Teil 2: Ermitteln sie die Ausgangsimpedanz gemäÿ Gl. 3 und vergleichen sie mit Gl. 8. Ebenso u SS mit Gl. 7: u SS = 3 fc 1 (7) = 1 f ( 3 C 1 5 C 2 ) (8) 2.5 Spannungsstabilisiertes Netzgerät Im Vorgri auf weitere Transistorversuche in der nächsten Übung kann schon hier eine Schaltung mit Emitterfolger untersucht werden. Das spannungsstabilisierte Netzgerät gemäÿ Abb. 5 besteht aus einem Netztransformator im Steckernetzteilgehäuse und einem nachgeschalteten Brückengleichrichter mit Puerkondensator. Die nachfolgende Spannungsstabilisierung enthält den Emitterfolger T, dessen Basisspannung mit Hilfe einer Zener-Diode konstant gehalten wird. Im Stabilisierungsbereich beträgt die Ausgangsimpedanz der Schaltung nach Gln. 9 und 10 etwa U T /. Dabei kann die Temperaturspannung U T 25mV eingesetzt werden.

5 Praktikum zur Vorlesung Einführung in die Elektronik 5 Bestimmen Sie unter Verwendung der in Abb. 5 dargestellten Lastwiderstände. Dazu wird Teil 1: mit einem Relais, das periodisch den zweiten Lastwiderstand zuschaltet eine Schwankung der Ausgangsspannung verursacht, die dann mit dem Oszilloskop im AC-Betrieb gemessen werden kann. Das Relais kann entweder mit dem Frequenzgenerator, oder direkt am Steckernetzteil betrieben werden. Die Schaltfrequenz muÿ dabei wegen der mechanischen Trägheit des Schalters unter 100 Hz liegen. Vergleichen Sie den Wert der Ausgangsimpedanz mit dem erwarteten Ergebnis. Aus = folgt /6 ma. Teil 2: Bestimmen Sie die Strom-Spannungs-Charakteristik ( ) der Schaltung durch Messen von ( ) für Lastwiderstände bis hinab zu 22 Ω. Der Transistor wird dabei sehr schnell heiÿ. Vermeiden Sie daher längere Belastungsdauern und überwachen Sie die Transistortemperatur ständig. = r B r Z β 1 R E r c r B r Z β r B U T I B r B β = U T β (10) (9)