Praktikum Grundlagen der Elektrotechnik 2 (GET2) Versuch 2

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1 Werner-v.-Siemens-Labor für elektrische Antriebssysteme Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. H. Biechl Praktikum Grundlagen der Elektrotechnik 2 (GET2) Versuch 2 Messungen mit dem Oszilloskop Lernziel: Dieser Praktikumsversuch dient dazu, Messungen mit dem Oszilloskop durchzuführen. Dabei sollen vor allem der Funktionsgenerator, das Oszilloskop sowie das elektrische Verhalten von Diode, Widerstand, Spule, Kondensator und ihre Kombination näher betrachtet werden. Version 2.1 Fakultät Elektrotechnik Seite 1 / 16

2 Versuche: Einstellen und Messen verschiedener Wechselspannungen Untersuchung und Messen der Einweggleichrichterschaltung Frequenzgänge einer RC- Schaltung sowie einer RL-Schaltung Die mit Info gekennzeichneten Abschnitte beinhalten zusätzliche, über die Vorlesung hinausgehende Informationen. Stückliste: Geräte: Oszilloskop Fabr. Keysight mit Funktionsgenerator Werkzeuge: Lötkolben Werkzeugkiste Löten Leitungen und Zubehör: 2x BNC / Stecker Leitung 2 x Hirschmann - Klemmen rot 2 x Hirschmann - Klemmen schwarz 1x BNC / BNC Leitung 1 x BNC-T-Stück Lötbrett Bauteile: Widerstand 10kΩ; 1kΩ ; 100Ω Diode 1N4004 Kapazität 22nF Induktivität 1mH Version 3.1 Fakultät Elektrotechnik Seite 2 / 16

3 1. Versuchsvorbereitung Nacharbeiten des Vorlesungsstoffes Durcharbeiten der Praktikumsunterlagen 2. Versuche 2.1 Einstellen von Wechselspannungen Oszilloskop Funktionsgenerator BNC- Leitung 05) 10) Bild 2.1. Aufbau der Schaltung Einstellungen am Funktionsgenerator Die verschiedenen Einstellmöglichkeiten am Funktionsgenerator sind in Abschnitt 3 enthalten Einstellungen am Oszilloskop Triggerung: Die Triggerung ist bei SOURCE auf CH1 und bei MODE auf Auto einzustellen. Die verschiedenen Einstellmöglichkeiten am Oszilloskop sind Abschnitt 3 zu entnehmen. Version 3.1 Fakultät Elektrotechnik Seite 3 / 16

4 2.1.3 Versuchsdurchführung Man stelle die folgenden Spannungsverläufe ein und gebe die jeweiligen Ablenkungskoeffizienten (K t für Zeitablenkung bzw. K Y für Spannungsablenkung) an: Die Spannungsverläufe sind in Arbeitsblatt 01 einzutragen und die jeweiligen Ablenkungskoeffizienten anzugeben. Es sind immer zwei Perioden darzustellen Sinusförmige Spannung, U = 1,0V, f = 10kHz Rechteckspannung, U SS = 1,5V, f = 20kHz Dreieckspannung, U = 1,0V, T = 2ms Man lasse sich von einem Kommilitonen eine Wechselspannung vorgeben und ermittle die Frequenz dieser Spannung. Version 3.1 Fakultät Elektrotechnik Seite 4 / 16

5 ARBEITSBLATT 01 Wechselspannungen einstellen Sinus-Spannung Ablenkungskoeffizienten: K t : / DIV K Y : VOLT / DIV Rechteck-Spannung Ablenkungskoeffizienten: K t : / DIV K Y : VOLT / DIV Dreieck-Spannung Ablenkungskoeffizienten: K t : / DIV K Y : VOLT / DIV Version 3.1 Fakultät Elektrotechnik Seite 5 / 16

6 2.2 Einweg-Gleichrichter-Schaltung Man baue mit Hilfe eines Lötbrettes die Einweg-Gleichrichter-Schaltung nach Bild 2.2 auf. Mit Kanal 1 wird die Eingangsspannung und mit Kanal 2 die Spannung über dem Lastwiderstand oszilloskopiert. G u 1(t) 1N4004 A K R LAST = 10kΩ u 2(t) CH 1 CH 2 Oszilloskop Achten Sie unbedingt auf richtige Anschlüsse! [ GND niemals mit CH1 oder CH2 verbinden(*) ] GND Funktionsgenerator 05) Lötbrett 10), 11) (*,schwarzer Anschluß) Bild 2.2. Einweg-Gleichrichter-Schaltung Info: Kennzeichnung von Dioden: A Kathodenseite K Bei der im Praktikum verwendeten Diode wird die Kathode durch einen Farbring gekennzeichnet. Info: Strom-Spannungsverhalten von Dioden (genauere Informationen in den Vorlesungen Werkstoffkunde und Elektronische Bauelemente ): Die Strom-/ Spannungskennlinie der Diode ist stark nichtlinear; sie wird näherungsweise durch folgende analytische Funktionen beschrieben I : Sperrstrom( Bauelementspezifisch) I D 0,7V Si U D U D N U I = I e T 1 bzw. U D D S ID = N UT ln + 1 I S S kb T UT = : Temperaturspannung 26mV 300K e 12 kb : Bolzmannkonstante : 1,38 10 VAs K T : absolute Temperatur des Bauteils Real 19 e : Elementarladung 1, As N : Emissionskoeffizient N N = 1 = ( ) ideal Versuchsdurchführung Man oszilloskopiere für die Eingangsspannungen Sinus, Rechteck und Dreieck mit jeweils U SS = 5V und f =1kHz die Verläufe u 1 (t) und u 2 (t) Worin liegen die prinzipiellen Unterschiede zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung? Was fällt bei U 2 (max. Spannung am Lastwiderstand) in Vergleich zu U 1 (max. Eingangsspannung) auf? Wodurch lässt sich dies erklären? Version 3.1 Fakultät Elektrotechnik Seite 6 / 16

7 ARBEITSBLATT 02 Einweg-Gleichrichter-Schaltung Sinus-Spannung Ablenkungskoeffizienten: K t : / DIV K Y : VOLT / DIV Rechteck-Spannung Ablenkungskoeffizienten: K t : / DIV K Y : VOLT / DIV Dreieck-Spannung Ablenkungskoeffizienten: K t : / DIV K Y : VOLT / DIV Version 3.1 Fakultät Elektrotechnik Seite 7 / 16

8 2.3 RC- Tiefpass Es ist die Schaltung nach bild 2.3, bestehend aus Widerstand und Kondensator, aufzubauen. Für die Eingangsspannung, die auf Kanal 1 gelegt wird, ist u 1 (t)=2,5v sin(2πƒ t) zu wählen. Die Ausgangsspannung u 2 (t) wird auf Kanal 2 geführt. R =1kΩ CH 1 G u 1(t) C = 22nF u 2(t) CH 2 GND Oszilloskop Funktionsgenerator Lötbrett Bild 2.3. RC-Tiefpass Amplituden- und Phasengang Der Amplituden- bzw. Phasengang des Spannungsverhältnisses des RC- Tiefpasses kann wie folgt berechnet werden: Amplitudengang U2 vu ( f ) = = U 1 1 ( π f R C ) 1+ 2 Phasengang ϕ( f ) = arctan( 2π f R C) Versuchsvorbereitung Tragen Sie in die Diagramme 04, 05 jeweils die Grenzfrequenz f = 1 g 2π RC ein Berechnen Sie analytisch die Kurvenverläufe v U (f) und ϕ(f) und tragen Sie diese in die Arbeitsblätter 04 / 05 ein Versuchsdurchführung Bestimmen Sie mit Hilfe des Oszilloskops für sinnvolle Frequenzen Werte für v U (f) und ϕ(f). Verwenden Sie hierzu das Arbeitsblatt 03. Tragen Sie anschließend die Kurvenverläufe in die Arbeitsblätter 04 und 05 ein Sind Abweichungen von der errechneten Kurve vorhanden und wie können diese erklärt werden? Version 3.1 Fakultät Elektrotechnik Seite 8 / 16

9 ARBEITSBLATT 03 Messwerttabelle RC- Tiefpass f [Hz] U 1 [V] U 2 [V] v U (f) δ in DIV / DIV ϕ [ ] Version 3.1 Fakultät Elektrotechnik Seite 9 / 16

10 ARBEITSBLATT 04: RC- Tiefpass Amplitudengang v U (f) Version 3.1 Fakultät Elektrotechnik Seite 10 / 16

11 ARBEITSBLATT 05: RC- Tiefpass Phasengang ϕ(f) Version 3.1 Fakultät Elektrotechnik Seite 11 / 16

12 2.4 Versuch 4: RL- Hochpass Es ist die Schaltung nach Bild 2.4.1, bestehend aus Widerstand und Induktivität, aufzubauen. Für die Eingangsspannung, die auf Kanal 1 gelegt wird, ist u 1 (t)=2,5v sin(2πƒ t) zu wählen. Die Ausgangsspannung u 2 (t) wird auf Kanal 2 geführt. R =100Ω CH 1 G u 1(t) L = 1mH u 2(t) CH 2 GND Oszilloskop Funktionsgenerator Lötbrett Bild 2.4. RL-Hochpass Amplituden- und Phasengang Der Amplituden- bzw. Phasengang des RL-Tiefpasses kann wie folgt berechnet werden: Amplitudengang vu ( f ) = 1+ 1 R ( ) 2 2π f L Phasengang ϕ( f ) = arctan R ( 2π f L ) Versuchsdurchführung Tragen Sie in die Diagramme 07, 08 jeweils die Grenzfrequenz f R g = ein. 2π L Berechnen Sie analytisch die Kurvenverläufe v U (f) und ϕ(f) und tragen Sie diese in die Arbeitsblätter 07 / 08 ein Versuchsdurchführung Bestimmen Sie mit Hilfe des Oszilloskops für sinnvolle Frequenzen Werte für v U (f) und ϕ(f). Verwenden Sie hierzu das Arbeitsblatt 06. Tragen Sie anschließend die Kurvenverläufe in die Arbeitsblätter 07 und 08 ein. Version 3.1 Fakultät Elektrotechnik Seite 12 / 16

13 ARBEITSBLATT 06 Messwerttabelle RL- Hochpass f [Hz] U 1 [V] U 2 [V] v U (f) δ in DIV / DIV ϕ [ ] Version 3.1 Fakultät Elektrotechnik Seite 13 / 16

14 ARBEITSBLATT 07: RL- Hochpass Amplitudengang v U (f) des Spannungsverhältnisses Version 3.1 Fakultät Elektrotechnik Seite 14 / 16

15 ARBEITSBLATT 08: RL- Hochpass Phasengang ϕ(f) des Spannungsverhältnisses Version 3.1 Fakultät Elektrotechnik Seite 15 / 16

16 3. Anhang Die Bedienungsanleitung finden Sie als PDF-Datei im Netz! Version 3.1 Fakultät Elektrotechnik Seite 16 / 16