Wechselstrom- und Impulsverhalten von RCL-Schaltungen

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1 Fakultät für Technik Bereich Informationstechnik Wechselstrom- und Impulsverhalten von RCL-Schaltungen Name 1: Name 2: Name 3: Gruppe: Datum:

2 2 1 Allgemees Mittels passiven Komponenten (R, C, L) werden die Wechselstromeigenschaften dieser Bauelemente ezeln und Zusammenschaltung (z. B. RC - Glied) untersucht. Der gesamte Versuch ist relativ umfangreich und erfordert ee gute Vorbereitung. Meßmethoden sollten bekannt se und nicht erst während des Versuchs nachgeschlagen werden! 2 Theoretische Vorbereitung Beantworten Sie folgende Fragen schriftlicher Form und verwenden Sie dazu e Textverarbeitungssystem. Versuchen Sie, dass die Form Ihrer Ausarbeitung die wesentlichen Anforderungen ees technischen Berichts bzw. technischer Dokumentation erfüllt. Bei den letzten Versuchen haben Sie erste Erfahrungen mit dem Erstellen ees technischen Berichts gesammelt. Versuchen Sie diese Erfahrungen bei der Erstellung dieser Vorbereitung soweit wie möglich wieder zu nutzen und zu erweitern. Tipp: Nutzen Sie die Mechanismen Ihres Textverarbeitungssystems (Formatvorlagen usw.). Fragen zur Vorbereitung: Wie ist der zeitliche Zusammenhang zwischen Strom und Spannung bei eem ohmschen Widerstand, eem idealen Kondensator und eer idealen Spule? Leiten Sie aus den zeitlichen Zusammenhängen zwischen Strom und Spannung die Gleichungen für den Widerstandswert von R, C und L im Wechselstromkreis ab. Skizzieren Sie eem Diagramm den Wechselstromwiderstand ees Wirkwiderstandes, ees duktiven Bldwiderstandes und ees kapazitiven Bldwiderstandes über der Frequenz und erklären Sie das Verhalten der ezelnen Bauteile.

3 3 3 Versuchsdurchführung Jeder Laborplatz besteht aus eem digitalen Speicheroszilloskop, eem Labornetzteil, drei digitalen Vielfachmessgeräten (Multimeter), eem Funktionsgenerator, Prüfspitzen und Kabel sowie verschiedenen Bauteilen (Widerstände, Kondensatoren, usw.) kl. Steckbrett. 3.1 Verwendetet Geräte und Hilfsmittel Listen Sie bitte alle bei Ihren Versuchen verwendeten Geräte und Hilfsmittel der folgenden Tabelle auf. Tabelle 3.1: Liste der verwendeten Geräte Gerät Hersteller Typ Seriennummer Bemerkungen:

4 4 3.2 Wechselstromwiderstand Bestimmen Sie den Wechselstromwiderstand je ees Kondensators und eer Spule im Frequenzbereich 10 Hz 1 MHz. Messen Sie dies z.b. RC- bzw. RL-Schaltung und bestimmen Sie den Strom durch Messung der Spannung 'vor und hter' R gegen Masse. Verwenden Sie hierzu das Steckbrett und die Bauteile R = 10 k, C = 47 nf und L = 3 mh (ezelne Spule, nicht Dekade). Skizzieren Sie Ihren Messaufbau und tragen Sie jeweils den Bldwiderstand und die Phasenverschiebung über der Frequenz e Diagramm e. Diskutieren Sie Ihre Ergebnisse. Tipp: Bei diesem Versuch wird der Strom durch C und L direkt bestimmt. Ee direkte Bestimmung der Spannung über dem Widerstand ist nicht möglich, da die Messgeräte und der Funktionsgenerator nicht erdfrei sd. Durch ee vernünftige Wahl des Frequenzbereichs lässt sich die Anzahl der Messungen erheblich mimieren. Skizze der Versuchsanordnung: Herleitung der Formeln zur Berechnung der Bldwiderstände:

5 5 Messergebnisse und Berechnung des kapazitiven Bldwiderstandes: Tabelle 3.2: Bestimmung des kapazitiven Bldwiderstandes Frequenz Hz U e V U a V U V I μa X C Ohm Phasenverschiebung Grad Bemerkungen:

6 6 Diagramm des kapazitiven Bldwiderstandes: Diagramm der Phasenverschiebung beim kapazitiven Bldwiderstand:

7 7 Messergebnisse und Berechnung des duktiven Bldwiderstandes: Tabelle 3.3: Bestimmung des duktiven Bldwiderstandes Frequenz Hz U e V U a V U V I μa X L Ohm Phasenverschiebung Grad Bemerkungen:

8 8 Diagramm des duktiven Bldwiderstandes: Diagramm der Phasenverschiebung beim duktiven Bldwiderstand:

9 9 Auswertung: - Diskussion der Ergebnisse

10 RC-Glieder Tiefpass bei susförmiger Egangsspannung Bestimmen Sie die Frequenzabhängigkeit der Amplitude ees RC-Tiefpasses (R = 10 k, C = 47 nf) bei susförmiger Egangsspannung. Skizzieren Sie Ihren Messaufbau und tragen Sie die Dämpfung über der Frequenz e Diagramm e. Bestimmen Sie die theoretische 3-dB Grenzfrequenz fg und vergleichen Sie diese mit der gemessenen (aus dem Diagramm). Warum spricht man diesem Zusammenhang von eem Tiefpassfilter? Tipp: Durch ee vernünftige Wahl des Frequenzbereichs lässt sich die Anzahl der Messungen erheblich mimieren. Ebenso lassen sich durch ee günstige Wahl der Egangsspannung wichtige Dge, wie die 3-dB Grenzfrequenz, efacher bestimmen. Skizze der Versuchsanordnung: Herleitung der Formel für die Berechnung der Dämpfung: Berechnung der theoretischen 3-dB Grenzfrequenz:

11 11 Messergebnisse und Berechnung der Dämpfung: Tabelle 3.4: Frequenzabhängigkeit ees RC-Tiefpasses Frequenz Hz (vorgeben) U e V U a V (messen) Dämpfung db Bemerkungen: Diagramm der Dämpfung ees RC-Tiefpasses:

12 12 Auswertung: - Diskussion der Ergebnisse

13 Tiefpass und Hochpass bei rechteckförmiger Egangsspannung Bauen Sie mit den Bauteilen aus een Tiefpass und een Hochpass auf und beaufschlagen Sie diese mit Rechtecksignalen der Frequenzen fg/5, fg und 5*fg. Diskutieren Sie das Verhalten des Tiefpasses und Hochpasses. Wann spricht man von eem Integrierglied und wann von eem Differenzierglied und stellen Sie beiden Fällen die Verbdung zur Mathematik dar? Überprüfen Sie das Integrierglied und das Differenzglied anhand weiterer Egangssignale. Skizzen der Versuchsanordnungen für den Tief- und Hochpass: Formel für die Ladespannung am RC-Tiefpass auf een Spannungssprung am Egang:

14 14 Oszillogramme des RC-Tiefpass: RC-Tiefpass bei fg/5 RC-Tiefpass bei fg RC-Tiefpass bei 5*fg Abbildung 3.1: RC-Tiefpass mit rechteckförmiger Egangsspannung. CH1 = U e, CH2 = U a

15 15 Oszillogramme des RC-Hochpass: RC-Hochpass bei fg/5 RC-Hochpass bei fg RC-Hochpass bei 5*fg Abbildung 3.2: RC-Hochpass mit rechteckförmiger Egangsspannung. CH1 = U e, CH2 = U a

16 16 Auswertung: - Diskussion der Ergebnisse