INSTITUT FÜR MIKROELEKTRONIK JOHANNES KEPLER UNIVERSITÄT LINZ. Praktikum Elektrotechnik SS Protokoll. Übung 1 : Oszilloskop

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1 INSTITUT FÜR MIKROELEKTRONIK JOHANNES KEPLER UNIVERSITÄT LINZ Praktikum Elektrotechnik SS 2006 Protokoll Übung 1 : Oszilloskop Gruppe: Protokollführer / Protokollführerin: Unterschrift: Mitarbeiter / Mitarbeiterin: Unterschrift: Mitarbeiter / Mitarbeiterin: Unterschrift: Übungsdatum: Wochentag: abgegeben am: - 1 -

2 Übung 1 : Oszilloskop Ausmessung einer symmetrischen Recheckspannung Aufgabenstellung: Messschaltung: Messungen: Lissajous-Figuren Aufgabenstellung Geräte, Messaufbau, Messschaltung Vorgangsweise Messergebnisse Diskussion Laden und Entladen eines Kondensators Aufgabenstellung: Messaufbau: Messung: Auswertung der e-potenz: R, L und C im Wechselstromkreis Aufgabenstellung: Messaufbau: Messung am Widerstand: Messung am Kondensator: Messung an der Spule: Zeigerdiagramme: RL- und RC- Kombinationen Aufgabenstellung: Messaufbau: Messung der Serienschaltung: Messung der Parallelschaltung: Zeigerdiagramme RLC - Kombination Aufgabenstellung Geräte, Messaufbau, Messschaltung Vorgangsweise Messergebnisse Auswertung der Messergebnisse Diskussion Ausmessen einer unbekannten Kombination Aufgabenstellung Geräte, Messaufbau, Messschaltung Vorgangsweise Messergebnisse Diskussion

3 1. Ausmessung einer symmetrischen Recheckspannung 1.1. Aufgabenstellung: Messen Sie Amplitude Upp/2, Periodendauer, Anstiegszeit t rise und Abfallzeit t fall des Signals des Funktionsgenerators bei der maximal möglichen Frequenz und der maximal möglichen Amplitude der Rechteckspannung Messschaltung: Verbinden des Funktionsgenerators mit dem CH1 Eingang des Oszillokops und die Masse des Oszillokops mit der Masse des Funktionsgenerators. Die Spannungstyp muss auf die symmetrische Recheckspannung gestellt werden und die Amplitude auf das Maximum. Die grobe Frequenzeinstellung am Generator auf x2000 und die Feineinstellung der Frequenz auf das Maximum. Der Eingangswahlschalter am Oszilloskop muss die Stellung DC haben. 1.3 Messungen: - 3 -

4 U pp / 2 Manuelle Messung: U p1 = 10,4 V U p2 = - 9,4 V U pp = 19,8 V U pp /2 = 9,9 V Automatische Messung Bemerkung: - gemessen mit dem Cursor auf dem Spitzenwert - das Signal ist unsymmetrisch. Dies ist nur aus der manuellen Messung ersichtlich und nicht aus der automatischen Messung des Oszilloskops. U pp = 20,8 V U pp / 2 = 10,4 V Periodendauer manuell gemessenes zwischen den beiden Nulldurchgängen mittels Cursor: t (Cursor1) = 0,0 * 10-6 s t (Cursor2) = 23,0 * 10-6 s t = 23,0 * 10-6 s = daraus resultierende Frequenz f manuell = 43, Hz f Oszi = 43, Hz (automatische Messung durch Triggerfrequenz) - 4 -

5 Anstiegsdauer t rise Durch die manuelle Messung der 10 und 90 % Grenzen mittels Cursor: t (Cursor1) = -1,12 * 10-6 s t (Cursor2) = 0,8 * 10-6 s t = 1,92 * 10-6 s = t rise-manuell automatische Messung: diese schwankte immer zwischen 1,38 * 10-6 s und 1,51 * 10-6 s Abfallzeit t fall Durch die manuelle Messung der 90 und 10 % Grenzen mittels Cursor: t (Cursor1) = 10,24 * 10-6 s t (Cursor2) = 11,44 * 10-6 s t = 1,2 * 10-6 s = t fall-manuell automatische Messung: 1,13 * 10-6 s = t rise-oszi

6 2. Lissajous-Figuren 2.1. Aufgabenstellung Stellen Sie mit Hilfe einer Lissajous-Figur am Funktionsgenerator eine Sinusspannung mit der dreifachen Frequenz (f FG ) der am Übungsboard vorhandenen Drehstromversorgung (L1, f L1 50 Hz) ein. Messen Sie die eingestellte Frequenz im yt-betrieb Geräte, Messaufbau, Messschaltung Aufbau, Geräte : Digitalspeicheroszilloskop Tek - Tektronix TDS 1002 hps - Elektronic Board CH1 CH2 Schaltung, Einstellungen : 2.3. Vorgangsweise Aufbau, grobes Voreinstellen der ca. 3-fachen Frequenz von L1 (Lissajous Figur entsteht nur wenn f y / f x rational), wechseln in den xy-betrieb, Lissajous-Figur auspendeln, Messen der so entstandenen Frequenzen im yt-betrieb

7 2.4. Messergebnisse Frequenzen f FG, f L1 (im yt-betrieb) Meßung Oszilloskop : f L1 = 50,76 Hz f FG = 152,0 Hz f L1 / f FG = Meßung Cursor: t für f FG : t (Cursor1) = -1,400 ms t (Cursor2) = 5,200 ms t = 6,600 ms f FG = 1t = = 1 / 6, s = 151,5 Hz Bemerkung: Cursormessung bestätigt (trotz Abweichung) obiges Messergebnis Kontrolle mit Lissajous-Figur (Messung im xy-betrieb) stehendes Bild OK - 7 -

8 2.4. Diskussion Stehendes Bild ist mit dem Funktionsgenerator schwer Einzustellen, da die Frequenzen nicht auf einem stabilen Wert bleiben. (Schwankende Frequenzen des Funktionsgenerator) Frequenzmessung mit Cursor (Zeitdifferenz) weicht, aufgrund Auflösung der Cursorschrittweite, von der Oszilloskopinternen Triggerfrequenzmessung ab. In dieser Messung gelten die Werte aus der Oszilloskopinternen Messung

9 3. Laden und Entladen eines Kondensators 3.1. Aufgabenstellung: Nehmen Sie die Lade- und Entladekurve eines 0, F au fund berechnen Sie daruas den Kapazitätswert Messaufbau: Geräte: Oszilloskop: Tektronix TDS1002 (Seriennummer : ) hps Elektronic Board Am CH1 des Oszilloskop wird die Spannung am Kondensator gemessen und durch einen Shunt Widerstand, der in Serie zum Kondensator geschaltet wird, kann man den Strom durch den Kondensator messen. Zu beachten ist, dass durch den Aufbau der Schaltung der CH2 invertiert werden muss. Dies kann man an der Taste CH2 MENU am Oszilloskopen einstellen. Wichtig ist auch, dass man die beiden Massen am Oszilloskopen mit unterschiedlichen Potential belastet, da die Massen im Oszilloskop miteinander kurz geschlossen sind. Am Kondensator wird mittels des Funktionsgenerators 5 V eingestellt und eine Frequenz von 10 3 Hz

10 3.3. Messung: Verlauf von U und I Oben sieht man den Verlauf der Spannung am Kondensator. Die Hauptzeitbasis beträgt im gesamten Diagramm 250 * 10-6 s. Der Skalenfaktor der Spannung am Kondensator beträgt 2 V. Der untere Verlauf skizziert die Spannung die am Shuntwiderstand abfällt. Diese Spannung durch den Widerstand dividiert ergibt den Strom durch den Kondensator. Der Skalenfaktor dieser Skizze beträgt 5 V Auswertung der e-potenz: Die Zeitkonstante ergibt sich durch die Zeit, nachdem der Kondensator schon zu 63 % geladen ist. Da der Kondensator asymptotisch gegen 5 V geladen wird, befindet sich die 63 % - Grenze bei 3,15 V. Laut Messung mittels des Cursors, die jedoch auf Grund der

11 verschliffenen Kurve nicht ganz genau bestimmt werden konnte, beträgt die Zeitkonstante 60 * 10-6 s. Aus R = 100 lässt sich sofort C ausrechnen: = RC ( 3.1 ) C = 0,6 * 10-6 F Dies stimmt leider nicht wegen der Messungenauigkeit genau mit der Angabe am Kondensator überein. Zur genaueren Messung werden 2 Messpunkte ausgerechnet bei ein und zwei Drittel des Ladens gemacht, um durch die Formel ln t2 t1 Ut1 U Ut2 U ( 3.2 ) eine genauere Ermittelung der Kapazität zu erreichen. Folgende Messwerte wurden durch die Cursorfunktion am Oszilloskop ermittelt: 1,6 V = U ( 24 * 10-6 s ) 3,2 V = U ( 70 * 10-6 s ) Durch die oben angegeben Formel (3.2) für kommt man auf das Ergebnis: = 72,32 * 10-6 s Damit kommt man durch die Formel 3.1 und dem Widerstand von R = 100 auf den Kapazitätswert: C = 0.7 * 10-6 F Leider ist dieser Wert noch ungenauer als der vorherige Wert, was man eventuell auf ungenaues Messen am Oszilloskop zurückführen kann

12 4. R, L und C im Wechselstromkreis 4.1. Aufgabenstellung: Messen Sie Strom, Spannung und Phasenverschiebung für R = 680, L = 40 mh und C = 0.1 * 10-6 F bei einer Frequenz von 10 3 Hz, wobei anzumerken in dass die Induktivität im Übungsbrett integriert ist. Zeichnen Sie nun Zeigerdiagramme von Strom, Spannung, Impedanzen und Admittanzen und bestimmen Sie die Verlustfaktoren. Berechnen Sie zusätzlich die Blindwiderstände X l und X c und daraus zur Kontrolle C und L Messaufbau: Geräte: Oszilloskop: Tektronix TDS1002 (Seriennummer : ) hps Elektronic Board Gleich wie bei der Aufgabenstellung der vorherigen Nummer wird ein Shuntwiderstand (100 ) zum Strom messen in Serie des zu messenden Objekts geschaltet, dieser muss jedoch am Oszilloskop invertiert werden. Das Sinusförmige Eingangssignal kommt vom Funktionsgenerator, der zusätzlich auf 10 3 Hz eingestellt werden muss. Die Spannung wird zwischen dem Ein- und Ausgang des Messobjekt auf 5 V eingestellt und der Strom wird durch die Spannung am Shuntwiderstand gemessen. Nach jedem Messobjekt muss die Spannung an diesem nachjustiert werden. Als DUT wird hier jeweils der Widerstand, Kondensator oder die Spule verwendet. Zu beachten ist, dass die Spannung, die am Shuntwiderstand abfällt und damit der Strommessung dient, am CH 2 invertiert werden muss Messung am Widerstand:

13 CH1 Erde CH2 R = 680 Û R = 5 V (eingestellt) Û shunt = 0,75 V Î R = Û shunt / R (4.1) Î R = 7, A = 0 = Messung am Kondensator:

14 CH1 Erde CH2 C = 1 * 10-6 F Û C = 5 V (eingestellt) Û shunt = 3,28 V Î C = 32, A t nulldurchgänge = 232 * 10-6 s = t nulldurchgänge * 360 * f (4.2) Verlustfaktor C = / 2 Y (4.3) = = 6.48 An dieser Skizze sieht man genau die Phasenverschiebung um fast - 90 (genaue Messung erkennt man am nächsten Bild). Man erkennt, dass der Strom (Kurve mit der geringeren Amplitude) der Spannung voreilt. Ein idealer Kondensator hätte eine Phasenverschiebung um genau -90 ; da doch ein Kondensator immer ohm sche Verluste beinhaltet, ist die Phasenverschiebung nicht ganz genau 90, sondern meist etwas weniger. Zusätzlich ist zu beachten, dass die beiden Mittellinien, wie man oben bei der Messung sieht nicht ganz

15 übereinander liegen. Damit müsste die Phasenverschiebung ungefähr bei 80 liegen. Bei dem Zeigerdiagramm wird jedoch der Wert 83,52 verwendet Messung an der Spule: Bemerkung: das Delta zwischen den beiden Cursor bezieht sich noch auf die Messung mit dem Kondensator und nicht mit der Messung mit der Spule. Wie man hier an dieser Aufnahme erkennt, eilt der Strom (Schwingung mit der geringeren Amplitude) der Spannung nach. L = 40 * 10-3 H Û L = 5 V (eingestellt) Û shunt = 1,92 V Î L = 19, A t nulldurchgänge = 270 * 10-6 s = 97,2 Verlustfaktor L = / 2 Z (4.4) = 3 Einige der Ergebnisse wurden auf Grund der Messwerte mit Hilfe der Formeln 4.1, 4.2 und 4.4 berechnet. Bei der Berechnung des Verlustfaktors wurde wie unten weiter beschrieben der Wert = 87 verwendet. Interessanterweise ist die Phasenverschiebung bei der Messung an der Spule mehr als 90, was auch ein Foto der Messung bestätigt. Dies hat höchstwahrscheinlich einen Messfehl zu Grunde, da wie oben am Foto zu sehen, die Mittellinien nicht exakt übereinander liegen. Für das Zeigerdiagramm wird eine Phasenverschiebung von 87 verwendet, da eine Phasenverschiebung von mehr als 90 keinen Sinn ergibt, da es keinen negativen Widerstand gibt

16 4.6. Zeigerdiagramme:

17 Protokoll No. 1.doc

18 Protokoll No. 1.doc

19 5. RL- und RC- Kombinationen 5.1. Aufgabenstellung: Messen Sie Strom, Spannung und Phasenverschiebung folgender Kombinationen: Serienschaltung von R = 680 und L = 200 mh; Parallelschaltung von R = 680 und C = 0,47 * 10-6 F Zeichnen Sie maßstäbliche Zeigerdiagramme der Impedanz bzw. Admittanzen Messaufbau: Geräte: Oszilloskop: Tektronix TDS1002 (Seriennummer : ) hps Elektronic Board Als Shuntwiderstand zur Strommessung soll wieder ein ohm scher Widerstand mit R = 100 dienen, dieser muss jedoch am CH2 des Oszilloskops invertiert werden. Als DUT wird entweder die Parallelschaltung von R und C oder die Serienschaltung von R und L eingesetzt. Als Spannung am Messobjekt soll 5 V sein und die Frequenz ist 10 3 Hz. Dies ist am Funktionsgenerator einzustellen Messung der Serienschaltung: Û R+L = 5 V Û shunt = 0,36 V Î R+L = 3,6 * 10-3 A (berechnet laut der Formel 4.1) t nulldurchgänge = 196 * 10-6 s = (berechnet laut der Formel 4.2)

20 5.4. Messung der Parallelschaltung: CH1 CH2 Erde Û R C = 5 V Û shunt = 1,25 V Î R C = 1,25 * 10-3 A (berechnet laut der Formel 4.1) t nulldurchgänge = 170 * 10-6 s = (berechnet laut der Formel 4.2) Bei der induktiven Schaltung erhalten wir naturgemäß einen positiven Phasenwinkel, da in diesem Fall die Spannung dem Strom voreilt. Anders geschieht dies bei der Kapazitiven Schaltung, bei der die Spannung dem Strom nacheilt. Wichtig ist, dass man nach jeder Schaltung die Spannung, die am DUT abfallen soll, auf 5 V nachjustiert

21 5.5. Zeigerdiagramme

22 6. RLC - Kombination 6.1. Aufgabenstellung Messen Sie wie unter Punkt Strom, Spannung und Phasenwinkel der Parallelschaltung von R = 680, L = 40 mh und C = 1 µf und erstellen Sie das maßstäbliche Zeigerdiagramm für die Admittanz aus den gemessenen Werten Geräte, Messaufbau, Messschaltung Aufbau, Geräte : Digitalspeicheroszilloskop Tek - Tektronix TDS 1002 hps - Elektronic Board Schaltung, Einstellungen : (Aufbau analog Pkt. 4) siehe Schaltung unten CH Masse CH2 CH 2 muss invertiert sein! Spannung am Fkt. Generator U pp = 10 V R SHUNT = 100 f = 1 khz

23 6.3. Vorgangsweise Aufbau; Einstellen von U pp ; Invertieren von CH 2; Messen 6.4. Messergebnisse Amplitude, Phasenverschiebung Meßung Oszilloskop : CH1: U pp = 10,0 V f 1 = 1,012 khz CH2: (U pp RLC = 3,28 V) I = 3,28 V /100 =32,8 ma f 2 = f 1 t = 180 µs (Cursormeßung) 6.5. Auswertung der Messergebnisse Phasenverschiebung (ermittelte Werte mit Cursormessung) 1 f ,142 µs t ,5776 (Cursor) Admittanz Y Y 1 R 1 L C c = f 1012; = 2 f Y = C c ; L ; R 680; Y = 1 R L C c 2 f L 1 R 2fC c = S = 1,47059 ms = S= 6,35858 ms = S- 3,93169 ms

24 Zeigerdiagramm in 1 m S/ di v C 1 L lt. Zeigerdiagramm) 1 R in 1 ms/div 6.6. Diskussion Die gemessenen Werte für die Phasenverschiebung (Cursormessung) weichen von der Berechneten Phasenverschiebung ab. Grund dafür müsste die Auflösung der Cursorstufungen und Meßungenauigkeit sein

25 7. Ausmessen einer unbekannten Kombination 7.1. Aufgabenstellung Messen Sie Strom, Spannung und Phasenwinkel einer unbekannten RL- oder RC- Kombination und finden Sie heraus, ob es sich bei der Kombination um eine Serienoder eine Parallelschaltung handelt Geräte, Messaufbau, Messschaltung Aufbau, Geräte : Digitalspeicheroszilloskop Tek - Tektronix TDS 1002 hps - Elektronic Board Digital-Multimeter DUT (unbekannt Nr.: 8) : (Aufbau analog Pkt. 4) siehe Schaltung unten Schaltung, Einstellungen : CH CH 2 muss invertiert sein! Spannung am Fkt. Generator U pp = 10 V R SHUNT = 100 f = 1 khz Masse CH2-25 -

26 7.3. Vorgangsweise Aufbau; Einstellen von U pp ; Invertieren von CH 2; Messen 7.4. Messergebnisse Amplitude, Phasenverschiebung Meßung Oszilloskop : CH1: CH2: U pp = 10,00 V f 1 = 1,01257 khz U p RLC = 2,12 V I = 2,12 V / ,2 ma f 2 = f 1 t = 88 µs Spannung eilt Strom nach Kapazitiv Messung bei f = 5 khz : CH1: CH2: U pp = 10,0 V f 1 = 5 khz U p RLC = 2,52 V I = 2,52 V / ,2 ma f 2 = f 1 = 5 khz t = 34 µs Messung am Multimeter: Widerstand sinkt mit der Zeit Kapazitiv Phasenverschiebung (ermittelte Werte mit Cursormessung) 1 f 1 = s = 987,586 µs t =

27 Parallelschaltung C = 9,122µF, R = 117, Diskussion Kein Bild vom Multimeter vorhanden