Versuch 2 Stand:
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- Nora Krämer
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1 PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2012/2013 VERSUCHSANLEITUNG 2 1 Versuchsziele: Versuch 2 Stand: Grundschaltungen der Netzgleichrichtung aufbauen und erproben. Das Verhalten des Bipolartransistors im Experiment kennenlernen. Elementare Transistorschaltungen aufbauen und in Betrieb nehmen. 1. Netzgleichrichtung Wir setzen den Netztransformator 12 ein und messen mit dem Oszilloskop. Was normal (und nicht zu ändern) ist: Es sind 50 Hz. Deshalb flimmert im Analogbetrieb des Oszilloskops die Anzeige 1. Der Netzspannungsverlauf ist kein Sinus wie aus dem Bilderbuch. Wir beginnen nochmals (vgl. Versuch 1) mit dem Einweggleichrichter. Versuchsaufbau an Wicklung 1 anschließen. Abb. 1.1 Der Einweggleichrichter. a) Signalverlauf ohne Kondensator, aber mit R = 330 Ohm. b) Signalverlauf mit C = 22 µf (Elko auf richtige Polung achten ) und R = 330 Ohm. c) Signalverlauf mit C = 22 µf und R = 1 kohm. d) Signalverlauf mit C = 44 µf (zwei Elkos parallel) und R = 1 kohm. Jetzt bauen wir eine RC-Siebkette. 1: Das Analogoszilloskop hat den großen Vorteil, daß es zwar manche Einzelheiten verschweigt, aber nicht wirklich lügt.
2 PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2012/2013 VERSUCHSANLEITUNG 2 2 Abb. 1.2 Einweggleichrichter mit RC-Siebkette. a) Signalverlauf und Signalamplitude mit R S = 330 Ohm. b) Signalverlauf und Signalamplitude mit R S = 1 kohm. Alles abbauen und einen Zweiweggleichrichter aufbauen. Hierzu beide Wicklungen in Reihe schalten. Um die Schaltung auszuprobieren, verwenden wir die Potentiometerplatine 09a als Lastwiderstand. Die Ausgangsspannung messen wir mit dem Escort-Multimeter. Abb. 1.3 Zweiweggleichrichter. Abb. 1.4 So anschließen.
3 PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2012/2013 VERSUCHSANLEITUNG 2 3 a) Signalverlauf ohne Kondensator. b) Signalverlauf und Ausgangsspannung mit C = 22 µf (Elko auf richtige Polung achten ). c) Signalverlauf und Ausgangsspannung mit C = 44 µf (zwei Elkos parallel). Jeweils mit unterschiedlicher Belastung im Bereich von 100 Ohm bis 1 kohm probieren (Potentiometer langsam durchdrehen, dabei Oszilloskop und Multimeter beobachten). Jetzt setzen wir wieder die RC-Siebkette ein. Abb. 1.5 Zweiweggleichrichter mit RC-Siebkette. a) Signalverlauf und Ausgangsspannung mit R S = 330 Ohm. b) Signalverlauf und Ausgangsspannung mit R S = 1 kohm. Jeweils mit unterschiedlicher Belastung im Bereich von 100 Ohm bis 1 kohm probieren (Potentiometer langsam durchdrehen, dabei Oszilloskop und Multimeter beobachten). Alles abbauen und einen Graetzgleichrichter (Brückengleichrichter) aufbauen. Versuchsaufbau an Wicklung 1 anschließen. Signalverlauf und Signalamplitude ansehen. Abb. 1.6 Graetzgleichrichter.
4 PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2012/2013 VERSUCHSANLEITUNG 2 4 Auch der Gratezgleichrichter klappt die negativen Halbwellen um. Es muß (fast 2 ) das gleiche herauskommen wie beim Zweiweggleichrichter. Deshalb können wir uns die Versuche mit dem Potentiometer und mit der Siebkette sparen. Zweiweg- und Graetzgleichrichter sind sog. Vollwellengleichrichter. Welche typischen Vor- und Nachteile haben beide Ausführungen? 3 Wenn wir die Diodenbrücke schon mal gesteckt haben, können wir gleich noch eine Trickschaltung ausprobieren. Abb. 1.7 Ein kontaktloser Wechselstromschalter auf Grundlage einer Gleichrichterbrücke. LED aus bei nicht gesteckter, LED ein bei gesteckter Drahtbrücke (weshalb ist das so?). In einer ernsthaften Anwendung kann die Drahtbrücke beispielsweise durch einen Schalttransistor ersetzt werden 4. Jetzt alles abbauen und den Netztransformator beiseite stellen. 2. Transistorgrundschaltungen Das Aufnehmen vollständiger Kennlinien wäre viel zu zeitaufwendig. Wir beschränken uns deshalb auf eine gleichsam stichprobenhafte Betrachtung der Grundschaltungen. Hierzu kommt ein drittes Digitalmultimeter zum Einsatz. 1. Alle Spannungsregler der Labornetzgeräte anfänglich auf Null (linker Anschlag). Stets vorsichtig betätigen! 2. Betriebsspannung U B einstellen. 3. Basisspannung langsam (!) hochdrehen. Instrumente beobachten! 4. Beim Messen mitdenken. Wo setzen wir das genauste unserer Multimeter ein, wo kommt es nicht so darauf an? Die Rangfolge der Genauigkeit: 1. Escort, 2. MetraHit, 3. das dritte Gerät. Wenn Strom und Spannung zu messen sind, in welcher Schaltung ist der Meßfehler kleiner wenn wir die Stromaufnahme des Voltmeters mitmessen oder den Spannungsabfall überm Amperemeter? Die Emitterschaltung Es sind zwei Teilversuche. Im ersten messen wir den Kollektorstrom, im zweiten die Kollektor-Emitter- Spannung. 2: Worin besteht der wesentliche Unterschied (in dem, was herauskommt)? 3: Das könnte unter anderem in einer Klausur abgefragt werden. 4: Überlegen Sie sich bitte, wie eine soche Schaltung aussehen könnte und zwar genau (richtiger Transistortyp, richtige Polung, brauchbare Lösung der Ansteuerung).
5 PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2012/2013 VERSUCHSANLEITUNG 2 5 Abb. 2.1 Der Bipolartransistor in Emitterschaltung (1). U BE mit MetraHit, I B mit Escort, I C mit drittem Multimeter. U B = 5 V. DUT = Device under Test. a) Was passiert bei U BE = 200 mv? b) Wann (bei welcher Basisspannung U BE ) fängt ein nennenswerter Basisstrom I B zu fließen an (z. B. 10 μa)? c) Welcher Kollektorstrom fließt bei einem Basisstrom von 10 μa? d) Welcher Kollektorstrom fließt bei einem Basisstrom von 30 μa? Wie hoch ist dabei U BE? e) Was geschieht, wenn man die Basisspannung U BE weiter erhöht? Bei Kollektorstrom I C > 30 ma Versuch abbrechen (Basispannung auf Null). Abb. 2.2 Der Bipolartransistor in Emitterschaltung (2). U BE mit MetraHit, I B mit Escort, U CE mit drittem Multimeter. U B = 10 V. Basisspannung auf linken Anschlag zurück. Kollektorspannung U CE auf 10 V.
6 PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2012/2013 VERSUCHSANLEITUNG 2 6 a) Ab wann (Basisspannung U BE, Basisstrom I B ) bewegt sich die Kollektor-Emitter-Spannung U CE? b) Wann sinkt U CE auf 0,5 V? c) Wann sinkt U CE auf 0,1 V? d) Was geschieht, wenn man die Steuerspannung weiter erhöht? Bei Basisspannung U BE > 0,8 V Versuch abbrechen (Steuerspannung auf Null). Die Basisschaltung Es sind zwei Teilversuche. Im ersten messen wir die Kollektor-Basis-Spannung, im zweiten den Kollektorstrom. Auf die Polung der Emitterspannung achten. Abb. 2.3 Der Bipolartransistor in Basisschaltung (1). U EB mit MetraHit, I E mit Escort, U CB mit drittem Multimeter. U B = 10 V. 1. Alle Spannungsregler der Labornetzgeräte auf Null (linker Anschlag). Stets vorsichtig betätigen! 2. Emitterspannung negativ. Betriebsspannung U B auf 10 V. 3. Emitterspannung langsam (!) hochdrehen. Nicht mehr als 1 V. Instrumente beobachten! a) Ab wann (Emitterspannung U EB, Emitterstrom I E ) bewegt sich die Ausgangsspannung U CB? b) Wie hoch ist die Ausgangsspannung U CB, wenn Emitterspannung U EB etwa 0,7 V?
7 PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2012/2013 VERSUCHSANLEITUNG 2 7 Abb. 2.4 Der Bipolartransistor in Basisschaltung (2). U EB mit MetraHit, I E mit Escort, I C mit drittem Multimeter. U B = 10 V. a) Ab wann (Emitterspannung U EB, Emitterstrom I E ) bewegt sich der Kollektorstrom I C? b) Wie hoch ist der Kollektorstrom I C, wenn Emitterspannung U EB etwa 0,7 V? Wie hoch ist die Stromverstärkung? c) Die Emitterspannung soweit aufdrehen, daß sich ein Emitterstrom von 12 ma ergibt. Wie hoch ist der Kollektorstrom? Woher kommt die Differenz? Das U EB -Multimeter abbauen und damit den Basisstrom messen. Die Kollektorschaltung Hier genügt ein einziger Versuchsaufbau. Wenn wir die Emitterspannung kennen, kennen wir auch den Emitter- und damit den Kollektorstrom 5. Abb. 2.5 Der Bipolartransistor in Kollektorschaltung. U S mit MetraHit, I B mit Escort, U A mit drittem Multimeter. U B = 10 V. 5: Den Arbeitswiderstand haben wir eigens so dimensioniert, daß es sich einfach rechnet...
8 PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2012/2013 VERSUCHSANLEITUNG 2 8 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! a) Ab wann (Steuerspannung U S, Basisstrom I B ) bewegt sich die Ausgangsspannung? b) Wie hoch ist die Ausgangsspannung U A, wenn Steuerspannung U S = Betriebsspannung U B? Welcher Basisstrom fließt in diesem Betriebsfall? c) Welche Steuerspannung ist erforderlich, damit die Ausgangsspannung der Betriebsspannung entspricht? Probieren wir gleich noch zwei Anwendungen aus, um die verblüffenden Eigenschaften dieser Schaltung genauer kennenzulernen. Zunächst bauen wir nochmals den Netzgleichrichter in Gegentaktschaltung auf (geht schneller als der Brückengleichrichter). Dann hängen wir einen Transistor in Kollektorschaltung dahinter. Abb. 2.6 Die Kollektorschaltung als Grundschaltung eines Spannungsreglers. a) Wie sieht die Ausgangspannung aus (Oszilloskop)? Zum Vergleich die Spannungen am Kollektor ansehen. b) Wie ändert sich die Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Last? Vergleichen Sie das Verhalten dieser Schaltung mit dem der Schaltungen gemäß Abbildung 1.3 und 1.5. Nun alles abbauen. Zunächst messsen wir nach, welchen Strom das Instrument in der Meßinstrumententafel 12b aufnimmt.
9 PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2012/2013 VERSUCHSANLEITUNG 2 9 Abb. 2.7 Messung der Stromaufnahme des Meßinstruments. Welchen Strom nimmt das Instrument auf, wenn die Meßspannung 10 V beträgt? Wie hoch ist demzufolge der Innenwiderstand? Nun setzen wir einen Transistor in Kollektorschaltung ein und wiederholen diese Untersuchung. Abb. 2.8 Eine alternative Voltmeterschaltung. Welchen grundsätzlichen Meßfehler weist diese Schaltung auf? Wie könnte man ihn abstellen? (Lassen Sie sich was einfallen...) 3. Der Bipolartransistor als Schalter Wir bleiben zunächst bei der Kollektorschaltung.
10 PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2012/2013 VERSUCHSANLEITUNG 2 10 Abb. 3.1 Kollektorschaltung im Schaltbetrieb. Versuchsdurchführung: 1. Anschluß Funktionsgenerator (FG) und Oszilloskop über Meßadapter 09b. FG auf Kanal Betriebsspannung U B auf 10 V. 3. Funktionsgenerator: positive Rechtecksignale, Low-Pegel = 0 V, Amplitude anfänglich + 5 V. Positive Rechteckimpulse können über den Wahlschalter am FG und / oder den Kippschalter am Meßadapter eingestellt werden. Die Symbole erklären sich selbst. Frequenz um 5 khz. a) Wie sehen die Signalverläufe aus? Erklärung? b) Einschalt- und Ausschaltverzögerung messen (Zeitdehnung 10). c) Impulsamplitude auf 10 V (gleich bzw. knapp über Betriebsspannung. Was ändert sich (Ausgangsspannung, Schaltzeiten)? Nun alles umbauen zur Emitterschaltung. Abb. 3.2 Emitterschaltung im Schaltbetrieb.
11 PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2012/2013 VERSUCHSANLEITUNG 2 11 Versuchsdurchführung: 1. Anschluß Funktionsgenerator (FG) und Oszilloskop über Meßadapter 09b. FG auf Kanal Betriebsspannung U B auf 10 V. 3. Funktionsgenerator: positive Rechtecksignale, Low-Pegel = 0 V, Amplitude anfänglich + 5 V. Positive Rechteckimpulse können über den Wahlschalter am FG und / oder den Kippschalter am Meßadapter eingestellt werden. Die Symbole erklären sich selbst. Frequenz um 5 khz. a) Wie sehen die Signalverläufe aus? Erklärung? b) Einschalt- und Ausschaltverzögerung messen. c) Impulsamplitude soweit verringern, bis Schaltung gerade noch funktioniert. Einschalt- und Ausschaltverzögerung messen. d) Impulsamplitude langsam wieder bis auf 5 V erhöhen und Schaltzeiten beobachten. Wie hängen die Schaltzeiten von der Impulsamplitude ab? Weshalb? e) Die in der Abbildung angegebenen alternativen Eingangsschaltungen ausprobieren. Hierbei geht es um die Ausschaltverzögerung. Welche Schaltung ergibt die kürzeste Ausschaltzeit? 4. Begrenzerstufe Versuchsdurchführung: 1. Anschluß Funktionsgenerator und Oszilloskop über Meßadapter 09b. Beide Halbwellen. Funktionsgenerator auf Kanal Betriebsspannung U B auf 10 V. 3. Impulsgenerator = Funktionsgenerator, Rechtecksignale, Amplitude anfänglich 5 V, Low-Pegel = 0 V (Offset-Einstellung). Frequenz um 5 khz. Abb. 4.1 Begrenzerstufe (Impulsformer) mit Bipolartransistor.
12 PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2012/2013 VERSUCHSANLEITUNG 2 12 Mit verschiedenen Signalformen (auch Sinus und Dreieck) und Amplituden probieren. Ausgangssignal beobachten. Die zwei Dioden durch eine Zenerdiode (6,8 V) ersetzen. Ansteuerung mit Sinus. Welcher Eingangspegel ist wenigstens erforderlich, damit am Ausgang Impulse erscheinen? 5. Gatter mit Transistoren Diesen Abschnitt übergehen, falls das Thema schon während des Versuchs 1 bearbeitet wurde. Der Transistor ist eine Art Schalter. Der Stromweg zwischen Emitter und Kollektor wird leitend, wenn eine positive Spannung an die Basis gelegt wird. Wir bauen zunächst einen Negator. Er wird statisch erprobt. Abb. 5.1 Statische Erprobung eines Negators. Die Meßinstrumententafel 12b dient zur überschlägigen Pegelanzeige. Zu genauen Messungen verwenden wir das Escort-Digitalmultimeter. Wir betrachten jeweils beide Schaltzustände. a) Die Kollektorspannung (Kollektor gegen Masse). b) Den Spannungsabfall über dem Basisvorwiderstand (22k). c) Den Arbeitswiderstand (1k) durch einen Widerstand 330R ersetzen. Welcher Low-Ausgangspegel ergibt sich nun? Woran liegt das? Dann bauen wir zunächst ein NAD-Gatter und danach ein NOR-Gatter. a) Grundsätzliche Funktionsfähigkeit. b) Welche Ausgangspegel ergeben sich bei den vier möglichen Eingangsbelegungen (genau messen)? c) Sind die Transistoren extrem oder mäßig oder gar nicht übersteuert? (Kurz begründen.)
13 PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2012/2013 VERSUCHSANLEITUNG 2 13 d) Welche der beiden Schaltungen eignet sich für eine unbegrenzte Erweiterung auf mehrere Eingänge, welche nicht? (Weshalb?) Abb. 5.2 Gatter mit Transistoren a) NAND; b) NOR. 6. Schmitt-Trigger mit Transistoren Der Schmitt-Trigger ist eine Schwellwertschaltung. Sie wird zunächst dynamisch und dann statisch erprobt. Versuchsdurchführung (dynamische Erprobung): 1. Betriebsspannung U B auf 10 V. 2. Funktionsgenerator und Oszilloskop über Meßadapter 09b anschließen. Nur positive Halbwelle. Signalamplitude zunächst auf Null (linker Anschlag). Kein Offset. Frequenz um 5 khz. Abb. 6.1 Schmitt-Trigger (1). Dynamische Erprobung.
14 PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2012/2013 VERSUCHSANLEITUNG 2 14 a) Kontrolle der Funktionsweise (1). Dreiecksignale. Signalamplitude langsam erhöhen (bis auf maximal 10 V). Von welchem Betrag an erscheinen Impulse am Ausgang? b) Kontrolle der Funktionsweise (2). Signalamplitude zunächst auf Null. Sinussignale. Signalamplitude langsam erhöhen (bis auf maximal 10 V). Von welchem Betrag an erscheinen Impulse am Ausgang? c) Bis zu welcher Signalfrequenz ist die Schaltung betriebsfähig? Versuchsdurchführung (statische Erprobung): 1. Betriebsspannung U B auf 10 V. 2. Eingangsspannung zunächst auf Null. Ggf. Eingangsspannung zusätzlich mit Digitalmultimeter (Escort) genauer messen. Die LED muß anfänglich leuchten. Abb. 6.2 Schmitt-Trigger (2). Statische Erprobung. a) Einschalten. Eingangsspannung langsam erhöhen. Bei welchem Spannungswert geht die LED aus? b) Ausschalten. Eingangsspannung langsam verringern. Bei welchem Spannungswert schaltet die LED wieder ein? c) Wie groß ist die Hysterese?
15 PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2012/2013 VERSUCHSANLEITUNG Multivibratorschaltungen Der astabile Multivibrator Astabile Multivibratoren geben fortlaufend Rechteckimpulse ab. Abb. 7.1 Astabiler Multivibrator. Die Schaltung soll Rechteckimpulse abgeben. Betriebsspannung U B = 10 V. a) Kontrolle der Funktionsweise. Wie sehen die Spannungsverläufe an Kollektor und Basis aus? Signalfrequenz? (Gemessenen und errechneten Wert vergleichen. Rechnung: 1 Kippimpuls näherungsweise 0,7 RC (R = Basiswiderstand (22k)). b) Mit den Elkos probieren. Der monostabile Multivibrator Monostabile Multivibratoren geben einzelne Impulse ab. Hierzu müssen sie von außen erregt werden. Wir verwenden zunächst einen Kippschalter. Anschließnd wird die Versuchsschaltung vom Funktionsgenerator angesteuert.
16 PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2012/2013 VERSUCHSANLEITUNG 2 16 Abb. 7.2 Monostabiler Multivibrator (Monoflop). Statische Erregung. Betriebsspannung U B = 10 V. Die Schalterplatine mit U B und Masse verbinden. Funktionsfähigkeit untersuchen. Jede Betätigung des Schalters muß zum einmaligen Blinken der LED führen. Abb. 7.3 Monostabiler Multivibrator (Monoflop). Zyklische Erregung. Betriebsspannung U B = 10 V. Funktionsgenerator auf niedrigste Frequenz stellen. Positive Rechteckwelle. Amplitude ca. 5 V. a) Alles so einstellen, daß die LED zyklisch blinkt.
17 PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2012/2013 VERSUCHSANLEITUNG 2 17 b) Frequenz erhöhen (bis etwa 100 Hz) und beobachten, was passiert. c) Elko gegen Kondensator 1 µf auswechseln und Frequenz weiter erhöhen. Die Impulsbreite ausmessen. Wie könnte man die Schaltung zur Frequenzteilung ausnutzen? Der bistabile Multivibrator Der bistabile Multivibrator hält seinen Schaltzustand solange, bis er durch eine Erregung von außen in den jeweils anderen Zustand überführt wird (Speicherwirkung). Bistabiler Multivibrator ist im Grunde nur ein anderer Name für Latch oder Flipflop. Wir wollen uns hier mit einem einfachen flankengesteuerten RS-Flipflop begnügen, das im statischen Betrieb erprobt wird 6. Abb. 7.4 Bistabiler Multivibrator (Flipflop). Statische Erregung. RS-Verhalten. Betriebsspannung U B = 10 V. Die Schalterplatine mit U B und Masse verbinden. Funktionsfähigkeit untersuchen. Das Flipflop muß sich mit dem einen Schalter setzen und mit dem anderen löschen lassen. 6: Alles andere ist zu aufwendig. Manche Schaltungen funktionieren nicht als gestöpselter Drahtverhau, sondern nur dann, wenn man sie sauber aufbaut.
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