Praktikum Grundlagen der Elektrotechnik Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik 1. Versuch GET 2: Messungen mit dem Digitalspeicheroszilloskop Institut für Informationstechnik Fachgebiet Grundlagen der Elektrotechnik 2. Standort In unseren Laboren im Helmholtzbau H2546, H2547, H2548 und H2549. 3. Ziel und Inhalt Bedienung und Kennenlernen einiger grundsätzlicher Einsatzmöglichkeiten des Digitalspeicheroszilloskops am Beispiel der Spannungs-, Zeit- und Frequenzmessung sowie der Aufnahme von Diodenkennlinien, Hysteresekurven und Leistungsmessungen. 4. Vorausgesetztes Wissen Prinzipieller Aufbau eines Oszilloskops Kennwerte sinusförmiger Wechselgrößen Frequenzvergleich mit Lissajousfiguren UI-Kennlinie von Halbleiterdiode, LED und Zenerdiode Grundgleichungen des elektromagnetischen Feldes und der Ruheinduktion Aufbau und Berechnung eines technischer Magnetkreise 5. Literatur zur Vorbereitung Anhang dieser Praktikumsanleitung Vorlesungs- und Übungsunterlagen der Elektrotechnik Lehrbuch Seidel/Wagner, Allgemeine Elektrotechnik, Unicopy Ilmenau 2009 bzw. Carl Hanser Verlag München Philippow, Taschenbuch Elektrotechnik in 6 Bänden, Band 1, Abschnitt 5.5. - Verlag Technik Berlin. Versuch GET 2 (01.03.2014) Seite 1 von 8
6. Vorbereitung Zum Zeichnen der Kurven bei der Versuchsdurchführung drucken Sie sich das Blatt Oszibildschirm aus den Vorlagen im LabWeb von GETsoft dreimal aus. 6.1. Geben Sie die Messschaltung zum Frequenzvergleich mit Lissajousfiguren an. 6.2. Geben Sie die Schaltung zur Aufnahme der UI-Kennlinie eines Bauelementes an. 6.3. Geben Sie die Bedingungen an, unter denen das RC-Glied zu einem Integrierglied wird. 6.4. Leiten Sie den Zusammenhang zwischen U X, U Y und der magnetischen Feldstärke H bzw. der magnetischen Flussdichte B für die Aufnahme einer Hysteresekennlinie her. Begründen Sie damit die Schaltung nach Bild 1. 6.5. Leiten Sie den Zusammenhang zwischen der Fläche umschlossen wird, und den Hystereseverlusten P Hyst BT AHyst ~ H B db B 0 A Hyst her., die von der Hysteresekennlinie 6.6. Berechnen Sie für den im Versuch verwendeten Heiztransformator M55 die Spannung ÛC2 am Integrierglied für B1max=1T und B2max=0,5T, Schaltbild und technische Daten im Bild 1. 6.7. Leiten Sie die Formel für die Wirkleistung, das ist die mittlere Leistung p, für die Schaltung nach Bild 2 her. 7. Geräte und Baugruppen am Versuchsplatz - 1 Digitalspeicheroszilloskop TDS2002B - 1 Tongenerator GF2-1 Netztransformator 220V/6V - 1 Universalmesser 510SR - 1 Trennstelltransformator LTS002-1 Bauteil Diode, LED und Zenerdiode mit Vorwiderständen - 1 Bauteil RC-Integrierglied (R=30kΩ, C=4,7µF) - 1 Bauteil Heiztransformator M55 (Messwiderstand R1=100Ω, N1=2600, lfe=13cm, AFe=3,1cm 2, N2=90) - 1 Tastkopf mit Spannungsteiler 100:1-1 Bauteil Glühlampen - 1 Bauteil Messwiderstand RM=10Ω 8. Aufgabenstellung und Versuchsauswertung Die Bedienung des Oszilloskops wird wie folgt beschrieben: Nach Drücken der [Taste] am Oszilloskop öffnet sich das entsprechende senkrechte Menü rechts im Display, wo man nach Drücken der zugehörigen <Taste> des Menüs den erforderlichen Wert einstellt. Versuch GET 2 (01.03.2014) Seite 2 von 8
8.1. Kenngrößen von Wechselspannungen 8.1.1. Oszillografieren Sie die Spannung am Ausgang des Netztransformators 220V/6V am Kanal 1. Einstellung: [DISPLAY] <Format> YT Messen Sie die Spannung von Spitze zu Spitze USS und die Netzfrequenz fn sowohl über die digitale [MESSUNG] als auch mit dem [CURSOR]. Beurteilen Sie die Kurvenform der Netzspannung. 8.1.2. Überprüfen Sie die Genauigkeit der Frequenzskala des Tongenerators GF2 im 50 250Hz Bereich. Schließen Sie den 200Ω-Ausgang des Tongenerators an Kanal 2 an. Stellen Sie unter [MESSUNG] die Frequenzen 50Hz, 100Hz 150Hz und 200Hz des Tongenerators am Oszilloskop ein und lesen Sie die Werte der Skala des Tongenerators ab. Bestimmen Sie die absoluten und relativen Fehler. 8.1.3. Vergleichen Sie die Frequenz des Netztransformator fn mit der des Tongenerators mittels Lissajousfiguren. Einstellung: [DISPLAY] <Format> XY Messen Sie mittels Lissajousfiguren die Frequenzen 1fN, 2fN, 3fN und 4fN des Tongenerators. Vergleichen Sie die Werte mit den unter 8.1.2. gemessenen. 8.2. Diodenkennlinien 8.2.1. Nehmen Sie die UI-Kennlinie der Diode, Leuchtdiode und Zenerdiode auf. Stellen Sie am 200Ω-Ausgang des Tongenerators bei ca. 50Hz über der Reihenschaltung von Messwiderstand und Diode eine Spitzenspannung von 15V ein. Die Spannung über der Diode legen Sie an Kanal 1. Das stromproportionale Signal über den Messwiderstand legen Sie an Kanal 2. Einstellung: [DISPLAY] <Format> XY. Wichtig: Die Masseanschlüsse der beiden Kanäle sind auf einen Punkt zu legen, sonst Massekurzschluss! Zeichnen Sie die Kennlinien auf das Arbeitsblatt Oszibildschirm ab und bemaßen Sie die Achsen in den jeweiligen Einheiten. 8.2.2. Messen Sie mit dem [CURSOR] die Spannungen von Diode, Leuchtdiode und Zenerdiode, bei denen ein merklicher Stromfluss einsetzt. Messaufbau und Spannung wie bei 8.2.1., jetzt aber die Anzeige der Zeitfunktionen: [DISPLAY] <Format> YT. 8.3. Hysteresekurven 8.3.1. Nehmen Sie die BH-Kennlinien des Heiztransformators M55 für die maximalen magnetischen Flussdichten B1Max=1T und B2Max=0,5T auf. Die Spannungsversorgung erfolgt über den Trennstelltrafo. Einstellung: [DISPLAY] <Format> XY, Messschaltung entsprechend Bild 1. Versuch GET 2 (01.03.2014) Seite 3 von 8
Zeichnen Sie die Kennlinien auf das Arbeitsblatt Oszibildschirm und bemaßen Sie die Achsen in den jeweiligen Einheiten. Verbinden Sie die Punkte der Kurve mit einem flexiblen Kurvenlineal. 8.3.2. Entnehmen Sie aus der Hysteresekurve die Koerzitivfeldstärke HK und die Remanenzflussdichte BR. 8.3.3. Messen Sie mit dem [Cursor] die Spannungen von Koerzitivfeldstärke HK und Remanenzflussdichte BR und rechnen diese in die jeweiligen Einheiten um. Messaufbau wie bei 8.3.1., jetzt aber aus den Zeitfunktionen: [DISPLAY] <Format> YT. Vergleichen Sie diese mit den unter 8.3.2. abgelesenen Werten. 8.3.4. Messen Sie mit dem Leistungsmesser 510SR die Eisenverluste für beide magnetische Aussteuerungen. 8.3.5. Bestimmen Sie die Hystereseverluste für beide Aussteuerungen aus den unter 8.3.1. aufgenommenen BH-Kennlinien mit Hilfe der unter 6.5. hergeleiteten Formel. Dazu berechnen Sie zuerst die Verlustleistung, welche durch die Fläche eines Rasterkästchens des Oszibildschirmes repräsentiert wird. Danach bestimmen Sie die Flächen der Hysteresekurve: Diese, in Rasterkästchen ausgedrückt, erhalten Sie dadurch, dass Sie zuerst die Gitterlinien in B- und in H-Richtung halbieren. Das erhöht die Genauigkeit. Dann zählen Sie die von der Hysteresekurve umschlossenen ganzen Viertelkästchen aus. Für jedes angeschnittene Viertelkästchen suchen Sie nach Augenmaß ein Pendant, so dass dieses etwa zu einem ganzen Viertelkästchen ergänzt wird. Zuletzt multiplizieren Sie die Leistung eines Rasterkästchens mit der Anzahl der Kästchen. Vergleichen Sie diese mit den unter 8.3.4. gemessenen Verlustleistungen. Messwiderstand R1=100Ω, R2=30kΩ, C2=4,7µF, N1=2600, N2=90, lfe=13cm, AFe=3,1cm² Bild 1. Schaltung zur Aufnahme der Hysteresekennlinien des Heiztransformators M55 Versuch GET 2 (01.03.2014) Seite 4 von 8
In den Primärkreis des Heiztransformators M55 ist ein Messwiderstand R1 zur Strommessung eingefügt. Die Eingangsspannung u e wird am Trennstelltransformator eingestellt. Verwenden Sie die unter 6.6. ermittelten Spannungen an ÛC2 für beide Aussteuerungen. Stellen Sie die Ablenkempfindlkichkeit des Y-Kanals so ein, dass bei dem Wert für ÛC2 bei B1Max=1T die Hysteresekennlinie den Bildschirm voll ausfüllt. 8.4. Leistungsmessung Schließen Sie am Kanal 1 den Tastkopf mit dem Spannungsteiler 100:1 an! Teilen Sie das dem Oszilloskop mit: [CH 1 MENU] <Tastkopf> <Spannung> 100X 8.4.1. Bestimmen Sie am Bauteil Glühlampen aus dem Mittelwert der Leistungsschwingung die Wirkleistung von Lampe 1, Lampe 2 und deren Reihenschaltung. Einstellungen: [DISPLAY] <Format> YT [TRIG MENU] <Typ> Flanke <Quelle> Netz Die Masseanschlüsse der beiden Kanäle sind auf einen Punkt zu legen, sonst Massekurzschluss! Bauen Sie die Messschaltung entsprechend Bild 2 auf. Stellen Sie am Trennstelltrafo eine Spannung mit dem Effektivwert von 230V über der Last ein und messen Sie diese am Kanal 1: [MESSUNG] <Messung 1> <Quelle> CH1 <Typ> Effektiv Stellen Sie im Mathematikmenü das Produkt von Kanal 1 und Kanal 2 ein: [MATH MENU] <Operation> x <Quellen> CH1XCH2 Messen Sie von dieser Leistungsschwingung den Mittelwert: [MESSUNG] <Messung 2> <Quelle> Math. <Typ> Mittelwert Die Produktkurve der beiden Kanäle wird über den Bildschirmbereich gemittelt. Deshalb ist die Zeitbasis so zu wählen, dass eine ganze Anzahl von vollständigen Spannungs- bzw. Stromschwingungen sichtbar ist. Dem entspricht eine gerade Anzahl von vollständigen Leistungsschwingungen. Bild 2. Schaltung zur Wirkleistungsmessung Versuch GET 2 (01.03.2014) Seite 5 von 8
8.4.2. Messen Sie mit dem Leistungsmesser 510SR die Wirkleistung von Lampe 1, Lampe 2 und deren Reihenschaltung und vergleichen Sie die Ergebnisse mit den Messungen von 8.4.1. Versuch GET 2 (01.03.2014) Seite 6 von 8
Kurzbedienungsanleitung TDS2002B Der Einschaltknopf für das Oszilloskop befindet sich auf der Oberseite des Gerätes vorn links. Bedienfeld: Dieses ist in die Bereiche Anzeige (A), Menü- und Steuerungstasten (B), einschl. des Mehrfunktions-Drehknopfes (B1), vertikale (C) bzw. horizontale (D) Bedienelemente und Triggerbedienelemente (E) unterteilt. Bedienprinzip: 1. Das aktive Menü wird über eine Menütaste (z.b. MESSUNG (B) oder CH 1 MENU (C)) bzw. eine Aktionstaste (z.b. HILFE (B) oder GRUNDEINSTELLUNG (B)) aus den Bereichen (B)-(E) ausgewählt. 2. Mittels der Optionstasten (A4) können Untermenüs (z.b. im Menü TRIGGER (E)) oder eine zyklische Liste (z.b. im Menü CH 1 MENU (C)) aufgerufen werden. 3. Zur Auswahl einer Option wird die zugehörige Optionstaste (A4) rechts daneben gedrückt oder der Mehrfunktions-Drehknopf (B1) benutzt. Letzteres ist möglich, wenn dieser aktiv ist, angezeigt durch eine grüne LED neben dem Knopf. Anzeigebereich: zur Anzeige der/des Signale/s (A1), der Oszilloskopeinstellungen (A2) und der Meldungen (A3). Zum Anzeigebereich gehören vier Optionstasten (A4), die sich am rechten Rand des Bereiches befinden. Mit diesen werden die dazugehörigen Anzeigen/Menüs (A2) ausgewählt bzw. ein- oder umgeschaltet. Darstellung von Spannungsverläufen periodischer Signale Die Einstellungen können mittels der Taste AUTOSET (B) oder manuell vorgenommen werden. Automatische Messungen sind möglich zur Bestimmung von Frequenz, Periode, Mittelwert, Uss, Zyklus-Effektivwert, Min, Max, Anstiegszeit, Abfallzeit, +Pulsbreite, Pulsbreite. Die Auswahl erfolgt über den Mehrfunktions-Drehknopf (B1) oder durch wiederholtes Drücken der entsprechenden Optionstaste (A4). Nach der Kanalauswahl mittels der Tasten CH 1 MENU bzw. CH 2 MENU (C) wird dazu die Taste MESSUNG (B) gedrückt und über die Optionstaste (A4) die Option ausgewählt. Danach jeweils die Optionstaste Zurück benutzen. Versuch GET 2 (01.03.2014) Seite 7 von 8
Wichtige manuelle Einstellungen sind: Tastkopfabschwächungsfaktor: Drücken Sie die Taste CH 1 MENU bzw. CH 2 MENU (C) und stellen Sie mittels Optionstaste (A4) die Tastkopfabschwächung auf 1-fach ein. Kanalanzeige: Zum Ein- bzw. Ausschalten der Signalanzeige drücken Sie die Taste CH 1 MENU bzw. CH 2 MENU (C), evtl. mehrfach. Auflösung: Die vertikale Signalauflösung (Amplitude) wird über die Positions-Drehschalter VOLT/DIV (C) pro Kanal eingestellt, die horizontale Signalauflösung nach vorheriger Kanalwahl über den Positions-Drehschalter VOLT/DIV (D). Die vertikale Signalauflösung kann zusätzlich über die Taste CH 1 MENU bzw. CH 2 MENU(C) und die Optionstaste (A4) GROB/FEIN verfeinert werden. Signalinvertierung: Drücken Sie die Taste CH 1 MENU bzw. CH 2 MENU (C) und anschließend die Optionstaste (A4) Invert. Nulllinienanzeige: Drücken Sie die Taste CH 1 MENU bzw. CH 2 MENU (C) und stellen Sie mittels Optionstaste (A4) die Kopplung Ground ein. Cursormessungen: Es steht ein Cursorpaar zur Messung von Amplitude bzw. Zeit/Frequenz zur Verfügung. Das Cursormenü wird durch Drücken der Taste CURSOR aktiviert. Über die Optionstasten (A4) Typ und Quelle werden die Einstellungen präzisiert. Die Auswahl des aktiven Cursors erfolgt über die Optionstasten. Durch Drehen des zugehörigen Knopfes POSITION VERTIKAL (C) wird die Cursorlinie verschoben. Im Anzeigebereich (A2) können die Ergebniswerte direkt abgelesen werden. Eine vorherige Ausrichtung an einer Nulllinie ist nicht erforderlich. Trigger-Steuerung Der Triggerpegel muss sich innerhalb des Amplitudenbereiches des Signals befinden. Er wird durch einen kleinen Pfeil am rechten Rand der Anzeige dargestellt. Verschoben wird er mittels des Drehschalters PEGEL (E). Befindet er sich außerhalb dieses Bereiches, wird dies durch einen kleinen nach oben bzw. unten gerichteten Pfeil in (A2) angezeigt. wichtige Funktionen (Auswahl) AUTOSET - Das Oszilloskop wird automatisch so eingestellt, dass eine verwertbare Anzeige der Eingangssignale stattfindet. GRUNDEINSTELLUNG - Ruft die werkseitige Einstellung ab. EINZELFOLGE - Das Oszilloskop erfasst eine Einzelfolge und hält dann an. Versuch GET 2 (01.03.2014) Seite 8 von 8