TGM Abteilung Elektronik und Technische Informatik Dokumentation und Auswertung Labor Jahrgang 3BHEL Übung Übungsbetreuer Prof. Melchart Übung am 07.03.2017 Erstellt am 11.03.2017 von Pascal Zöhrer Übungsteilnehmer Gruppe 1 18. Stromquellen Saal H1435 Inhalt Seite 1. Vorausgesetztes Wissen 2. Aufgaben 2.1.Low-Side-Stromquelle 2.2.High-Side-Stromquelle 2.3.Einfache 2-Pol-Stromquelle mit JFET Beurteilung Vollständigkeit (Angabe, Doku, Labornotizen, verwendete Geräte) Schaltbilder, Messschaltungen (inkl. Dimensionierung) Messergebnisse, Tabellen Grafische Darstellung (Diagramme, Oszillogramme) Auswertungen (Interpretation, Erkenntnisse) Simulationen (Schaltungen, Vollständigkeit) Vergleich Messergebnisse Simulationen Form (Gliederung, Übersichtlichkeit, Stil) Summe bis 49% 5 bis 63% 4 02 03 03-09 10-17 18-19 (2) (2) (2) (2) (2) (2) (2) (2) ( bis 75% 3 bis 87% 2 ab 88% 1 ) % Note: Page 1/19
1 Vorausgesetztes Wissen Spannungsquelle & Stromquelle: Eine Spannungs- beziehungsweise Stromquelle ist dafür gedacht eine konstante Spannungbeziehungsweise einen konstanten Strom zu verfügung zu stellen. Spannungsquelle: Eine Spannungsquelle ist eine Schaltung, die unter allen ihr möglichen Umständen das Ausgangsspannungs Potenzial auf einem Konstanten Wert zu halten. Der Wert der eine Ideale Spannungsquelle zu einer Reellen macht ist dabei der Innenwiderstand. Dieser unerwünschte Innenwiderstand ist dabei in Serie zu einer idealen Spannungsquelle geschaltet. Er bewirkt einen linear steigenden, von dem Ausgangsstrom abhängigen, abfall der Ausgangsspannung. Im idealfall ist dieser Innenwiderstand 0 Ohm, also unendlich klein. Stromquelle: Eine Stromquelle in ihrer idealen Form, versucht unter allen ihr möglichen Umständen einen konstanten Ausgangsstrom zu gewährleisten. Auch bei der Stromquelle gibt es einen Innenwiderstand. Dieser ist allerdings im Vergleich zu der Spannungsquelle jetzt prallel zu der Idealen Stromquelle geschalten. Er bewirkt, dass linear abhängig von der Ausgangsspannung der Ausgangsstrom kleiner wird, da der durch den Parallel geschalteten Innenwiderstand fließt. Im idealfall ist der Innenwiderstand der Stromquelle nicht existent also unendlich groß. In der Natur gibt es keine Stromquellen, sondern nur Spannungsquellen. Das beste Beispiel einer natürlichen Spannungsquelle ist eine Batterie. Sie liefert eine konstante Spannung, unabhängig von dem Ausgangsstrom. Allerdings gibt es auch eine chemisch bedingten Spannungsabfall über den Innenwiderstand. Stromquelle & Stromsenke: Der Unterschied zwischen einer Stromquelle und einer Stromsenke liegt dabei, ob der Strom vor dem Positiven oder nach dem Negativen Ausgang geregelt wird. Vorteil einer Stromsenke: Bei einer Stromsenke arbeitet man in relation zu masse, dies Bewirkt, dass man NPN oder N-Ch MOSFETs verwenden kann. Diese sind weiter verbreitet als PNP bzw. P-Ch MOSFETs. Bei den häufig verwendeten MOSFETs ist zusätzlich noch zu beachten, dass durch den inneren Aufbau eines N-Ch MOSFETs diese deutlich bessere Eigenschaften aufweisen. Der Widerstand in eingeschalten zustand ist bei N-Ch FETs deutlich geringer. Dies macht N-Ch FETs, bei gleichen Eigenschaften wie P-Ch FETs, auch deutlich kostengünstiger. Vorteil einer Stromquelle: Dadurch, dass bei einer Stromquelle an der High-Side geregelt wird, deswegen auch der Name HighSide Stromquelle, können mehrere dieser Schaltungen auf eine gemeinsame Masse geschlossen werden, wobei dabei dann auch der negative Ausgang auf einem Potenzial liegt. Besonders bei Labornetzgeräten ist das sehr praktisch, weil man dann den Strom mehrerer Stromquellen auf einen Masseanschluss zurückführen kann. Page 2/19
2 Aufgaben 2.1 Low-Side-Stromquelle 2.1.1 Aufgabenstellung Es ist eine Low-Side Stromquelle und eine High-Side Stromquelle aufzubauen. Mit Hilfe der angegebenen Schalung, berechneten wir die Werte für die Bauteile. Low-Side Stromquelle High-Side Stromquelle 2.1.2 Dimensionierung Im ersten Schritt haben wir im Diodenstrecke U 0 gemessen (U0 = 8,285V). Im nächsten Schritt wurde im Datenblatt die Spannung von UBE und UCE bei einem strom von 10mA nachgeschaut. Mit diesen Werten konnten wir uns die Widerstände R 0 und R berechnen. R0 = U0/10mA R0 = 756,5Ω -> gewehlt 680Ω + 75Ω = 805Ω R = (UB - U0)/5mA R = 10,343kΩ Page 3/19
2.1.3 Messschaltung 2.1.4 Aufbau Page 4/19
2.1.4 Messung Es wurden zwei messungen durchgeführt. Als erstes Variierten wir die Last und maßen dabei den Laststrom. Als nächstes variierten wir die Versorgung zwischen 10V und 30V, dabei maßen wir ebenfalls den Laststrom. In unserer Schaltung dienten LEDs (gelb) als Last. Wir schalten nach jeder Messung eine LED mehr in serie bis zu 3 LEDs. Diese Messung führten wir mit 3 verschiedene Versorgungsspannungen durch (10V;20V;30V). 2.1.5 Messwerttabelle: LEDs 0 1 2 3 UB [V] ILast [ma] 10 10.7 20 10.8 30 11.2 10 10.6 20 10.7 30 11.1 10 7.4 20 10.9 30 11 10 0.5 20 10.9 30 11.1 Page 5/19
2.1.6 Diagramm Auswertung: Bei einer Spannung von >=20V fließt bei jeder LED-Konfiguration gleich viel Strom (11mA), da die Spannung ausreicht um 10 ma fließen zu lassen. Bei Spannungen kleiner 20V hängt der Strom von der Anzahl der LEDs ab, da der Spannungsabfall an den Dioden zu groß ist. 2.1.7 Feststellen der Betriebsgrenze Die Aufgabenstellung war, die minimale Betriebsspannung für 1 bis 3 LEDs zu ermitteln. Dies machten wir indem wir die Versorgungsspannung langsam niedriger einstellen und dabei den Laststrom maßen. Wir verminderten die Spannung so lange bis der Laststrom unter 10 ma lag. 2.1.8 Messtabelle: LEDs min Betriebsspannung [V] 1 9,6 2 12,1 3 14,2 Auswertung: Es ist deutlich zu erkennen, dass die minimale Betriebsspannungs stark abhänig von dem Spannungsabfall über die Last ist. Allerdings ist eine minimale Betriebsspannung notwendig damit die Schaltung den Ausgangsstrom sicherstellen kann. Page 6/19
2.1.9 Diagramm Auswertung: Man kann gut erkennen, dass die minimale Betriebsspannung steigt mit der Anzahl der Dioden. 2.1.10 Simulation Simulation mit UB = 15V; RLast = 0Ω ; RGL = 1350Ω; R0 = 755Ω; Mit der gleichen Dimensionierung wie bei 2.2 erreichen wir ein perfektes Ergebnis. Page 7/19
Simulation UB=5-30V Das Ergebnis ist so wie erwartet. Ab einer Spannung von ungefähr Breakdown-Voltage der Zenerdiode erreichen wir einen Strom von 10mA. Simulation mit einer Diode: Die Simulation sieht genauso aus wie mir wollen. Page 8/19
Simulation mit zwei Dioden: Die Simulation sieht genauso aus wie wir wollen. Simulation mit drei Dioden: Die Simulation sieht genauso aus wie gewollt. Page 9/19
2.2 High-Side-Stromquelle 2.2.1 Aufgabenstellung Wir sollten dieselben Messung wie vorhin durchführen mit der angegebenen Schaltung (High-Side Stromquelle). 2.2.2 Dimensionierung Zuerst wurden die benötigten Werte aus dem Datenblatt extrahiert. Transistor: UCE max = 0,3V UBE = 0,7 V = UF ILast = 10 ma U0 = 8,25 UR0 = U0 - UF = 8,25-0,7 = 7,55 V R0 = UR0 / IL = 7,55 / 0,01 = 755 Ohm 680 + 75 Ohm RGL = Vcc - U0 / Izener = 6.75 / 5 ma = 1350Ω 1200 + 150 Ω 2.2.3 Messschaltung Page 10/19
2.2.4 Aufbau 2.2.5 Messung Es wurde dieselbe Messung wie in 2.1 durchgeführt. Mit der High-Side Stromquellenschaltung konnten leichte unterschiede zur vorherigen Messung festgestellt werden. 2.2.6 Messtabelle: LEDs 0 1 2 3 UB [V] ILast [ma] 10 10.01 20 10.33 30 10.68 10 10 20 10.3 30 10.67 10 5.96 20 10.28 30 10.68 10 2.56 20 10.25 30 10.66 Page 11/19
2.2.7 Diagramm: Auswertung: Bei einer Spannung von >=20V fließt bei jeder LED-Konfiguration gleich viel Strom (11mA), da die Spannung ausreicht um 10 ma fließen zu lassen. Bei Spannungen kleiner 20V hängt der Strom von der Anzahl der LEDs ab, da der Spannungsabfall an den Dioden zu groß ist. 2.2.8 Feststellen der Betriebsgrenze Die Aufgabenstellung war, die minimale Betriebsspannung für 1 bis 3 LEDs zu ermitteln. Dies machten wir indem wir die Versorgungsspannung langsam niedriger einstellen und dabei den Laststrom maßen. Wir verminderten die Spannung so lange bis der Laststrom unter 10 ma lag. 2.2.9 Messtabelle: LEDs min Betriebsspannung [V] 1 10,1 2 12 3 14,1 Auswertung: Es ist deutlich zu erkennen, dass die minimale Betriebsspannungs stark abhänig von dem Spannungsabfall über die Last ist. Allerdings ist eine minimale Betriebsspannung notwendig damit die Schaltung den Ausgangsstrom sicherstellen kann. Page 12/19
2.2.10 Diagramm Auswertung: In dem Diagramm kann man erkennen, dass die min Betriebsspannung Steigt wenn die Anzahl der LEDs steigt. 2.2.11 Simulation Simulation mit UB = 15V; RLast = 100Ω; RGL = 1350Ω; R0 = 755Ω; RGL und R0 laut gewählter Widerstände (siehe 2.2.1) Bei 100Ω fließt nicht der höchstmögliche Strom. Wie aber in der nächsten Simulation zu sehen ist befinden wir uns nahe an dieser Grenze. Um genau zu sein fehlen 0,025547mA. Page 13/19
Simulation mit UB = 15V; RLast = 0Ω ; RGL = 1350Ω; R0 = 755Ω; RGL und R0 laut gewählter Widerstände (siehe 2.2.1) Der bei RLast fließende Strom ist 0,3354mA kleiner als erwartet. Simulation mit UB = 15V; RLast = 0Ω ; RGL = 1350Ω; R0 = 729,52128Ω; RGL laut gewählter Widerstände (siehe 2.2.1) 0,00003% von 10mA weg Der Sweetspot für den R0 Widerstand befindet sich bei 729,52128Ω. Dieser Wert ist 3,8% kleiner als der Berechnete, jedoch ist zu beachten dass ein anderer Transistor verwendet wurde. Page 14/19
Simulation mit UB = 15V; RLast = 0Ω ; RGL = 1343Ω; R0 = 758,5Ω; RGL laut dimensionierter Widerstände (siehe 2.2.1) Der Strom der durch RLast fließt sollte eigentlich genau 10mA groß sein, jedoch befindet sich der Strom eher bei 9,62mA. Zugegebenermaßen wurde in der Simulation ein anderer Transistor verwendet, da der im Unterricht verwendete nicht in der Library von LTSpice verfügbar war. Es handelt sich um einen BC327, aber dieser hat nahezu gleiche Charakteristiken wie der BC307, der im realen Aufbau verwendet wurde. Andere Faktoren, wie die Verwendung einer Spannungsquelle, kann zu einem anderen Ergebnis beigetragen haben, um aber die Logik dahinter zu begründen verweise ich sie auf das Übungsblatt Lineare Spannungsregler 1, indem drinnen steht dass man die Zenerdiode durch eine Spannungsquelle ersetzen kann. Simulation UB=5-30V Das Ergebnis ist wie erwartet, zwar erreichen wir 10mA erst relativ spät bzw. bei einer hohen Spannung, aber die Funktion selber hat die gewünschte Form. Page 15/19
Simulation mit einer Diode: Die Simulation sieht richtig aus. Simulation mit zwei Dioden: Die Simulation sieht richtig aus. Page 16/19
Simulation mit drei Dioden: Die Simulation sieht richtig aus. Page 17/19
2.3 Einfache 2-Pol-Stromquelle mit JFET 2.3.1 Aufgabenstellung Wir sollten die Angegebene Schaltung Aufbauen dimensionieren und messen. 2.3.2 Dimensionierung Da wir als Ziel hatten, dass der J-FET ab einem Strom von 10mA zu sperren beginnt, mussten wir die UGS Spannung herausfinden ab welcher die Drain-Source Strecke zu sperren beginnt. Sie wurde uns von der Lehrkraft mit -2 V bis -3 V angegeben. Also mussten wir diese Spannung durch den gewünschten Last-Strom dividieren. R = UGS / IL = 2V / 10mA = 200 Ω 2.3.3 Aufbau Page 18/19
2.3.4 Simulation Simulation mit einer Diode (2N5484): Simulation mit einer Diode (2N5485): Page 19/19