Übung Nr. A2 Inhaltsverzeichnis
Werbung
Fakultät für Physik 21. November 2016 Prof. Dr. M. Weber, Dr. K. Rabbertz B. An, B. Oldenburg, T. Schuh, B. Siebenborn Übung Nr. A2 Inhaltsverzeichnis 2.1 Diodenkennlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2.2 Vollweggleichrichtung (S) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2.3 Spannungsquelle mit Zener-Diode (S) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.4 Spannungsvervielfacher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.5 Spannungsstabilisiertes Netzgerät . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.1 Diodenkennlinien Diodenkennlinien werden mit Hilfe der Schaltung nach Abb. 1 dargestellt. Als Wechselspannungsquelle dient der Funktionsgenerator im Dreiecksbetrieb. Der Transformator ergibt die nötige Potentialfreiheit. Arbeiten Sie bei niedrigen Frequenzen (unter 100 Hz), da der Transformator sonst das Signal so verformt, daÿ die Kennlinien nur schwer zu erkennen sind. Achtung! Beginnen Sie mit kleinen Amplituden und erhöhen Sie nur langsam, sonst riskieren Sie, das Bauteil zu zerstören. Der Strommeÿwiderstand Teil 1: Ri muÿ ausreichend groÿ (z.B. 100 Ω) gewählt werden. Zunächst wird die Gleichspannungsquelle in Abb. 1 durch einen Kurzschluÿ ersetzt. Beobachten 1 Sie zuerst die kompletten charakteristischen Kennlinien dieser Dioden : • eine Si-Allzweckdiode (z.B. 1N4148) • eine Si-Schottky-Diode (z.B. 1N5818) • eine Ge-Allzweckdiode (z.B. OA95) 1 Die Allzweckdiode und die Zener-Diode nden Sie auf dem Komponentenbrett, die anderen beiden können Sie dem Bauteilekasten entnehmen und in die Leerhalterung einsetzen. Z=50Ω 1:2 D u x(t) Ri u y (t) + − Abbildung 1: Schaltung zur Darstellung der Strom-Spannungs-Charakteristik einer Diode D Z Praktikum zur Vorlesung Einführung in die Elektronik 2 An die Übersicht über die charakteristischen Kennlinien dieser Dioden müssen sich einige Detailmessungen anschlieÿen: Aus der inversen Steigung der Durchlaÿkennlinie in einem Arbeitspunkt dynamischen Widerstand r bei einem Strom über Gl. 2 die Temperaturspannung UT IA (z.B. IA = 30 mA und weiter mit Gl. 1 den Wert von I U = I S e UT − 1 r ≈ A, d.h. dem bei der Si-Diode 1N4148) erhält man IS für diese Diode. (1) UT IA (2) Eventuell ist hier bereits die Kurvensteigung zu steil, um sie präzise messen zu können. Der relevante Kurvenbereich kann vergröÿert dargestellt werden, indem die Gleichspannungsquelle wie in Abb. 1 hinzugefügt wird. Nun wird am Netzgerät der ungefähre Arbeitspunkt eingestellt und mit Hilfe der Wechselspannungsquelle nur ein Bereich von etwa ±5 mA um A dynamisch durchlaufen. Am Oszilloskop wird bei gleichspannungsentkoppeltem x-Eingang (Eingangsschalter auf AC) eine Gerade dargestellt, deren Steigung problemlos meÿbar ist. (Die Gleichspannungsentkopplung, d.h. ein eingefügter Kondensator, bewirkt eine geringe Phasenverschiebung, die sich dadurch äuÿert, daÿ die Gerade zu einer schmalen Ellipse wird.) Allerdings kann so natürlich nicht der Absolutwert der für Gl. 1 benötigten Spannung U gemessen werden. Diese Messung muÿ vorher im DC-Betrieb gemacht werden. Teil 2: Untersucht wird eine Si-Zener-Diode (z.B. ZD6.8). Zeichnen Sie zuerst die komplette charakte- ristische Kennlinie dieser Diode. Anschlieÿend untersuchen Sie die Zener-Impedanz genauer: Die inverse Steigung der Kennlinie der Zener-Diode im Zener-Gebiet bei einem Strom rZ . IA ergibt die Zener-Impedanz Diese Steigung ist aber so groÿ, daÿ die Ablesung am Oszilloskop Schwierigkeiten macht. Daher wird der Arbeitspunkt A (IA = 30 mA) wie oben beschrieben mit einer zusätzlichen Gleichspannungsquelle eingestellt. Beachten Sie, daÿ man jetzt natürlich eine negative Spannung braucht, um den gewünschten Arbeitspunkt einzustellen. 2.2 Vollweggleichrichtung (S) Die Schaltung nach Abb. 2a) wird mit einem Sinus-Signal von umgekehrten Transformator, vier Si-Allzweckdioden Teil 1: Die Gleichspannung U0 100 Hz und ca. 2 und einem Ladekondensator am unbelasteten Ausgang (RL = 100 kΩ) 5 V Amplitude, dem C = 10 µF aufgebaut. wird mit dem Scheitelwert der Wechselspannung verglichen. Teil 2: Dann werden mit einem Lastwiderstand (RL mittlere Ausgangsspannung Teil 3: Aus U0 , Ua und Ua RL = 2.2 kΩ) ergibt sich die Ausgangsimpedanz Za = (U0 − Ua ) Teil 4: die Brummspannung uSS und die gemessen. RL Ua Za = ∆U/∆I : (3) Finden Sie die Näherungsformeln 4 und 5 bestätigt? uSS = Za = Ia 2f C 1 4f C (4) (5) 2 Die Dioden sind in einer integrierten Grätz-Gleichrichterschaltung (A0503) enthalten. Falls sich keine auf Ihrem Komponentenbrett bendet, können Sie einen vorhandenen IC gegen eine Grätz-Schaltung aus dem Bauteilekasten austauschen. Praktikum zur Vorlesung Einführung in die Elektronik 3 Za Ua D1 + D3 ue C D2 Ia U0 RL Ua − D4 Abbildung 2: a) Grätz-Schaltung zur Vollweggleichrichtung, b) Gleichstromersatzschaltung + Za R + U − UZ RL RL − Abbildung 3: a) Stabilisierte Gleichspannungserzeugung, b) Gleichstromersatzschaltung 2.3 Spannungsquelle mit Zener-Diode (S) Die Schaltung nach Abb. 3a) wird mit Teil 1: von 10 V U = 10 V und 20 V und Schätzen Sie aus der Änderung der Leerlaufspannung nach 20 V R = 220 Ω ∆UZ aufgebaut. bei Änderung der Betriebsspannung unter Verwendung der Näherung 6 die Zener-Impedanz rZ ab. Der Eingangsschalter des Oszilloskops steht dabei auf DC. rZ ≈ Teil 2: Bestimmen Sie rZ ∆UZ R ∆U bei ∆UZ ∆U (6) UZ bei unterschiedlicher BeRL (1 kΩ, 330 Ω) über den 100 Hz-Schalter S Funktionsgenerator (f < 100 Hz, U = 12 V) angesteuert. dynamisch wie folgt: Kleine Änderungen von lastung werden mit der Variation des Lastwiderstands erreicht. Dieses Doppelrelais wird durch den Die Amplitude ∆UZ der resultierenden Rechtecke kann am Oszilloskop (Eingangsschalter auf AC) ge- messen werden. Wie beim Experimentiervorschlag 3.3 ergibt sich daraus die Ausgangsimpedanz, hier die Zener-Impedanz rZ . Unterschiedliche Ergebnisse der nach verschiedenen Methoden bestimmten rZ -Werte sind hauptsäch- lich durch die Nichtlinearität der Zener-Kennlinie bedingt. 2.4 Spannungsvervielfacher Die Schaltung nach Abb. 4a) wird mit der Maximalspannung des Funktionsgenerators (f Si-Allzweckdioden und C1 = 10 µF, C2 = 1 µF aufgebaut. > 100 Hz), vier Praktikum zur Vorlesung Einführung in die Elektronik 4 C2 C2 Za D1 D2 D3 + D4 Ua C1 C1 Ua 4U0 − Ia RL Abbildung 4: a) Spannungsvervielfacher, b) Gleichstromersatzschaltung Ia 2N2219 Ua T D3 D1 1k 1.5k 230V ~ 14V A0503 ~ 220µ 100n D2 1k D4 S Z 6.8 Abbildung 5: Spannungsstabilisiertes Netzgerät Teil 1: Ua und die Brummspannung uSS in Abhängig220 kΩ) oszilloskopisch. Bei der Messung von Ua steht der Oszilloskop-Eingangsschalter auf DC (Eingangswiderstand Re typisch 1 MΩ), bei der Messung von uSS auf AC (Re = ∞). Die zusätzliche Belastung der Kaskade durch Re soll durch Verwendung eines 10:1-Tastkopfes (frequenzkompensierter Spannungsteiler, Re typisch 10 MΩ) verringert werden. Bestimmen Sie die mittlere Ausgangsspannung keit von der Belastung (RL Teil 2: = ∞, 1 MΩ, 470 kΩ Ermitteln sie die Ausgangsimpedanz Za und gemäÿ Gl. 3 und vergleichen sie mit Gl. 8. Ebenso uSS mit Gl. 7: 2.5 uSS = Za = 3Ia f C1 1 3 5 ( + ) f C1 C2 (7) (8) Spannungsstabilisiertes Netzgerät Im Vorgri auf weitere Transistorversuche in der nächsten Übung kann schon hier eine Schaltung mit Emitterfolger untersucht werden. Das spannungsstabilisierte Netzgerät gemäÿ Abb. 5 besteht aus einem Netztransformator im Steckernetzteilgehäuse und einem nachgeschalteten Brückengleichrichter mit Puerkondensator. Die nachfolgende Spannungsstabilisierung enthält den Emitterfolger T, dessen Basisspannung mit Hilfe einer Zener-Diode konstant gehalten wird. Im Stabilisierungsbereich beträgt die Ausgangsimpedanz UT /Ia . Dabei kann die Temperaturspannung UT ≈ 25mV Za der Schaltung nach Gln. 9 und 10 etwa eingesetzt werden. Praktikum zur Vorlesung Einführung in die Elektronik Teil 1: Bestimmen Sie Za 5 unter Verwendung der in Abb. 5 dargestellten Lastwiderstände. Dazu wird mit einem Relais, das periodisch den zweiten Lastwiderstand zuschaltet eine Schwankung der Ausgangsspannung verursacht, die dann mit dem Oszilloskop im AC-Betrieb gemessen werden kann. Das Relais kann entweder mit dem Frequenzgenerator, oder direkt am Steckernetzteil betrieben werden. Die Schalt- 100 Hz liegen. Vergleichen Sie ∆Ua = Za ∆Ia folgt Za ≈ ∆Ua /6 mA. frequenz muÿ dabei wegen der mechanischen Trägheit des Schalters unter den Wert der Ausgangsimpedanz mit dem erwarteten Ergebnis. Aus Teil 2: Ua (Ia ) der Schaltung durch Messen von 22 Ω. Der Transistor wird dabei sehr schnell heiÿ. Vermeiden Bestimmen Sie die Strom-Spannungs-Charakteristik Ua (RL ) für Lastwiderstände RL bis hinab zu Sie daher längere Belastungsdauern und überwachen Sie die Transistortemperatur ständig. Za = rB ≈ rB + rZ rB rB + rZ ||RE ||rc ≈ ≈ β+1 β β UT UT · β = IB Ia (9) (10)
