2. Praktikum: Passive und aktive Bauelemente (Kondensator, Diode

Hochschule Darmstadt
Fb Informatik
20.03.2008
Materialien zum Praktikum Grundlagen der Technischen Informatik
Sommersemester 2008
Praktikum 2
Profs. R.S. Mayer, K. Frank
Praktikanten_________________________________________ Matrikelnr:_______________________
2. Praktikum: Passive und aktive Bauelemente (Kondensator, Diode, Transistor und
logische Schaltungen)
Themen: Kondensator, Bestimmung einer unbekannten Kapazität. Diode, Leuchtdiode,
Wechselspannung, Diode als Gleichrichter. CMOS-Inverter, Gatterlaufzeit, Latch-up, Oszilloskop als
Messinstrument, zeitlicher Verlauf von Spannung und Strom, Leistungsaufnahme von digitalen
Schaltkreisen, Darstellung von Daten in Diagrammen mit Hilfe von Spreadsheets (Excel, OpenOffice, …)
Aufgabe 1
Vorbereitung: Machen Sie sich mit den Eigenschaften von Feldeffektransistoren vertraut.
Zeichnen Sie zur Vorbereitung eine komplementäre MOS-Endstufe auf und erklären Sie die
Funktionsweise. Machen Sie sich anhand der Kennlinien (z.B. Skript) klar, wann – in
Abhängigkeit von der Eingangsspannung – welcher Transistor leitend wird.
Für die Durchführung des Versuchs stehen Ihnen wieder 3 Multimeter für die Messung von
Strom oder Spannung zur Verfügung.
a) An Ihrem Laborplatz finden Sie den
integrierten Baustein 74AC04, welcher 6 CMOS
Inverter enthält. Nehmen Sie die Beschaltung
wie in der Skizze gezeigt vor, und lassen Sie
sich Ihren Aufbau VOR dem Einschalten der
Versorgungsspannung abnehmen.
b) Schalten Sie die Versorgungsspannung ein.
Prüfen Sie Ihre Schaltung, indem Sie an den
Eingang (Pin 1) zuerst ein Low-Signal (L)
geben. Welche Antwort erhalten Sie am
Ausgang (Pin 2)? Geben Sie jetzt ein HighSignal auf den Eingang und prüfen Sie die
Spannung am Ausgang. Notieren Sie Ihre
Beobachtungen. Stimmen dies mit Ihren
Erwartungen überein? Messen und notieren
Sie für beide Fälle den Strom, welche die
Schaltung verbraucht.
Beachten Sie: Bei der Messung der Spannung am Ausgang des Inverters fließt Strom durch
das Messgerät, weil ein Voltmeter stets einen endlichen Innenwiderstand besitzt.
c) Berühren Sie jetzt mit einem Finger den Eingang. Was passiert am Ausgang? Berühren Sie
jetzt abwechselnd mit der anderen Hand den H- und den L-Pegel (bitte nichts anderes)? Was
beobachten Sie? Ist ein CMOS-Eingang eher niederohmig oder hochohmig, ist er eher
empfindlich oder unempfindlich? Warum sind die unbenutzten Eingänge der übrigen 5 Inverter
mit dem H-Pegel verbunden? Beobachten Sie auch die Stromaufnahme der Schaltung.
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Notieren Sie wieder Ihre Beobachtungen. Geben Sie ferner im Protokoll kurze Antworten und
Erklärungen auf die Fragen.
d) Schließen Sie jetzt ein Rechtecksignal vom Digiboard mit 10 Hz an den Eingang eines
Inverters. Beobachten und messen und notieren Sie den Strom, der vom Baustein verbraucht
wird. Geben Sie danach alle verfügbaren Frequenzen vom Digiboard bis zur höchst mögliche
auf den Eingang und wiederholen Sie die Beobachtung.
e) Schließen Sie ein Voltmeter an das Potentiometer
(Drehknopf links unten auf dem Digiboard) an. Drehen Sie den
Knopf und beobachten Sie die Spannung in Abhängigkeit der
Knopfstellung. Das Schaltsymbol des Potentiometers ist auf
der linken Seite der Abbildung gezeigt, das dem Potentiometers
entsprechende Ersatzschaltbild auf der rechten. Es handelt
sich um einen Spannungsteiler, bei dem die Summe beider
Widerstände konstant ist. Durch Drehen des Knopfes ändert
sich das Verhältnis der beiden Widerstände R1 und R2. Stellen
Sie im Protokoll die Formel auf, welche die Ausgangsspannung
in Abhängigkeit dieses Verhältnisses beschreibt.
f) Schließen Sie jetzt den Ausgang des Potentiometers auf den Eingang des Inverters. Drehen
Sie den Knopf wieder ganz nach links. Stellen Sie eine Tabelle auf mit Uein, I, und Uaus. Ändern
Sie jetzt in kleinen Schritten die Eingangsspannung und notieren Sie dazu jeweils die Werte für
den Strom für die Versorgung des Bausteins, die Eingangsspannung am Inverter und dessen
Ausgangsspannung. Besonders wichtig ist der Bereich um die halbe Versorgungsspannung.
Skizzieren Sie im Praktikum zur Kontrolle Ihrer Messung ein Diagramm für die Messwerte auf
normales kariertes Papier.
Für die Ausarbeitung tragen Sie die Werte mit einem Spreadsheet-Programm (wie MS Excel,
OpenOffice Calc, Lotus etc) in eine Tabelle ein, wobei die Spalten mit Uein, I und Uaus
gekennzeichnet sind. Erzeugen Sie mit dem Kalkulationsprogramm ein Diagramm und fügen
Sie geeignete Skalenbeschriftungen und Legenden an.
Wie erklären Sie sich die Erhöhung der Stromaufnahme, wenn die Eingangsspannung
zwischen L und H liegt? Was bedeutet dies für CMOS-Schaltungen (aus denen der
überwiegende Teil aller Computer besteht) wenn sehr viele Gatter (zig tausende) sehr oft (hohe
Taktfrequenz) gleichzeitig schalten?
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Aufgabe 2
Bitte skizzieren Sie den zeitlichen Verlauf der Aufladung des Kondensators C2. Bei diesem
Experiment ist die unabhängige Variable die Zeit. Die Spannung über dem Kondensator wird
als abhängige Variable interpretiert. Für den Schaltungsaufbau müssen der Ohmsche
Widerstand R5 und der Kondensator C2 in Reihe geschaltet werden.
a) Bitte skizzieren Sie eine Schaltung mit deren Hilfe Sie die Aufladung des Kondenstors C2
messen können.
b) Bitte ermitteln Sie Wertepaare für Aufladezeit und Spannung am Kondensator. Gehen Sie
bitte folgendermaßen vor:
•
•
•
•
•
Schalten Sie die Spannungsversorgung aus
Gewährleisten Sie, dass der Kondensator vollständig entladen ist
Stellen Sie für die Spannungsversorgung den maximalen Wer ein
Schalten Sie die Spannungsversorgung ein und beobachten Sie die Aufladung am
Kondensator mit einem Voltmeter
Lesen Sie die Spannung am Voltmeter regelmäßig ab. Sie können zur Messung der Zeit
die Uhr im Praktikumsraum verwenden.
c) Bitte zeichnen Sie mit Hilfe der ermittelten Wertepaare die Aufladekurve des
Kondensators C2.
d) Bitte schätzen Sie auf Basis der Aufladekurve die Kapazität des Kondensators C2 ab. Bitte
beschreiben Sie in einigen Sätzen wie Sie aus der Aufladekurve die Kapazität ermittelt haben.
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Aufgabe 3
Ausgehend von der Aufgabe 4 in Praktikum 1 soll die Strom-Spannungskennlinie einer Diode
für eine Wechselspannung aus dem Funktionsgenerator mit Hilfe eines 2-Kanal-Oszilloskops
(Hameg HM305) dargestellt werden. Ein Oszilloskop stellt in seiner häufigsten Anwendung
eine Spannung in Abhängigkeit der Zeit dar. Ein Oszilloskop durchfährt auf seinem Bildschirm
die Zeitachse in x-Richtung von links nach rechts. Unser Oszilloskop kann zwei Kurven
(Kanäle) gleichzeitig darstellen. In y-Richtung wird die gemessene Spannung als leuchtende
Kurve dargestellt. Der Start eines Durchlaufs erfolgt mit dem sogenannten Trigger, sobald
eine bestimmte Triggerschwelle überschritten ist. Die Grundeinstellung für die Zeitbasis und
die Spannungsempfindlichkeit erhält man durch kurzes Drücken der Autoset-Taste (unter EinAus). Mit dem ersten Kanal wird die Wechselspannung dargestellt, mit dem zweiten Kanal der
Strom, welcher durch die Diode fließt. Dieser erzeugt an einem geeigneten Widerstand
(Innenwiderstand des Oszilloskops?) eine Spannung, welche direkt mit Hilfe der Messleitungen
am Oszilloskop gemessen werden kann.
Ein bereit stehender Funktionsgenerator liefert die Wechselspannung für den Versuch.
a) Zeichen Sie die Schaltung und markieren Sie die beiden Punkte, an denen die
Wechselspannung aus dem Funktionsgenerator am Eingang der Diode mit der ersten
Messleitung und der Strom durch die Diode mit der zweiten Messleitung gemessen werden
kann. Lassen Sie sich den Entwurf abnehmen. Die Masseverbindung der Messleitung muss
mit der Masse der Schaltung verbunden werden, um den Bezugspunkt für die Messung
herzustellen.
b) Bauen Sie die Schaltung auf und lassen Sie sich dies VOR Inbetriebnahme abnehmen.
Hinweis: Die Schaltung darf für diesen Versuch NICHT mit anderen Komponenten auf dem
Digiboard verbunden sein! Warum?
c) Die Schaltung wird zusammen mit einem Betreuer in Betrieb genommen. Dabei wird die
Wechselspannung aus einem Generator angeschlossen und die Einstellungen des Oszilloskops
vorgenommen.
d) Messen und notieren Sie die Periodendauer der Wechselspannung und bestimmen Sie
daraus die Frequenz in Ihrer Ausarbeitung.
In welchem Spannungsbereich bewegt sich die Kurve der Wechselspannung aus dem
Generator? Wo liegt der Nullpunkt?
Betrachten Sie den Verlauf der Spannung, den der von der Diode durchgelassenen Strom am
Messwiderstand erzeugt. Skizzieren Sie in Ihrem Protokoll den qualitativen Verlauf beider
Kurven und erklären Sie Ihre Beobachtung aus den Eigenschaften einer Diode.
e) Das Oszilloskop ist an einen PC angeschlossen. Die spezielle Software erlaubt, Messungen
am Monitor durchzuführen und die vom Oszilloskop erfassten Kurven u.a. als Bilddatei,
beispielsweise auf Ihren USB-Stick abzuspeichern.
f) Fertigen Sie zu Hause ein Protokoll des Versuchs an, mit den Schaltskizzen, Beobachtungen
und Messergebnissen und deren Auswertung. Fügen Sie, falls Ihnen möglich, das gespeicherte
Bild an.
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