gleichrichter

5.Messverstärker und -gleichrichter
Christoph Mahnke
11.5.2006
1 Dierenzverstärker.
um den Nullpunkt gelegt. Hierbei trat trotz
der Spannungsdierenz UD = U2 − U1 = 0 eine kleine Ausgangsspannung mit der Spannung
(p-p) Ua = 61 mV und der Frequenz f =50 Hz
(Netzspannungsfrequenz) auf (siehe Abb. 2).
Abbildung 1: Schaltung Dierenzverstärker
Abb. 1 zeigt den Schaltplan eines Dierenzverstärkers. Hierbei wird die Dierenz der Eingangsspannungen U2 und U1 verstärkt, der
Verstärkungsfaktor ist durch die Wahl der Wi- Abbildung 2: Ausgangsspannung bei U1 =
derstände RG und RE bestimmt. Es ergibt sich U2 = 0 nach Osetabgleich
für die Ausgangsspannung :
Ua = (U2 − U1 )
RG
RE
(1)
Die Schaltung wurde aufgebaut mit den Wi- Wichtige Verstärkereigenschaften sind die
Gleich- und Gegentaktverstärkungen. Dazu
derständen
wurde je ein Eingang auf Masse gelegt und in
einen Eingang eine Sinusspannung eingespeist
RG = 1 MΩ
(Gegentaktverstärkung) sowie beide EingänRE = 10 kΩ
ge gleichzeitig an den Funktionsgenerator angeschlossen (Gleichtaktverstärkung der SinusDies ergibt eine theoretische Verstärkung der
spannung). Es wurde eine Eingangsspannung
Dierenzspannung von
mit einer Frequenz von
Vtheo = 40 dB
,die Betriebsspannung war U± = ±12 V. Zunächst wurde dann ein Osetspannungsabgleich durchgeführt, d.h. durch eine Manipulation eines OV-internen Widerstandes die Ausgangsspannung bei U1 = U2 = 0 symetrisch verwendet.
1
fe = 33 Hz
und der minimalen Gleichtaktverstärkung (37,4 dB) als
Tabelle 1: Gegentaktverstärkung
U1 = 0, U2 = U0 (sin ωt)
UD /mV Ua /V Vgegen /dB
25
2,3
39,3
56
5,3
39,5
100
9,5
39,6
146
14
39,8
203
20
39,9
U1 = U0 (sin ωt), U2 = 0
UD /mV Ua /V Vgegen /dB
31
2,5
38,1
50
4,3
39,1
100
9,7
39,6
150
14,7
40,0
200
20
40,0
G = 77, 1 dB
2 Instrumentationsverstärker.
Es zeigten sich bei Eingangsspannungen mit
Amplituden (p-p) gröÿer als 300 mV Übersteuerungen des Verstärkers. Aus Tab. 1 ist
zu entnehmen, dass die Verstärkung für Ue <
50 mV noch nicht optimal, aber für die weiteren Werte dicht an der theoretischen Verstärkung liegen. Die Verstärkungen sind dabei symetrisch für die beiden Eingänge und es ergibt
sich durch Mittelung eine experimentelle Gegentaktverstärkung von
Abbildung 3: Schaltung Instrumentationsverstärker
Es wurde ein Instrumentationsverstärker gemäÿ Abb. 3 aufgebaut. Hierbei bilden OV1 und
OV2 als zwei nichtinvertierende Verstärker jeVgegen,exp = 39, 7 dB
weils 2 hochohmige Eingänge. Der OV3 bildet
mit den Widerständen R3 und R4 einen DieNun wurde Gleichtaktverstärkung untersucht. renzverstärker, an dessen Eingängen die Ausgangsspannungen des OV1 und des OV2 anliegen. Diese Spannungen U10 und U20 sind vom
Tabelle 2: Gleichtaktverstärkung
veränderbaren Widerstand R1 abhängig. Nach
dem Superpositionsprinzip ergibt sich für die
Ue = U0 sin(ωt)
Ausgangsspannung
U0 /V Ua /mV Vgleich /dB
0,05
81
4,19
¶
µ
R3
2R2
0,6
75
-18,1
·
(2)
Ua = (U2 − U1 ) · 1 +
1,6
75
-26,4
R1
R4
3,4
87
-31,8
6,0
81
-37,4
Für den Instrumentationsverstärker wurden
nun wieder Gegentakt- und Gleichtaktverstärkung für verschiedene Werte von R1 aufgeEs zeigt sich eine von der Eingangsspannung nommen. Hierfür wurden folgende Widerstännahezu unabhängige Ausgangsspannung.
de verwendet :
Die Gleichtaktunterdrückung ergibt sich demnach aus der Gegentaktverstärkung (39,7 dB)
R2 = R3 = R4 = 10 kΩ
2
menhang zwischen Verstärkung und Widerstandswert R1 deutlich. Die Verstärkung ist
umgekehrt proportional zu R1 (siehe Abb.4).
Tabelle 3: Gegentaktverstärkung
U1 = U0 (sin ωt), U2 = 0
R1 /kΩ U1 /mV Ua /V Vgegen /dB
1
212
4,45
26,4
1,11
212
4,03
25,6
1,25
212
3,59
24,6
1,43
215
3,18
23,4
1,66
215
2,75
22,2
2
215
2,34
20,8
2,5
215
1,94
19,1
3,33
21
1,50
17,0
5
212
1,09
14,2
10
215
0,688
10,1
U1 = 0, U2 = U0 (sin ωt)
R1 /kΩ U2 /mV Ua /V Vgegen /dB
1
212
4,44
26,4
1,11
212
4,06
25,6
1,25
215
3,63
24,6
1,43
215
3,19
23,4
1,66
215
2,81
22,4
2
215
2,38
21,0
2,5
215
2,00
19,4
3,33
212
1,56
17,3
5
212
1,06
14,0
10
212
0,687
10,2
Die Gleichtaktverstärkung wurde ebenfalls
aufgenommen. Es zeigt sich wie beim Dierenzverstärker (siehe Tab. 2) eine nahezu konstante Ausgangsspannung.
Tabelle 4: Gleichtaktverstärkung
R1 /kΩ
1
2,5
5
10
Ue = U0 sin(ωt)
Ue /V Ua /mV Vgleich /dB
0,88
9
-39,8
0,88
10
-38,8
0,88
15
-35,4
0,88
11
-38,0
Nach der Variation von R1 wurde eine Verstärkung von 40 dB eingestellt (R1 = 200 Ω)und
die Frequenzabhängigkeit der Verstärkung und
Phasenverschiebung untersucht. Hierfür wurde
in Gegentaktbeschaltung (U1 = 0) gearbeitet.
Tabelle 5: Frequenzabhängigkeiten Gegentaktverstärkung
f /kHz
0,04
0,10
0,15
0,50
1,00
1,57
5,00
10,0
20,0
28,0
50,0
100
150
250
500
Abbildung 4: Gegentaktverstärkung bei Variation von R1
Ue /mV
100
106
106
106
106
106
106
106
106
106
106
106
106
106
106
Ua V
9,69
10,3
10,3
10,3
10,3
10,3
10,2
9,84
8,75
7,80
5,63
3,28
2,25
1,50
0,937
Bei Auftragung der Messwerte wird der in
Gleichung (2) theoretisch auftretende Zusam- Für Gleichtakt ergibt sich :
3
V /dB
39,8
39,8
39,8
39,8
39,8
39,8
39,6
39,4
38,4
37,4
34,6
29,8
26,6
23,0
18,9
ϕ /◦
0
3,6
3,6
3,4
7,3
5,6
10
22
35
43
61
80
83
90
109
Zum Abschluss wurde das Schaltverhalten des
Tabelle 6: Frequenzabhängigkeiten GleichtaktInstrumentationsverstärkers untersucht. Hierverstärkung
für wurde bei eine Rechteckspannung als Ein◦
gangsspannung (Gegentaktverstärkung ) bef /kHz Ue /V Ua mV V /dB ϕ /
nutzt und die Zeit gemessen, die das Ausgangs0,04
9,8
5,0
-65,8
-14
signal bis zum Erreichen von 70% der Maxi0,10
9,8
7,0
-63,0
-8
malspannung benötigt.
0,15
9,8
6,5
-63,6
0
0,50
9,8
7,6
-62,2
50
Tabelle 7: Schaltzeiten
1,00
9,6
9,2
-60,4
67
1,50
9,6
12
-58,0
80
Einschaltzeit Auschaltzeit
5,00
9,8
26
-51,6
95
5,74 µs
6, 02 µs
10,0
9,8
52
-45,4
98
28,0
9,8
122
-38,2 125
50,0
9,8
168
-35,4 145
100
9,5
200
-33,6 169
150
9,8
220
-33,0 180
Aus den Messwerten wurden die BodeDiagramme für Gegentaktverstärkung und
Gleichtaktunterdrückung erstellt :
Abbildung 7: Bestimmung der Einschaltzeit
(Eingangsspannung, Ausgangsspannung)
3 Zweiwegegleichrichter.
Ein Zweiwegegleichrichter wurde gemäÿ Abb.
8 aufgebaut.
Abbildung 5: Gegentaktverstärkung
Abbildung 8: Schaltung Zweiwegegleichrichter
Hierbei wurde zunächst ohne Kondensator aufgebaut und der Widerstand
Abbildung 6: Gleichtaktunterdrückung
R = 10 kΩ
4
verwendet. Als Eingangsspannung wurde eine Sinusspannung verwendet. Sie zeigt ein
dementsprechendes Fourierspektrum (ein einziger hoher Peak bei einer Frequenz) welches durch Störungen leider verrauscht ist. Der
Peak ist jedoch in Abb. 9 ganz links gut zu erkennen.
Abbildung 11: Eingangsspannung, Ua2 und
Ausgangsspannung
Die Einggangsspannung wird im OV1 negiert.
Liegt eine positive Eingangsspannung an, so ist
Ua1 negativ und die Diode D2 wird leitend. In
diesem Falle ist Ua2 ≈ 0, 7 V (Spannungsabfall an D2). Ist die Eingangsspannung negativ,
so wird D1 leitend und der Widerstand koppelt den OV gegen. Ua2 ist in diesem Falle etwa
−(0, 7 V + Ue ).
Abbildung 9: Eingangsspannung mit FourierDer OV 2 (invertierend) verstärkt die Spanspektrum
nung (2Ua1 + Ue ) zur Ausgangsspannung Ua .
Diese ist zunächst eine gepulste Gleichspannung mit einem hohen Stromuÿwinkel. Durch
Zuschalten des Kondensators CG kann die AusBei Ausgangsspannung sind die negativen gangsspannung geglättet werden. Die Glättung
Halbwellen von Ue nach oben geklappt. Es steigt dabei mit zunehmender Kapazität (Abb.
zeigt sich ein höherer Stromuÿwinkel als bei 12)
einer Graetz-Brücke.
Abbildung 12: Ausgangsspannung für verschiedene Kapazitäten
Zur Untersuchung der Linearitätsgrenzen
reichte die Zeit leider nicht aus.
Abbildung 10: Ausgangsspannung mit Fourierspektrum
Die Funktionsweise des Zweiwegegleichrichters
wird klar, wenn man die Spannungsverläufe für
Ue , Ua2 und Ua betrachtet (Abb. 11).
5