Grundschaltungen der Elektronik
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Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden FAKULTÄT ELEKTROTECHNIK University of Applied Sciences Praktikum Elektronik für Wirtschaftsingenieure Versuch 2 Grundschaltungen der Elektronik 1 Allgemeine Hinweise Die Aufgaben zur Versuchsvorbereitung sind vor dem Versuchstermin von jedem Praktikumsteilnehmer als Hausaufgaben schriftlich auszuführen. Sie sind Bestandteil des Protokolls und werden in die Bewertung des Versuches einbezogen. Ebenso zur Vorbereitung des Praktikums gehört, sich über alle Versuchsaufgaben zu informieren und diese soweit das möglich ist theoretisch vorzubereiten (Formeln, Diagramme, Tabellen, Literaturstudium). Die Zahlenwerte für Ströme, Spannungen, Widerstände usw. in dieser Versuchsanleitung sind Richtwerte. Durch Ersatzbestückung oder notwendige Änderungen können sich etwas abweichende Werte ergeben. In jedem Falle sind die Werte in der am Versuchsplatz ausliegenden Anleitung maßgebend. Jede Praktikumsgruppe fertigt ein Protokoll an, welches innerhalb von 2 Wochen abzugeben ist. Die im Versuch erforderlichen Diagramme sind auf Millimeterpapier zu zeichnen. Schirmbilder oszillografischer Messungen können auch als Foto eingefügt werden. Bei der Versuchsdurchführung sind die Messschaltungen mit Hilfe der am Versuchsplatz vorliegenden Experimentierplatinen aufzubauen. Dazu werden die Bauelemente durch Verbindungskabel bzw. -brücken mit dem Experimentierplatinen verbunden und die Stromversorgung sowie Messgeräte angeschlossen. Beachten Sie: Auf- und Abbau der Messschaltungen und alle Veränderungen an der Messschaltung dürfen nur im spannungslosen Zustand vorgenommen werden (Netzschalter). Die Polarität der unsymmetrischen (einseitig geerdeten) elektronischen Messgeräte ist zu beachten. Für die bequeme Übernahme der Schirmbilder bei oszillografischen Messungen wird die Verwendung einer Kamera (Handykameras nur bedingt geeignet) empfohlen. 2 Vorbereitungsaufgaben (1) Lösen Sie für die Versuche 3.1 bis 3.3 die dort angegeben Vorbereitungsaufgaben. Die Aufgaben sind auf einem Extrablatt anzufertigen und vor Versuchsbeginn vorzulegen. (2) Informieren Sie sich vorher über die Verwendung und Funktionsweise von Funktionsgeneratoren und Oszilloskopen. Version 14/09/2016 1 3 Versuchsaufgaben 3.1 Einweggleichrichter Schaltung: Ri ˆ sin t U e i(t) C Ra u a t Bild 2.1: Einweggleichrichterschaltung mit Siebkondensator und Lastwiderstand Vorbereitungsaufgaben: 1. Zeichnen Sie die Kennlinie einer Halbleiterdiode. Markieren Sie dabei die unterschiedlichen Betriebsbereiche. 2. Zeichnen Sie für die Einweggleichrichterschaltung schematisch den Verlauf der Ausgangsspannung u a t bei sinusförmiger Eingangsspannung u e t sowohl mit als auch ohne Ladekondensator C. Welche Funktion hat der Ladekondensator C ? 3. Zeichnen Sie die Schaltung einer Brückengleichrichterschaltung ohne Ladekondensator. Stellen Sie schematisch den Verlauf der Ausgangsspannung u a t bei sinusförmiger Eingangsspannung u e t dar. Welche Vor- und Nachteile haben beide Gleichrichterschaltungen ? Messaufgaben: Bauen Sie die Einweggleichrichterschaltung nach Bild 2.1 auf. Benutzen Sie dazu als Eingangsspannungsquelle den Funktionsgenerator. Dieser Generator hat einen Innenwiderstand R i 50 . Für den Lastwiderstand R a sind die Widerstandsdekaden zu nutzen. Stellen Sie am Generator eine sinusförmige Spannung mit einer Frequenz von 50 Hz und einer ˆ 6 V ein. Stellen Sie die Zeitablenkung so ein, dass zwei Perioden Amplitude von U e dargestellt werden. Stellen Sie oszillografisch die Ein- und Ausgangsspannungen für folgende Fälle dar: 1. Lastwiderstand R a in den Stufen 400 , 1 k und Leerlauf R a , ohne Ladekondensator. 2. Lastwiderstand R a in den Stufen 400 , 1 k und Leerlauf R a mit Ladekondensator C 47 F . 3. Lastwiderstand R a in den Stufen 400 , 1 k und Leerlauf R a mit Ladekondensator C 100 F . Version 14/09/2016 2 Ohne Kondensator, R a 400 Ohne Kondensator, R a 1 k Notieren Sie zu jedem Oszillogramm unbedingt die Ablenkfaktoren der x- und y-Achse ! Ohne Kondensator, R a Version 14/09/2016 3 C 47 F , R a 400 C 47 F , R a 1 k Notieren Sie zu jedem Oszillogramm unbedingt die Ablenkfaktoren der x- und y-Achse ! C 47 F , R a Version 14/09/2016 4 C 100 F , R a 400 C 100 F , R a 1 k Notieren Sie zu jedem Oszillogramm unbedingt die Ablenkfaktoren der x- und y-Achse ! C 100 F , R a Version 14/09/2016 5 2.2 Stabilisierungsschaltung mit Z-Diode Schaltung: I Ia RV U e U e IZ Ra U a U a Bild 2.2: Stabilisierungsschaltung mit Z-Diode Vorbereitungsaufgaben: In diesem Versuch wird eine Z-Diode mit U z 4.7 V (Nennspannung) und einer maximalen Verlustleistung von 5W verwendet. Um thermische Probleme zu umgehen und den Kühlaufwand zu minimieren, darf die Z-Diode im Versuch nur mit einer maximalen Verlustleistung Pmax 720 mW betrieben werden! 1. Zeichnen Sie die Kennlinie einer Z-Diode. Markieren Sie dabei die unterschiedlichen Betriebsbereiche und tragen Sie wichtige Parameter ein. In welchem Bereich wird die Z-Diode bei Stabilisierungsschaltungen betrieben ? 2. Zeichnen Sie unter Verwendung der Ersatzschaltung einer Z-Diode das zu der Schaltung in Bild 2.2 zugehörige Groß- und Kleinsignalersatzschaltbild. 3. Berechnen Sie für die gegebene Z-Diode ( Uz 4.7 V , Pmax 720 mW ) bzw. die gegebene Schaltung folgende Werte: - den maximalen Strom I z max , näherungsweise unter Vernachlässigung von rz . - den minimalen Strom I z min , wenn I z min 0.2 I z max gilt. - den Vorwiderstand R V , wenn U e 16 V 4 V ist. - den kleinstmöglichen Lastwiderstand, so dass gerade noch I z min fließt (unter Vernachlässigung von rz ). 4. Leiten Sie aus dem Kleinsignalmodell die Gleichung zur Berechnung der Änderung von U a bei gegebener Änderung der Eingangsspannung U e her. Messaufgaben: Bauen Sie die Stabilisierungsschaltung nach Bild 2.2 auf. Benutzen Sie dazu als Eingangsspannungsquelle das Labornetzteil. Für den Lastwiderstand R a sind die Widerstandsdekaden zu nutzen. 1. Ermitteln Sie messtechnisch die Kennlinie der Z-Diode im Sperr- und Durchbruchsbereich (ohne Lastwiderstand) : Messen Sie dazu im Durchbruchsbereich zwei Arbeitspunkte bei I z max und I z min sowie drei Arbeitspunkte im Sperrbereich (2V, 3V, 4V). Hinweis: Die Ströme im Sperrbereich sind gegenüber den Strömen im Durchbruchsbereich sehr klein ! Bestimmen Sie aus den Messwerten im Durchbruch den differentiellen Widerstand rz und die Z-Spannung U z 0 . Version 14/09/2016 6 Uz Differentieller Widerstand: rz Z-Spannung: Uz0 Iz Kennlinie einer Z-Diode im Sperr- und Durchbruchsbereich 2. Ermitteln Sie messtechnisch die Abhängigkeit der Ausgangsspannung bei Leerlauf, wenn sich die Eingangsspannung zwischen 12 V und 20 V ändert. Vergleichen Sie die Messwerte mit berechneten Werten. Nutzen Sie dazu das Großsignalmodell und die ermittelten Werte für rz und U z 0 . Zeichnen Sie die gemessenen und die berechneten Werte ein. Skalieren Sie für diese Aufgabe die Achse für U a geeignet ! Ua Ue Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Eingangsspannung bei Leerlauf Version 14/09/2016 7 3. Ermitteln Sie messtechnisch die Abhängigkeit der Ausgangsspannung vom Lastwiderstand R a bei einer Eingangsspannung von 16 V. Variieren Sie dazu R a zwischen 100 und 1 k in Stufen von 100 , sowie bei Leerlauf, d.h. R a . Skalieren Sie dazu die Achse für U a geeignet ! Ua Ra : Ua Ra Abhängigkeit der Ausgangsspannung vom Lastwiderstand bei U e 16 V 4. Ermitteln Sie messtechnisch die Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Eingangsspannung bei einem Lastwiderstand von R a 100 . Variieren Sie dazu die Eingangsspannung im Bereich von 0 V bis 20 V in Stufen von 2 V. Skalieren Sie dazu die Achse für U a geeignet ! Approximieren Sie die Messkurve durch zwei Geraden und zeichnen Sie diese ein. Interpretieren Sie das Ergebnis. Ua Ue Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Eingangsspannung bei R a 100 Version 14/09/2016 8 2.3 Nichtlineares Bauelement (Glühlampe) Schaltung: Ia Ri Ua Uq Bild 2.3: Grundstromkreis mit nichtlinearem Bauelement (Glühlampe) Vorbereitungsaufgaben: 1. Gegeben ist ein aktiver Zweipol mit einer Leerlaufspannung von U L 20 V und einem Innenwiderstand R i 100 . Zeichnen Sie die Kennlinie dieses Zweipols. 2. Gegeben ist die Kennlinie eines nichtlinearen Bauelementes, beispielsweise einer Glühlampe. Diese wird mit dem aktiven Zweipol verbunden. Wie ermittelt man den sich einstellenden Arbeitspunkt ? Veranschaulichen Sie das Vorgehen grafisch. Messaufgaben: 1. Bauen Sie aus dem Netzteil und einem Widerstand einen aktiven Zweipol entsprechend Vorbereitungsaufgabe 1. auf. Messen Sie dessen Kennlinie (Zwei Messpunkte). 2. Ermitteln Sie messtechnisch die Kennlinie der Glühlampe (Nennspannung 18V, Nennstrom 0.1 A). Benutzen Sie dazu als Spannungsquelle das Labornetzteil. Achten Sie darauf, dass die Nennspannung nicht überschritten wird! 3. Schalten Sie den aktiven Zweipol und die Glühlampe zusammen. Ermitteln Sie grafisch den sich einstellenden Arbeitspunkt U a ,Ia . Prüfen Sie durch Messung diese ermittelten Werte nach. I Grafisch ermittelt: Ua Ia Meßwerte: Ua Ia U Kennlinien der Glühlampe, des aktiven Zweipoles und Arbeitspunkt bei Zusammenschaltung Version 14/09/2016 9
