1 Einleitung 2 Versuchsvorbereitung
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ELBA Versuch 2 Gruppe 1 Prof. Dr. Ing. P. M. Leiß Fachhochschule Bingen Fachbereich 2 – Technik, Informatik & Wirtschaft 1 Praktikum zum Modul ELBA im WS 0708 Einleitung Deckblatt zum Versuch V2 – Dioden Aufgabenstellung 1.1 Mit den folgenden Aufgaben werden das Verhalten und die Einsatzgebiete von verschieGruppennummer denen Diodentypen veranschaulicht. 1) 2 Versuchsvorbereitung GruppenteilnehmerIn 2.1 2) (am Versuchstermin!) Ausschaltverhalten von Dioden3) 2.1.1 Skizzieren Sie qualitativ dasProtokollführerIn Ausschaltverhalten einer Si-Diode, d.h. stellen Sie den Verlauf des Diodenstroms ID über der Zeit dar und erläutern und kennzeichnen Sie die RückwärtsDatum erholzeit trr ! Versuchsdurchführung Datum i(t) IF Testat Ja 1. Abgabe Testat Nein => 2. Abgabe erforderlich Begründung: t -IR Datum Rückwärtserholzeit Testat Ja Abbildung 1: Rückwärtserholzeit trr einer Diode bei Anlegen einer Rechteckspannung 2. Abgabe 2.1.2 Testat Nein => Wiederholung in einem Jahr Begründung: Ermitteln Sie die typischen Rückwärtserholzeiten verschiedener Diodentypen wie Schottky (z.B. BAT48), schnelle Kleinsignal (z.B. 1N4148) und Gleichrichter (z.B. 1N4007) mittels Datenblatt oder Recherche. Diodentyp Si-Diode (1N4007) Schottky-Dioden Kleinsignal-Dioden (1N4148) Rückwärtserholzeit trr 3 µs < 1 ns 4 ns Tabelle 1: Rückwärtserholzeiten 1 ELBA Versuch 2 Gruppe 1 2.2 2.2.1 Prof. Dr. Ing. P. M. Leiß Fachhochschule Bingen Fachbereich 2 – Technik, Informatik & Wirtschaft Spannungsverdopplung Wechselspannungsquelle Praktikum mit zum Modul ELBA im WS 0708 Deckblatt zum Versuch V2 – Dioden Erläutern Sie die prinzipielle Wirkungsweise, den zeitlichen Ablauf bei Anliegen einer Gruppennummer Wechselspannung sowie Unterschiede der beiden Schaltungen Villard und Delon. 1) GruppenteilnehmerIn (am Versuchstermin!) 2) 3) ProtokollführerIn Datum Versuchsdurchführung Datum TestatVillard Ja Abbildung 2: Schaltungen: und Delon 1. Abgabe Testatder NeinVerdopplung => 2. Abgabe erforderlich Beide Schaltungen, Villard und Delon, dienen der Eingangsspannung, Begründung: lediglich in der genauen Funktionsweise und den Bauteilanforderungen unterscheiden sich die beiden. • Villardschaltung: Bei der ersten negativen Halbwelle wirdDatum der Kondensator C1 auf die Spannung U1 aufgeladen. Bei der nächsten Halbwelle addiert sich beim Maschenumlauf zu U1 die Spannung von C1 hinzu und läd den Kondensator C2 auf ca. das doppelte von U1 . Testat Ja • Delonschaltung: 2. Abgabe Testat Nein => Wiederholung in einem Jahr Bei der Delonschaltung werden nacheinander die Kondensatoren C1 und C2 mit den Begründung: jeweiligen Halbwellen des Eingangsspannung aufgeladen. Durch deren Reihenschaltung addieren sich ihre Spannung zur doppelten der Eingangsspannung. 2.2.2 Welche Spannungsfestigkeit müssen die Dioden D1 und D2 , sowie die Kondensatoren C1 und C2 in den jeweiligen Schaltungen mindestens besitzen? • Villardschaltung: Bei der Villardschaltung muss C2 ca das doppelte von û1 vertragen. C1 nur ca. das einfache. Die Dioden D1 und D2 müssen wie C2 das doppelte û1 vertragen. • Delonschaltung: Bei der Delonschaltung müssen die Gleichrichterdioden D1 und D2 den doppelten Scheitelwert der Eingangswechslespannung vertragen. C1 und C2 müssen mindestens den Scheitelwert der Wechselspannung vertragen. 2 ELBA Versuch 2 Gruppe 1 Prof. Dr. Ing. P. M. Leiß Fachhochschule Bingen Fachbereich 2 – Technik, Informatik & Wirtschaft 2.2.3 Praktikum zum Modul ELBA im WS 0708 Können in beiden Schaltungen unter Umständen gepolte Kondensatoren zum EinDeckblatt zumallen Versuch V2 – Dioden satz kommen? Gruppennummer Antwort: 1) eines geringen Lastwiderstandes ( im ExNein. Bei der Villard-Schaltung könnte im Fall tremfall: ein Kurzschluss ) der Kondesator C1 verpolt geladen werden. 2.3 Ladungspumpe GruppenteilnehmerIn (am Versuchstermin!) (engl. charge 2) pump) 3) ProtokollführerIn Datum Versuchsdurchführung Datum Testat Ja 1. Abgabe Testat Nein => 2. Abgabe erforderlich Begründung: Abbildung 3: Ladungspumpe 2.3.1 Datum Funktionsprinzip: Ausgangspunkt UR im LOW-Bereich Testat Ja In der LOW-Phase von UR werden die Kondesatoren C1 und C2 jeweils fast auf die Spannung U1 geladen. Kommt 2.nun ein HIGH-Pegel von UR liegen die Spannung UR und die Abgabe Testat Nein => Wiederholung in einem Jahr Spannung vom Kondensator C1 UC1 in ReiheBegründung: und laden (pumpen) die Spannung an C2 auf ca. UC2 = UR + UC1 − UD2 hoch. Bei Vernachlässigung der Durchlassspannungen der Dioden gilt U2 = U1 + UR (1) • Die Durchlassspannung der Dioden spielt deswegen in der Praxis keine Rolle, weil diese im Vergleich zur Ausgangsspannung vernachlässigbar klein ist. Diese Ladungspumpen werden auch oft als Kaskaden hintereinander geschaltet um hohe Spannungen zu erzeugen, da spielen 0,7 V irgendwann keine Rolle mehr. • Kondensatoren, oder besser gesagt deren Kapazität, spielen keine Rolle bei der Höhe der Ausgangsspannung, weil sie immer auf û aufgeladen werden. Der einzige Unterschied besteht darin das die in ihnen gespeicherte Energie variiert, welche die Welligkeit der Ausgangsspannung prägt. • Wenn ein Signal, in diesem Fall hier UR , in seiner Frequenz geändert wird ändert das Signal nicht seine Amplitude, also auch nicht seine Spannungsamplitude. 3 ELBA Versuch 2 Gruppe 1 Prof. Dr. Ing. P. M. Leiß Fachhochschule Bingen Fachbereich 2 – Technik, Informatik & Wirtschaft 2.3.2 Praktikum zum Modul ELBA im WS 0708 Erläutern Sie die Auswirkung auf die Deckblatt zumAusgangsspannung Versuch V2 – Dioden U2 , jeweils mit und ohne Lastwiderstand RL an A-A’ bei Gruppennummer • Variation der Größe von C2 1) • Variation der Taktfrequenz des Rechtecksignals 2) GruppenteilnehmerIn Antwort: (am Versuchstermin!) Im Leerlauf, RL nicht an Klemmen A-A’, spielen weder eine Änderung an C2 noch an 3) der Taktfrequenz des Rechtecksignals eine eine Rolle bei der Charakteristik der Ausgangsspannung. Im Fall der Belastung, RL ProtokollführerIn an Klemmen A-A’ gilt: Datum • bei Erhöhung (Verringerung) des Taktsignals von UR verringert (erhöht) sich die Versuchsdurchführung Welligkeit der Ausgangsspannung. Datum • bei Erhöhung (Verringerung) der Kapazität von C2 verringert (erhöht) sich die WelTestat Ja ligkeit der Ausgangsspannung. 2.3.3 1. Abgabe Testat Nein => 2. Abgabe erforderlich Begründung: Die 1N4148 Dioden, Schottky-Dioden, wären besser, weil sie eine viel kürzere Rückerholzeit haben, was bei einem Einsatz mit hochfrequenten Signal eine bessere Lösung wäre. 2.4 Datum Spannungsstabilisierung mit Z-Dioden Testat Ja 2. Abgabe Testat Nein => Wiederholung in einem Jahr Begründung: Abbildung 4: Beispielschaltung mit Z-Dioden 2.4.1 • Bis zum ersten Knickpunkt von UA verhält sich die Schaltung, wegen der Hochohmigkeit (hier: Z-Dioden ideal → Leerlauf) der Z-Dioden, wie ein Spannungsteiler. Somit UA = UE · 4 RL RL + RV (2) ELBA Versuch 2 Gruppe 1 Prof. Dr. Ing. P. M. Leiß Fachhochschule Bingen Fachbereich 2 – Technik, Informatik & Wirtschaft Sobald beide Dioden,Praktikum Z1 und Z haben, zum Modul ELBA im WS 0708 bei UA = 5,4 V (4,7 V + 2 , durchgeschaltet 0,7 V), ändert sich der Verlauf der Ausgangsspannung. Deckblatt zum Versuch V2 – Dioden • Nach dem Knickpunkt bei UA = 5, 4 V gilt: Gruppennummer UA = URZ + UZ2 − UZ1 1) UA = URZ + 0, 7 V − (−4, 7 V) UA = UR +2) 5, 4 V GruppenteilnehmerIn Z (am Versuchstermin!) UA = IR RZ + 5, 4 Z V 3) mit den Formeln = IRV − IRL UA IRL =Datum Versuchsdurchführung RL U E − UA IRV =Datum RV IRZ ProtokollführerIn (3) (4) (5) Testat Ja ergibt sich 1. Abgabe U − U E A =>U Testat Nein 2.AAbgabe erforderlich − RZ + 5, 4 V Begründung: RV RL UE − UA UA = − RV RL UE UA UA = − − Datum RV RV RL UE −R − 5,4 V V Ja RZ Testat = − R1Z − R1V − R1L UA = UA − 5, 4 V RZ UA 5, 4 V − RZ RZ UA 2. Abgabe (6) Testat Nein => Wiederholung in einem Jahr Begründung: • Für UE < 0 sieht man leicht, dass Formel (2) bis zum negativen Knickpunkt noch Gültigkeit besitzt und das ab dem Knickpunkt, mit analoger Überlegung wie bei Formel (6), gilt: UA = UE −R + V − R1Z − 5 5,4 V RZ 1 RV − 1 RL (7) ELBA Versuch 2 Gruppe 1 Prof. Dr. Ing. P. M. Leiß Tabelle1 Fachhochschule Bingen Fachbereich 2 – Technik, Informatik & Wirtschaft 2.4.2 Praktikum zum Modul ELBA im WS 0708 Deckblatt zum Versuch V2 – Dioden Ausgangsspannung in Volt 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 -1,00 -2,00 -3,00 Gruppennummer -16,0 -8,1 0,0 8,1 GruppenteilnehmerIn 16,0 (am Versuchstermin!) -6,0 -5,4 0,0 2) 5,4 6,0 1) -4,00 3) -5,00 -6,00 -17,50 -15,00 -12,50 -10,00 -7,50 -5,00 -2,50 0,00 2,50 5,00 7,50 10,00 12,50 15,00 17,50 Eingangsspannung in Volt ProtokollführerIn Abbildung 5: Versuchsdurchführung Datum UA = f (UE ) U E Datum Berechnung der Knickpunkte für UE > 0 V mit Formel (2) UA = UE · Testat RL Ja RL + RV Testat 100Nein Ω => 2. Abgabe erforderlich 5, 4 V = UE · Begründung: 100 Ω + 50 Ω 5, 4 V · (100 Ω + 50 Ω) UE = 100 Ω UE = 8, 1 V 1. Abgabe Datum Wenn UE > 8, 1 V gilt Formel bzw. der Verlauf der Formel (6). Weil Formel (6) eine Testatweiteren Ja Geradengleichung ist reicht die Berechnung eines Punktes aus um den Verlauf zu skizzieren. Mit UE = 16 V gilt: 2. Abgabe UA UA Testat Nein => Wiederholung in einem Jahr 5,4 V V Begründung: − 16 50 Ω − 5 Ω = − 51Ω − 501Ω − 1001 Ω = 6, 087 V Berechnung der Knickpunkte für UE < 0 V mit Formel (2) (Wegen der Gegenschaltng der Z-Dioden gilt Formel (2) auch für negative Spannungen) RL RSeite L + 1RV 100 Ω −5, 4 V = UE · 100 Ω + 50 Ω −5, 4 V · (100 Ω + 50 Ω) UE = 100 Ω UE = −8, 1 V UA = UE · 6 ELBA Versuch 2 Gruppe 1 Prof. Dr. Ing. P. M. Leiß Fachhochschule Bingen Fachbereich 2 – Technik, Informatik & Wirtschaft Analog zur Bestimmung des Spannungsverlaufs vonimUWS 8, 1 V werden hier für UE < Praktikum zum Modul ELBA 0708 E > −8, 1 V die entsprechenden Werte mit UE = −16 V in die Formel (7) eingesetzt. Deckblatt zum Versuch V2 – Dioden 5,4 V V − −16 50 Ω + 5 Ω − 51Ω − 501Ω − 1001 Ω 1) V = −6, 087 UA = Gruppennummer UA 2.4.3 GruppenteilnehmerIn (am Versuchstermin!) 2) Die oben dargestellte Schaltung werde zu einem 3) einfachen Spannungsstabilisator für positive Eingangsspannungen umgebaut, indem Z2 und RZ jeweils durch ideale Kurzschlussbrücken ersetzt werden. Die Schaltung soll dann für einen Eingangsspannungsbereich von UEmin = 9 V < UE < 16 VProtokollführerIn = UEmax eingesetzt werden. Für den Lastwiderstand RL gelte: RU = 220 W < RL < 240 W = RO . Datum Versuchsdurchführung 2.4.4 Datum Für eine gute Dimensionierung der Schaltung gelten IZmin = IZmax /10 sowie die gleichJa zeitige Erfüllung der beiden Bedingungen UTestat Emin − UA > RV · (IZmin + UA /RU ) sowie UEmax − UA < RV · (IZmax + UA /RO ). Erläutern Sie, wie die beiden letztgenannten VorgaAbgabe Testat Nein => 2. Abgabe erforderlich ben für den Vorwiderstand1.R V zustande kommen! Begründung: Erklärung: • Salopp gesagt bedeutet die erste Bedingung, dass RV so niederohmig sein muss, dass Datum genug Strom fließt um gute Spannungsstabilisierung zu haben. Ja • Die zweite Bedingung besagt, dass RV Testat so hochohmig sein muss, um die Diode vor möglicher Überlast zu schützen. 2. Abgabe Testat Nein => Wiederholung in einem Jahr Begründung: Herleitung: Die beiden genannten Bedingungen sind im Grunde Knotengleichungen. Die Spannungsdifferenz links der Ungleichung beschreibt den Spannungsabfall an RV . Durch RV fließt der Gesamtstrom also muss gelten UEmin − UA > IZmin + UA /RU RV Gesamtstrom > Summe der minimalen möglichen Teilströme Für die andere Bedingung ( Extremfall ) muss gelten UEmax − UA < IZmax + UA /RO RV Gesamtstrom < Summe der maximal möglichen Teilströme 7 ELBA Versuch 2 Gruppe 1 Prof. Dr. Ing. P. M. Leiß Fachhochschule Bingen Fachbereich 2 – Technik, Informatik & Wirtschaft 2.4.5 Praktikum zum Modul ELBA im WS 0708 Rechnen Sie die SchaltungDeckblatt durch und Grenzen für den Vorwiderstand RV zum geben VersuchSie V2 die – Dioden an. Geben Sie alle Werte der Reihe E24 an, die zulässig sind! Gruppennummer Berechnung von RV : Zur Berechnung von RV muss der IZmax der 1)Diode bekannt sein. Diesen entnehmen wir für die Z-Diode 1N5337B dem Datenblatt. GruppenteilnehmerIn (amIVersuchstermin!) Zmax = 1010 IZmin = 2) mA 10103)mA = 101 mA 10 einsetzen in die Bedingungen: Für RVmax gilt ProtokollführerIn UEmin − UDatum A Versuchsdurchführung IZmin + UA /RU 9 V − 4, 7 V Datum > RV > RV 101 mA + 4, 7 V/220 Ω Testat RV Ja< 35, 14 Ω Für RVmin gilt 1. Abgabe Testat Nein => 2. Abgabe erforderlich Begründung: UEmax − UA < RV IZmax + UA /RO 16 V − 4, 7 V < RV Datum 1010 mA + 4, 7 V/240 Ω RV > 10, 98 Ω Testat Ja Zusammenfassend: 2. Abgabe 36 Ω > RVTestat > 11 Ω=> Wiederholung in einem Jahr Nein Begründung: • Erlaubte Widerstandswerte nach E24 (±5%): 12 Ω, 13 Ω, 15 Ω, 16 Ω, 18 Ω, 20 Ω, 22 Ω, 24 Ω, 27 Ω, 30 Ω, 33 Ω 11 Ω und 36 Ω fallen wegen der Toleranz heraus. 2.4.6 Für welche maximale Verlustleistung muss etwa ein Vorwiderstand RV = 22 Ω ausgelegt sein? Berechnung von Plos : URV 2 RV (16 V − 4, 7 V)2 = 22 Ω = 5, 80 W Plos = Plos 8 ELBA Versuch 2 Gruppe 1 Prof. Dr. Ing. P. M. Leiß Fachhochschule Bingen Fachbereich 2 – Technik, Informatik & Wirtschaft 2.4.7 Praktikum zum Modul ELBA im WS 0708 Die Schaltung soll nun auch für Lastströme 0 A (RL → ∞) funktionieren. Wie Deckblatt zum Versuchbis V2 –zu Dioden ändern sich die beiden Bedingungen für RV ? Überprüfen Sie, ob bzw. welche Dimensionierung aus 2.4.5 noch denGruppennummer Anforderungen genügt! Was müsste ggf. verändert werden? 1) Antwort: RL → ∞ bedeutet, dass der Laststrom in der Betrachtung der Stabilisierung wegfällt. Der 2) minimale Vorwiderstand muss etwas größer gewählt werden und der maximale VorwiderGruppenteilnehmerIn (am Versuchstermin!) stand kann etwas größer ausfallen. Was in der Bilanz bedeutet, dass der 12 Ω Widerstand 3) wegen der Toleranz jetzt herausfällt. 2.4.8 ProtokollführerIn Geben Sie den Wirkungsgrad η der Z-Stabilisierung allgemein als Funktion von UA , UE , Datum RV und RL an! Versuchsdurchführung Datum Wirkungsgrad: η= 1. Abgabe Für Pab sieht man leicht, dass Pab = UA 2 RL Pab Testat Ja Pzu (8) Testat Nein => 2. Abgabe erforderlich gilt.Begründung: Für Pzu gilt Pzu = Iges · UE U Datum E − UA = · UE RV Testat Ja UE2 − UE UA = RV Nein => Wiederholung in einem Jahr 2. Abgabe Testat Begründung: In Formel (8) eingesetzt η= UA2 RV RL (UE2 − UE UA ) 9 (9)
