FH Stralsund / Labor Analoge Schaltungen Namen: Versuch AST 3 ____________________________________ Gruppe: Bewertung: ____________________________________ ____________________________________ Datum: Versuch AST 3 Leistungsverstärker und Stromversorgung 1. Zielstellung des Versuches Im Versuch AST 3 beschäftigen Sie sich zunächst mit Leistungsverstärkern und bestimmen wichtige Kennwerte unter Nutzung geeigneter Lastszenarien. Diese Lastanordnungen nutzen Sie auch zur Bestimmung der Kenndaten von Netzteilen vom einfachen klassischen Analogregler bis zu modernen DC-DC-Wandlern und Schaltnetzteilen. Bauelemente und Meßtechnik: Oszilloskop, 3 Multimeter, 1 HF-Röhrenvoltmeter Verbindungsleitungen: 4 lila, 4 gelb lang, 10 blau mittellang, 10 braun kurz, 20 Stecker weiss Vorbereitungs- und Versuchsaufgaben: V Lastschaltungen R-Last / elektronische Last ELV-Datenblatt V Low cost NF-Verstärker, Klirrfaktormessungen ELV-Datenblatt V Class-T-Verstärker ELV-Datenblatt V DC-DC-Wandler 2x ELV-Datenblatt + Anhang D Schaltnetzteile – Grundlagen in DCDC_LaborGraz und Tektronix Analognetzteile (Konstantspannungsregler) vgl. AST 4 u.a. Hinweis: Ggf. arbeiten Sie mit anderen DC-DC-Wandlern als in der Versuchsanleitung angegeben ! Beachten Sie dabei die Grenzwerte der Ihnen vorliegenden Unterlagen ! V - Voraussetzung für die Versuchsdurchführung ist die Lösung der Vorbereitungsaufgaben ! Nebenrechnungen bitte beifügen ! D – Durchlesen in Vorbereitung des Versuches Hinweise / Sicherheitshinweise Bei statischen Messungen messen Sie die Ein- und Ausgangsspannung jeweils mit den Multimetern im DC-Betrieb, bei dynamischen Messungen bilden Sie den Zeitvorgang mit dem Oszilloskop ab. Nutzen Sie zur Messung höherfrequenter Spannungen das Röhrenvoltmeter ! Sie arbeiten ausschließlich mit Kleinspannungen und nie mit Netzspannung ! Im Notfall schalten Sie mit dem Sicherheitstaster am Arbeitsplatz das gesamte Labor stromlos! FH Stralsund, FB ETI - Luschtinetz – 01.02.2004 / Labor AST 3 - 75807046 Seite 1 / 10(10) FH Stralsund / Labor Analoge Schaltungen V1 V1.1 Versuch AST 3 Lastschaltungen für Verstärker und Netzteile Vorbereitungsaufgaben Widerstandslasten können sehr einfach durch Parallel- und Reihenschaltung von Widerständen realisiert werden. Geben Sie die mit 4 Widerständen von 8 Ohm / 20 W möglichen Schaltungsvarianten inkl. der max. zulässigen Spannung und Leistung an ! Im Versuch nutzen Sie eine derartige Schaltung, ergänzt um eine temperaturabhängige Lüftersteuerung. Skizze Rges Pmax Umax V1.2 Arbeiten Sie die Unterlage zur einfachen elektronischen ELV-Last durch. Erläutern Sie den R-Betrieb (Widerstandsbetrieb) und zeichnen Sie die dazu benutzte OPVSchaltung einschließlich FET T1 aus dem Schaltplan heraus ! Relevante Schaltung bei R-Betrieb: Funktionsprinzip: FH Stralsund, FB ETI - Luschtinetz – 01.02.2004 / Labor AST 3 - 75807046 Seite 2 / 10(10) FH Stralsund / Labor Analoge Schaltungen Versuch AST 3 Elektronische Lasten werden für das automatisierte Testen, das Abfahren von Lastprofilen und für die Untersuchung des Zeitverhaltens bei Lastsprüngen benötigt. Wichtig ist dazu die Steuerbarkeit, d.h. Stellbarkeit des Widerstandswertes. Dies kann natürlich einfach mit (elektronischen) Relais und ohmschen Widerständen realisiert werden, das Prellen mechanischer Relais ist aber meist störend... Eleganter sind hier elektronische Lasten, d.h. der Widerstandswert ist mit einer Steuerspannung einstellbar. Man verwendet Sie in Test- und Prüfständen für elektronische Produkte wie Sensoren, Verstärker, Akkumulatoren, Brennstoffzellen usf. Folgende Lastprofile und Betriebsarten sind sinnvoll: - Widerstandslast (unipolar bei Netzteilen, bipolar bei AC-Verstärkern) - Konstantstromlast (Stromsenke bei Spannungsquellen, meist Einquadrantenbetrieb; Vierquadrantenbetrieb beinhaltet die Rückspeisung in die Quelle) - Konstantspannungsbetrieb (bei Stromquellen) - Schalterbetrieb, dadurch minimierte Leistung in der Last - ggf. Betrieb mit Leistungsrückspeisung ins Versorgungsnetz anstelle thermischer Leistungsabgabe der Last Notieren Sie die wesentlichen Leistungsmerkmale der obigen elektronischen Last: A1 Elektronische Last A1.1 Versuchsaufgaben und Auswertung Überprüfen Sie die korrekte Funktion der Widerstandslast im R- und I- Betrieb und geben Sie die Grenzwerte für diese elektronische Last an, die nicht überschritten werden dürfen. o IK = 200 mA bei UE = 5 V einstellen und Konstanz bei Veränderung von UE prüfen o R = 10 Ohm UE = 5 V einstellen und Ue verändern, Grenzen von Ue angeben und begründen FH Stralsund, FB ETI - Luschtinetz – 01.02.2004 / Labor AST 3 - 75807046 Seite 3 / 10(10) FH Stralsund / Labor Analoge Schaltungen 2 Low-Cost Verstärker mit TDA 2006 V2 Low-Cost-Verstärker V2.1 A2 Versuch AST 3 Schaltung Vorbereitungsaufgaben Analysieren Sie die Schaltung! Erläutern Sie die Betriebsspannungsversorgung der beiden OPV aus der unipolaren Betriebsspannung von max. 30 V ! Erfassen Sie die signalseitige Verschaltung der beiden Leistungs-OPV und die Anschaltung des Lastwiderstandes am Ausgang ! Wie groß sind die maximale Sinusausgangs- und Musikausgangsleistung (unten bei theoretisch notieren) ? Welche Spannungsverstärkung realisiert der Verstärker? Welche Funktion haben die Dioden D1 bis D4 ? Low-Cost-Verstärker A2.1 Versuchsaufgaben und Auswertung Ermitteln Sie bei einer Versorgungsspannung von 30 V die technischen Daten des Verstärkers bei max. unverzerrter Sinusaussteuerung und bei Rechteckspeisung (Musikleistung) und vergleichen Sie diese mit den Datenblattwerten (sind eingetragen) ! Bestimmen Sie die Grenzfrequenz des Verstärkers ! RL = Psinmax Pgessinmax sinmax kbei 80% Pmusmax Pgesmusmax musmax fgo Psinmax Datenblatt 20 W 31,5 W 64% 0,22 theoretisch ______ _______ gemessen 16 Ohm Datenblatt 30,7 W theoretisch ______ 58,2 W 53% 0,25 _______ gemessen 8 Ohm FH Stralsund, FB ETI - Luschtinetz – 01.02.2004 / Labor AST 3 - 75807046 Seite 4 / 10(10) Versuch AST 3 FH Stralsund / Labor Analoge Schaltungen 3 Class-T-Verstärker Schaltung V3 Class-T-Verstärker Vorbereitungsaufgaben V3.1 A3 A3.1 Arbeiten Sie die Beschreibung durch und notieren Sie die Vorteile dieses Verstärkertyps ! Bestimmen Sie die Grenzfrequenz der Ausgangsfilter bei gegenphasiger Aussteuerung der Ausgänge ! Ermitteln Sie für eine Versorgungsspannung von 12 V und RL = 8 bzw. (4) Ohm die theoretisch für einen Brücken-Gegentaktverstärker erreichbaren Leistungsdaten (Schaltung wie in VA2) ! Class-T-Verstärker Versuchsaufgaben und Auswertung Ermitteln Sie bei einer Versorgungsspannung von 12 V und einem Lastwiderstand von RL = 8 Ohm die technischen Daten des Verstärkers bei max. unverzerrter Sinusaussteuerung und bei Rechteckspeisung (Musikleistung) und vergleichen Sie diese mit den Datenblattwerten ! Vermeiden Sie unbedingt eine Masseschleife zwischen Ein- und Ausgang !! – d.h. Massefreiheit des Eingangs bzw. des Ausgangs sicherstellen ! RL= 8 Ohm Psinmax Pgessinmax sinmax kbei 80% Pmusmax Pgesmusmax musmax fgo Psinmax Datenblatt: theoretisch: gemessen: FH Stralsund, FB ETI - Luschtinetz – 01.02.2004 / Labor AST 3 - 75807046 Seite 5 / 10(10) FH Stralsund / Labor Analoge Schaltungen Versuch AST 3 4 DC-DC-Step-up-Wandler für kleine Leistungen V4 DC-DC-Wandler für kleine Leistungen V4.1 Vorbereitungsaufgaben Arbeiten Sie die Beschreibung durch und berechnen Sie folgende Teilaspekte: - Frequenz des mit IC1/A+B gebildeten Oszillators, - Hysterese und Schaltpunkt des mit IC1/C+D gebildeten Komparators, - Verstärkungsfaktor und obere Grenzfrequenz von IC 2 Vgl. Ausarbeitung von stud.-ing. Tietz im Anhang A4 A4.1 Ue = 3.0 DC-DC-Wandler für kleine Leistungen Versuchsaufgaben und Auswertung Nehmen Sie für einen Ihnen zugeteilten DC/DC-Wandler die Ein- und Ausgangsleistung bei unterschiedlichen Eingangsspannungen und Lastströmen auf, bestimmen Sie dabei neben dem Wirkungsgrad auch die Welligkeit der Ausgangsspannung und ggf. die Werte an den inneren Meßpunkten ! Grafische Darstellung Ie, Ua, n = f(Pa) ! Ua = Ie = Ia = Pe = Pa = n= UaAC = Step – up und Step – down – Wandler im Einsatz eines FH Stralsund, FB ETI - Luschtinetz – 01.02.2004 / Labor AST 3 - 75807046 Seite 6 / 10(10) FH Stralsund / Labor Analoge Schaltungen Versuch AST 3 Laborversuches für Studenten 3.1 Step – up –Wandler (Conrad) Dieser Abschnitt beschäftigt sich mit der praktischen Umsetzung eines Step – up – Wandlers. Die Grundschaltung eines sekundärgetakteten Aufwärtswandlers ist in Abbildung 3.1 dargestellt. Auf die grundlegende Funktionsweise wurde in Kapitel 1 eingegangen. Abbildung 3.1: Grundschaltung Aufwärtswandler Der Wandler der Firma Conrad soll zu Demonstrationszwecken in einem Laborversuch im Bereich analoge Schaltungstechnik eingesetzt werden. Das Schaltbild des Step – up – Wandlers ist in Abbildung 3.2 dargestellt. Die eingefügten Ziffern im Schaltbild stehen für die einzelnen Messabgriffe in der Schaltung. Schaltbild (Abbildung 3.2) Technische Daten Step – up – Wandler: Eingangsspannung: Ausgangsspannung: Restwelligkeit: Ausgangstrom: Schaltrequenz: 5 – 10V 10 – 20V <100mV bei 1A max. 1A ca. 25kHz Für die folgenden Messungen wurde eine Eingangsspannung von 5V bei einer Eingangsstromstärke von 0,8A gewählt. Abbildung 3.3: Eingansspannung Der Oszillator in dieser Schaltung ist mit den Gattern IC 1 A, B, den Widerständen R 1, R 2 und dem Kondensator C 5 aufgebaut. Mit diesen Elementen wird die Taktfrequenz des Wandlers festgelegt, die hier bei ungefähr 25 kHz liegt. Abbildung 3.4 zeigt den Spannungsverlauf am Eingang 1 des IC 1 A. FH Stralsund, FB ETI - Luschtinetz – 01.02.2004 / Labor AST 3 - 75807046 Seite 7 / 10(10) FH Stralsund / Labor Analoge Schaltungen Versuch AST 3 Abbildung 3.4: Spannungsverlauf am IC 1 A Pin1 Dieser Verlauf zeigt den Lade- und Entladevorgang des Kondensators C 5 im Zusammenhang mit dem Widerstand R 1. Am Ausgang des Oszillators, am Pin 4 des IC 1 B, liegt dann ein Rechtecksignal mit einer Amplitude von 4,68V und einer Frequenz von 29 kHz an (Abbildung 3.5). Abbildung 3.5: Rechtecksignal am Ausgang des Oszillators IC 1 Durch den Tiefpass, der durch R3 und C6 realisiert ist, wird das Rechtecksignal in ein Sägezahnsignal umgewandelt (Abbildung 3.6). Abbildung 3.6: Sägezahnsignal am Tiefpass R3, C6 FH Stralsund, FB ETI - Luschtinetz – 01.02.2004 / Labor AST 3 - 75807046 Seite 8 / 10(10) FH Stralsund / Labor Analoge Schaltungen Versuch AST 3 Der Kondensator C7 hat die Aufgabe der Gleichspannungsentkopplung des Sägezahnsignals vom DC – Pegel des Oszillators vorzunehmen. Der IC 1 C,D in Verbindung mit R5 und R6 bilden einen Komparator dessen Schaltschwelle bei ungefähr UBetr/2 liegt. Das Sägezahnsignal zwischen R5 und C7 wird mit einer über R4 kommenden variablen Gleichspannung überlagert. Abbildung 3.7: Überlagerung Sägezahn mit var. Gleichspannung Somit verschiebt sich die Schaltschwelle des Komparators bezogen auf das Sägezahnsignal. Am Ausgang des Komparators (Pin11) liegt nun ein Rechtecksignal mit einem variablen Impuls – Pausen – Verhältnis an, das durch R4 einstellbar ist. Abbildung 3.8: PWM – Signal am Ausgang des Komparators Dieser Komparator arbeitet also als Pulsweiten – Modulator. Mit diesem Modulator in Verbindung mit R7, R8 und C12 wird der Leistungstransistor (Darlingtontransistor) T1 direkt angesteuert. Abbildung 3.9: Steuersignal des Leistungstransistors T1 Die Diode D1, die Ringkerndrossel L2 und der Ladeelko C8 entsprechen den in Abbildung 3.1 dargestellten Grundelementen des Step – up – Wandlers. Der Kondensator C9 hat lediglich die Aufgabe hochfrequente Störanteile herauszufiltern. An den Klemmen ST3 und ST4 steht nun die DC – Ausgangsspannung zur Verfügung. FH Stralsund, FB ETI - Luschtinetz – 01.02.2004 / Labor AST 3 - 75807046 Seite 9 / 10(10) FH Stralsund / Labor Analoge Schaltungen Versuch AST 3 Abbildung 3.10: Stabilisierte Ausgangsspannung Ua = 14,6V (bei Ue = 5V) Der Widerstandsteiler R12/R13 hat die Aufgabe, die Ist – Größe der Ausgangsspannung dem U Regler IC2 A zuzuführen. Die Sollspannung wird mit Hilfe der Leuchtdiode D2 und dem Widerstand R9 erzeugt, wobei die spannungsstabilisierenden Eigenschaften der Leuchtdiode genutzt werden. Die Einstellung der Soll – Spannung, somit auch der Ausgangsspannung, erfolgt mit dem Trimmer R10 in Verbindung mit R14. Die Sollspannung gelangt über den Festwiderstand R11 zum nicht invertierenden Eingang des Reglers. Die Ist- Spannung liegt am invertierenden Eingang an. Entsprechend der Differenz zwischen Soll – und Ist – Spannung steuert der Operationsverstärker IC2 A über den Widerstandsteiler R16/R17 den Eingang des Pulsweitenmodulators IC1 C,D an. Die Bauelemente R15 und C11 im Gegenkopplungszweig in Verbindung mit dem „Ist – Spannungsteiler“ erfolgt die Stabilisierung des Regelkreises. Die Spannungsversorgung der Schaltkreise IC1 und IC2 erfolgt aus der unstabilisierten Eingangsspanung, wobei durch die Drossel L1 in Verbindung mit den Kondensatoren C1 und C2 vorhandene Störsignale unterdrückt werden. FH Stralsund, FB ETI - Luschtinetz – 01.02.2004 / Labor AST 3 - 75807046 Seite 10 / 10(10)