Protokoll zum Leistungsverstärker im C Betrieb für das Labor zur

Leistungsverstärker im C Betrieb
Protokoll zum Leistungsverstärker im C Betrieb für
das Labor zur Hochfrequenztechnik
Technische Fachhochschule Berlin
Fachbereich VII (Elektrotechnik)
Studiengang: Kommunikationstechnik – Elektronik
Datum: 09.10.2006
Gruppe: III
Bearbeiter:
Marcel Rudolph
721262
Djamila Böthfüer
710391
Philipp Schütze
721628
_____________
_____________
_____________
Marcel Rudolph
Djamila Böthfüer
Philipp Schütze
Seite 1 von 18
Leistungsverstärker im C Betrieb
1.
Inhaltsverzeichnis
1.
2.
3.
Inhaltsverzeichnis ............................................................................................................... 2
Abbildungsverzeichnis ....................................................................................................... 3
Vorüberlegungen ................................................................................................................ 4
3.1. Aufgabenstellung ....................................................................................................... 4
3.2. Verwendete Geräte ..................................................................................................... 4
3.3. Versuchsaufbau .......................................................................................................... 5
3.3.1.
Anschlussbelegung ............................................................................................. 6
3.4. Theoretische Grundlagen ........................................................................................... 6
3.4.1.
Kollektorstrom ................................................................................................... 6
Gleichkomponente ......................................................................................................... 6
Grundfrequenz ................................................................................................................ 7
Höhere Spektralanteile ................................................................................................... 7
3.4.2.
Leistung .............................................................................................................. 7
3.4.3.
Wirkungsgrad ..................................................................................................... 7
4. Messungen .......................................................................................................................... 8
4.1. Betrieb als C-Verstärker ............................................................................................. 8
4.1.1.
Vorüberlegungen ................................................................................................ 8
4.1.2.
Messwerte........................................................................................................... 9
4.1.3.
Oszilloskopbilder ............................................................................................... 9
4.1.4.
Auswertung ...................................................................................................... 11
4.2. Betrieb als Amplitudenmodulator ............................................................................ 12
4.2.1.
Statische Modulationskennlinie ....................................................................... 12
Messwerte..................................................................................................................... 12
Auswertung .................................................................................................................. 12
4.2.2.
Modulatorbetrieb .............................................................................................. 13
Theoretischer Verlauf des AM Signals ........................................................................ 13
AM Signal (HF Ausgangsspannung) ........................................................................... 13
4.3. Betrieb als Frequenzverdoppler................................................................................ 14
4.3.1.
Theorie ............................................................................................................. 14
4.3.2.
Messwerte......................................................................................................... 14
4.3.3.
Oszilloskopbilder ............................................................................................. 15
4.3.4.
Auswertung ...................................................................................................... 17
Marcel Rudolph
Djamila Böthfüer
Philipp Schütze
Seite 2 von 18
Leistungsverstärker im C Betrieb
2.
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Interne Verschaltung des Messobjektes ............................................................... 5
Abbildung 2: Anschluss der Messgeräte an den Verstärker ...................................................... 6
Abbildung 3: Kollektorstrom und HF-Ausgangsspannung ........................................................ 8
Abbildung 4: Verlauf der Ausgangsspannung ......................................................................... 11
Abbildung 5: Verlauf der Ausgansleistung .............................................................................. 11
Abbildung 6: Verlauf der Ausgangsspannung und des Kollektorstroms ................................. 12
Abbildung 7: Verlauf von Wirkungsgrad und Leistung ........................................................... 13
Abbildung 8: Theoretscher verlauf des Amplitudenmodulierten Signals ................................ 13
Abbildung 9: AM Signal .......................................................................................................... 14
Abbildung 10: Theoretischer verluaf Kollektorstrom und Ausgangsspannung ....................... 14
Abbildung 11: Verlauf des kollektorstrom und der Ausgangsspannung ................................. 17
Abbildung 12: Verlauf der Leistung und des Wirkungsgrades ................................................ 18
Marcel Rudolph
Djamila Böthfüer
Philipp Schütze
Seite 3 von 18
Leistungsverstärker im C Betrieb
3.
Vorüberlegungen
3.1.
Aufgabenstellung
Es soll ein Verstärker im C Betrieb untersucht werden. Es sollen folgende Zustände
untersucht werden:
Betrieb als C Verstärker
Betrieb als Amplitudenmodulator
o Statische Modulationskennlinie
o Modulatorbetrieb
Betrieb als Frequenzverdoppler
3.2.
Verwendete Geräte
1. Phillips AC Millivoltmeter 2454B 10Hz-12MHz R254V4
2. Phillips AC Millivoltmeter 2554 2Hz-12MHz
3. Oszilloskop Tektronix 2205GN
4. Doppel-Stromversorgungsgerät EA30235
5. Breitbandgenerator Phillips PM5145 10Hz-200kHz
6. RC-Generator Phillips PM5109 10Hz-100kHz
7. Phillips PM2505 VAmeter für Strommessung
8. S&H µA Multizet für die Spannungsmessung
Marcel Rudolph
Djamila Böthfüer
Philipp Schütze
Seite 4 von 18
Leistungsverstärker im C Betrieb
3.3.
Versuchsaufbau
Abbildung 1: Interne Verschaltung des Messobjektes
Marcel Rudolph
Djamila Böthfüer
Philipp Schütze
Seite 5 von 18
Leistungsverstärker im C Betrieb
3.3.1.
Anschlussbelegung
Name
Bu1
Bu2
Bu3
Bu4
Vcc-NF
Vcc-HF
Funktion
Nutzsignaleinkopplung (NF für AM)
Trägereinkopplung (HF Träger)
Ausgang der Modulierten HF (AM Signal)
Kollektorstromauskopplung
Versorgungsspannung des NF Vorverstärkers
Versorgungsspannung des HF Verstärkers
Abbildung 2: Anschluss der Messgeräte an den Verstärker
3.4.
Theoretische Grundlagen
Die folgenden Formeln haben im überspannten Zustand keine Gültigkeit mehr!
3.4.1.
Kollektorstrom
Gleichkomponente
sin     cos 
I0  iˆ 
  (1  cos )
Marcel Rudolph
Djamila Böthfüer
Philipp Schütze
Seite 6 von 18
Leistungsverstärker im C Betrieb
Grundfrequenz
1
  sin2
2
Iˆ1  iˆ 
  (1  cos )
Höhere Spektralanteile
Iˆn  iˆ 
2
sin n  cos   n sin   cos n

  (1  cos )
n(n 2  1)
3.4.2.
Leistung
Allgemein lässt sich die Leistung aus der folgenden Formel errechnen
P  UV  I0
Bei Grundfrequenz ergibt sich die Signalleistung zu
P~ 
U hf
2
Rl
3.4.3.
Wirkungsgrad
1
P
Uˆ1 1   2 sin2


 
P UV 2 sin     cos 
Marcel Rudolph
Djamila Böthfüer
Philipp Schütze
Seite 7 von 18
Leistungsverstärker im C Betrieb
4.
Messungen
4.1.
4.1.1.
Betrieb als C-Verstärker
Vorüberlegungen
Es wurden alle Einstellungen gemäß dem Umdruck vorgenommen. Der Kollektorstrom
(untere Kurve, Oszilloskopeinstellungen 0,2V/div) und die HF-Ausgangsspannung (obere
Kurve, 5V/div) bei den geforderten Einstellungen (Ic = 130mA) zeigt Abbildung 3:
Kollektorstrom und HF-Ausgangsspannung.
Abbildung 3: Kollektorstrom und HF-Ausgangsspannung
Wie hängt die Lage der Einsattelung mit der HF- Ausgangsspannung zusammen?
Die Einsattelung kommt durch den Schwingkreis im Kollektorzweig zustande. Wird die
Schwingfrequenz erreicht ist die Phasenverschiebung 0°  die Einsattelung liegt genau in der
Mitte. Die Schwingfrequenz lässt sich Näherungsweise (Einwirkung der induktiven
Auskoppelung nicht berücksichtigt) wie folgt berechnen:
1
1
fres 

 232kHz
2 *  * L * C 2 *  * 120µH * 3,9nF
Bei Veränderung der Frequenz ergaben sich folgende Beobachtungen:
Aktion
Reaktion
Frequenz erhöhen
Einsattelung verschiebt sich nach rechts
Frequenz absenken
Einsattelung verschiebt sich nach links
Amplitude erhöhen
Einsattelung wird tiefer
Marcel Rudolph
Djamila Böthfüer
Philipp Schütze
Seite 8 von 18
Leistungsverstärker im C Betrieb
4.1.2.
Uin / V
Messwerte
Uout / V
0,300
0,600
0,900
1,200
1,500
1,800
2,000
2,100
2,300
2,700
3,000
3,300
Io / mA
P= / W
Wirkungsgrad /
%
P~ /W
0,000
0,000
0,000
0,000
-
0,000
0,000
0,000
0,000
-
0,000
0,000
0,000
0,000
-
0,002
0,037
0,000
0,000
0,029
0,255
6,200
0,074
0,001
1,860
2,250
40,000
0,480
0,108
22,440
5,500
65,000
0,780
0,644
82,515
6,100
85,000
1,020
0,792
77,618
7,300
145,000
1,740
1,134
65,163
7,700
160,000
1,920
1,261
65,703
7,850
170,000
2,040
1,311
64,270
7,950
180,000
2,160
1,345
62,256
Der Grenzgespanntezusatnd liegt zwischen 2,0V und 2,1V Eingangsspannung.
4.1.3.
Oszilloskopbilder
Die Reihenfolge entspricht den Messwerten in der Tabelle (Nulllinie für die 1. 3 Messungen.)
Marcel Rudolph
Djamila Böthfüer
Philipp Schütze
Seite 9 von 18
Leistungsverstärker im C Betrieb
Marcel Rudolph
Djamila Böthfüer
Philipp Schütze
Seite 10 von 18
Leistungsverstärker im C Betrieb
4.1.4.
Auswertung
9,000
8,000
7,000
6,000
5,000
4,000
Reihe1
3,000
2,000
1,000
0,000
0,000
0,500
1,000
1,500
2,000
2,500
3,000
3,500
-1,000
Abbildung 4: Verlauf der Ausgangsspannung
Verlauf der Ausgangsleistung
90,000
2,000
80,000
1,750
70,000
60,000
Ausgangsleistung in W
1,500
50,000
1,250
40,000
1,000
30,000
0,750
20,000
0,500
10,000
0,250
0,000
0,000
0,000
0,500
1,000
1,500
2,000
Eingangssannung in V
2,500
Gleichleistung
Abbildung 5: Verlauf der Ausgansleistung
Marcel Rudolph
Djamila Böthfüer
Philipp Schütze
Seite 11 von 18
3,000
HF Ausgangsleistung
-10,000
3,500
Wirkungsgrad
Leistungsverstärker im C Betrieb
4.2.
Betrieb als Amplitudenmodulator
4.2.1.
Statische Modulationskennlinie
Messwerte
Uv / V
Uaus/ V
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
0
1,96
3,5
5
6,3
7,75
9
10
11,4
12,5
14
15
16
Io /mA
0
69
110
142,5
170
192
213
235
255
275
290
310
325
wirkungsgrad
P= / W
P~ /W
/%
0,000
0,000
0,138
0,082
59,229
0,440
0,261
59,236
0,855
0,532
62,212
1,360
0,844
62,093
1,920
1,278
66,559
2,556
1,723
67,426
3,290
2,128
64,671
4,080
2,765
67,772
4,950
3,324
67,161
5,800
4,170
71,900
6,820
4,787
70,194
7,800
5,447
69,831
Auswertung
Verlauf von Io und Uhf
350
18
16
300
14
250
200
Io / mA
10
8
150
6
100
4
50
2
0
0
0
5
10
15
Uv / V
20
Kollektorstrom
25
Ausgangsspannung
Abbildung 6: Verlauf der Ausgangsspannung und des Kollektorstroms
Marcel Rudolph
Djamila Böthfüer
Philipp Schütze
Seite 12 von 18
30
Uhf / v
12
Leistungsverstärker im C Betrieb
9
100
8
90
80
7
70
Leistung / W
60
5
50
4
40
3
30
2
20
1
10
0
0
0
5
10
15
Uv / V
20
Gleichleistung
25
Wechselleistung
30
Wirkungsgrad
Abbildung 7: Verlauf von Wirkungsgrad und Leistung
4.2.2.
Modulatorbetrieb
Theoretischer Verlauf des AM Signals
Abbildung 8: Theoretscher verlauf des Amplitudenmodulierten Signals
AM Signal (HF Ausgangsspannung)
Marcel Rudolph
Djamila Böthfüer
Philipp Schütze
Seite 13 von 18
Wirkungsgrad / %
6
Leistungsverstärker im C Betrieb
Abbildung 9: AM Signal
Vordergrund 
Hintergrund 
Einstellungen 
4.3.
1kHz NF Signal
Moduliertes Signal (HF*NF)
1µs/div
Betrieb als Frequenzverdoppler
4.3.1.
Theorie
Abbildung 10: Theoretischer verluaf Kollektorstrom und Ausgangsspannung
Durch den Schwingkreis im Kollektorzweig kommt es dazu das die Spektralteile der
Sinuskuppen so gefiltert werden, dass es am Ausgang zu einer Frequenzverdopplung kommt.
4.3.2.
Messwerte
Uhfin /V
Uhfout /V
0,3
0,6
0,9
1,2
1,5
1,8
0,000
0,000
0,000
0,003
0,250
2,100
Marcel Rudolph
Djamila Böthfüer
Philipp Schütze
Io /mA
0,000
0,000
0,000
0,047
2,400
39,000
P= /W
0,000
0,000
0,000
0,001
0,029
0,468
P~ / W
0,000
0,000
0,000
0,000
0,001
0,094
Seite 14 von 18
Wirkungsgrad /%
0,000
0,000
0,000
0,000
4,617
20,049
Leistungsverstärker im C Betrieb
2,1
2,4
2,7
3
3,3
4,750
6,500
7,200
7,400
7,450
4.3.3.
95,000
150,000
195,000
240,000
280,000
1,140
1,800
2,340
2,880
3,360
0,480
0,899
1,103
1,165
1,181
42,110
49,941
47,136
40,455
35,146
Oszilloskopbilder
Die Reihenfolge entspricht denen der oberen Tabelle. Es lässt sich deutlich erkennen, dass je
höher die Eingangsspannung ist, je tiefer ist die Einsattelung.
Marcel Rudolph
Djamila Böthfüer
Philipp Schütze
Seite 15 von 18
Leistungsverstärker im C Betrieb
Marcel Rudolph
Djamila Böthfüer
Philipp Schütze
Seite 16 von 18
Leistungsverstärker im C Betrieb
Einstellungen:
Oben: Kanal 1 (5V/div)
Unten: Kanal 2 (0,2V/div)
Zeitbasis:
2µs/div
4.3.4.
HF-Ausgangsspannung
Kollektorwechselstrom
Auswertung
8,000
300,000
7,000
250,000
6,000
200,000
4,000
150,000
3,000
2,000
100,000
1,000
50,000
0,000
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
-1,000
3,5
0,000
Eingangsspannung / V
Ausgangsspannung
Kollektorstrom
Abbildung 11: Verlauf des kollektorstrom und der Ausgangsspannung
Marcel Rudolph
Djamila Böthfüer
Philipp Schütze
Seite 17 von 18
Kollektorstrom / mA
Ausgangsspannung / V
5,000
Leistungsverstärker im C Betrieb
4,000
100,000
3,500
90,000
80,000
3,000
70,000
60,000
2,000
50,000
1,500
40,000
1,000
30,000
0,500
20,000
0,000
10,000
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
-0,500
Eingangsspannung / V
Gleichleistung
wechselleistung
Abbildung 12: Verlauf der Leistung und des Wirkungsgrades
Marcel Rudolph
Djamila Böthfüer
Philipp Schütze
Seite 18 von 18
3,5
0,000
Wirkungsgrad
Wirkungsgrad / %
Lesistung / W
2,500