Messungen mit dem Oszilloskop

Werner-v.-Siemens-Labor für elektrische Antriebssysteme
Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. H. Biechl
Prof. Dr.-Ing. E.-P. Meyer
Praktikum Grundlagen der Elektrotechnik 2
(GET2)
Versuch 2
Messungen mit dem Oszilloskop
Lernziel:
Dieser Praktikumsversuch dient dazu, Messungen mit dem Oszilloskop durchzuführen. Dabei sollen vor
allem der Funktionsgenerator, das Oszilloskop sowie das elektrische Verhalten von Diode, Widerstand,
Spule, Kondensator und ihre Kombination näher betrachtet werden.
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Versuche:
Einstellen und Messen verschiedener Wechselspannungen
Untersuchung und Messen der Einweggleichrichterschaltung
Frequenzgänge einer RC- Schaltung sowie einer RL-Schaltung
Die mit Info gekennzeichneten Abschnitte beinhalten zusätzliche, über die Vorlesung hinausgehende
Informationen.
Stückliste:
Geräte:
Oszilloskop mit Funktionsgenerator
Werkzeuge:
Lötkolben
Werkzeugkiste „Löten“
Leitungen und Zubehör:
2x BNC / Stecker – Leitung
2 x „Hirschmann“- Klemmen rot
2 x „Hirschmann“- Klemmen schwarz
1x BNC / BNC Leitung
1 x BNC-T-Stück
Lötbrett
Bauteile:
Widerstand 10kΩ; 1kΩ ; 100Ω
Diode 1N4004
Kapazität 22nF
Induktivität 1mH
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1. Versuchsvorbereitung
Nacharbeiten des Vorlesungsstoffes
Durcharbeiten der Praktikumsunterlagen
2. Versuche
2.1 Einstellen von Wechselspannungen
Oszilloskop
Funktionsgenerator
05)
BNC- Leitung
10)
Bild 2.1. Aufbau der Schaltung
2.1.1 Einstellungen am Funktionsgenerator
Die verschiedenen Einstellmöglichkeiten am Funktionsgenerator sind in Abschnitt 3 enthalten.
2.1.2 Einstellungen am Oszilloskop
2.1.2.1
Triggerung: Die Triggerung ist bei SOURCE auf CH1 und bei MODE auf Auto
einzustellen.
Die verschiedenen Einstellmöglichkeiten am Oszilloskop sind Abschnitt 3 zu entnehmen.
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2.1.3 Versuchsdurchführung
Man stelle die folgenden Spannungsverläufe ein und gebe die jeweiligen Ablenkungskoeffizienten
(K t für Zeitablenkung bzw. KY für Spannungsablenkung) an:
Die Spannungsverläufe sind in Arbeitsblatt 01 einzutragen und die jeweiligen Ablenkungskoeffizienten
anzugeben. Es sind immer zwei Perioden darzustellen.
U = 3V , f = 10kHz
U SS = 6V , f = 20kHz
U = 3V , T = 2ms
2.1.3.1
Sinusförmige Spannung,
2.1.3.2
Rechteckspannung,
2.1.3.3
2.1.3.4
Dreieckspannung,
Man lasse sich von einem Kommilitonen eine Wechselspannung vorgeben und
ermittle die Frequenz dieser Spannung.
Info:
Die
Sinusspannung
dieses
Funktionsgenerators
wird
aus
mehreren
e-Funktionen
zusammengesetzt.
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ARBEITSBLATT 01
Wechselspannungen einstellen
Sinus-Spannung
Ablenkungskoeffizienten:
Kt: _________
/ DIV
KY:__________VOLT / DIV
Rechteck-Spannung
Ablenkungskoeffizienten:
Kt: _________
/ DIV
KY:__________VOLT / DIV
Dreieck-Spannung
Ablenkungskoeffizienten:
Kt: _________
/ DIV
KY:__________VOLT / DIV
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2.2 Einweg-Gleichrichter-Schaltung
Man baue mit Hilfe eines Lötbrettes die Einweg-Gleichrichter-Schaltung nach Bild 2.2 auf. Mit
Kanal 1 wird die Eingangsspannung und mit Kanal 2 die Spannung über dem Lastwiderstand
oszilloskopiert.
CH 1
Achten Sie unbedingt auf
1N4004
A
G
CH 2
K
Oszilloskop
RLAST =
10kΩ
u1(t)
richtige Anschlüsse!
[ GND niemals mit CH1
u2(t)
oder CH2 verbinden(*) ]
GND
Funktionsgenerator
05)
10), 11)
Lötbrett
(* ,schwarzer Anschluß)
Bild 2.2. Einweg-Gleichrichter-Schaltung
Info: Kennzeichnung von Dioden:
A
K
Bei der im Praktikum verwendeten Diode
wird die Kathode durch einen
Farbring gekennzeichnet.
Kathodenseite
Info: Strom-Spannungsverhalten von Dioden (genauere Informationen in den Vorlesungen
„Werkstoffkunde“ und „Elektronische Bauelemente“):
Die Strom-/ Spannungskennlinie der Diode ist stark nichtlinear; sie wird näherungsweise durch
folgende analytische Funktionen beschrieben
 UD
 N ⋅UT
ID
ID = IS ⋅  e


− 1 bzw.
I

U D = N ⋅U T ⋅ ln  D + 1
 IS

≈ 0,7V |Si
IS
: Sperrstrom ( Bauelementspezifisch)
k ⋅T
UT = B
e
: Temperaturspannung ≈ 26mV 300 K
T
: Bolzmannkonstante : 1,38 ⋅10−12 VAs
K
: absolute Temperatur des Bauteils
e
: Elementarladung 1, 602 ⋅ 10−19 As
N
: Emissionskoeffizient N Real = 1...2 ( Nideal = 1)
kB
UD
2.2.1 Versuchsdurchführung
2.2.1.1
2.2.1.2
2.2.1.3
Man oszilloskopiere für die Eingangsspannungen Sinus, Rechteck und Dreieck mit
jeweils USS = 8V und f =1kHz die Verläufe u1(t) und u2(t).
Worin liegen die prinzipiellen Unterschiede zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung?
Was fällt bei U 2 (max. Spannung am Lastwiderstand) in Vergleich zu U 1 (max.
Eingangsspannung) auf? Wodurch lässt sich dies erklären?
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ARBEITSBLATT 02
Einweg-Gleichrichter-Schaltung
Sinus-Spannung
Ablenkungskoeffizienten:
Kt: _________
/ DIV
KY:__________VOLT / DIV
Rechteck-Spannung
Ablenkungskoeffizienten:
Kt: _________
/ DIV
KY:__________VOLT / DIV
Dreieck-Spannung
Ablenkungskoeffizienten:
Kt: _________
/ DIV
KY:__________VOLT / DIV
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2.3 RC- Tiefpass
Es ist die Schaltung nach bild 2.3, bestehend aus Widerstand und Kondensator, aufzubauen. Für
die Eingangsspannung, die auf Kanal 1 gelegt wird, ist u1(t)=4V sin(2πƒ⋅ t) zu wählen. Die
Ausgangsspannung u2(t) wird auf Kanal 2 geführt.
CH 1
R =1kΩ
G
C=
22nF
u1(t)
CH 2
u2(t)
Oszilloskop
GND
Funktionsgenerator
Lötbrett
Bild 2.3. RC-Tiefpass
2.3.1 Amplituden- und Phasengang
Der Amplituden- bzw. Phasengang des Spannungsverhältnisses des RC- Tiefpasses kann wie folgt
berechnet werden:
Amplitudengang
Phasengang
vU ( f ) =
U2
=
U1
1
1 + ( 2π f ⋅ R ⋅ C )
2
∆ϕ ( f ) = −arctan ( 2π f ⋅ R ⋅ C )
2.3.2 Versuchsvorbereitung
2.3.2.1
2.3.2.2
1 ein.
2π RC
Berechnen Sie analytisch die Kurvenverläufe vU(f) und ∆ϕ(f) und tragen Sie diese in
die Arbeitsblätter 04 / 05 ein.
Tragen Sie in die Diagramme 04, 05 jeweils die Grenzfrequenz f g =
2.3.3 Versuchsdurchführung
2.3.3.1
Bestimmen Sie mit Hilfe des Oszilloskops für sinnvolle Frequenzen Werte für vU(f)
und ∆ϕ(f). Verwenden Sie hierzu das Arbeitsblatt 03. Tragen Sie anschließend die
Kurvenverläufe in die Arbeitsblätter 04 und 05 ein.
2.3.3.2
Sind Abweichungen von der errechneten Kurve vorhanden und wie können diese
erklärt werden?
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ARBEITSBLATT 03
f [Hz]
U 1 [V]
Messwerttabelle RC- Tiefpass
U 2 [V]
vU(f)
δ in DIV
° / DIV
∆ϕ [°]
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ARBEITSBLATT 04:
RC- Tiefpass
Amplitudengang vU(f)
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ARBEITSBLATT 05:
RC- Tiefpass
Phasengang ∆ϕ(f)
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2.4 Versuch 4: RL- Hochpass
Es ist die Schaltung nach Bild 2.4.1, bestehend aus Widerstand und Induktivität, aufzubauen.
Für die Eingangsspannung, die auf Kanal 1 gelegt wird, ist u1(t)=4V sin(2πƒ⋅ t) zu wählen. Die
Ausgangsspannung u2(t) wird auf Kanal 2 geführt.
CH 1
R =100Ω
G
u1(t)
L=
1mH
CH 2
u2(t)
Oszilloskop
GND
Funktionsgenerator
Lötbrett
Bild 2.4. RL-Hochpass
2.4.1 Amplituden- und Phasengang
Der Amplituden- bzw. Phasengang des RL-Tiefpasses kann wie folgt berechnet werden:
Amplitudengang
1
vU ( f ) =
1+
Phasengang
∆ϕ ( f ) = − arctan
( 2π Rf ⋅ L )
2
( 2π Rf ⋅ L )
2.4.2 Versuchsdurchführung
2.4.2.1
2.4.2.2
R ein.
2π ⋅ L
Berechnen Sie analytisch die Kurvenverläufe vU(f) und ∆ϕ(f) und tragen Sie diese in
die Arbeitsblätter 07 / 08 ein.
Tragen Sie in die Diagramme 07, 08 jeweils die Grenzfrequenz f g =
2.4.3 Versuchsdurchführung
2.4.3.1
Bestimmen Sie mit Hilfe des Oszilloskops für sinnvolle Frequenzen Werte für vU(f)
und ∆ϕ(f). Verwenden Sie hierzu das Arbeitsblatt 06. Tragen Sie anschließend die
Kurvenverläufe in die Arbeitsblätter 07 und 08 ein.
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ARBEITSBLATT 06
f [Hz]
U 1 [V]
Messwerttabelle RL- Hochpass
U 2 [V]
vU(f)
δ in DIV
° / DIV
∆ϕ [°]
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ARBEITSBLATT 07: RL- Hochpass Amplitudengang vU(f) des Spannungsverhältnisses
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ARBEITSBLATT 08: RL- Hochpass
Phasengang ∆ϕ(f) des Spannungsverhältnisses
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3. Anhang (Auszug aus der Bedienungsanleitung)
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Die komplette Bedienungsanleitung finden Sie als PDF-Datei im Netz!
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