4. Versuch: RC
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1. Laboreinheit - Hardwarepraktikum SS 2000 Dozent: Achim Liers, Tutoren: Steven Koenig, Daniel Szer, Uwe Specht 1. Versuch: Gleichstromnetzwerk In diesem Versuch soll messtechnisch das Ohmsche Gesetz, der Maschen- und Knotenpunktsatz überprüft werden. Vorbereitung Berechnen sie für die angegebene Schaltung alle Teilströme und Spannungsabfälle. Fassen sie diese in einer Tabelle zusammen und lassen sie Platz für die Messergebnisse aus der Laboraufgabe. Laboraufgabe Bauen sie die Schaltung auf. Die Meßgeräte kennzeichnen die Stellen in der Schaltung, an denen sie mit dem Multimeter Strom und Spannung messen sollen. Bestimmen sie messtechnisch die Spannungen über allen Bauelementen und alle Teilströme. Tragen sie in die vorbereitete Tabelle die Messergebnisse ein und zeichnen sie in der Schaltung die Zählrichtung der Maschen, die Stromflußrichtung und die Richtung der Spannungsabfälle ein. Vergleichen sie diese mit den berechneten Werten und diskutieren sie die Ergebnisse hinsichtlich der folgenden Formeln: R=U/I für eine ohmschen Widerstand I=0 für einen Knotenpunkt U=0 für eine Masche 2. Versuch: Belasteter Spannungsteiler Der belastete bzw. unbelastete Spannungsteiler stellt eine Grundschaltung für Gleich- und Wechselspannungsnetze dar. Der folgende Versuch soll das elektrische Verhalten von unbelasteten und belasteten Spannungteilern untersuchen. Vorbereitung Wiederholen sie die Grundgleichungen zur Berechnung von belasteten und unbelasteten Spannungsteilern. Leiten sie die Gleichungen für die Berechnung aller Teilströme und Teilspannungen sowie der Leistungen für die nebenstehende Schaltung ab (IG=IT+IL,IT,IL,UE,UR1,UA,PR1,PR2,PRL). Laboraufgabe Bauen sie eine Spannungsteilerschaltung nach oben abgebildeter Schaltung auf. Als Spannungsquelle (UE) benutzen sie das Netzteil mit einer Ausgangsspannung von 10V. Für den Spannungteiler (R 1/R2) setzen sie ein Potentiometer mit einem Widerstand von 4,7k ein. Stellen sie grafisch die meßtechnisch ermittelte Abhängigkeit von UA in Volt über dem Teilerverhältnis V=R2/(R1+R2) (V=0...1 in Schritten von 0,1) mit RL=0.24,0.75,2.4,180,1000k als Parameter dar. Diskutieren sie das Ergebnis hinsichtlich der Nutzung des Spannungsteilers. 3. Versuch: Kondensator Der Kondensator gehört neben dem Ohmschen Widerstand und der Induktivität zu den wichtigsten Bauelementen einfacher Netzwerke. Der Versuch dient der Untersuchung der Strom- und Spannungsverhältnisse am Kondensator. Vorbereitung Machen sie sich mit den theoretischen Grundlagen des Kondensators und des Lade- und Entladevorgangs vertraut. Laboraufgabe Bauen sie die Schaltung auf. Bestimmen sie rechnerisch und meßtechnisch mit Hilfe eines Frequenzgenerators und eines Oszillographen die Zeitkonstante =RC (bei UC =0,63Umax ist t=1, bei UC=Umax ist t=5) für die Widerstandswerte RV =100, 2.4k, 5.6k und 180k. Der Frequenzgenerator sollte dazu die Spannung UE als Rechteckimpuls (0...5V) liefern um einen zyklischen Lade- und Entladevorgang mit einstellbarer Zeitdauer zu generieren. Zeichnen sie die den Strom- und den Spannungsverlauf über dem Kondensator auf (U B=f(UA) und UC=f(UB) - gemeint sind die Spannungen an den Knotenpunkten A,B,C). Tragen sie in die ermittelten Zeitverläufe t=1 und t=5 in der Zeitachse ein. Diskutieren sie die Ergebnisse und begründen sie den Wechsel in der Richtung des Stromes der über RM (UC) gemessen wird. Wie kann man auf Basis einer RC-Schaltung und eines Komparators (mit Referenzspannung, ohne Hysterese) ein elektronisches Zeitglied mit fast linearer Kennlinie (Zeit als Funktion der Referenzspannung) realisieren? 4. Versuch: RC-Glied Das RC-Glied wird auch als Tiefpaß-Filter bezeichnet. Spannungen mit einer Frequenz unterhalb der Grenzfrequenz werden fast ungehindert durchgelassen. Der Versuch soll die U/I-Verhältnisse und den Phasengang am RC-Glied untersuchen. Vorbereitung Stellen sie die Grundgleichungen zur Berechnung der Grenzfrequenz und des Amplituden- und Phasengangs der Ausgangsspannung UA in Abhängigkeit von der Eingangsspannung UE und der Frequenz f zusammen. Stellen sie alle Ströme und Spannungen der Schaltung in einem Zeigerdiagramm dar. Laboraufgabe Bauen sie die angegebene Schaltung auf. Berechnen sie die Grenzfrequenz der Schaltung für die angegebenen Werte von C und R. Bestimmen sie den Amplitudengang UA/UE=F(f) rechnerisch und meßtechnisch (für 10V sinusförmig Ausgangsspannung des Frequenzgenerators) und stellen sie diesen im Frequenzbereich von 100 bis 1900 Hz dar. Bestimmen sie die Phasenverschiebung zwischen U A und UE rechnerisch und meßtechnisch und stellen sie diesen im Frequenzbereich von 100 bis 1900 Hz dar. Was beobachten sie bei einer rechteckförmigen Ausgangsspannung des Frequenzgenerators und wie ist das Ergebnis zu erklären. Dokumentieren sie den Versuch mit ausgewählten Ausdrucken der Messung. Diskutieren sie die Ergebnisse anhand der Zeitverläufe und der Zeigerdiagramme für ausgewählte Frequenzen. 5. Versuch: CR-Glied Das CR-Glied wird auch als Hochpaß-Filter bezeichnet. Spannungen mit einer Frequenz oberhalb der Grenzfrequenz werden fast ungehindert durchgelassen. Der Versuch soll die U/I-Verhältnisse und die Phasengänge am CR-Glied untersuchen. Vorbereitung Stellen sie die Grundgleichungen zur Berechnung der Grenzfrequenz und des Amplituden- und Phasengangs der Ausgangsspannung UA in Abhängigkeit von der Eingangsspannung UE und der Frequenz f zusammen. Stellen sie alle Ströme und Spannungen der Schaltung in einem Zeigerdiagramm dar. Laboraufgabe Bauen sie die angegebene Schaltung auf. Berechnen sie die Grenzfrequenz der Schaltung für die angegebenen Werte von C und R. Bestimmen sie den Amplitudengang U A/UE=F(f) rechnerisch und meßtechnisch (für 10V sinusförmig Ausgangsspannung des Frequenzgenerators) und stellen sie diesen im Frequenzbereich von 100 bis 1900 Hz dar. Bestimmen sie die Phasenverschiebung zwischen U A und UE rechnerisch und meßtechnisch und stellen sie diesen im Frequenzbereich von 100 bis 1900 Hz dar. Was beobachten sie bei einer rechteckförmigen Ausgangsspannung des Frequenzgenerators und wie ist das Ergebnis zu erklären. Dokumentieren sie den Versuch mit ausgewählten Ausdrucken der Messung. Diskutieren sie die Ergebnisse anhand der Zeitverläufe und der Zeigerdiagramme für ausgewählte Frequenzen. 6. Versuch: Diode Die Diode basiert als elektronisches Bauelement auf der Nutzung des pn-Übergangs. Der Versuch dient der Untersuchung der U/I-Verhältnisse an diesem Bauelement. Vorbereitung Wiederholen sie die Theorie des pn-Übergangs und die Kennliniencharakteristik der Diode. Machen Sie sich mit der Schaltungssimulation SPICE vertraut und simulieren Sie die Durchlaßkennlinie der Silizium-Kleindiode 1N4148. Datenblatt unter http://www.us2.semiconductors.philips.com/pip/1N4148. Laboraufgabe Untersuchen Sie die Strom- und Spannungverhältnisse in der 1. Schaltung wie folgt: Frequenzgenerator mit sinusförmiger Ausgangsspannung (U=10V, f=100Hz-10kHz) Frequenzgenerator mit rechteckförmiger Ausgangsspannung (U=10V, f=100Hz-10kHz) Frequenzgenerator mit Sägezahnförmiger Ausgangsspannung (U=10V, f=100Hz-10kHz) Ändern und ergänzen sie die 1. Schaltung so, daß sie den Strom und die Spannung über der Diode oszillographieren können. Nehmen sie dazu Rücksprache mit den Tutoren. Der Frequenzgenerator sollte dabei eine sägezahnförmige Spannung (U=2V, f=100Hz-10kHz) liefern. Übernehmen sie für alle angegebenen Versuchsreihen ausgewählte Zeitverläufe in das Protokoll und diskutieren sie die Ergebnisse. Untersuchen sie die Spannungsverhältnisse der 2. Schaltung für folgende drei Fälle: nur R in der Schaltung, C fehlt, nur C in der Schaltung, R fehlt und R und C vorhanden, R wird variiert (nicht kleiner 1k) Die Eingangsspannung ist sinusförmig, mit f=50Hz und U=10V. Übernehmen sie ausgewählte Zeitverläufe in das Protokoll. Diskutieren sie die Ergebnisse hinsichtlich der Bedeutung der Zeitkonstante für die Gleichrichtung und Glättung der Gleichspannung. Welche Größenordnungen sind für C und R anzustreben um eine möglichst ideale Gleichspannung (ohne Wechselanteil) zur erhalten? In welche Verbindung ist diese Schaltung mit ungeregelten DC-Steckernetzteilen zu bringen? 7. Versuch: Leuchtdiode Die Leuchtdiode ist ein optoelektronisches Bauelement mit vielfältigen Einsatzmöglichkeiten im Bereich der Signalisierung, Beleuchtung und Kommunikation. Der Versuch soll die Strom- und Spannungsverhältnisse an einer LED untersuchen. Vorbereitung Schau Sie sich das Datenblatt der Diode hlmp4000 unter http://www.semiconductor.agilent.com/led_lamps/hlmp4000.html an. Nach welcher Grundgleichung wird der Vorwiderstand für eine LED berechnet? Welche Widerstandswerte für RV müssen bei 5V Versorgungsspannung für die rote und die grüne LED eingesetzt werden damit die LED gelb leuchtet? Laboraufgabe Bauen sie die Schaltung auf und messen sie die Spannungen UR , UD und den Strom ID für die Widerstandswerte RV=360,750,1100 und 2400. Tragen sie die Messergebnisse in eine Tabelle ein und nehmen sie einen Vergleich mit den rechnerisch ermittelten Werten vor. Regeln sie durch den Einsatz von zwei Potentiometern den LED-Strom so aus, daß die LED gelb leuchtet. Was passiert wenn die LED nicht in Flußrichtung angeschlossen wird? 8. Versuch: Optokoppler Der Optokoppler bietet die Möglichkeit eine galvanische Trennung zwischen zwei elektrischen Stromkreisen zu realisieren. Im Bereich der Datenübertragung und Automatisierungstechnik ist der Optokoppler sehr verbreitet. Der Versuch soll die Möglichkeiten und Grenzen des Optokopplers demonstrieren. Vorbereitung Schauen sie sich das Datenblatt des Optokopplers PC844 unter http://www.sharpmeg.com/products/opto/html/photocoupler.html an. Versuchen sie anhand des Datenblattes eine Bemessung der Widerstände RV und RL für eine Betriebsspannung von 5V vorzunehmen. Geben sie die gefundenen Grundgleichungen dazu an. Laboraufgabe Bauen sie die angegebene Schaltung auf. Messen sie den Strom und die Spannungsabfälle auf der LED-Seite des Optokopplers für den Fall UE=5V. Messen sie den Strom und die Spannungsabfälle auf der Transistorseite für den Fall UE=5V und UE=0V. Welche physikalischen Grenzen sind für die Auswahl der Größe von R L und RV gegeben, um verwertbare Logikpegel auf der Transistorseite des Optokopplers zu erhalten bzw. das Bauelement nicht zu zerstören? Erzeugen sie mit Hilfe des Frequenzgenerators ein Rechteckimpuls 0..5V und analysieren Sie die Spannungen UE und UA im Frequenzbereich von 500Hz bis 50kHz (die Werte für R V und RL werden vom Tutor genannt). Speichern sie dazu ausgewählte Zeitverläufe ab. Wie verhalten sich die Impulsflanken der Spannung UA? Ist der Optokoppler zur Kopplung digitaler Systeme im genannten Frequenzbereich uneingeschränkt nutzbar? Diskutieren sie das Verhalten des Optokopplers und leiten sie Einsatzgrenzen hinsichtlich des zulässigen Frequenzbereiches ab.
