Leseprobe - Christiani
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11 1 Einleitung Im Folgenden werden die verwendeten Bauteile kurz vorgestellt. Alle Bauteile sind problemlos zu beschaffen und oft in der Bastelkiste bereits vorhanden. Für diejenigen, die nicht so gerne löten, gibt es vom Franzis-Verlag ein „Lernpaket Elektronikentwicklung“, das alle Bauteile und ein praktisches Steckboard enthält. Damit lassen sich alles Schaltungen aus diesem Buch einfach nachbauen. Steckboard Statt die Bauteile auf eine Platine mit Kupferbahnen zu löten, wird hier ein einfacherer und schnellerer Weg beschritten. Die Bauteile werden mit den Anschlussdrähten in Kontakte eines Steckboards gesteckt. Die Kontakte des Boards sind in regelmäßigem Muster intern miteinander verbunden. So wird die Verbindung zwischen den Bauteilen auf einfache Weise hergestellt. Nach dem Experiment können die Bauteile problemlos entfernt werden und stehen für eine neue Schaltung zur Verfügung. In Bild 1.1 sehen Sie das Steckboard. Eingezeichnet sind schwarze Linien, die zeigen, wie die Kontakte intern verdrahtet sind. Die Reihen X und Y werden zur Stromversorgung verwendet. In allen Schaltungen ist X mit dem Pluspol, Y mit dem Minuspol der Batterie verbunden. Die Spalten 1 bis 23 werden für die Bauteilverdrahtung benutzt. Achten Sie darauf, dass die freien Drahtenden der Bauteile und Anschlussdrähte frei von Fett oder sonstigen Verschmutzungen sind. Benutzen Sie gegebenenfalls eine Pinzette, um die Anschlüsse senkrecht in die Kontaktöffnungen zu führen. Erst wenn Sie spüren, dass die Kontaktfedern im Steckboard greifen, ist ein sicherer Kontakt hergestellt. Die Kontaktgabe des Boards ist sehr gut. Sie können damit auch jederzeit eigene Schaltungsideen schnell und unkompliziert ausprobieren. Erst wenn ein dauerhaft verwendetes Gerät daraus werden soll, lohnt es sich, eine Platine herzustellen, auf der die Bauteile durch Löten einen festen Halt bekommen. Steckboard: 1 × Steckboard SYB-46 Transistoren Transistoren bieten die Möglichkeit, mit einem kleinen Basisstrom einen erheblich größeren Kollektorstrom zu steuern. Darauf beruht die verstärkende Wirkung dieses 12 1 Einleitung Bild 1.1: Kontaktbelegung Steckboard Bild 1.2: Transistor mit Anschlussbelegung Bauteils. Beachten Sie unbedingt den korrekten Anschluss von Basis, Emitter und Kollektor – andernfalls kann der Transistor sofort beim Anschließen der Batterie zerstört werden. Bild 1.2 zeigt das Bauteil mit der Anschlussbezeichnung (gilt für 2N3904 und 2N3906). In Bild 1.3 finden Sie das Schaltungssymbol für den NPN-Transistor 2N3904, Bild 1.4 zeigt dasselbe für den PNP-Transistor 2N3906. Bild 1.3: Schaltplansymbol NPN-Transistor Benötigte Transistoren: 1 × 2N3906, 2 × 2N3904 Bild 1.4: Schaltplansymbol PNP-Transistor Dioden 13 Dioden Dioden lassen Strom nur in einer Richtung durch. Sie werden deshalb unter anderem zum Gleichrichten von Wechselspannung und zur Abblockung unerwünschter Polarität bei Gleichspannung eingesetzt. In Durchlassrichtung beginnt bei der Siliziumdiode erst ab einer Spannung von etwa 0,6 V nennenswert Strom zu fließen. Bei Schottky-Dioden beginnt der Stromfluss schon bei etwa 0,25 V. Strom fließt durch die Diode, wenn an der Anode Plus und an der Kathode Minus angeschlossen wird. Bild 1.5 zeigt das Bauteil mit der Anschlussbezeichnung, das Schaltungssymbol jeweils für die (normale) Siliziumdiode und eine Schottky-Diode zeigen die Bilder 1.6 und 1.7. Bei der Entzifferung der Aufschrift (Bezeichnung im Klartext) kann eine Lupe hilfreich sein. Bild 1.5: Diode mit Anschlussbelegung Bild 1.6: Schaltplansymbol Si-Diode Bild 1.7: Schaltplansymbol Schottky-Diode Benötigte Dioden: 1 × 1N4148 Siliziumdiode, 2 × BAT85 Schottky-Diode LED Leuchtdioden gibt es in verschiedenen Ausführungen. Sie dienen der Pegelanzeige (Strom ein, Strom aus). Sie verhalten sich im Prinzip wie normale Dioden. Die Durchlassspannung hängt von der Farbe ab. Rote LEDs leuchten ab etwa 1,8 V, grüne LEDs ab etwa 3 V. Bild 1.8 zeigt das Bauteil mit der Anschlussbezeichnung, das Schaltungssymbol zeigt Bild 1.9. Bild 1.8: LED mit Anschlussbelegung 14 1 Einleitung Bild 1.9: Schaltplansymbol LED Benötigte Dioden: 1 × LED rot, 1 × LED grün Piezohörer Ein flaches Keramikplättchen trägt auf beiden Seiten Metallelektroden. Elektrische Spannung auf diesen Elektroden verformt das Keramikplättchen, diese Bewegung teilt sich der umgebenden Luft mit, Schallwellen werden ausgesandt. Vorteil dieses einfachen Schallwandlers ist die hohe Impedanz (Größenordnung 10 bis 100 kOhm). Allerdings kann der Piezohörer nur als Notbehelf gelten. Wenn Sie wirklich hören wollen, was Ihre Schaltung leistet, schließen Sie den Ausgang am besten an den LineIn-Eingang des PCs oder an Ihre Hi-Fi-Anlage an. Bild 1.10 zeigt das Bauteil. Als Schaltungssymbol wird im Simulationsprogramm das eines Widerstands mit 6,8 kOhm verwendet. Benötigter Piezohörer: 1 Piezoelement Bild 1.10: Piezohörer Widerstände 15 Widerstände Widerstände dienen der Pegelabschwächung und der Einstellung geeigneter Gleichspannungs-Arbeitspunkte. Bei gegebenem Strom kann der gewünschte Spannungsabfall durch Wahl des Widerstandswerts (ohm’sches Gesetz, siehe Anhang) herbeigeführt werden. Bild 1.11 zeigt das Bauteil mit der Anordnung der Farbringe. In Bild 1.12 ist das Schaltungssymbol zu sehen. Bild 1.11: Widerstand mit Farbringen Bild 1.12: Schaltplansymbol Widerstand Die ersten vier Farbringe geben den Widerstandswert entsprechend nachstehender Tabelle an. Der fünfte (schmalere) Farbring steht für die Toleranz. Tabelle: Farbcode für Widerstände Farbe Schwarz Braun Rot Orange Gelb Grün Blau Violett Grau Weiß Gold Silber 1. Ring = 1. Ziffer 1 2 3 4 5 6 7 8 9 2. Ring = 2. Ziffer 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 3. Ring = 3. Ziffer 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Beispiel für einen Widerstand mit 22 kOhm: 1. Farbring: Rot 2. Farbring: Rot 4. Ring = Multiplikator 1 10 100 1.000 10.000 100.000 1.000.000 10.000.000 0,1 0,01 5. Ring = Toleranz 1% 2% 0,5 % 5% 10 % 16 1 Einleitung 3. Farbring: Schwarz 4. Farbring: Rot 5. Farbring: Braun Entsprechend der Fertigungstoleranz werden die Widerstandswerte nach sogenannten Toleranztabellen produziert. Üblich sind Toleranzwerte von 10 und 5 %. Diese Widerstände werden als Kohleschichttypen zu niedrigen Preisen mit Werten zwischen 1 Ohm und 22 MOhm angeboten. Weniger Rauschen und bessere Genauigkeit (1 und 0,5 %) weisen Metallschichtwiderstände auf. Widerstandstabelle für 10 % Toleranz = E-12-Reihe 10 12 15 18 22 27 33 39 47 56 68 82 20 62 22 68 24 75 27 82 30 91 11,8 15,8 21,0 28,0 37,4 49,9 66,5 88,7 12,1 16,2 21,5 28,7 38,3 51,1 68,1 90,9 12,4 16,5 22,1 29,4 39,2 52,3 69,8 93,1 12,7 16,9 22,6 30,1 40,2 53,6 71,5 95,3 13,0 17,4 23,1 30,9 41,2 54,9 73,2 97,6 Widerstandstabelle für 5 % Toleranz = E-24-Reihe 10 33 11 36 12 39 13 43 15 47 16 51 18 56 Widerstandstabelle für 1 % Toleranz = E-96-Reihe 10,0 13,3 17,8 23,7 31,6 42,2 56,2 75,0 10,2 13,7 18,2 24,3 32,4 43,2 57,6 76,8 10,5 14,0 18,7 24,9 33,2 44,2 59,0 78,7 10,7 14,3 19,1 25,5 34,0 45,3 60,4 80,6 11,0 14,7 19,6 26,1 34,8 46,4 61,9 82,5 11,3 15,0 20,0 26,7 35,7 47,5 63,4 84,5 11,5 15,4 20,5 27,4 36,5 48,7 64,9 86,6 Zusätzlich gibt es bei 1-%-Widerständen auch die „geraden“ Widerstandswerte, wie beispielsweise 22,0 kOhm und nicht nur 22,1 kOhm. Benötigte Widerstände: 2 × 100 Ohm (braun, schwarz, schwarz, schwarz, braun) 3 × 1 kOhm (braun, schwarz, schwarz, braun, braun) 2 × 2,2 kOhm (rot, rot, schwarz, braun, braun) 3 × 10 kOhm (braun, schwarz, schwarz, rot, braun) 4 × 22 kOhm (rot, rot, schwarz, rot, braun) 3 × 56 kOhm (grün, blau, schwarz, rot, braun) 2 × 100 kOhm (braun, schwarz, schwarz, orange, braun) 2 × 220 kOhm (rot, rot, schwarz, orange, braun) 2 × 560 kOhm (grün, blau, schwarz, orange, braun) Kondensatoren 17 Kondensatoren Je nach Kapazität und Anwendungsbereich sind Kondensatoren unterschiedlich aufgebaut. Für HF geeignete Kondensatoren haben Werte zwischen 1 pF und 100 nF. Sie sind als Keramikkondensatoren meist in Scheibenform erhältlich. Bild 1.13 zeigt einen Keramikkondensator. Das Schaltbildsymbol finden Sie in Bild 1.14. Der Wert des Keramikkondensators wird in drei Ziffern nach folgendem Verfahren verschlüsselt: 1. Zahl = erste Ziffer 2. Zahl = zweite Ziffer 3. Zahl = Multiplikator Beispiele: Aufdruck = 221 entspricht 220 pF Aufdruck = 104 entspricht 100 nF Im NF-Bereich werden höhere Kapazitätswerte benötigt, die nicht mehr als Keramikkondensator zur Verfügung stehen. Es werden Elektrolytkondensatoren eingesetzt. Diese sind polarisiert, der Pluspol muss jeweils am höheren positiven Potenzial angeschlossen werden. Außerdem sind sie jeweils für einen maximalen Spannungswert ausgelegt. Dieser Wert ist aufgedruckt und darf nicht überschritten werden. Bild 1.15 zeigt einen Elektrolytkondensator. Beachten Sie bitte beim Aufbau der realen Schaltungen die Polarität und den maximalen Spannungswert beim Einsatz von Elektrolytkondensatoren. Im Zweifelsfall Bild 1.13: Keramikkondensator Bild 1.14: Schaltplansymbol Kondensator Bild 1.15: Elektrolytkondensator mit Anschlussbelegung 18 1 Einleitung können Sie in der virtuellen Schaltung Höhe und Polarität des Gleichspannungspotenzials bestimmen. Benötigte Kondensatoren: 2 × Keramikkondensator 220 pF (221) 3 × Keramikkondensator 1 nF (102) 3 × Keramikkondensator 10 nF (103) 1 × Keramikkondensator 100 nF (104) 1 × Elektrolytkondensator 1 µF/10 V (oder höher) 3 × Elektrolytkondensator 10 µF/10 V (oder höher) 1 × Elektrolytkondensator 10 µF/160 V (oder höher) 1 × Elektrolytkondensator 100 µF/6 V (oder höher) Batterieanschluss Mit dem Batterieanschluss (Clip) wird die 9-V-Batterie an die reale Schaltung angeschlossen. Bild 1.16 zeigt den Batterieanschluss. Beachten Sie bitte die angegebene Farbcodierung für die Polarität der Spannung. Benötigter Batterieanschluss: 1 × Clip für 9-V-Batterie Schaltdraht Zur Herstellung der Verbindungen auf dem Steckboard sowie für die Schiebespule wird Schaltdraht verwendet (Bild 1.17). An den Enden entfernen Sie die Kunststoffi- Bild 1.16: 9 V BatterieAnschlussclip mit Polarität Bezugsquellen 19 Bild 1.17: Schaltdraht solierung mit einem Taschenmesser auf etwa 5 mm Länge. Abgeschnitten wird der Draht mit einem kleinen Seitenschneider. Benötigter Schaltdraht: 12 m Schaltdraht kunststoffisoliert Bezugsquellen Unter anderem liefern folgende Firmen alle gängigen Elektronikbauteile auch in kleinen Stückzahlen (ab Einzelstück) an Privatpersonen: www.conrad.de www.reichelt.de www.segor.de 91 4 Elektronische Regelungen entwickeln und aufbauen Wie bereits angemerkt: Ob Küchengeräte, Fernsteuerungen, Industriesteuerungen, Autos und Flugzeuge, Radio- und Fernsehgeräte, Handys und mp3-Player – ohne elektronische Regelungen würde nichts mehr funktionieren. Deshalb sei auch diesem Thema ein eigenes Kapitel gewidmet, sodass Sie Gelegenheit haben, das Verhalten von elektronischen Regelschaltungen kennenzulernen und zu studieren. Stabilisierte Spannungsquelle simulieren und aufbauen Kaum eine elektronische Schaltung, die nur dann gut funktioniert, wenn an kritischen Schaltungspunkten eine konstante Spannung zur Verfügung steht. Bild 4.1 zeigt die typische Grundschaltung eines Spannungsstabilisators. Die Stabilisierung bewirkt der Transistor Q2, mit Q1 wird lediglich eine Zenerdiode simuliert. C1 hat keine Funktion und wird nur deshalb eingefügt, damit das Simulationsprogramm keine offenen Bauteilanschlüsse findet. Zenerdioden werden bekanntlich in Sperrrichtung Bild 4.1: Spannungsstabilisator 92 4 Elektronische Regelungen entwickeln und aufbauen Bild 4.2: Spannungsstabilisator, real aufgebaut betrieben, deshalb liegt der Emitteranschluss von Q1 an Plus. Über R2 fällt die konstante Vorspannung für Q2 ab. Verringert sich der Lastwiderstand R2, würde ohne Stabilisierung die Spannung sinken. In der vorliegenden Schaltung wird bei zurückgehender Spannung über R2 der Transistor mit einer höheren Emitter-Basis-Spannung versorgt, der Transistor lässt also mehr Strom passieren. Damit aber wird der Spannungsabfall über R2 konstant gehalten. Laden Sie die Schaltung (example-04-01) in das Simulationsprogramm. Mittels Transientenanalyse messen Sie die Ausgangsspannung für verschiedene Werte von R2. Im Schaltbild sind einige Analysewerte eingetragen. Für den Vergleich von Theorie und Praxis bauen Sie jetzt die reale Schaltung auf (Bild 4.2). Schließen Sie an den Ausgang (falls vorhanden) ein digitales Vielfachmessgerät, Messbereich Gleichspannung 20 V) an. Notieren Sie die gemessene Spannung. Verändern Sie den Lastwiderstand und messen Sie die Ausgangsspannung erneut. So erhalten Sie einen Überblick über das Stabilisierungsvermögen der Schaltung. Vergleichen Sie die Ergebnisse mit den im Simulationsprogramm gewonnenen. Abweichungen sind auf Toleranzen der beteiligten Bauteilparameter zurückzuführen. Stabilisierte Stromquelle simulieren und aufbauen Stabilisierte Stromquellen werden häufig benötigt. Ein Beispiel: Der Wert von Widerständen soll gemessen werden, es steht aber kein Widerstandsmessgerät zur Verfügung, lediglich ein Messgerät für Gleichspannung. Versorgen Sie die unbekannten Widerstände R mit einem konstanten Strom I, dann kann der Widerstandswert mit der Formel R = U mal I leicht berechnet werden. I ist konstant und bekannt, die Spannung U wird gemessen. Variable Zenerdiode simulieren und aufbauen 93 Bild 4.3: Stromstabilisator In Bild 4.3 sehen Sie das Schaltbild. Der Transistor Q1 wird in Emitterschaltung mit Gleichstrom-Gegenkopplung durch die Emitterwiderstände R4/5 betrieben. Der Kollektorstrom (fließt durch den Lastwiderstand) wird von der Spannungsdifferenz Emitter zu Basis bestimmt. Ändert sich die Größe des Lastwiderstands, bleibt die Spannungsdifferenz Emitter zu Basis gleich – lediglich die Spannungsdifferenz Emitter zu Kollektor verringert sich entsprechend. Der Widerstand dieser Strecke ist sehr hoch, sodass sich nur eine geringfügige Stromänderung durch die Lastwiderstandsänderung ergibt. Laden Sie die Schaltung (example-04-02) in das Simulationsprogramm. Mittels Transientenanalyse können Sie die den Strom durch R2 messen. Bestimmen Sie diesen Wert für unterschiedliche Werte von R2. Einige Messwerte sind im Schaltbild eingetragen. Das Verhalten kann auch an der realen Schaltung (Bild 4.4) studiert werden. Mit einem eventuell vorhandenen Vielfachmessgerät können Sie gegebenenfalls wieder den Spannungsabfall U über unterschiedlichen Lastwiderständen R bestimmen. Den Stromwert I erhalten Sie mithilfe der Formel I = U geteilt durch R. Variable Zenerdiode simulieren und aufbauen Gerade beim Experimentieren wäre es oft wünschenswert, wenn zur Spannungsstabilisierung eine Zenerdiode mit dem gewünschten Spannungswert verfügbar wäre. Meist finden sich aber alle möglichen Werte in der Bastelkiste, nur der benötigte ist 94 4 Elektronische Regelungen entwickeln und aufbauen Bild 4.4: Stromstabilisator real aufgebaut nicht darunter. Dann bauen Sie sich einfach eine variable Zenerdiode. Damit können Sie den gewünschten Wert durch die passende Wahl zweier Widerstände einstellen. Bild 4.5 zeigt das Schaltbild. Die Ausgangsspannung wird konstant gehalten. Beginnt die Ausgangsspannung infolge verringerter Batteriespannung zu sinken, sinkt auch die Vorspannung an der Basis von Q2 und damit auch an der Basis von Q1. Damit Bild 4.5: Variable Zenerdiode DC-DC-Aufwärtswandler simulieren und aufbauen 95 Bild 4.6: Variable Zenerdiode, real aufgebaut aber sinkt der Strom durch Q1, womit die Ausgangsspannung wieder steigt, da sich der Spannungsabfall über R4 verringert. Die drohende Ausgangsspannungsabsenkung wird ausgeglichen. Probieren Sie aus, ob diese Schaltung wirklich funktioniert. Laden Sie example-04-03 in das Simulationsprogramm. Mit der Transientenanalyse bestimmen Sie die Ausgangsspannung. Erhöhen bzw. reduzieren Sie schrittweise die Batteriespannung und bestimmen Sie jeweils die zugehörige Ausgangsspannung. Im Schaltbild sind einige Werte eingetragen. Variieren Sie die Werte von R1 und R2, um eine andere Größe für die Ausgangsspannung zu erzielen. Anhaltspunkte finden Sie wieder im Schaltbild. Die reale Schaltung (Bild 4.6) ist schnell aufgebaut. Mit dem Vielfachmessgerät bestimmen Sie die Ausgangsspannung. Ändern Sie diese durch Variation der Werte von R1 und R2. Eventuell können Sie die Schaltung aus einem GleichspannungsNetzgerät mit einstellbarer Ausgangsspannung speisen. Dann können Sie die Eingangsspannung variieren und beobachten ob (und wenn ja, wie viel) sich die Ausgangsspannung dabei verändert. DC-DC-Aufwärtswandler simulieren und aufbauen Insbesondere bei batteriebetriebenen Geräten kommt es häufig vor, dass Gleichspannungen benötigt werden, die deutlich über der Höhe der Batteriespannung liegen. Beispiele: Betriebsspannung für eine Abstimmdiode (ca. 20 V) in einem Empfänger, betrieben mit 3 V Batteriespannung. Betriebsspannung für eine LCD-Anzeige (ca. 15 V) in einem Messgerät, betrieben mit 9 V Batteriespannung. Sicher kann Gleich- in Wechselspannung zerhackt, mit einem Trafo hochgespannt und dann wieder gleichgerichtet werden. Gegen diese Methode sprechen der 96 4 Elektronische Regelungen entwickeln und aufbauen Bild 4.7: DC-DC-Wandler schlechte Wirkungsgrad sowie der hohe Preis, Platz- und Gewichtsbedarf des Transformators. Einfacher kann die Aufgabe mittels DC-DC-Wandler gelöst werden. Bild 4.7 zeigt das Schaltbild. Eine Spule L1 wird von Q1 mit der Batterie verbunden bzw. davon isoliert. Die Basis von Q1 wird von einer Rechteckspannung angesteuert und von dem als RC-Generator fungierenden Transistor Q2 erzeugt. Die Frequenz liegt bei etwa 160 kHz. So oft wird L1 von Q1 mit der Batterie verbunden, dabei magnetisch aufgeladen und dann wieder getrennt. Die gespeicherte magnetische Energie der Spule verwandelt sich in eine Spannung, die über D1 den Kondensator C2 auflädt. Bei jedem Taktzyklus kommt das gleiche Ladungspaket von der Spule zum Kondensator. Dieser lädt sich also immer weiter auf, und wenn keine Vorsorge getroffen wird, schreitet die Aufladung bis zur Zerstörung von C2 fort. Im vorliegenden Fall gesteht die Vorkehrung darin, dass über R5 und die LED D2 ein Strom fließt, der umso höher ausfällt, je höher die Ausgangsspannung ist. Damit reguliert sich das System von selbst auf eine verträgliche Ausgangsspannung von etwa 50 V (Bild 4.8). Betreiben Sie deshalb die reale Schaltung nie (!) ohne Belastung am Ausgang. Potenziell gefährliche Versuche führen Sie am besten nur an der simulierten und nicht an der realen Schaltung durch. Laden Sie jetzt die Schaltung (example-04-04) in das Simulationsprogramm. Starten Sie die Simulation und haben Sie dann ein wenig Geduld, bis der PC die aufwendige Rechenarbeit erledigt hat. Das Ergebnis sieht dann so aus, wie in Bild 4.8 gezeigt. Überzeugen Sie sich davon (Klick mit der rechten Maustaste auf das Symbol), dass die Spule mit den richtigen Werten für den Serien- und Parallelwiderstand versehen sind (Bild 4.9). Diese Werte repräsentieren die Wicklungs- und Abstrahlungsverluste der DC-DC-Aufwärtswandler simulieren und aufbauen 97 Bild 4.8: Ausgangssignal DC-DC-Wandler Bild 4.9: Fenster Inductor mit den Spulenparametern realen Spule. Beobachten Sie das Verhalten der Schaltung für unterschiedliche Werte von C2 und R5. Kleinere Werte von R5 reduzieren erwartungsgemäß die maximal erreichbare Ausgangsspannung (Bild 4.10). Untersuchen Sie auch die Steuerspannung an der Basis von Q1. Bauen Sie die reale Schaltung nur dann auf (Bild 4.11), wenn Sie im Umgang mit hohen Spannungen Erfahrung besitzen, und beachten Sie die dabei geltenden Sicherheitsvorschriften. 98 4 Elektronische Regelungen entwickeln und aufbauen Bild 4.10: Verlauf der Schwingspannung Bild 4.11: DC-DC-Wandler real aufgebaut Überzeugen Sie sich davon, dass am Ausgang eine Last angeschlossen ist, bevor Sie die Batteriespannung anlegen. Als Spule verwenden Sie die Spule aus dem Versuch Schwingkreis/Detektorempfänger. Stellen Sie die Schiebespule auf einen mittleren Induktivitätswert ein. Bessere Ergebnisse erhalten Sie mit einer kleinen Festinduktivität aus der Bastelkiste (irgendein Wert zwischen 22 und 100 µH). Mit dem Vielfach- DC-DC-Aufwärtswandler simulieren und aufbauen 99 messgerät können Sie die Ausgangsspannung messen, die, je nach Batteriezustand, zwischen etwa 25 und 50 Volt liegt. Entfernen Sie nie die Last am Ausgang, solange die Batterie angeschlossen ist. Berühren Sie nie die Anschlüsse der Last (R5 und D2), denn dort kann eine gefährlich hohe Spannung anliegen. Wie sich die entscheidenden Bauteile des DC-DC-Wandlers rechnerisch optimieren lassen, finden Sie im Formelanhang. Das vierte Kapitel mit dem Thema „elektronische Regelungen“ haben Sie damit erfolgreich absolviert. Sie können jetzt einfache Stabilisierungsschaltungen mit dem Simulationsprogramm entwickeln und optimieren, das Prinzip von DC-DC-Aufwärtswandlern ist Ihnen vertraut. 148 7 Bedienung des Programms PC-Oszilloskop (oszilight) Neben dem Vielfachmessgerät ist das Oszilloskop das mit Abstand wichtigste Messgerät bei der Entwicklung realer elektronischer Schaltungen. Da es in Hardwareausführung relativ teuer ist, ist es nicht in jedem Bastelzimmer vorhanden. Heute gibt es Oszilloskope auch als PC-Programm. Der nutzbare Frequenzbereich wird von dem zwischen realer Schaltung und PC liegenden Interface bestimmt. Für den NF-Bereich genügt als Interface die eingebaute Soundkarte. Auf der beiliegenden CD-ROM finden Sie die Vollversion eines PC-Oszilloskops, das mit der Soundkarte im PC funktioniert. Es bietet folgende technische Daten: 2 Kanäle Frequenzbereich 20 Hz bis 20 kHz (abhängig von der verwendeten Soundkarte) Empfindlichkeit 1 mV bis 1 V/Div, mit Tastkopf bis 10 V/Div Zeitablenkung 1 s/Div bis 100 µs/Div X/Y Darstellung Bildschirmgröße 100 x 100 Div Spektraldarstellung (Fourieranalyse) Speicheroszilloskop Hardcopy des Oszilloskopbildschirms Das Programm liegt als ausführbare Datei oszilight.exe vor, braucht also nicht installiert zu werden. Kopieren Sie die Datei in das Verzeichnis C:\Programme. Dort belegt es rund 0,4 MB Speicherplatz. Am einfachsten ist es, wenn Sie auf dem Desktop eine Verknüpfung zu C:\Programme\oszilight.exe anlegen. Bedanken möchte ich mich beim Autor für die Erlaubnis, dieses nützliche Programm auf der beiliegenden CD-ROM weitergeben zu dürfen. Verbindung mit der Soundkarte herstellen Nach dem ersten Start aktivieren Sie als Erstes die Registerkarte Options. Dort finden Sie das Listenfeld Wavedevice. Klappen Sie dieses Feld auf und Sie finden dort die in Ihrem PC installierte Soundkarte. Markieren Sie diesen Eintrag (Bild 7.1). Die übri- Verbindung mit der Soundkarte herstellen 149 Bild 7.1: Registerkarte Options Bild 7.2: PC-Oszilloskop 150 6 Bedienung PC-Simulationsprogramm (SW CAD III) gen Einstellungen können Sie belassen. Damit ist das Programm mit der Soundkarte verbunden und zeigt die Wellenform der Signale im linken und rechten Audiokanal separat an (Bild 7.2). Oszilloskop einschalten Wenn Ihre Soundkarte über einen eigenen Lautstärkeregler verfügt, öffnen Sie diesen. Andernfalls benutzen Sie die von Windows zur Verfügung gestellte Lautstärkeregelung. 1. Öffnen Sie die Lautstärkeregelung (Bild 7.3). 2. Wählen Sie im Menü Optionen den Punkt Eigenschaften. Das Fenster Eigenschaften (Bild 7.4) erscheint. Wählen Sie die Option Aufnahme im Abschnitt Lautstärke regeln für. Drücken Sie die Taste OK. Das Fenster wird geschlossen, und das Fenster Lautstärkeregelung zeigt jetzt die Regler für die Aufnahmekanäle (Bild 7.5). Aktivieren Sie die Option Auswählen beim Kanal Line-In. Alle anderen Kanäle werden automatisch deaktiviert. Stellen Sie den Schieberegler Line-In ganz nach oben. Die Vorbereitungen sind damit abgeschlossen, Sie können das Fenster Aufnahme jetzt verkleinern oder schließen. Das Oszilloskop ist betriebsbereit. Bild 7.3: Fenster Windows Lautstärkeregelung Oszilloskop einschalten 151 Bild 7.4: Fenster Eigenschaften Bild 7.5: Fenster Aufnahmeregler 152 7 Bedienung des Programms PC-Oszilloskop (oszilight) DUT anschließen Der Eingang der Soundkarte bzw. eines externen Audio-Interfaces reagiert sehr empfindlich auf Übersteuerungen. Sobald die Eingangsspannung den Wert 2 V übersteigt, kann die Schaltung Schaden nehmen. Viele der im vorliegenden Lernpaket gebauten Schaltungen liefern NF-Signale, deren Pegel deutlich über 2 V liegt. Deshalb wird ein Eingangsspannungsteiler benötigt. Abgestimmt auf die Eingangsimpedanz der Soundkarte finden Sie in Bild 7.6 das Schaltbild eines geeigneten Spannungsteilers für einen Kanal. Bringen Sie die beiden Widerstände R1 und R2 in einem kleinen, abgeschirmten Stiftgehäuse unter (das von der Mine befreite Gehäuse eines Metallkugelschreibers eignet sich hervorragend). Eine abgeschirmte Leitung mit einer Länge von etwa 3 m, abgeschlossen mit einem 3,5-mm-Klinkenstecker stellt die Verbindung zum PC her. Sie müssen für den linken und den rechten Kanal jeweils eine eigene Leitung mit eigenem Taststift an den Klinkenstecker 3,5 mm anschließen. Ein kurzes Stück Litze (ca. 20 cm) führt vom Masseanschluss des Stiftgehäuses zur Masse der zu untersuchenden Schaltung (DUT – Device under Test) her. Der Spannungsteiler verhindert eine Beschädigung des Audio-Interfaces. Für eigene Schaltungen müssen Sie den Spannungsteiler gegebenenfalls anpassen. Mehr als 2 V dürfen nicht zum Line-In-Eingang gelangen. Bild 7.6: Spannungsteiler Wellenform darstellen Wenn Sie die Tastspitze an Ihre Schaltung (DUT) angeschlossen haben, sehen Sie auf dem Oszilloskopschirm die Wellendarstellung des Signals (Bild 7.7). Folgende Einstellungen sind vorzunehmen: Betriebsart einstellen 153 Bild 7.7: Wellendarstellung des PC-Oszilloskops Betriebsart einstellen Soll das Oszilloskop freilaufend arbeiten, muss die Option hold deaktiviert sein, ansonsten fungiert das Gerät als Speicheroszilloskop. Als Nächstes entscheiden Sie, ob Ein- oder Zweikanalbetrieb benötigt wird. Bei Einkanalbetrieb wählen Sie auf der Registerkarte Channel1 im Listfeld den Modus time, auf der Registerkarte Channel2 wählen Sie den Modus off. Benutzt wird der Taststift für den linken Kanal, deshalb wählen Sie im Listfeld SourceY den Eintrag left. Bei Zweikanalbetrieb können Sie die Option Trigger aktivieren und mit den Schiebereglern Y und X das Einrasten auf den entsprechenden Kanal erzwingen. Empfindlichkeit und Zeitablenkung einstellen Mit den beiden Schiebereglern im Abschnitt Y legen Sie die Empfindlichkeit (1 bis 1.000 mV/Div, linker Schieberegler) und die Strahllage (rechter Schieberegler) fest. Beachten Sie, dass die tatsächlich gemessene Spannung durch den verwendeten Spannungsteiler um den Faktor 10 höher liegt. Den geeigneten Zeitablenkungsfaktor wählen Sie mit dem linken Schieberegler im Abschnitt X. Einstellungen zwischen 1 s/Div und 100 µs/Div sind möglich. 154 7 Bedienung des Programms PC-Oszilloskop (oszilight) Bild 7.8: Darstellung 1-kHz-Signal Ein sinusförmiges Signal mit einer Frequenz von 1 kHz sieht dann auf dem Oszilloskopschirm bei einer Zeitablenkung von 0,25 ms/Div so aus wie in Bild 7.8. Spektrum untersuchen Die Einstellung und Zuordnung der Kanäle erfolgt wie oben beschrieben. Wählen Sie im Listfeld Betriebsart den Modus fft. Die Empfindlichkeit des Y-Kanals wird jetzt in dB/Div eingestellt, der Darstellungsbereich der X-Achse in Hz/Div (Bild 7.9). Die Y-Achse wird so eingestellt, dass die Grundlinie am unteren Rand des Oszilloskopbildschirms zu liegen kommt und der Grundwellen-Peak gut abgelesen werden kann. Beachten Sie, dass die Y-Achse jetzt logarithmisch und nicht linear, wie bei der Wellenformdarstellung, dargestellt wird. Die Einstellung der X-Achse, die linear dargestellt wird, hängt davon ab, wie fein Sie das Spektrum auflösen wollen. Speisen Sie ein geeignetes Signal ein, beispielsweise ein Sinussignal mit 1 kHz. In Bild 7.10 sehen Sie das Ergebnis und die gewählten Einstellparameter des Fourier-Analysators. Neben dem großen Grundsignal-Peak ist bei 8 kHz eine ganz geringe Oberwelle zu sehen. Ebenso typisch die Spektraldarstellung eines Sägezahnsignals, ebenfalls mit 1 kHz Grundfrequenz. Bild 7.11 zeigt die regelmäßig erscheinenden charakteristischen Oberwellen und die gewählten Einstellparameter des Analysators. Spektrum untersuchen 155 Bild 7.9: Fenster Einstellungen FourierAnalyse Bild 7.10: Analysefenster mit 1-kHz-Sinus-Signal 156 7 Bedienung des Programms PC-Oszilloskop (oszilight) Bild 7.11: Analysefenster mit 1-kHz-Sägezahn-Signal Bild 7.12: Analysefenster mit 1-kHz-Rechteck-Signal Spektrum untersuchen 157 Bild 7.13: Analysefenster mit Rauschsignal Untersuchen Sie weitere Signalformen wie beispielsweise Rechteck (Bild 7.12) und Rauschen (Bild 7.13). Mit fortschreitender Erfahrung verändern sich die Anforderungen an das Oszilloskop. Die verwendete Soundkarte schränkt den Einsatz auf den Frequenzbereich 20 Hz bis 20 kHz ein. Es gibt inzwischen relativ preiswerte PC-Oszilloskop-Interfaces mit USBAnschluss, die einen Frequenzbereich von 0 bis 20, 50 oder 100 MHz bieten. Damit können auch Gleichspannungssignale erfasst werden. Ein weiterer Vorteil dieser Messgeräte besteht darin, dass die Eingangsimpedanz bei niedriger Frequenz bei etwa 1 MOhm liegt, bei HF kann ein Abschluss von 50 Ohm realisiert werden. In der Regel wird auch der Betrieb als Spektrenanalysator unterstützt. Damit wird Ihr PC oder Ihr Notebook zum hochwertigen Messplatz.
