Leseprobe - Christiani

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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
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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
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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
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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
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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 %
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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
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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
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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.
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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
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Bild 7.9: Fenster Einstellungen FourierAnalyse
Bild 7.10: Analysefenster mit 1-kHz-Sinus-Signal
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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
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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.