Versuch 3
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PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2013/2014 VERSUCHSANLEITUNG 3 1 Versuch 3 Stand: 3. 12. 13 Versuchsziele: • • • Elementare Schaltungen mit MOSFETs aufbauen und in Betrieb nehmen. Das Verhalten einer induktiven Last untersuchen. Typische Besonderheiten von Operationsverstärkern und Komparatoren im Experiment kennenlernen. Aktive Bauelemente: • • • • P-Kanal-FET: IRF9Z14 oder IRF730 oder IRF9630. N-Kanal-FET: IRF620 oder IRL520. Operationsverstärker: TL061. Komparator: LM339. Zum Dienstreglement: • • Die Versuche 1 bis 3 (P-Kanal-FET, Relais) werden – wie bisher üblich – mit Steckmodulen ausgeführt. N-Kanal-FETs, Operationsverstärker und Komparatoren werden mittels des Universaladapters 10b (der Bunten Kuh) adaptiert. Geben Sie bitte Bescheid, wenn Sie ein solches Bauelement benötigen. Nur ein Bauelement zu einer Zeit. Das Teil, was Sie jeweils nicht mehr brauchen, geben Sie zurück. 1. Das statische Verhalten des Feldeffekttransistors Wir untersuchen den FET als Leistungsschalter in Source- und Drainschaltung. Hierzu verwenden wir einen P-Kanal-Typ. Der Transistor befindet sich auf einem vierpoligen Steckmodul. Abb. 1.1 Leistungs-FET in Gehäuse TO-220. Anschlußbild. Versuchsdurchführung (für die beiden folgenden Schaltungen): 1. Alle Spannungsregler der Labornetzgeräte auf Null (linker Anschlag). Stets vorsichtig betätigen! 2. Betriebsspannung UB auf – 10 V. 3. Steuerspannung langsam (!) hochdrehen. Instrumente beobachten! PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2013/2014 VERSUCHSANLEITUNG 3 Zu untersuchen: a) Von welcher Gatespannung UGS an bewegt sich die Ausgangsspannung UDS? b) Wie hängt der Durchlaßwiderstand RDSon von der Gatespannung UGS ab? c) Wie groß ist RDSon bie Vollaussteuerung? Hinweis: RDSon UDS IA Abb. 1.2 Der Leistungs-FET in Sourceschaltung. Da es sich um einen P-KanalTyp handelt, sind die Spannungen negativ gegen Masse. Abb. 1.3 Der P-Kanal-FET in Drainschaltung. . 2 PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2013/2014 VERSUCHSANLEITUNG 3 3 2. High Side Drive Die Schaltung von Abb. 1.3 wird auf positive Betriebsspannung umgebaut. Der FET wird also gleichsam verkehrt herum angeschlossen (Source an Betriebsspannung). Versuchsdurchführung: 1. Alle Spannungsregler der Labornetzgeräte auf Null (linker Anschlag). Stets vorsichtig betätigen! 2. Betriebsspannung UB auf 10 V. 3. Steuerspannung langsam (!) hochdrehen. Instrumente beobachten! Zu untersuchen: a) Welche Ausgangsspannung UA ergibt sich bei Steuerspannung US = 0 V? b) Steuerspannung US erhöhen. Wann beginnt sich am Ausgang etwas zu tun (nennenswerte Änderung der Ausgangsspannung UA)? c) Steuerspannung US weiter erhöhen. Wann hat die Ausgangsspannung den anderen Endwert erreicht? Abb. 2.1 High Side Drive mit P-Kanal-FET. Achtung: Source ist oben! 3. Die induktive Last Mit dem P-Kanal-FET ist ein Relais anzusteuern. Versuchsdurchführung: 1. Betriebsspannung UB auf 15 V. 2. Zunächst keine Freilaufdiode. 3. Funktionsgenerator über Meßadapter 09b anschließen, Nur positive Halbwelle. Rechtecksignale mit 15 V Amplitude (Regler am Funktionsgenerator an den rechten Anschlag). Frequenz zunächst 50...1000 Hz. PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2013/2014 VERSUCHSANLEITUNG 3 4 Zu untersuchen: a) Verlauf der Ausgangsspannung. b) Verlauf des Ausgangsstroms. c) Verlauf der Gatespannung. d) Freilaufdiode einsetzen. Wie sehen jetzt Ausgangsspannung und Gatespannung aus? e) Frequenz soweit herunterdrehen, bis Relais hörbar schaltet. Wie sieht der Ausgangsstrom aus? Vor allem zu untersuchen: Der Verlauf des Ausgangsstroms mit und ohne Freilaufdiode. Wir verwenden deshalb High Side Drive, weil hier der Strom als Spannungsabfall gegen Masse gemessen werden kann. Abschließender Demonstrationsversuch (für Freiwillige): Das Relais wird durch die Sekundärwicklung eines Netztransformators ersetzt. Welche Spannung ergibt sich an der Primärwicklung? Bis zu welcher Frequenz funktioniert das? – VORSICHT, HOCHSPANNUNG! Abb. 3.1 Ansteuerung eines Relais mittels P-Kanal-FET (High Side Drive). PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2013/2014 VERSUCHSANLEITUNG 3 Ohne Freilaufdiode a) Spannung b) Strom Mit Freilaufdiode a) Spannung b) Strom Woher kommt der zweite Zacken? 4. Der N-Kanal-FET Wir adaptieren den Transistor mittels des Universaladapters 10b. Abb. 4.1 Der N-Kanal-FET im Universaladapter 10b. 5 PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2013/2014 VERSUCHSANLEITUNG 3 6 Versuchsdurchführung: Wir beschränken uns auf die dynamische Erprobung mitttels Funktionsgenerator und Oszilloskop. 1. Betriebsspannung UB auf 15 V. 2. Funktionsgenerator über Meßadapter 09b anschließen, Nur positive Halbwelle. Rechtecksignale maximal 15 V Amplitude. Regler am Funktionsgenerator bei Versuchsbeginn jeweils zunächst an den linken Anschlag. Frequenz etwa 5 kHz. Sourceschaltung Amplitude der Impulse erhöhen und Ausgangsverhalten beobachten. FET fängt bei etwa 4 V an zu schalten und schaltet bei etwa 8 V richtig durch. Weitere Erhöhung der Gatespannung bringt nichts. Abb. 4.2 N-Kanal-FET in Sourceschaltung (Low Side Drive). Drainschaltung Amplitude der Impulse erhöhen und Ausgangsverhalten beobachten. FET fängt bei etwa 4 V an zu schalten. Die Ausgangsamplitude folgt der Eingangsamplitude (ähnlich wie beim Emitterfolger), aber vermindert um die Schwellenspannung von etwa 3,5...5 V. Abb. 4.3 N-Kanal-FET in Drainschaltung (High Side Drive). PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2013/2014 VERSUCHSANLEITUNG 3 7 Spannungsüberhöhung mit Ladungspumpe Drainschaltung = High Side Drive. Damit der FET richtig durchschaltet, muß die Gatespannung um die Schaltspannung für minimalen RDSon überhöht werden (VDD + 10...20 V). Die Diode klammert den negativen Pegel am Kondensator auf die Betriebsspannung (VDD). Damit liegt der positive Pegel um die Sourcespannung über VDD. Es müssen sich Rechteckimpulse ergeben, deren Low-Anteile auf VDD-Pegel liegen. Um daraus eine Gleichspannung zu gewinnen, schalten wir einen Ladekondensator nach. Die in Flußrichtung zwischengeschaltete Diode dient als Rückstromsperre. Gleichspannung messen. Abb. 4.4 Vorversuch zur Ladungspumpe. Bootstrapschaltung Der FET wird über eine Transistorstufe angesteuert. Diese wird von der Ladungspumpe gespeist. Ansteuerpegel etwa 4 V. Pegel am Kondensator (**) zwischen VDD und 2 VDD; Pegel am Gate zwischen 0 V und 2 VDD. Signalverläufe und Pegel beobachten. Gleichspannung messen. Werte mit denen des Vorversuchs vergleichen. Wodurch ergeben sich die Unterschiede? Abb. 4.5 High Side Drive mit N-Kanal-FET und selbstgebauter Bootstrapschaltung. PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2013/2014 VERSUCHSANLEITUNG 3 8 5. Operationsverstärker Wir beschränken uns auf elementare Vorversuche. Der Operationsverstärker wird mittels des Universaladapters 10b adaptiert. Betriebsspannungen: + 15 V und – 15 V aus dem Festspannungsnetzgerät. Abb. 5.1 Der Operationsverstärker TL061 im Universaladapter 10b. Die Offsetspannung Schaltet man beide Eingänge an Masse, müßte die Ausgangsspannung 0 V betragen. Was aber kommt heraus? Dann mit dem 1:1-Puffer probieren. Abb. 5.2 Die Offsetspannung (1). Keine Rückkopplung. Abb. 5.3 Die Offsetspannung (2). Der 1:1-Puffer. PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2013/2014 VERSUCHSANLEITUNG 3 9 Der Betrieb mit zwei Speisespannungen Wir bleiben beim 1:1-Puffer und verwenden die Potentiometerplatine 09a, um den gesamten Bereich der Eingangsspannung zu durchfahren. In welchen Bereichen ist UA = UE, in welchen nicht? Abb. 5.4 Betrieb mit zwei Speisespannungen (Dual Rail Operation). Der Betrieb mit nur einer Speisespannung Wir betreiben den 1:1-Puffer mit + 15 V gegen Masse und verwenden die Potentiometerplatine 09a, um den gesamten Bereich der Eingangsspannung zu durchfahren. In welchen Bereichen ist UA = UE, in welchen nicht? Abb. 5.5 Betrieb mit einer Speisespannung (Single Rail Operation). Der 1:1-Puffer als Spannungsquelle Wir betreiben den Operationsverstärker wieder mit + und – 15 V. An den Ausgang schließen wir den Stellwiderstand 09 an. Wir verwenden nur eines der beiden Widerstandselemente. Versuchsdurchführung: 1. Eingangsspannung (Potentiometer) auf etwa + 5 V. 2. Stellwiderstand anfänglich auf 10 kOhm. 3. Widerstandswert am Ausgang schrittweise verringern. Bei welchem Wert nimmt die Ausgangsspannung merklich ab? Mit wievielen mA kann also der Verstärker höchstens belastet werden? 4. Den niedrigsten Widerstandswert wieder einstellen, bei dem sich die Ausgangsspannung noch nicht geändert hat (maximale Belastung). Jetzt die Eingangsspannung verändern (zwischen + und – 10 V) und die Ausgangsspannung beobachten. Bleibt sie weiterhin konstant oder nicht? PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2013/2014 VERSUCHSANLEITUNG 3 10 Abb. 5.6 Der Stellwiderstand 09. Nutzung versteht sich von selbst. Kippschalter oben: zwei unabhängige Widerstandselemente. Kippschalter unten: Widerstandselemente und die beiden Buchsen in der Mitte verbunden (Spannungsteiler). Abb. 5.7 Der 1:1-Puffer als Spannungsquelle. Der nichtinvertierende Verstärker Wir setzen den Stellwiderstand 09 ein, um einen nichtinvertierenden Verstärker zu bauen. Versuchsdurchführung: 1. Beide Widerstände anfänglich auf 10 kOhm. Kippschalter an Rückseite des Stellwiderstands nach unten. Dann sind beide Widerstandselemente in der Mitte miteinander verbunden (Spannungsteilerschaltung). 2. Eingangsamplitude etwa 2 V. Sinus. Frequenz etwa 1 kHz. 3. Welche Verstärkung ergibt sich? 4. Die Amplitude am Funktionsgenerator vorsichtig (!) erhöhen. Bis zu welchem Wert läßt sich der Verstärker korrekt ansteuern? Welcher Ausgangsspannungshub ergibt sich damit? Dann wieder auf 2 V zurück. 5. Stellen Sie R2 auf 22 kOhm und dann auf 5,6 kOhm. Welche Verstärkung ergibt sich? 6. Versuchen Sie eine Widerstandseinstellung zu finden (man kann sie auch berechnen...), die eine Verstärkung von etwa 100 ergibt. Hinweis: Sie kennen jetzt den maximalen Ausgangsspannungshub, bis zu dem Sie den Verstärker aussteuern können. Welche Eingangsspannung dürfen Sie höchstens anbieten, um bei einem Verstärkungsfaktor = 100 den Verstärker nicht zu übersteuern? Ggf. die Spannungsteilerfunktion (Attenuation) des Funktionsgenerators ausnutzen (20 dB = 1:10, 40 dB = 1:100). PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2013/2014 VERSUCHSANLEITUNG 3 Abb. 5.8 Der nichtinvertierende Verstärker. Der invertierende Verstärker Wir setzen den Stellwiderstand 09 ein, um einen invertierenden Verstärker zu bauen. Versuchsdurchführung: Siehe den nichtinvertierenden Verstärker. Abb. 5.9 Der invertierende Verstärker. 11 PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2013/2014 VERSUCHSANLEITUNG 3 12 6. Der Komparator Wir beschränken uns auf elementare Vorversuche. Der Komparator wird mittels des Universaladapters 10b adaptiert. Betriebsspannungen: + 15 V, – 15 V und + 5 V aus dem Festspannungsnetzgerät. Abb. 6.1 Der Komparator LM339 im Universaladapter 10b. Versuchsdurchführung: 1. Frequenz etwa 5 kHz. 2. Darstellung der Vergleichsspannung mittels Potentiometerplatine 09a. 3. Eingangsamplitude von 0 V an langsam erhöhen bis auf ca. 15 V. 4. Sinus- und Dreiecksignale. Die Vergleichsspannung verändern und das Schalten des Komparators beobachten. Wie schaltet der Komparator, wenn der Anstieg steil und wenn er flach ist (Sinus in der Nähe des Nulldurchgangs und der Spitzen). Oszilloskop richtig synchronisieren und ggf. Zeitbasis so dehnen, daß die Einzelheiten der Signalflanken zu sehen sind. 5. Mit verschiedenen Arbeitswiderständen (RA) probieren: 22k, 1k und 330R. PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2013/2014 VERSUCHSANLEITUNG 3 13 Abb. 6.2 Der Komparator in einer elementaren Einsatzumgebung. Zwischen welchen Pegeln schaltet der Ausgang eigentlich? Wie kann man es einrichten, daß der LowPegel näherungsweise gleich 0 V (also Massepotential) ist? – Ausprobieren. Abb. 6.3 Komparator mit ausgangsseitiger Klammerdiode.
