Schaltungen mit Oszillogrammen
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Simulieren mit TARGET 3001! Seite 1 von 24 Zusammenstellung der in TARGET 3001! simulierten Grundschaltungen Alle simulierten Schaltungen sind als TARGET 3001!-Schaltungen vorhanden und beginnen mit SIM- LED- Kennlinie...........................................................................2 LED- Kennlinie...........................................................................2 LED an Gleichspannung...........................................................2 Einweggleichrichter ohne Kondensator.................................4 Einweggleichrichter mit Kondensator....................................5 Gleichrichterschaltung mit Z-Dioden-Stabilisierung............6 Einweggleichrichter mit Spannungsregler 7805....................7 Zweiweggleichrichter................................................................8 Zweiweggleichrichter mit Spannungsregler..........................9 Transistorschaltung : Bestimmung von B...........................10 Kondensator-Auf- und Entladung.........................................12 RC-Rechteckgenerator...........................................................14 Widerstand an Wechselspannung........................................16 Kondensator an Wechselspannung......................................17 RC-Reihenschaltung...............................................................19 einfacher RC-Tiefpass............................................................21 verbesserter Tiefpass.............................................................22 RC-Bandpass aus HP und TP................................................23 Bandpass mit Schwingkreis..................................................24 In-Target-simulierte-Schaltungen-mit-Oszillogrammen.doc Simulieren mit TARGET 3001! Seite 2 von 24 LED- Kennlinie + Die Kennlinie erhält man mit einer DC-Analyse. - 50m D1 LED V1 I in A 40m 1V 30m 20m DC-Analysis: 10m 0 0,5 1,5 1,0 2,0 2,5 U in V Probe: Strom, auf den Bauteilanschluss klicken Hinweis: die Durchlass-Spannung läßt sich im Modell mit der Größe IS ändern. LED an Gleichspannung DC + AM2 012,611mA A - V1 UR 220 + R1 VM2 - V DC 002,774V 5V Uled D1 rot VM1 + + - - V DC 002,224V In-Target-simulierte-Schaltungen-mit-Oszillogrammen.doc Simulieren mit TARGET 3001! Seite 3 von 24 LED an Wechselspannung ohne Schutzdiode Uein , UR , UDiode in V R1 + 100 +10 UR V1 Uein - D2 rot 10V UDiode 0 Frequenz 50Hz Die LED wirkt wie ein Gleichrichter. Am Widerstand sieht man die typische pulsierende Gleichspannung. Während den positiven Halbwellen leuchtet die LED und begrenzt die -10 Spannung auf ca. 2,2v 10 20 Während den negativen Halbwellen sperrt die LED und muss die gesamte negative Spannung von – 10V aufnehmen. dies kann auf Dauer zur Zerstörung der LED führen 30 40 50 Zeit in ms LED an Wechselspannung mit Schutzdiode Uein , UR , UDiode in V R1 + UR 100Ω +10 V1 Uein - 10V D1 1N4001 D2 rot UDiode Frequenz 50Hz Die LED leitet bei der positiven Halbwelle und begrenzt die Spannung auf 2,2V. Die Diode leitet bei der negativen Halbwelle und begrenzt die Spannung auf 0,7V. Dadurch schützt sie die LED vor zu großen negativen Spannungen. 0 -10 10 20 30 40 50 Zeit in ms In-Target-simulierte-Schaltungen-mit-Oszillogrammen.doc Simulieren mit TARGET 3001! Seite 4 von 24 Einweggleichrichter ohne Kondensator UDiode D1 + V1 1N4001 Uein - R1 100 Uaus 10V Frequenz 50Hz Uein , Uaus in V 10 0 -10 10 20 30 40 50 Zeit im ms 30 40 50 Zeit im ms Uein , Uaus , UDiode in V 10 0 -10 10 20 In-Target-simulierte-Schaltungen-mit-Oszillogrammen.doc Simulieren mit TARGET 3001! Seite 5 von 24 Einweggleichrichter mit Kondensator UDiode + V1 1N4001 + D1 Uein - C1 R1 1000µF 100 Uaus 10V Frequenz 50Hz Uein , Uaus in V 10 0 -10 10 20 30 40 50 Zeit im ms Uein , Uaus , U Diode in V 10 0 -20 10 20 30 40 50 Zeit im ms In-Target-simulierte-Schaltungen-mit-Oszillogrammen.doc Simulieren mit TARGET 3001! Seite 6 von 24 - V1 UDiode UR1 D1 R1 1N4001 C1 Uein 10V 1000µF 10 + + Gleichrichterschaltung mit Z-Dioden-Stabilisierung Uc D2 R2 ZPD5,1V 100 Uaus Frequenz 50Hz Uein , UC , Uaus in V 10 0 -10 10 20 30 40 50 Zeit im ms 40 50 Zeit im ms Uein , UC , UR1 , Uaus in V 10 0 -10 10 20 30 In-Target-simulierte-Schaltungen-mit-Oszillogrammen.doc Simulieren mit TARGET 3001! Seite 7 von 24 Einweggleichrichter mit Spannungsregler 7805 UDiode U7805 D1 IC1 7805CT - V1 1N4001 C1 Uein 10V 1000µF Uc OUT GND C2 + + IN 100NF C3 R2 100NF 100 Uaus Frequenz 50Hz Hinweis: Lässt man die beiden 100nF-Kondensatoren weg, so werden die im Diagramm sichtbaren Einschwingvorgänge deutlich stärker. Die Kondensatoren dienen der Schwingungsunterdrückung. Schwingungen können immer auftreten, wenn die Größe der Eingangsspannung oder die Belastung am Ausgang schwankt. Uein , UC , Uaus in V 10 0 -10 10 20 30 40 50 Zeit im ms In-Target-simulierte-Schaltungen-mit-Oszillogrammen.doc Simulieren mit TARGET 3001! Seite 8 von 24 Zweiweggleichrichter + ~ BR1 - V1 Uein + 10V ~ R1 100 B80C1000 Uaus Frequenz 50Hz ohne Kondensator Uein , Uaus in V 10 0 -10 mit Kondensator 10 20 30 40 50 Zeit im ms Uein , Uaus in V 10 0 -10 10 20 30 40 50 Zeit im ms In-Target-simulierte-Schaltungen-mit-Oszillogrammen.doc Simulieren mit TARGET 3001! Seite 9 von 24 Zweiweggleichrichter mit Spannungsregler - U7805 B80C1000 V1 Uein - BR1 10V IC2 + + + ~ C1 1000µF ~ C2 Uc 7805CT IN OUT GND 100NF C3 R3 100NF 100 Uaus 40 50 Frequenz 50Hz Uein , UC , Uaus in V 10 0 -10 10 20 30 Zeit im ms Lastwiderstand zu klein bzw. Eingangsspannung zu klein bzw. Kondensator zu klein Uein , UC , Uaus in V 10 0 -10 10 20 30 40 50 Zeit im ms In-Target-simulierte-Schaltungen-mit-Oszillogrammen.doc Simulieren mit TARGET 3001! Seite 10 von 24 Transistorschaltung : Bestimmung von B 10 DC AM1 000,417A A - - DC VM2 V T2 + - + 10V R1 000,016mA A - DC AM2 + V1 + + R2 500k Bei der messtechnischen Bestimmung des Gleichstromverstärkungsfaktors B werden I B= C Kollektorstrom und Basisstrom gemessen und anschließend der Quotient gebildet. IB Es ist jedoch zu beachten, dass der Transistor auf keinen Fall übersteuert sein darf. D.h. die Größe des Kollektorstromes muss vom Basisstrom abhängen und nicht wie bei der Übersteuerung von der Größe des Kollektorwiderstandes! Daher wird auch UCE gemessen. Ist UCE deutlich größer als UCEsat , so ist der Transistor nicht übersteuert. Bei dem Darlingtontransistor BC517 beträgt UCEsat ≈ 1V. Die Stromverstärkung ist außerdem abhängig von der Größe des Kollektorstromes. Daher werden einige „Messungen“ bei unterschiedlichen Kollektorströmen durchgeführt. BC517 - DC VM1 005,793V V 002,030V 20 R1 000,008mA A AM1 000,266A A - DC - VM2 - V DC T2 + 10V DC + AM2 + - V1 + + R2 1Meg B = IC / IB = 417mA / 16µA = 26.000 BC517 - V VM1 DC 004,649V 001,735V B = IC / IB = 266mA / 8µA = 33.000 In-Target-simulierte-Schaltungen-mit-Oszillogrammen.doc Seite 11 von 24 20 R1 000,004mA A AM1 000,168A A - DC - - VM2 V DC T2 + 10V DC + AM2 + - V1 + + R2 2Meg Simulieren mit TARGET 3001! BC517 - V VM1 DC 006,633V 001,533V B = IC / IB = 168mA / 4µA = 42.000 Laut Datenblatt ergibt sich folgender Verlauf von B In-Target-simulierte-Schaltungen-mit-Oszillogrammen.doc Simulieren mit TARGET 3001! Seite 12 von 24 Kondensator-Auf- und Entladung R1 V1 + 8 6 1K + 10 UR Uges, Uc in V Uges - 10V 1µF C1 Uc 4 Impulszeit = 1ms Periodendauer = 2ms 2 0 10 1 U R in V 2 Die Schaltung mit R = 1kΩ und C = 1µF besitzt eine Zeitkonstante von τ = 1ms. Im linken oberen Bild hat sich der Kondensator nach 1ms auf 6,3V aufgeladen. Zeit in ms 0 -10 Zeit In den unteren Bildern lädt der Kondensator sich schneller auf, weil die Kapazität kleiner ist. Uges, Uc in V UR R1 + 8 6 - V1 1K + 10 Uges 10V 100nF C1 4 Impulszeit = 1ms Periodendauer = 2ms 2 0 10 1 Zeit in ms 1 Zeit in ms U R in V 0 -10 Zeit In-Target-simulierte-Schaltungen-mit-Oszillogrammen.doc Uc Simulieren mit TARGET 3001! Seite 13 von 24 Überprüfung der Formel der Aufladekurve: −t τ U =U max∗(1−e ) Im Graphenrechner eingegebene Funktion: 10*(1-exp(-t/1m)) wobei hier Umax = 10V und τ = 1ms ist. 10 Uges, Uc in V mit 10* (1-e (-t/1m)) berechnete Aufladekurve 8 6 4 2 0 1 Zeit in ms Überprüfung von Uges = UR + UC mit dem Graphenrechner UR , Uc in V mit UR + Uc berechnete Gesamtspannung 10 0 -10 1 Zeit in ms In-Target-simulierte-Schaltungen-mit-Oszillogrammen.doc Simulieren mit TARGET 3001! Seite 14 von 24 RC-Rechteckgenerator + Uc Spannungsversorgung des Schmitt-Triggers IC1a + R1 1K UR C1 1µF 74HC14_DIN Urecht V1 IC1p - 5V Die Schaltschwellen des Schmitt-Triggers lassen sich am TARGET 3001!-Oszilloskop ablesen, wenn man bei Bearbeiten den Cursor an den Graphen hängt. (Werte x, y am unteren Bildrand) obere Schaltschwelle: 2,5V untere Schaltschwelle: 1,6V 5 Urecht, UC in V 4 3 2 1 0 1 5 Zeit in ms Mit C = 3µF lädt sich der Kondensator langsamer auf , daher werden die Schaltschwellen des Schmitt-Triggers später erreicht und die Frequenz sinkt 5 Urecht, Uc in V 4 3 2 1 0 1 5 Zeit in ms In-Target-simulierte-Schaltungen-mit-Oszillogrammen.doc Simulieren mit TARGET 3001! Seite 15 von 24 zusätzlich wird die Spannung über dem Widerstand gemessen: 5 Urecht, Uc, UR in V 0 -5 5 1 Zeit in ms Mit dem Graphenrechner durchgeführte Addition von Uc und UR ergibt Urecht -> Beweis: die Summe der Spannungen Uc und UR ergibt zu jedem Zeitpunkt Urecht 5 Urecht = Uc + UR 0 -5 1 5 Zeit in ms In-Target-simulierte-Schaltungen-mit-Oszillogrammen.doc Simulieren mit TARGET 3001! Seite 16 von 24 Widerstand an Wechselspannung + V1 - 1V R1 1.5Ω UR in V, IR in A, PR in W +1 0 -1 +1 10 20 30 50 40 Zeit im ms UR in V, U eff berechneter Effektivwert IR in A , I eff berechneter Effektivwert PR in W, berechnet: U eff * Ieff 0 -1 10 20 30 40 50 Zeit im ms In-Target-simulierte-Schaltungen-mit-Oszillogrammen.doc Simulieren mit TARGET 3001! Seite 17 von 24 Kondensator an Wechselspannung Eine Quelle liefert eine sinusförmige Wechselspannung mit U = 1V bei f = 1kHz. + Uc - 1V f=1kHz mit U(t) und I(t) mitTransientenanalyse Phasenverschiebung +1 Ic V1 C1 100µF Uc in V, Ic in A Im Oszillogramm ablesbar: Der Strom eilt der Spannung um 90° voraus. Änderung des Kondensators auf z.B. 200 µF: 0 Der Strom steigt. C ↑ → I ↑ → Xc ↓ weil Xc = U / I ⇒ Xc ~ 1/C -1 Änderung der Frequenz auf f = 500 Hz +1 0,5 1 1,5 Zeit in ms Uc in V, Ic in A Im Oszillogramm ablesbar: Der Strom eilt der Spannung um 90° voraus. Der Strom sinkt. 0 f ↓ → I ↓ → Xc ↑ weil Xc = U / I ⇒ Xc ~ 1/f ⇒ Xc ~ 1/C*f -1 0,5 1 1,5 Zeit in ms Hinweis: Der Kondensator ist so bemessen, dass der Strom im Bereich zwischen 0,5 und 1 A liegt, da das Oszilloskop in TARGET 3001! nur eine Skale aufweist und Ströme kleiner als 0,5A nicht mehr sinnvoll dargestellt werden. In-Target-simulierte-Schaltungen-mit-Oszillogrammen.doc Simulieren mit TARGET 3001! AC-Analyse Mit der AC-Analyse kann man die Abhängigkeit des Strom und der Spannung von der Frequenz sehen: Achtung: auf der X-Achse steht jetzt die Frequenz f Seite 18 von 24 +1 Uc in V, Ic in A f ↑ → I ↑ → Xc ↓ weil Xc = U / I 0 1000 10 109 208 307 406 505 Frequenz in Hz Berechnung von Xc mit dem Graphenrechner: Im Graphenrechner • Neu (analog) -Button • Effektivwert-Button • bei Graph: Spannung wählen • im Eingabefeld ans Ende der Klammer gehen • / für geteilt durch • Effektivwert-Button • Graph Strom wählen • OK Abhängigkeit des Blindwiderstandes Xc von der Frequenz 140 0 Xc = Ueff / Ieff berechnet mit dem Graphenrechner 10 109 208 307 406 505 1000 Frequenz in Hz In-Target-simulierte-Schaltungen-mit-Oszillogrammen.doc Simulieren mit TARGET 3001! Seite 19 von 24 RC-Reihenschaltung Reihenschaltung aus R = 1,5Ω und C = 100µF wird an Wechselspannung U= 1V, f= 1kHz R1 angeschlossen UR 1,5 Ω Aus dem Oszillogramm lässt sich ablesen: + V1 • Einschwingvorgang bis ca. 0,3 ms I • UR und I sind phasengleich Uges 1V • UR und UC sind 90° phasenverschoben C1 f=1kHz Uc • Die Summe aus UR und UC ergibt Uges 100µF +1 Uges, Uc, U R in V, I in A 0 -1 0,5 1 1,5 Uges = UC + UR berechnet mit dem Graphenrechner: Zeit in ms Uc, UR in V, Uges = Uc+U R berechnet mit Graphenrechner +1 0 -1 0,5 1 1,5 Zeit in ms In-Target-simulierte-Schaltungen-mit-Oszillogrammen.doc Simulieren mit TARGET 3001! Seite 20 von 24 Frequenzabhängigkeit von U und I Uges, Uc, UR in V, I in A 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Frequenz 10 V(ges,C) • • • • 100 V(C,GND) V(ges,GND) 1K 10K I(r1,1) logarithmische Frequenzachse! leider sind die Linien nicht logarithmisch eingeteilt man erkennt das typische Tiefpass-Verhalten von UC und das Hochpass-Verhalten von UR In-Target-simulierte-Schaltungen-mit-Oszillogrammen.doc Simulieren mit TARGET 3001! Seite 21 von 24 einfacher RC-Tiefpass R1 + 1kΩ V1 Uein - C1 100nF Uaus 10V Grenzfrequenz mit dem Cursor im Oszilloskop-Fenster ablesen! Uaus / Uein 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Frequenz 100 1K 10K 100K In-Target-simulierte-Schaltungen-mit-Oszillogrammen.doc Simulieren mit TARGET 3001! Seite 22 von 24 verbesserter Tiefpass R1 R2 + Schaltet man 2 Tiefpässe, die scheinbar die gleiche Grenzfrequenz besitzen, hintereinander, so wird erhält man einen steilen Abfall der Kurve, also einen „besseren“ Tiefpass. 10k V1 Die Grenzfrequenz ändert sich1k jedoch von ca. 1,5kHz auf 960 Hz. Beide Werte kann man im C1 C2 Uein wenn man bei „Bearbeiten“ U2den Cursor nacheinanderUaus Oszilloskop-Fenster ablesen, an beide 100nF 10nF Graphen hängt. Warum das so ist, kann man nach einer Reihen-Parallel-Umwandlung des 2. 10V Filters verstehen. 1,0 Uaus / U ein, U2 / Uein 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Frequenz 10 V(Uc) 100 1K 10K 100K V(Uc2) In-Target-simulierte-Schaltungen-mit-Oszillogrammen.doc Simulieren mit TARGET 3001! Seite 23 von 24 RC-Bandpass aus HP und TP R3 Die Reihenschaltung aus RC-Hochpass und RC-Tiefpass bildet einen Bandpass. Nur wenn das Filter am Ausgang hochohmig gewählt ist gegenüber dem 4,7k Filter am Eingang lassen sich die Grenzfrequenzen näherungsweise getrennt berechnen mit f g = fgTP=3,4kHz 1 2⋅π⋅R⋅C C3 Uaus_TP 10nF TPBandpass zum Vergleich Zum Vergleich der Frequenzgänge von Hochpass, Tiefpass und ist oben noch ein Tiefpass an die gleiche Spannungsquelle geschaltet. C1 R2 + Für die AC-Analyse (Frequenzgang) sind die Größe der Spannung und der Frequenz bei der Quelle ist beliebig. Alle Spannungen werden V1 automatisch 1µFauf die Eingangsspannung 4,7k R1 C2 Uein Uaus_HP angegeben. Uaus_BP bezogen, z.B. Uaus_HP / Uein. Der Frequenzbereich wird im AC-Analyse-Fenster - 530 10nF 1V Mit Cursor im Oszilloskop-Fenster ausgemessen: UHP = UTP bei 1,07 kHz UHP = 0,707 bei f = 303 Hz UTP = 0,707 bei f = 3,36kHz fgHP=300Hz fgTP=3,4kHz Bandpass aus HP und TP Uaus_TP / Uein, Uaus_HP / Uein, Uaus_BP / Uein 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Frequenz 10 V(UHP) V(UTP) 100 1K 10K 100K V(UBP) In-Target-simulierte-Schaltungen-mit-Oszillogrammen.doc Simulieren mit TARGET 3001! Seite 24 von 24 Bandpass mit Schwingkreis + R2 V1 200 Uein - 1V L1 R1 C1 100m 10k 253nF Uaus f_Res = 1kHz Bandbreite ca. 3100Hz fgrenz bei ca 300Hz und 3,4 KHz Uaus / Uein 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Frequenz 10 100 1K 10K 100K V(Ua) In-Target-simulierte-Schaltungen-mit-Oszillogrammen.doc
