6. Signalgeneratoren und gesteuerte Quellen
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Fortgeschrittenenpraktikum 1 6. Signalgeneratoren und gesteuerte Quellen Martin Adam Versuchsdatum: 01.12.2005 Betreuer: DI Bojarski 6. Dezember 2005 Inhaltsverzeichnis 1 Versuchsbeschreibung 1.1 Ziel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 2 2 Durchführung 2.1 Sinusspannungsgenerator . . . . . 2.2 Rechteckspannungsgenerator . . 2.3 Dreieckspannungsgenerator . . . 2.4 Konstantspannungsquelle . . . . 2.4.1 Spannungsstabilisierung . 2.4.2 Konstantspannungsquelle 2.5 Konstantstromquelle . . . . . . . 3 3 4 6 7 7 8 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fortgeschrittenenpraktikum 1 – 6. Signalgeneratoren und gesteuerte Quellen 1 2 Versuchsbeschreibung 1.1 Ziel Kennenlernen von niederfrequenten Signalgeneratoren und Einarbeitung in die Regelungstechnik. 1.2 Aufgaben 1. Sinusspannungsgenerator Es ist ein RC-Oszillator mit Wien-Brücke (vgl. Experiment 1) und Operationsverstärker (Abb. 1) aufzubauen und die Schwingfrequenz zu bestimmen. Für den Wien-Zweig ist der RC-Modul von Experiment 1 zu verwenden. 2. Rechteckspannungsgenerator Es ist ein Rechteckspannungsgenerator mit OV (Abb. 2) für f = 100Hz und f = 100kHz aufzubauen. Die Kondensator- und Ausgangsspannung sind zu oszillografieren und zu diskutieren. 3. Dreiecksspannungsgenerator Mit Hilfe einer Integratorstufe ist der Rechteckspannungsgenerator aus Aufgabe 2. zu einem Dreieckspannungsgenerator zu erweitern und zu analysieren. 4. Konstantspannungsquelle (a) Spannungsstabilisierung mit Z-Diode Bauen Sie die Schaltung entsprechend (Abb.3) auf und messen Sie Ua = f (RL ) für Ue = 10V sowie 100Ω < RL < 10kΩ. Stellen Sie die Meswerte grafisch dar und diskutieren Sie die Kurven. Geben Sie an, wann und weshalb die Stabilisierung aussetzt. (b) Es ist eine regelbare Konstantspannungsquelle mit Z-Diode und OV (Abb. 4) aufzubauen und die Lastabhängigkeit für RL = 102 . . . 104 Ω zu ermitteln, grafisch darzustellen und zu diskutieren. 5. Konstantsstromquelle Eine spannungsgesteuerte Konstantstromquelle (Abb.5) für I = 3mA ist für einen veränderlichen Verbraucher aufzubauen und zu überprüfen. Fortgeschrittenenpraktikum 1 – 6. Signalgeneratoren und gesteuerte Quellen 2 3 Durchführung Für die Aufgaben 1 bis 5 wurden die Module der vorangegangenen Experimente benutzt. Somit war es möglich die Schaltungen auf die Module zu übertragen und zu dimensionieren. 2.1 Sinusspannungsgenerator Abbildung 1: Sinusspannungsgenerator Die Schaltung wurde laut Abbildung 1 aufgebaut. Sie besteht unter anderem aus einem Wien-BrückenZweig, der nur eine gewünschte Frequenz durchlässt. Für die Erregung einer Sinusschwingung darf nur eine Frequenz vertärkt werden. Deshalb muss gelten: |−kV | = 1 Die Rückkopplung erfolgt über ein RC-Glied. Für die Spannungsrückkopplung gilt: k = k = →k = Z2 = Z1 + Z2 1 1 1 1 + iωC R + + 1 R iωC + iωC R 1 1 3 + i ωCR − ωCR 1 3 Mit den Vorraussetzungen, dass die Phasenbedingung ϕS = 0, 2π, 4π . . . und die Amplitudenbedingung |−kV | = 1 ist. Die Phasenverschiebung der Rückkopplung muss Null sein. Fortgeschrittenenpraktikum 1 – 6. Signalgeneratoren und gesteuerte Quellen 4 Um die Parameter der Widerstände RT und Rg so einzustellen, dass eine reine Sinusspannung entsteht, wurde das Fourierspektrum der Ausgangsspannung benutzt. Ein reiner Sinus ist genau dann, wenn nur ein Peak im Spektrum zu sehen ist. Abbildung 2: Ausgangsspannung mit Fourierspektrum 2.2 Rechteckspannungsgenerator Es wurde folgende Schaltung aufgebaut, um den Rechteckspannungsgenerator zu realisieren. Am An- Abbildung 3: Schaltplan Rechteckspannungsgenerator fang beträgt die Spannung am Kondensator UC = 0. Der Operationsverstärker springt somit auf ±UB (Betriebsspannung). Es gilt für den nichtinvertierenden Eingang: U+ = Ua R2 R1 + R2 Fortgeschrittenenpraktikum 1 – 6. Signalgeneratoren und gesteuerte Quellen 5 Sei Ua nun +UB . Der Kondensator läd sich über den Widerstand Rg auf bis UC > U+ ist. Nun springt der OV auf −UB und dieser Vorgang wiederholt sich periodisch. Für die Periodendauer T und die Frequenz f gilt: 1 R2 T = = 2 · RC · ln 1 + 2 f R1 Die Kondensator- und die Ausgangsspannung wurden für f = 100Hz und f = 100kHz oszillografiert. Es ergaben sich folgende Werte für die einzelnen Bauteile: 100Hz 100kHz fgem 100,6Hz 100,6kHz Rg 10kΩ 10kΩ R1 502kΩ 502kΩ R2 50kΩ 20kΩ C 2,7µF 1,0nF ftheor 101,9Hz 652kHz Tabelle 1: Messwerte Am Kanal 1 wurde die Kondensator- und am Kanal 2 die Ausgangsspannung dargestellt. Abbildung 4: f = 100Hz Abbildung 5: f = 100kHz Für f = 100Hz ist die Ausgangsspannung eine sehr gute Rechteckspannung. Bei f = 100kHz hingegen, Fortgeschrittenenpraktikum 1 – 6. Signalgeneratoren und gesteuerte Quellen 6 sind die Anstiege schon etwas abgeflacht. Der theoretische Wert stimmt auch nicht mehr mit dem gemessenen überein. Der OV ist durch die slew rate begrenzt und kann die Betriebsspannung nicht mehr schnell genug von ±UB zu ∓UB wechseln. 2.3 Dreieckspannungsgenerator Es wurde die Schaltung zuvor um eine Integratorschaltung erweitert. Abbildung 6: Dreieckspannungsgenerator Es wurde am Ausgang eine verstärkte, dreieckförmige Spannung beobachtet (Kanal 2); allerdings mit einem Offset. Die Ausgangsspannung weist einen linearen Anstieg auf und ebenfalls spitze Extremwerte. Abbildung 7: Fortgeschrittenenpraktikum 1 – 6. Signalgeneratoren und gesteuerte Quellen 2.4 2.4.1 7 Konstantspannungsquelle Spannungsstabilisierung Die Schaltung wurde nach folgender Vorschrift aufgebaut und es wurde die Ausgangsspannung Ua als Funktion von RL untersucht. An den Eingang wurde Ue = 10V angelegt. Abbildung 8: Spannungsstabilisierung RL /Ω 120 160 280 430 550 740 Ua /V 2,367 3,087 4,297 5,310 5,881 6,384 RL /Ω 1200 1670 2800 3540 3922 Ua /V 6,539 6,558 6,575 6,580 6,585 Tabelle 2: Messwerte Stabilisierung Fortgeschrittenenpraktikum 1 – 6. Signalgeneratoren und gesteuerte Quellen 8 Abbildung 9: Spannungsstabilisierung-Grafik Die Werte zeigen, dass sich die konstante Spannung erst ab RL = 1, 2kΩ einstellt. bei kleinen RL ist der Strom durch den Widerstand sehr groß und der durch die Diode sehr klein. Dadurch gelangt man in einen Bereich der Diode, in dem die Spannung nicht mehr konstant ist. 2.4.2 Konstantspannungsquelle Eine Konstantspannungsquelle wurde aufgebaut. Ändert sich die Ausgangsspannung, so ändert sich auch der Spannungsabfall am Potentiometer. Dies hat zur Folge, dass auch die Eingangsspannungsdifferenz sich verändert hat und der OV regelt nach. Er erhöht am Transistor den Emitterstrom. Abbildung 10: Konstantspannungsquelle Fortgeschrittenenpraktikum 1 – 6. Signalgeneratoren und gesteuerte Quellen 9 Die Ausgangsspannung wurde wieder in Abhängigkeit des Lastwiderstandes RL untersucht. RL /Ω 27 47 102 120 160 222 2.5 Ua /V 5,679 7,244 7,923 7,923 7,925 7,925 RL /Ω 280 550 1020 2220 3820 Ua /V 7,928 7,929 7,930 7,930 7,927 Konstantstromquelle U Eine spannungsgesteuerte Konstantstromquelle wurde aufgebaut. Es soll I = 3mA sein. Nach I = R wurde für RT und Ue die Größenordnung bestimmt und anhand der Schaltung korrigiert, sodass I = 3mA betrug. Es ergaben sich diese Werte: Ue RT = = 3V 1, 69kΩ Fortgeschrittenenpraktikum 1 – 6. Signalgeneratoren und gesteuerte Quellen 10 Abbildung 11: Konstantstromquelle Es wurde der Strom IL in Abhängigkeit vom Widerstand RL gemessen und in der folgenden Abbildung aufgetragen. RL /Ω 12 28 55 102 222 280 430 Ua /V 3,007 3,006 3,006 3,006 3,006 3,006 3,006 RL /Ω 900 1200 1600 2800 3270 3922 Ua /V 3,006 3,006 2,759 1,814 1,606 1,380 Tabelle 3: Messwerte Konstantstromquelle Fortgeschrittenenpraktikum 1 – 6. Signalgeneratoren und gesteuerte Quellen 11 Abbildung 12: Konstantstromquelle Dass diese Schaltung einen konstanten Strom liefert, ist in der Grafik gut zu erkennen. Außerdem ist zu sehen wo die Grenzen dieser Schaltung liegen. Ab knapp unter RL = 1600Ω fällt der Ausgangsstrom. Der OV hat seine Grenze von UB erreicht. Dass nun gerade der konstante Teil so klein im Bild ist, liegt daran, dass das Intervall, in dem der Strom nicht konstant bleibt, größer ist, als jenes konstante.
