Lösungen zum Elektronik−Praktikum

Lösungsangaben zum Elektronik−Praktikum
1
Lösungen zum Elektronik−Praktikum
VERSUCH 1 − GRUNDLAGEN MESSEN....................................................................................................................2
Versuch 1.1 − Strom/Spannungsrichtig.....................................................................................................2
Versuch 1.2. − Meßbrücke........................................................................................................................2
Versuch 1.3...............................................................................................................................................2
Versuch 1.5 Schalter.................................................................................................................................3
VERSUCH 2 − HALBLEITER..................................................................................................................................4
Versuch 2.1 − Diodenkennlinien...............................................................................................................4
Versuch 2.2 − Gleichrichtung und Stabilisierung......................................................................................5
Versuch 2.5...............................................................................................................................................5
VERSUCH 3 − OPV...........................................................................................................................................7
Versuch 3.1 −invert..................................................................................................................................7
Versuch 3.2 − nicht invert........................................................................................................................7
Versuch 3.3 − Offsetkompensation............................................................................................................7
Versuch 3.5 − Komperator......................................................................................................................8
Versuch 3.6 Sinus−Oszillator...................................................................................................................8
VERSUCH 4......................................................................................................................................................9
Versuch 4.1 Tiefpaß..................................................................................................................................9
Versuch 4.2 Der Hochpaß.......................................................................................................................10
Versuch 4.3 Der Bandpaß.......................................................................................................................10
Versuch 4.4.............................................................................................................................................11
VERSUCH 5 − VIERPOLE...................................................................................................................................11
Versuch 5.1 ............................................................................................................................................11
Versuch 5.2.............................................................................................................................................12
Versuch 5.3 − Aktiver Vierpol / Emitterverstärker..................................................................................13
Versuch 5.4 − Übertrager.......................................................................................................................14
VERSUCH 6 − KOMBINATORISCHE SCHALTUNGEN....................................................................................................15
Versuch 6.1.............................................................................................................................................15
VERSUCH 7 − SEQUENTIELLE SCHALTUNGEN..........................................................................................................15
Versuch 7.1 − RS − FF...........................................................................................................................15
Versuch 7.2 − D − FF............................................................................................................................15
Versuch 7.3 − JK − FF...........................................................................................................................16
Versuch 7.4 − mono Flop.......................................................................................................................16
VERSUCH 8....................................................................................................................................................16
VERSUCH 9....................................................................................................................................................17
9.2 Single − Slope − Wandler.................................................................................................................17
9.3 Das Abtasttheorem............................................................................................................................18
Versuch Solarzelle..................................................................................................................................19
Versuch 10.5...........................................................................................................................................19
Versuch 10.6 ..........................................................................................................................................19
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Versuch 1 − Grundlagen Messen
Versuch 1.1 − Strom/Spannungsrichtig
* Widerstandsformen ( grob unterteilt in veränderliche / fest einstellbare / feste R)
− Schichtwiderstände (Kohle / Metall)
− Drahtwiderstände (Festzementierte Drahtwiderstände)
− Stoffwiderstände (Kabel)
* Bauform von Schichtwiderständen ( = charakteristische Anschlußart und Montageform)
− zylindrisch, ohne Kappen mit axialen Drahtanschluß (a)
− Widerstände mit radialen Lötfahnenanschluß (R > 1Ω) (b)
− Widerstände senkrecht zur Leiterplattebestückung ( c )
− SMD − Widerstände (d)
a
b
c
d
Versuch 1.2. − Meßbrücke
trivial, siehe Vorabbeschreibung
Versuch 1.3
α (linksanschlag)
UB in V
RPoti
0
15
−0,67 −0,64
max.
45
75
105
135
165
195
225
255
−0,55
−0,40
−0,25
0,01
0,28
0,59
1,02
1,56
Schaltung nach Aufgabenstellung,
Poti 10k lin, 270° ,
alle R =4.7 K
2
1,5
1
Tabelle zur Messung, Poti mit 30° Teilung
0,5
0
−0,5 0
100
200
300
resultierende Grafik
Bemerkung: Kurve nicht linear!
−1
Winkel
Dauer für Versuch: 20 Minuten
Für R1(α)=R4(α)
UB=Ue ( (R2−R1(α)) / (R2 − R1(α)) )
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Versuch 1.5
Schaltung nach Aufgabe (zwei Beispiele)
(1) Black − Box enthält eine Luftspule
L=0,12mH
eingestellt:
Frequenz f = 543 KHz
➨ geeignete z.B. f=100KHz
Oszillogramm nebenstehend
CH1 = Ue
CH2 = UBox
Berechnet:
Ue = 1,37V
UL = 0,17V
➠ UR = 1,36V
UR² = Ue² − UL²
cos φ = UR / U = R / Z
Z² = R² + XL²
L = XL ω−1 = 83−6 H = 0,083mH
(2) Black − Box enthält Kondensator
C = 100nF, Keramik
gemessen:
Ue = 1,41V
UC = 0,212V
f=5,578KHz
Berechnet
➠ UR = 1,39V
XC = 336 Ω
C = 85 nF
_______________________________
Inhalt der jeweiligen Versuchsboxen:
Box 1 L=0,33mH
Box 2 L = 0,33mH
Box 3 L = 0,12mH
Box 4 L = 0,47mH
Box 5 L = 0,15mH
Box 6 L = 0,22mH
Box 7 C = 0,1µF
Box 8 C = 0,15µF (MKS2)
Box 9 C = 0,22µF
Box 10 C = 2 x 0,22µF = 0,44µF
Dauer für Versuch: 30 Minuten
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4
Versuch 2 − Halbleiter
Versuch 2.1 − Diodenkennlinien
Schaltung lt. Aufgabe
− Diode 1N4148
− Diode BAT 41
Diode ZPD 6.8
UZ wird i.allg. für IZ=5mA angegeben.
Die Zenerspannung hängt von der Dicke der
Sperrschicht ab. Durch entsprechende Dottierung kann
sie auf jeden beliebigen Wert eingestellt werden.
Wir unterscheiden zwischen Zener−Effekt (für Z−
Spannungen < 4,7V) und dem Lawinen−Effekt (für
Z−Spannungen > 5V, auch Avalance−Effekt genannt)
der für den Durchbruch verantwortlich ist.
Zener−Effekt = die bei Halbleitern vorherrschende
innere Feldemision, d.h. ab einen kritischne Wert der
Spannung (anliegende Feldstärke an der Sperrschicht)
gelangen Elektronen infolge des quantenmechanischen Tunneleffektes von dem Valenzband in das
Leitungsband (=innere Feldemission). Die Folge ist eine starke Leitfähigkeitserhöhung.
Lawinen−Effekt= vergleichbar mit Lawinen−Effekt in Elektronen−Röhren (Dioden).
Dauer für Versuch: 20 Minuten
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Versuch 2.2 − Gleichrichtung und Stabilisierung
1. Fall Ue, UR1 mit C = 0F
CH1 = Ue
CH2 = UR1
2. Fall Ue, UR1 mit C = 4,7µF
CH1 = Ue
CH2 und REF1 = UR1
jeweils mit/ohne C
man kann gut das Aufladen des
Kondensator verfolgen, Aufladen
etwas UR1_C etwas später, wegen
UF der Diode + UC = Ue !
Versuch 2.4
UTO ca. 1,8 Volt
Transistor ist selbstsperrend (enhancement) N−Kanal
5
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Versuch 2.5
Schaltung lt. Aufgabe:
CH1 = Ue
CH2 = UCE
gut zu sehen, Schaltung entspricht
einem Inverter (Ausgang UCE)
Fkt. Eingang/LED entspricht Verstärker
Oszillogramm Strom über R4 = CH Math
CH2 = UCE
MATH = CH1 − CH2
CH1 = UCE + UR4
IR4 = UMATH / R4
nun RL = 100 Ohm
Weiter wurden Oszillogramme für f=1k, 20k, 100k, 250k, 500k, 1MHz aufgenommen
Dauer für Versuch 35 Minuten
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Versuch 3 − OPV
Versuch 3.1 −invert.
Kennlinie invert. Verstärker OPV
Sättigungspunkt gut erkennbar!
Bei ca. UB=1,5Volt
Dauer des Versuch: 15 Minuten
Versuch 3.2 − nicht invert.
Kennlinie nicht invert. Verstärker
Sättigungspunkt von +max und
−max ist unterschiedlich!
Dauer des Versuch: 10 Minuten
Versuch 3.3 − Offsetkompensation
R2 = 33k
R1=11k
Offset bei Kurzgeschlossenem Eingang Ua = 10mV
Einstellbereich über ± 70mV sehr feinfühlig auf 0,1mV möglich!
Ziel erreicht!
−
+
1k
10k
Dauer des Versuch 15 Minuten
10k
−U
B
10k
10k, lin.
+U
B
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8
Versuch 3.5 −
Komperator
CH1 = U1 (Dreieck)
CH2 = U2 (Ausgang OPV)
REF1 = Ua mit Diode
CH2 = Ua ohne Diode
CH1 = Ue
Dauer des Versuch: 25 Minuten
Versuch 3.6 Sinus−Oszillator
CH1 = U1 Sinus
CH2 = U2 Komparator out
CH1 = U1 (Sinus out)
CH2 = U2 bei U3 = 0,449V (mit Poti erzeugt)
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Die Schaltung stellt einen einfachen Wien−Brücken−Oszillator mit Operationsverstärker dar. (Ohne
Offset und Frequenzkompensation) Da das Netzwerk (R1, R2, C1, C2) keine Phasendrehung aufweist (bei fo),
wird es an den nicht invertierenden Eingang des OPV angeschlossen. Die mitgekoppelte Spannung
beträgt 1/3 der Ausgangsspannung; Die Verstärkung der OPV−Schaltung wird entsprechend niedrig eingestellt.
Dazu dient das Gegenkopplungsnetz R3 und R5 am invertierenden Eingang. Die durch den ohmschen
Spannungsgsteiler eingestellt Verstärkung ist somit etwas größer als 3. Einem unzulässigen Anstieg wird durch
die beiden Dioden und R4 entgegengewirkt. Steigt die Ausgangsspannung, so wird die Verstärkung zunehmend
kleiner, weil der Stromfluß durch die Dioden ansteigt. Die Dioden ersetzen hierbei speziell sogar je eine Z−
Diode mit 0,7V Zenerspannung.
fo =
1
2π R1R2C2C1
Wien−Brücken−Oszillatoren eignen sich besonders für durchstimmbare NF−Generatoren., wobei immer
jeweils zusammen die Kapazitäten, oder die Widerstände verändert werden, um die Frequenz fo zu ändern.
Dauer des Versuch: 35 Minuten
Versuch 4
Versuch 4.1 Tiefpaß
R1
R 1= 10 k
U
C 1= 15 nF (z.B Typ KDPU)
Ua
e
Ω
C1
U e = 2 V (effektiv)
Tabelle
Ueff in = 2V, t = nacheilend, also CH1 vor CH2, Winkel berechnet mit φ =360*∆(t)*f*10−6
f in Hz
∆(t ) , s
Ueff out in V
Winkel in
°
50
105
154
200
300
400
500
700
1000
1500
750µs
550µ
500µ
500µ
400µ
340µ
240µ
260µ
200µ
150µ
90µ
1,97
13,5
1,92
20,8
1,84
27,72
1,71
36
1,5
43,2
1,29
48,96
1,13
43,2
0,9
65,52
0,66
72
0,44
81
0,26
81
Zeitbedarf ca. 35min
2500
4000
2000
0
12µ
42000
60µ
1000
0
25µ
0,165
86,4
0,07
90
0,036
86,4
0,019
90,72
6µ
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Versuch 4.2 Der Hochpaß
C1
U
R 1= 10 k
e
C 1= 15 nF (z.B Typ KDPU)
Ua
R1
Ω
U e = 2 V (effektiv)
Tabelle:
f in Hz
∆(t ) , s
Ueff out in V
Winkel in
°
44
5,5m
0,26
87,12
100
2,1m
0,57
75,6
200
0,84m
1,07
60,48
300
0,48m
1,38
51,84
500
0,21m
1,66
37,8
700
0,1m
1,8
25,2
2000
0,025m
1,92
18
10000
0,001m
2
3,6
Zeitbedarf ca. 30 min
Versuch 4.3 Der Bandpaß
R2
C1
U
e
R1
Ua
C2
R 1= 10 k Ω
R 2= 10 k Ω
C 1 = 47 nF
C 2 = 100 nF
U e = 2 V (effektiv, sinus)
f in Hz
∆(t) in s
Ueff out in V
Winkel in °
40
100
−3,8m −0,7m
0,2
0,342
−54,7 −25,20
2
Zeitbedarf ca. 25min
150
−0,2m
0,37
−10,80
200
0
0,38
0,00
300
0,13m
0,38
14,04
400
0,16m
0,36
23,04
600
0,135m
0,32
29,16
1000
0,13m
0,25
46,80
2000
0,09m
0,14
64,80
5000
0,044m
0,064
79,20
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Versuch 4.4
Die Lösung zu der Aufgabe folgt trivial aus der Gleichung zum nicht invertierenden OPV
Ua = − Rg / Ri * Uin
mit Rg und Ri frequenzabhängig folgt schon die Bandpaßwirkung.
Die Verstärkung ist lediglich durch einen Parallelwiderstand zu Rg herzustellen.
Ein Reihenwiderstend zu Ri ist nicht zwingend notwendig.
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Versuch 5 − Vierpole
Versuch 5.1
Für alle Widerstände R=1kOhm ergibt sich nach
Dreieck ➠ Stern Transformation R=1/3 kOhm für die neuen Sternwiderstände (Rx1 = 1k * 1k / (1k + 1k +1k)
Somit ergibt sich:
Rin = Raus =Rx1 + ( (1k + Rx1) || Rx1) = 599Ohm (sowie gemessen 595 Ohm)
allgemein:
z
Z =  11
 z21
z
z
 599 750
=

750 599
22 
12
Eingangswiderstand:
Ausgangswiderstand:
z11 = U1 / I1
z22 = U2 / I2
z12 = U1 / I2
z21 = U2 / I1
| U2 = 0
| U1 = 0
| I1 = 0
| I2 = 0
Wellenwiderstand, für symetrischen Vierpol:
Z
w
=
Z
leer
• Z kurz
Wenn man einen Vierpol analysiert, so kann man seine Vierpolparameter bestimmen, nicht jedoch seine
innere Verbindungsstruktur (genau). Diese kann bestimmt werden, indem man "reinschaut".
Versuch 5.2
Es gilt für die
Resonanzfrequenz:
fr = 1 / ( 2 π R C )
Nebenstehend die Über−
tragungskennlinie (log)
| A(jω) | =
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Versuch 5.3 − Aktiver Vierpol / Emitterverstärker
1. Messung des Ausgangswiderstandes
Hierzu Ausgang mit zwei verschiedenen Widerständen belasten und aus Differenz des Stromes und
der Spannung den Widerstand bestimmen.
Frequenz f im folgenden immer f = 1kHz, Sinus!
BSP: Bestimmung des Ausgangswiderstand : U in = 200mV (Sinusamplitude)
dann für RL = 10kOhm
Iout = I1 = 72,8µA
Uout = U1 = 0,734V
(Sinusamplitude, max)
und RL = 100kOhm
Iout = I2 = 8,6µA
Uout = U2 = 0,855V
(Sinusamplitude)
U2 − U1
Ausgangswiderstand Rout = −−−−−−−−−−−− = 1884 Ohm
I1 − I2
(Für die Messung Kuruschluß/Leerlauf am Ausgang ergab sich Rout = 2037Ohm.)
(Eingangsstrom unabhängig vom Ausgangswiderstand.)
BSP : Bestimmung des Eingangswiderstandes
1. Messung Uin = 0,2V (Sinusamplitude) ➨ Iin = 8,83µA
2. Messung Uin = 0,3V (Sinusamplitude) ➨ Iin = 13,2µA
somit aus Differenz folgt Rin = 22883Ohm
(Aus Messung Kurzschluß/Leerlauf folgte übrigens Rin = 22727Ohm.)
Übertragungskennlinie (ab ca. 2KHz wird Steuerung schlechter, d.h. Sinus unförmiger)
Aus Kennlinie kann man nun sehr deutlich sehen, daß bei zu großer Amplitude IN,
hier ca. 0.3V, der Verstärker zu stark übersteuert. Für sehr kleine Amplituden jedoch
bleibt die Sinusform erhalten (Uin = 3mV). Ab einer Frequenz f = 3MHz sinkt der
Verstärkungsfaktor dann wieder ab, gegen NULL.
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Versuch 5.4 − Übertrager
Meßwerte
f= 8KHz, Sinus
Übertrager im Verhältnis 2:1 geschalten, Leerlauf
Eingang
Ue = 2Vss
Ia = 2,84mA
Ausgang
Ua = 1,2
Ia = 0mA
Vss
M = Ua / Ie = 2 π f L ➠ L = 2,9 mH
Übertrager umgekehrt, Leerlauf, Verhältnis jetzt 1:2
Eingang
Ue = 2Vss
Ia = 8,1mA
Ausgang
Ua = 3,9 Vss
Ia = 0mA
M = Ua / Ie = 2 π f L ➠ L = 3,3 mH
Re und Ra mit Ohmmeter messen ( Ergebnis = 1Ω, 2,2Ω )
Aus den Werten nun noch L1 und L2 durch triviale Rechnung bestimmen!
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Versuch 6 − kombinatorische Schaltungen
Versuch 6.1
− Schaltung stellt NAND dar.
Versuch 7 − sequentielle Schaltungen
Versuch 7.1 − RS − FF
Tabelle zu Schaltung 7.1 a (NOR)
A
0
1
0
1
B
0
0
1
1
Q
Qn
1
0
0
/Q
/Qn
0
1
0
S
S1
2
R
R2
1
Tabelle zu Schaltung 7.1b (NAND)
A
1
0
1
0
B
1
1
0
0
Q
Qn
1
0
1
/Q
/Qn
0
1
1
S
Q
_
Q
R
Versuch 7.2 − D − FF
Teil 1:
− wie RS, jedoch nur bei R und S werden nur bei G (0➠1 = high) akzeptiert
Teil 2:
− nun normales statisches D − FF
D
G=
C
0
0
1
1
0
1
0
1
Q
S
C
Qn−1
Qn−1
0
1
D
G1
Q
_
Q
G1, G=Gate
Teil 3:
− mit SN 7474 − D − FF (TTL)
/S
0
1
0
1
1
1
/R
1
0
0
1
1
1
C
x
x
x
0 1
0 1
0
D
x
x
x
1
0
x
Q
1
0
1
1
0
Qn−1
/Q
0
1
1
0
1
/Qn−1
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Versuch 7.3 − JK − FF
Aufbau . nutze Oszi als Schreiber/Graph
Frequenzgenerator f = 0.5 Hz (f max = 1MHz)
J,K
1
0
C
1
0
Q
1
0
t
FF − reagiert auf Flanke 1➠ 0 (Wichtig !!! − da C1 negiert)
− Für Reset (CLR) = low, ist Q=0 (immer, asynchron)
− Ist CLR = 1, J = K = 1
, so verhält sich JK−FF wie T−FF
− Ist CLR = 1, J = 1, K = 0 , so wird Zusatand von FF gehalten, ab Flanke CLK = 1➠0
− Ist CLR = 1, J = 0 , K = 1 , so wird mit nächster Flanke CLK = 1➠0 Reset ausgeführt mit Q=0
Tabelle 1 (JK − FF)
/CLR
0
1
1
1
1
1
/CLK
x
1
J
x
0
1
0
1
x
K
x
0
0
1
1
x
Q
0
Q0
1
0
kippt
Q0
/Q
1
/Q0
0
1
kippt
/Q0
Versuch 7.4 − mono Flop
Versuch 8
8.1 Und 8.2 sind klassische Eingabeaufgaben ➠ Programmierfile Vergleich.lif und test.lif
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Versuch 9
9.2 Single − Slope − Wandler
U
1
2
U
ein
Dreieck
Pin A
t
U
Steuer
Pin F
U
Pin C
Komp
t
U
Takt
Pin E
t
U
Count
Pin D
t
Grapen siehe Buch ➠ Grundlagen der Elektronik, Verlag Technik, Seite 156, 13. Auflage 1988
Bei jeder steigenden Flanke von Ucount zählt der Zähler für Q0 bis Q3 aufwärts um je eins weiter.
Mit Usteuer = High, wird der Zählerausgang Q0 bis Q3 auf Null gesetzt.
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9.3 Das Abtasttheorem
Die Originale Frequenz CH1
CH2 mit Abtastrate ca. 10 Samples/λ
Abtastrate ca. 1.13 Samples/λ
somit ermittelte Frequenz 29.4 Hz
Originalfrequenz
309,5Hz
Verbindet man die Meßpunkte zu
einem Graphen, so erkennt man sehr
deutlich die nun scheinbar entstandene
andere Frequenz.
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Versuch 10.4 Solarzelle
Grafik: − Ergebnis
2,5
0,1
0,09
2
0,08
0,07
1,5
0,06
0,05
1
0,04
0,03
0,5
0,02
0,01
0
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Versuch 10.5
R1 = 1k (Poti)
R2 = 470 Ohm
IC =4N35 (./ILD74x2)
Ic = UR2 /470Ohm
Tabelle der Meßwerte:
IF
30m
25m
20m
A
A
A
UR2 4,5V 4,3V 4,1V
15m
A
3,9V
10mA
8mA
5mA
3mA
2mA
1mA
3,58V
3,4V
3,0V
2,15V
1,36
V
0,55V
0,5m
A
0,17V
0,25mA
0,06V
Versuch 10.6
LED ist an, wenn Magnetfeld wirkt. Aktive Richtung ist, wie PIN Anschluß, Kopfseite des IC, Hysterese ist
vorhanden (Datenblatt = 2mT), Hysterese macht sich bemerkbar durch − Magnet sowie auf IC bewegen, bis
LED an, dann wieder wegbewegen ➠ LED bleibt noch an, bis Magnet ca. 3 mm entfernt wurde.
Konstruktionsskizze:
bei "Lücke" des Zahnrades
wird Magnetfeld den IC
"durchströmen", sonst
aber nicht.
Magnetfeld
Kunst−
stoff
PIN−IC
Magnet
Fe
Zahnrad
IC
S
N
Welle