Spannungen und Ströme

Universität Koblenz – Landau
Name:
.....................
Institut für Physik
Vorname:
.....................
Hardwarepraktikum für Informatiker
Matr. Nr.:
.....................
Spannungen und Ströme
Versuch Nr. 1
Vorkenntnisse:
Stromkreis, Knotenregel, Maschenregel, Parallelschaltung, Reihenschaltung,
Arten von Widerständen und deren Kennlinien. Gleichstrom– und Gleichspannungsmessung, Widerstandsmessung.
Transistor als Schalter, logische–Grundgatter
Versuch 1
2
1. Strom– und Spannungsmessung in einem einfachen Stromkreis
1.1
Aufgabe
Es soll der Widerstandswert einer Glühlampe durch Strom- und Spannungsmessung bestimmt werden.
1.2
Messschaltung
A
U0
I
L
V
Werte und Messbereiche
–
–
–
–
1.3
U0
A
V
L
:
:
:
:
Einstellbare Spannung am Gleichspannungsnetzgerät
Amperemeter – Digitales Messgerät Messbereich A
Voltmeter – Digitales Messgerät Messbereich V −−
Birnchen – Widerstandwert soll bestimmt werden
Versuchsdurchführung und Ergebnisse
– Bauen Sie den Versuch nach Messschaltung (1.2) auf.
– Stellen Sie U von 0 V. . . 1 V in Schritten von 0,2 V und zwischen 1 V. . . 6 V
in Schritten von 1.0 V ein. Messen Sie I und U und tragen Sie die gemessenen Wertepaare in die Tabelle ein.
– Berechnen Sie aus den gemessenen Wertepaaren die sich ergebenden
Widerstandswerte
2
Versuch 1
3
U
V
I
A
R
Ω
1.4
Übertragen Sie die gemessenen Wertepaare (I/U) und
(R/U) in das folgende Diagramm
R
Ω
I
A
U
V
0
1
2
3
3
4
5
6
Versuch 1
4
2. Bestimmung eines ohmschen Widerstandes durch Stromund Spannungsmessung
2.1
Aufgabe
Es soll der Widerstandswert eines ohmschen Widerstandes Rx durch Stromund Spannungsmessung bestimmt werden.
2.2
Messschaltung
A
U0
V
I
Rx
Werte und Messbereiche
–
–
–
–
2.3
U0
A
V
Rx
:
:
:
:
Einstellbare Spannung am Gleichspannungsnetzgerät
Amperemeter – Digitales Messgerät Messbereich mA
Voltmeter – Digitales Messgerät Messbereich V −−
Widerstand – Wert soll bestimmt werden
Versuchsdurchführung und Ergebnisse
– Bauen Sie den Versuch nach Messschaltung (2.2) auf.
– Stellen Sie U von 0 V. . . 6 V in Schritten von 1.0 V ein. Messen Sie I
und U und tragen Sie die gemessenen Wertepaare in die Tabelle ein.
U
V
I
mA
Rx
Ω
4
Versuch 1
5
– Berechnen Sie aus den gemessenen Wertepaaren die Widerstandswerte
und bestimmen Sie den Mittelwert.
Rx = . . . . . . . . . . . .
3. Aufbau eines Spannungsteilers
3.1
Aufgabe
Es sollen die abfallenden Spannungen an ohmschen Widerständen bestimmt
werden.
3.2
Messschaltung
R1 V
U1
R2 V
U2
U0 = 5V
Werte und Messbereiche
–
–
–
3.3
U0
V
R1/2
:
:
:
Festspannungsnetzteil 5V
Voltmeter – Digitale Messgeräte Messbereich V −−
Widerstände
Versuchsdurchführung und Ergebnisse
– Bauen Sie den Versuch nach Messschaltung (3.2) auf.
– Wählen Sie für R1 einen Widerstand von 100 Ω und für R2 Widerstände
mit 10 Ω, 100 Ω, 1 KΩ und 10 KΩ. Messen Sie die abfallenden Spannungen U1 und U2 und tragen Sie die Werte in die folgende Tabelle ein
5
Versuch 1
6
R1
R2
R1
R2
R1
R2
R1
R2
R
Ω
U
V
(gemessen)
U
V
(berechnet)
3.4
Aufgabe
Leiten Sie aus dem ohmschen Gesetz U = R · I und der Berechnungsvorschrift zur Ermittlung des Gesamtwiderstandes Rg einer Reihenschaltung
von Widerständen Rg = R1 + R2 die Gleichung zur Berechnung der abfallenden Spannungen U1 und U2 her.
U1 =
U2 =
3.5 Aufgabe
Berechnen Sie anhand Ihrer Gleichungen die Spannungswerte aus 3.3 und
tragen Sie die Werte in die Tabelle ein.
6
Versuch 1
7
4. Der Transistor als Schalter
4.1
Aufgabe
In der Spannungsteilerschaltung aus Aufgabe 3 soll der untere Widerstand
durch einen Transistor (regelbarer Widerstand) ersetzt werden. Die Basis
des Transistors wird durch einen Vorwiderstand Rv geschützt.
4.2
Messschaltung
R L =100Ω
U0=5V
=
R v =10KΩ
T
V
Uout
Uin
Werte und Messbereiche
–
–
–
–
4.3
U0
V
R
T
:
:
:
:
Festspannungsnetzteil 5V
Voltmeter – Digitale Messgeräte Messbereich V −−
Widerstände
Transistor
Aufgabe
Wird eine Spannung zwischen Basis und Emitter des Transistors angelegt,
so schaltet der Transitor durch. Der Widerstand zwischen Collektor und
Emitter wird dann sehr gering. Ist keine Spannung vorhanden, so sperrt der
Transistor und sein Widerstand wird sehr groß. Im idealisierten Fall besitzt
der Transistor somit die Widerstandswerte Rleit = 0Ω und Rsperr = ∞Ω.
Führen Sie eine Grenzwertbetrachtung für diese beiden Werte durch und
berechnen Sie so die zu erwartenden Ausgangsspannungen.
7
Versuch 1
8
Uin = 0V → Uout =
Uin = 5V → Uout =
4.4 Messen Sie die Ausgangspannungen Uout für Uin =0V und
Uin =5V.
Uin = 0V → Uout =
Uin = 5V → Uout =
8
Versuch 1
9
5. Aufnahme von Übertragungskennlinien
5.1
Aufgabe
Es sind die Übertragungskennlinie einer Inverterschaltung aus Aufgabe 4
sowie eines TTL-Gatters 74LS04 vergleichend aufzunehmen. Dazu ist der
Schalter im Eingang der Inverterschaltung aus Aufgabe 4 durch einen regelbaren Widerstand (Potentiometer) zu ersetzen. Die zweite Schaltung ersetzt
unseren diskret aufgebauten Inverter durch ein Gatter der 7400-TTL Serie
(74LS04)
5.2
Messschaltungen
R P =10KΩ
U0=5V
=
R P =10KΩ
R L =100Ω
U0=5V
R v =10KΩ
=
1
T
V
U in
V
V
U out
U in
V
U out
Werte und Messbereiche
–
–
–
–
–
5.3
U0
V
R
RP
T
:
,:
:
:
:
Festspannungsnetzteil 5V
Voltmeter – Digitale Messgeräte Messbereich V −−
Widerstände
Potentiometer
Transistor
Versuchsdurchführung und Ergebnisse
– Bauen Sie die Versuche der Messschaltungen (5.2) nacheinander auf.
– Stellen Sie Uin von 0 V. . . 5 V in Schritten von 0.5 V ein. Messen Sie
Uout und tragen Sie die gemessenen Wertepaare als Kennlinie in das
folgende Diagramm. Nichtlinearitäten in den Kennlinien sind durch
kleine Messabstände genauer aufzulösen
9
Versuch 1
10
U out
5
4
3
2
1
0
5.4
0
1
2
3
4
Interpretieren Sie den Unterschied
10
5
U in
Versuch 1
11
6. Aufbau NAND und NOR Gatter
6.1
Aufgabe
Erweitern Sie den Aufbau der Messschaltung (4.2) zu je einem diskreten
NAND bzw NOR Gatter
11
Versuch 1
6.2
12
Logikanalyse
Untersuchen Sie das elektrische und das logische Verhalten Ihrer Schaltungen, zunächst mit positiver Logik (H = 1, L = 0) und mit negativer Logik
(H = 0, L = 1). Geben Sie jeweils die ermittelten Funktionen an.
NAND Gatter
elektrisch
A
B
Y
L
L
L
H
H
L
H
H
Funktion
positive Logik
A
B
Y
negative Logik
A
B
Y
positive Logik
A
B
Y
negative Logik
A
B
Y
NOR Gatter
A
L
L
H
H
elektrisch
B
Y
L
H
L
H
Funktion
12