Inhaltsverzeichnis
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In TARGET 3001! simulierte Schaltungen Carl-Engler-Schule Karlsruhe Technisches Gymnasium Inhaltsverzeichnis 1 2 3 4 5 6 Kennlinien Diode, Z-Diode, LED..............................................................................................2 1.1 Kennlinie Diode..................................................................................................................2 1.2 Kennlinie rote LED..............................................................................................................2 1.3 Kennlinie Z-Diode...............................................................................................................2 Diodenschaltungen an Wechselspannung..............................................................................3 2.1 Diode an Wechselspannung...............................................................................................3 2.2 LED an Wechselspannung.................................................................................................4 2.3 Z-Diode an Wechselspannung............................................................................................5 2.4 Schutzschaltung mit 2 Z-Dioden (Wechselspannungseingang schützen)...........................6 2.5 Schutzschaltung mit 2 Dioden (TTL-Eingang schützen).....................................................7 2.6 Einweggleichrichter.............................................................................................................8 2.7 Einweggleichrichter mit Z-Dioden-Stabilisierung...............................................................10 2.8 Einweggleichrichter mit Spannungsregler.........................................................................11 2.9 Zweiweggleichrichter (Brückengleichrichter) ungeregelt...................................................12 2.10 Zweiweggleichrichter mit Spannungsregler 7805..............................................................13 2.11 Zweiweggleichrichter mit Spannungsregler 7805..............................................................14 2.12 Fahrradstandlicht (einfache Prinzipschaltung)..................................................................15 Transistorschaltung ..............................................................................................................16 3.1 Bestimmung von B............................................................................................................16 3.2 Kennlinienfeld...................................................................................................................17 3.3 Transistor als Schalter......................................................................................................17 Kondensator an Gleichspannung..........................................................................................18 4.1 Kondensator-Auf- und Entladung......................................................................................18 4.2 Verkürzung der Aufladezeit durch Verkleinern von R.......................................................18 4.3 Überprüfung der Aufladefunktion......................................................................................18 4.4 Verkürzung der Periodendauer.........................................................................................19 4.5 Stromverlauf.....................................................................................................................19 Rechteckgenerator mit Schmitt-Trigger und RC-Schaltung...................................................20 5.1 Funktion des Schmitt-Triggers mit Dreieckspannung untersuchen...................................20 5.2 Schmitt-Trigger mit Sinusspannung untersuchen............................................................20 5.3 Funktion des Rechteckgenerators untersuchen................................................................21 5.4 Rechteckgenerator mit variablem Tastgrad......................................................................22 RLC-Schaltungen an Wechselspannung...............................................................................23 6.1 Widerstand an Wechselspannung....................................................................................23 6.2 Kondensator an Wechselspannung..................................................................................23 6.3 RC-Reihenschaltung.........................................................................................................24 6.4 Filter.................................................................................................................................25 In_Target_simulierte_Schaltungen_2010_target_logo.odt Seite 1 von 26 In TARGET 3001! simulierte Schaltungen 1 Kennlinien Diode, Z-Diode, LED 1.1 Kennlinie Diode Carl-Engler-Schule Karlsruhe Technisches Gymnasium I 100m + 90m V1 G 1V - D1 1N4001 80m 70m 60m 50m 40m 30m 20m 10m 0 V1 0 I(d1,1) Kennlinien erhält man mit der DCAnalyse, Start und Endwert beziehen sich auf die Spannung. Als Messgröße den Strom angeben! • • 1.2 Kennlinie rote LED 200m 400m 600m 800m U 10m Bei der oft als typisch angegebenen Durchlassspannung von 0,7V fließt bereits ein Strom von10mA. • I 60m + 50m V1 D1 G 3V - LED_ROT 40m 30m 20m 10m 0 V1 0 I(d1,1) Kennlinie Z-Diode 2,0 U 20m UF = 2,1V bei IF = 20mA • 1.3 1,0 300m + 200m V1 G - 10V D1 ZPD5,1V 100m 0 -100m -200m -300m V1 -6 -4 -2 0 I(d1,1) • • In_Target_simulierte_Schaltungen_2010_target_logo.odt Durchlassrichtung (U>0): wie Diode Sperrichtung (U<0): Z-Diode leitet ab der Z-Spannung, hier 5,1V Seite 2 von 26 In TARGET 3001! simulierte Schaltungen 2 Diodenschaltungen an Wechselspannung 2.1 Diode an Wechselspannung R1 1k V1 G Uges UR D1 1N4001 10V Carl-Engler-Schule Karlsruhe Technisches Gymnasium UDiode Frequenz 50Hz Uges und UDiode Uges und UR 10 10 Uges 8 8 6 6 4 4 2 2 0 0 UDiode -2 UR -2 -4 -4 -6 -6 -8 -8 -10 Zeit 0 V(Uges,GND) • • 10m 20m 30m 40m V(Udiode,GND) Die Diode begrenzt die Spannung bei der positiven Halbwelle auf 0,7V Bei der negativen Halbwelle sperrt die Diode und an ihr fällt die gesamte Spannung ab. In_Target_simulierte_Schaltungen_2010_target_logo.odt Uges -10 50m 0 V(Uges,GND) • • 10m 20m Zeit 30m 40m 50m V(Uges,Udiode) Am Widerstand fällt die restliche Spannung ab (Uges – Udiode) Da bei der negativen Halbwelle kein Strom fließt, kann an dem Widerstand auch keine Spannung abfallen (UR = R * I = 0 wenn I = 0) Seite 3 von 26 In TARGET 3001! simulierte Schaltungen 2.2 Carl-Engler-Schule Karlsruhe Technisches Gymnasium LED an Wechselspannung Uges , UR und ULED 2.2.1 Ohne Schutzdiode 10 Uges 8 R1 1k V1 G Uges UR 4 LED_ROT UR 2 D1 10V 6 ULED 0 ULED -2 -4 ULED -6 Frequenz 50Hz -8 -10 Zeit 0 10m V(Uges,GND) • • V(Uges,Udiode) G R1 1k UR D1 10V 1N4001 50m V(Udiode,GND) Uges 8 6 UR 4 D2 40m Die LED begrenzt die Spannung bei der positiven Halbwelle auf 2V Bei der negativen Halbwelle sperrt die LED und an ihr fällt die gesamte Spannung ab. Dies kann auf Dauer zu einer Zerstörung der LED führen. 10 Uges 30m Uges , UR und ULED 2.2.2 Mit Schutzdiode V1 20m LED_ROT 2 UDioden ULED U LED 0 -2 -4 Frequenz 50Hz UR -6 -8 -10 Zeit 0 V(Uges,GND) • In_Target_simulierte_Schaltungen_2010_target_logo.odt 10m V(Uges,Udiode) 20m 30m 40m 50m V(Udiode,GND) Bei der negativen Halbwelle leitet nun die Diode und begrenzt die Spannung auf -0,7V. Dadurch wird die LED vor zu großen negativen Spannungen geschützt. Seite 4 von 26 In TARGET 3001! simulierte Schaltungen 2.3 Carl-Engler-Schule Karlsruhe Technisches Gymnasium Z-Diode an Wechselspannung R1 1k V1 G Uges UR D1 ZPD5,1V 10V UZDiode Frequenz 50Hz Uges und UZ-Diode Uges und UR 10 10 Uges 8 8 6 6 4 4 2 2 0 0 UZ-Diode -2 UR -2 -4 -4 -6 -6 -8 -8 -10 Zeit 0 V(Uges,GND) • • 10m 20m 30m 40m Uges -10 50m 0 V(Udiode,GND) 10m V(Uges,GND) Die Z-Diode begrenzt die Spannung bei der positiven Halbwelle auf 0,7V (Verhalten wie normale Diode) Bei der negativen Halbwelle leitet die ZDiode ebenfalls und begrenzt die Spannung auf eine für sie typische Spannung, hier 5,1V. • • 20m Zeit 30m 40m 50m V(Uges,Udiode) Am Widerstand fällt die restliche Spannung ab (Uges – UZ-Diode) Beweis: In Target werden die Graphen UR und UZ-Diode addiert (Darstellung unten) Der resultierende Graph entspricht Uges UR+UZ-Diode 10 8 6 4 2 UR 0 -2 -4 -6 UZ-Diode -8 -10 Zeit 0 V(Uges,GND) In_Target_simulierte_Schaltungen_2010_target_logo.odt 10m V(Uges,Udiode) 20m 30m 40m 50m V(Udiode,GND) ... Seite 5 von 26 In TARGET 3001! simulierte Schaltungen 2.4 Carl-Engler-Schule Karlsruhe Technisches Gymnasium Schutzschaltung mit 2 Z-Dioden (Wechselspannungseingang schützen) UR R1 V1 G 1k Uein D1 ZPD5,1V Uaus D2 10V ZPD5,1V Frequenz 50Hz Uein und Uaus Uein und UR 10 10 Uein 8 Uein 8 6 6 Uaus 4 4 2 2 0 0 -2 UR -2 Uaus -4 UR -4 -6 -6 -8 -8 Uein -10 0 V(Uein,GND) • • 10m 20m Zeit 30m 40m 50m V(Uaus,GND) Bei beiden Hablwellen ist immer eine ZDiode in Durchlassrichung und eine ZDiode in Sperrrichtung geschaltet. Die Schaltung begrenzt daher die Eingangsspannung auf einen (für eine nachfolgende Schaltung) zulässigen Wert von hier ca. 5,1V + 0,7V = 5,8V In_Target_simulierte_Schaltungen_2010_target_logo.odt Uein -10 0 V(Uein,GND) • 10m 20m Zeit 30m 40m 50m V(Uein,Uaus) Am Widerstand fällt die restliche Spannung ab (Uein – Uaus) Seite 6 von 26 In TARGET 3001! simulierte Schaltungen 2.5 Carl-Engler-Schule Karlsruhe Technisches Gymnasium Schutzschaltung mit 2 Dioden (TTL-Eingang schützen) 5V D2 1N4001 UR + 5V V1 V2 G G R1 1k D1 1N4001 Uein - 5V Uaus 10V Frequenz 50Hz Uein und Uaus Uein und UR 10 10 Uein 8 Uein 8 6 6 Uaus 4 4 2 2 Uaus 0 0 -2 -2 -4 -4 -6 -6 -8 0 V(Uein,GND) • • • 10m 20m UR -8 Uein -10 UR Zeit 30m 40m V(Uaus,GND) Die Schaltung soll z.B. einen TTLEingang vor zu großen Spannungen (>5,7V) und vor negativen Spannungen (<-0,7V) schützen. Die obere Diode D2 begrenzt die Spannung auf 5,7V Die untere Diode D1 begrenzt die negative Spannung auf -0,7V In_Target_simulierte_Schaltungen_2010_target_logo.odt Uein -10 50m 0 V(Uein,GND) • 10m 20m Zeit 30m 40m 50m V(Uein,Uaus) Am Widerstand fällt die restliche Spannung ab (Uein – Uaus) Seite 7 von 26 In TARGET 3001! simulierte Schaltungen 2.6 Carl-Engler-Schule Karlsruhe Technisches Gymnasium Einweggleichrichter Uein und Uaus 2.6.1 Ohne Glättung Uein 10 8 D1 1N4001 6 4 2 UDiode V1 Uaus 0 -2 G R1 1k Uein 10V Uaus -4 -6 -8 -10 Zeit 0 Frequenz 50Hz V(Uein,GND) 15m 45m V(Uaus,GND) Uaus ist nur positiv oder null Uein und UDiode → Pulsierende Gleichspannung Zwischen Uein und Uaus ist (bei pos. Uein) eine Differenz von 0,7V, diese Spannung fällt an der Diode ab. Die negative Spannung fällt an der Diode ab. Daher muss in einem Gleichrichter die Diode für große negative Spannungen ausgelegt sein. Da die Diode die negative Stromrichtung sperrt, kann an dem Widerstand auch keine Spannung abfallen. UR = R * I = 0 weil I = 0 ist. • • • 30m 10 8 6 4 • 2 0 UR -2 -4 • -6 -8 -10 0 V(Uein,GND) Uges Zeit 30m 45m V(Uein,Uaus) Uein und Uaus 2.6.2 Mit Glättungskondensator D1 15m 10 1N4001 8 Uaus 6 4 UDiode V1 0 Uein 10V C1 1000µF + G Uein 2 R1 100 -2 Uaus -4 -6 -8 -10 Frequenz 50Hz • Zeit 0 V(Uein,GND) 15m 30m 45m V(Uaus,GND) Der Glättungskondensator „überbrückt“ die „Spannungstäler“, während Uein negativ ist. In_Target_simulierte_Schaltungen_2010_target_logo.odt Seite 8 von 26 In TARGET 3001! simulierte Schaltungen 2.6.3 Untersuchung der Funktion des Glättungskondensators D1 1N4001 Carl-Engler-Schule Karlsruhe Technisches Gymnasium Uein, Uaus, UDiode Uaus 10 5 Uein 0 UDiode G Uein 10V -5 C1 R1 100 + V1 1000µF -10 Uaus UDiode -15 -20 Zeit 0 Frequenz 50Hz • 15m V(Uein,GND) Zu Beginn wird der Kondensator mit Ströme einem großen Strom schnell aufgeladen Idiode = IC1 + IR1 Sobald Uein unter wieder absinkt, übernimmt der Kondensator die Funktion der Stromquelle: IR1 = -IC1 IC1 wird negativ weil der Strom vom Kondensator weg fließt. Weil der Kondesator sich entlädt, sinkt UC1=Uaus, dadurch sinkt auch IC1 Immer wenn Uein > Uaus+0,7V ist, wird der Kondensator nachgeladen. 30m V(Uaus,GND) 45m V(Uein,Uaus) 3,5 3,0 • Idiode IC1 2,5 2,0 UR 1,5 • 0,5 • IDiode IC1 1,0 IR1 0 IC1 -0,5 0 I(d1,1) Ströme (Ausschnittvergrößerung) I(c1,1) Uges 15m Zeit 30m 45m I(r1,2) Ströme (Ausschnittvergrößerung) 150m 1,6 1,5 IR1 100m Idiode 1,4 50m 1,3 1,2 Idiode 0 1,1 IC1 1,0 -50m IC1 0,9 Zeit 22,5m I(d1,1) I(c1,1) 23,5m -100m 24,5m I(r1,2) Zeit 0 I(d1,1) I(c1,1) 10m 20m 30m I(r1,2) Weitere Untersuchungen: • R verkleinern → Kondensator entlädt sich schneller, Uaus wird „welliger“ • C vergrößern → Kondensator entlädt sich langsamer, Uaus wird „glatter“ In_Target_simulierte_Schaltungen_2010_target_logo.odt Seite 9 von 26 In TARGET 3001! simulierte Schaltungen 2.7 Carl-Engler-Schule Karlsruhe Technisches Gymnasium Einweggleichrichter mit Z-Dioden-Stabilisierung R1 D1 Uein 10V Uc + V1 G 1N4001 UDiode 10 UR1 C1 1000µF R2 100 D2 ZPD5,1V Uaus Frequenz 50Hz • • • Die Z-Diode mit ihrem Vorwiderstand R1 Uein UC und Uaus stabilisiert die Ausgangsspannung auf 10 ca. 5V 8 Untersuchungen: • R2 ändern • R1 ändern • C ändern Daraus gewinnt man die Erkenntnis: R1 muss deutlich kleiner wie R2 sein, damit die Stabilisierung funktioniert UC 6 Uaus UR 4 2 0 -2 Uein -4 -6 Uges -8 -10 0 V(Uein,GND) • • • Diese Stabilisierung ist energetisch ungünstig. Der „nutzbare“ Strom IR2 ist klein im Verhältnis zum Z-Dioden-Strom, damit die Stabilisierung funktioniert Der Generator am Eingang muss den zur Stabilisierung notwendigen Strom liefern 15m V(Uaus,GND) Zeit 30m 45m V(Uc,GND) 400m 350m 300m 250m 200m 150m 100m 50m 0 Zeit 0 I(r1,2) In_Target_simulierte_Schaltungen_2010_target_logo.odt I(d2,2) 15m 30m 45m I(r2,2) Seite 10 von 26 In TARGET 3001! simulierte Schaltungen 2.8 Carl-Engler-Schule Karlsruhe Technisches Gymnasium Einweggleichrichter mit Spannungsregler UDiode U7805 IC1 D1 IN G Uein + 1N4001 V1 Uc 10V 7805 OUT GND C1 R2 100 1000µF In der Praxis w erden am Eingang und am Ausgang des Spannungsreglers je ein 100nF-Kondensator gegen GND benötigt um die Schw ingungsneigung der Schaltung zu unterdrücken. Uaus Frequenz 50Hz • • • • Der Spannungsregler stabilisiert die Uein UC und Uaus Ausgangsspannung auf 5V 10 Da für die Stabilisierung fast kein 8 „zusätzlicher“ Strom benötigt wird, 6 entlädt sich der Kondensator auch viel 4 langsamer als bei der Z-Dioden2 Stabilisierung 0 Erniedrigt man den Lastwiderstand R2 -2 unter 25Ω, so „bricht die Ausgangsspannung ein“. (unten rechts) -4 Der Spannungsregler benötigt zur -6 Funktion eine Spannungsdifferenz -8 zwischen Eingang und Ausgang von ca. -10 1,5V. 0 V(Uein,GND) Strom IC1 = IR2 UC Uaus UR Uein Uges 15m V(Uaus,GND) Zeit 30m 45m V(Uc,GND) Uein UC und Uaus bei R2 = 20Ω 50m 10 45m 8 40m 6 35m UC 4 Uaus 30m 2 25m 0 20m -2 15m -6 5m 0 Zeit 0 I(ic1,1) Uein -4 10m 15m 30m -8 45m I(r2,2) -10 Zeit 0 V(Uein,GND) In_Target_simulierte_Schaltungen_2010_target_logo.odt 15m V(Uaus,GND) 30m 45m V(Uc,GND) Seite 11 von 26 In TARGET 3001! simulierte Schaltungen Zweiweggleichrichter (Brückengleichrichter) ungeregelt ~ V1 G Uein BR1 - Uc + + 2.9 Carl-Engler-Schule Karlsruhe Technisches Gymnasium 10V C1 R1 100 Uaus 1000µF ~ B250C1500 Frequenz 50Hz • • • • • • Uaus ist nur positiv Uein UC und Uaus ohne Kondensator Es werden beide Halbwellen ausgenutzt Uein → Pulsierende Gleichspannung 10 Gegenüber dem Einweggleichrichter 8 sind doppelt so viele Impulse vorhanden, 6 die Frequenz beträgt 100 Hz. 4 Zwischen Uein und Uaus ist eine 2 Differenz von 2*0,7V = 1,4V, diese Uaus U URaus 0 Spannung fällt an jeweils 2 Dioden ab. -2 Die Glättung funktioniert deutlich besser -4 als beim Einweggleichrichter, da der Uein Kondensator doppelt so häufig -6 nachgeladen wird. -8 Uges Entsprechend sind die Stromspitzen bei -10 der Aufladung auch deutlich kleiner 0 15m 30m (0,5A gegenüber 1,5A beim V(Uein1,Uein2) V(Uaus,GND) Einweggleichrichter) Ströme Ibr1, IC1, IR2 mit Kondensator Zeit 45m Uein UC und Uaus mit Kondensator 2,0 10 1,5 8 Uein Uaus 6 1,0 IC1 0,5 4 IR1 2 0 0 Uein -2 -0,5 Ibr1 -1,0 -4 -6 -1,5 -8 -2,0 Zeit 0 I(br1,1) • • • I(c1,1) 15m 30m 45m I(r2,2) -10 Zeit 0 V(Uein1,Uein2) 15m 30m 45m V(Uaus,GND) Diese Schaltung findet man in vielen, einfachen, ungeregelten Steckernetzteilen Die Schwankungen der Ausgangsspannung nennt man Brummspannung Wenn die Brummspannung stört, verwendet man ein geregeltes Netzteil (nächste Seite) In_Target_simulierte_Schaltungen_2010_target_logo.odt Seite 12 von 26 In TARGET 3001! simulierte Schaltungen 2.10 Carl-Engler-Schule Karlsruhe Technisches Gymnasium Zweiweggleichrichter mit Spannungsregler 7805 U7805 IC1 V1 G Uein IN BR1 7805 OUT GND + Uc + ~ 10V C1 R2 20 1000µF ~ In der Praxis w erden am Eingang und am Ausgang des Spannungsreglers je ein 100nF-Kondensator gegen GND benötigt um die Schw ingungsneigung der Schaltung zu unterdrücken. Uaus B250C1500 Frequenz 50Hz Uein UC und Uaus • Der Spannungsregler stabilisiert die Ausgangsspannung auf 5V UC 10 8 6 Uaus UR 4 2 0 -2 Uein -4 -6 -8 Uges -10 0 V(Uein1,Uein2) 10m V(Uc,GND) 20m Zeit 30m 40m 50m V(Uaus,GND) Uein UC und Uaus bei R2 = 20Ω • • Erniedrigt man den Lastwiderstand R2 unter 25Ω, so „bricht die Ausgangsspannung ein“. Abhilfe: Eingangsspannung erhöhen oder C vergrößern. Der Spannungsregler benötigt zur Funktion eine Spannungsdifferenz zwischen Eingang und Ausgang von ca. 1,5V. 10 8 UC 6 4 2 Uaus 0 -2 -4 Uein -6 -8 -10 Zeit 0 V(Uein1,Uein2) • 10m V(Uc,GND) 20m 30m 40m 50m V(Uaus,GND) Diese oder Schaltungen mit ähnlichen Spannungsreglern findet man in vielen geregelten Netzteilen. In_Target_simulierte_Schaltungen_2010_target_logo.odt Seite 13 von 26 In TARGET 3001! simulierte Schaltungen 2.11 Carl-Engler-Schule Karlsruhe Technisches Gymnasium Zweiweggleichrichter mit Spannungsregler 7805 URegler IC2 ~ G Uein BR1 C1 + Uc 20V ~ LM317T OUT R1 1k ADJ + V1 IN 1000µF B250C1500 C2 R2 10k 100NF C3 100NF R3 100 Uaus Frequenz 50Hz Uein UC und Uaus beiR1 = 1kΩ, R2 = 1KΩ • • • Der Spannungsregler stabilisiert die Ausgangsspannung Mit den Widerständen R1 und R2 kann man die Größe der Ausgangsspannung einstellen. Der Spannungsregler ändert die Ausgangsspannung so, dass an R1 genau 1,2V abfallen: U aus R1R2 = → U R1 R1 R1R2 U aus =1,2 V⋅ R1 • • • 10 Uaus UR 5 0 -5 Uein -15 Uges -20 0 Uein UC und Uaus bei R1 = 1kΩ, R2 = 4,7KΩ UC V(Uein1,Uein2) 15m V(Uc,GND) Zeit 30m 45m V(Uaus,GND) Uein UC und Uaus bei R1 = 1kΩ, R2 = 10KΩ UC 20 15 15 10 Uaus 10 Uaus 5 5 0 0 -5 -5 Uein -10 Uein -10 -15 -15 -20 Zeit 0 V(Uein1,Uein2) • • 15 -10 R1=R2= kΩ: Uaus = 2,4V R1= kΩ, R2=4,7kΩ: Uaus = 6,8V R1= kΩ, R2=10kΩ: Uaus = 13,2V 20 UC 20 15m V(Uc,GND) 30m 45m V(Uaus,GND) -20 Zeit 0 V(Uein1,Uein2) 15m V(Uc,GND) 30m 45m V(Uaus,GND) R2 ersetzt man durch ein Poteziometer → stufenlos regelbare Ausgangsspannung Diese oder Schaltungen mit ähnlichen Spannungsreglern findet man in vielen einfachen, regelbaren Netzteilen. In_Target_simulierte_Schaltungen_2010_target_logo.odt Seite 14 von 26 In TARGET 3001! simulierte Schaltungen Fahrradstandlicht (einfache Prinzipschaltung) D1 R2 1N4001 470 R1 10 V1 Ug G Uled 6V U1 Uc + 2.12 Carl-Engler-Schule Karlsruhe Technisches Gymnasium In der Praxis wählt man C1=1F. Um die Funktion mithilfe von Simulationsergebnissen kennenzulernen, wurde hier C1 = 10mF gewählt. D2 rot C1 10mF Ug, U1 • • • • • Der Dynamo liefert eine Wechselspannung D1 ist der Gleichrichter mit jeder Halbwelle lädt sich der Kondensator etwas weiter auf. Nach einigen Halbwellen leuchtet die LED fortwährend. Da in der Praxis ein größerer Kondensator verwendet wird, dauert es einige Sekunden, bevor die LED leuchtet, wenn man den Dynamo einschaltet. 6 4 2 U1 0 Ug -2 -4 -6 Zeit 0 V(Ug,GND) Ug, UC 40m 80m V(U1,GND) Ug, Uled 6 6 4 4 2 Uc 0 2 Uled 0 Ug -2 -4 Ug -2 -4 -6 Zeit 0 V(Ug,GND) 40m -6 80m V(Uc,GND) Zeit 0 V(Ug,GND) 40m 80m V(Uled,GND) 3,5 UC 3,0 2,5 Uled 2,0 1,5 1,0 0,5 0 Zeit 0 V(Uc,GND) In_Target_simulierte_Schaltungen_2010_target_logo.odt 100m 200m 300m 400m V(Uled,GND) Seite 15 von 26 In TARGET 3001! simulierte Schaltungen 3 Transistorschaltung 3.1 Bestimmung von B Carl-Engler-Schule Karlsruhe Technisches Gymnasium Bei der messtechnischen Bestimmung des Gleichstromverstärkungsfaktors B werden Kollektorstrom und Basisstrom gemessen und anschließend der Quotient gebildet. B = IC/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. 10V - A - A DC IC 416,505mA + T2 - V DC UBE 002,030V BC517 Bei RB= 500kΩ: B = IC / IB = 416,5mA / 0,016mA = 26.000 bei RB = 1MΩ: B = IC / IB = 266mA / 8µA = 33.000 bei RB = 2MΩ: B = I IC / IB = 168mA / 4µA = 42.000 - V + - DC IB 000,016mA + G RC1 10 + V1 + + RB2 500k - V DC URC 004,207V DC UCE 005,793V Laut Datenblatt ergibt sich folgender Verlauf von B: In_Target_simulierte_Schaltungen_2010_target_logo.odt Seite 16 von 26 In TARGET 3001! simulierte Schaltungen 3.2 Carl-Engler-Schule Karlsruhe Technisches Gymnasium Kennlinienfeld I - V2 350m + + T1 BC517 2V 400m V1 300m 250m - 10V 200m 150m 100m 50m 0 -50m V1 0 2 4 6 8 10 U I(t1,1) Kennlinien erhält man mit der DCAnalyse, Start und Endwert beziehen sich auf die Spannung. Als Messgröße den Strom angeben! • • 3.3 5 Transistor als Schalter URecht 4 R1 1k 3 D1 LED_ROT + 100k V1 G G - V2 R2 T1 BC547 2 1 UBE 0 -1 Zeit 0 10V 5V V(UTTL,GND) 4m 8m V(B,GND) 12 ULED 10 8 6 URecht 4 ULED 2 0 Zeit 0 V(UTTL,GND) In_Target_simulierte_Schaltungen_2010_target_logo.odt 4m 8m URecht V(Diode,GND) Seite 17 von 26 In TARGET 3001! simulierte Schaltungen 4 Kondensator an Gleichspannung 4.1 KondensatorAuf- und Entladung 8 Uc 1k 6 + V1 G C1 1µF 10V pw=5ms per=10ms pw: Pulsweite = Zeit, in der die Generatorspannung 10V ist per: Periodendauer = Zeit, nach der sich die Form der Generatorspannung wiederholt. • • • • • • 4.2 • Urecht 10 R1 Carl-Engler-Schule Karlsruhe Technisches Gymnasium 4 2 Uc Urecht 0 0 Zeit 4m V(Uc,GND) 8m V(Urecht,GND) Das Signal des Rechteckgenerators ist 5ms lang 10V (=Pulsweite pw) und anschließend 5ms lang 0V. Die gesamte Dauer heißt Periodendauer per. Danach wiederholt sich das Signal. Wenn Urecht = 10V ist, lädt sich der Kondensator auf. Wenn Urecht = 0V ist, entlädt sich der Kondensator. Die Auf- und Entladung ist nicht linear (keine Gerade), sondern die Aufladung ist zunächst sehr schnell und verlangsamt ich dann. Nach T = R * C = 1kΩ * 1µF = 1ms ist der Kondensator auf 6,3V aufgeladen, allgemein sind es immer 63% der Gesamtspannung. Man sagt, nach der Zeit 5*T ist der Kondensator praktisch vollständig geladen (99,5%) Verkürzung der Aufladezeit durch Verkleinern von R Der Widerstand wurde halbiert, dadurch erhöht sich der Aufladestrom und der Kondensator lädt sich schneller auf. 10 8 6 4 2 0 Zeit 0 2m V(Uc,GND) 4.3 • • Überprüfung der Aufladefunktion Bei Graphenrechner die Aufladefunktion eingeben: 10 * (1-exp(-t/1m)) es ergibt sich bei der Aufladung der gleiche Verlauf wie bei der Simulation 6m 8m 10m V(Urecht,GND) 10*(1-exp(-t/1m)) 10 8 6 4 2 0 Zeit 0 V(Uc,GND) In_Target_simulierte_Schaltungen_2010_target_logo.odt 4m 4m V(Urecht,GND) 8m 10*(1-exp(-t/1m)) Seite 18 von 26 In TARGET 3001! simulierte Schaltungen 4.4 Verkürzung der Periodendauer Carl-Engler-Schule Karlsruhe Technisches Gymnasium 10 Urecht R1 8 1k + V1 G 6 C1 1µF 4 10V Uc 2 pw=1ms per=2ms 0 Zeit 0 • 4.5 Nun lässt man dem Kondensator nicht ausreichend Zeit, um sich aufzuladen. V(Uc,GND) Stromverlauf 8m V(Urecht,GND) Urecht Urecht 10 4m 10 8 Uc 8 6 Uc 6 4 4 Uc Ic*1000 2 Uc UR 2 Urecht 0 0 -2 -2 Ic*1000 -4 UR -4 -6 -6 -8 -8 -10 Zeit 0 V(Uc,GND) • • • 2m V(Urecht,GND) 4m I(c1,1) 6m 8m I(c1,1)*1000 Oben sieht man den Stromverlauf im Kondensator und im Widerstand (gleich weil Reihenschaltung!). Bei der Aufladung ist der Strom zunächst maximal und sinkt dann langsam ab Bei der Entladung ebenso, jedoch ist er negativ, da der Strom in die andere Richtung fließt. In_Target_simulierte_Schaltungen_2010_target_logo.odt -10 Zeit 0 10m 2m V(Uc,GND) • • V(Urecht,GND) 4m V(Urecht,Uc) 6m 8m 10m I(c1,1)*1000 Oben sieht man, dass der Stromverlauf dem Spannungsverlauf am Widerstand proportional ist (gleicher Verlauf) Denn Spannungsverlauf am Widerstand kann man sich auch so erklären: Uc und UR müssen zu jedem Zeitpunkt die Gesamtspannung Urecht ergeben. Seite 19 von 26 In TARGET 3001! simulierte Schaltungen Carl-Engler-Schule Karlsruhe Technisches Gymnasium 5 Rechteckgenerator mit Schmitt-Trigger und RC-Schaltung 5.1 Funktion des Schmitt-Triggers mit Dreieckspannung untersuchen + G - 5V 6 Spannungsversorgung des Schmitt-Trigger-ICs V1 IC1p Udreieck 5 Uschmitt 4 Obere Schaltschwelle 2,51V 3 IC1a Schmitt-Trigger-IC 2 V2 G 5V Udreieck 74HC14 • • • • • 5.2 R1 10k Uschmitt 0 Uschmitt -1 0 Verbraucher Generator, der ein Dreieck-Signal erzeugt • Untere Schaltschwelle 1,59V 1 1,0 Zeit 2,0 3,0 4,0 5,0 V(Udreieck,GND) V(Uschmitt,GND) 2.51 1.59 Am Ausgang des Schmitt-Triggers erhält man entweder 5V (High) oder 0V (Low). Es handelt sich um ein Bauteil der Digitaltechnik. An den Eingang des Schmitt-Triggers wird zu Testzwecken ein Dreiecksignal angelegt. Wenn die Eingangsspannung kleiner ist als die untere Schaltschwelle, dann ist die Ausgangsspannung High (5V). Wenn die Eingangsspannung größer ist als die obere Schaltschwelle, dann ist die Ausgangsspannung Low (0V). Wenn die Eingangsspannung zwischen den Schaltschwellen liegt, dann bleibt die Ausgangsspannung so wie sie vorher war. Typische Anwendung ist eine Heizungssteuerung: die Eingangsspannung des SchmittTriggers ist proportional der Temperatur, der Ausgang schaltet die Heizung an und aus. Schmitt-Trigger mit Sinusspannung untersuchen IC1a Usinus 5 Schmitt-Trigger-IC Uschmitt 4 V2 3 G 2,5 6 Usinus 74HC14 R1 10k Uschmitt 2 1 0 Generator, der ein Sinus-Signal erzeugt Verbraucher -1 Zeit 0 10m V(Udreieck,GND) V(Uschmitt,GND) In_Target_simulierte_Schaltungen_2010_target_logo.odt 20m 2.51 30m 40m 1.59 Seite 20 von 26 In TARGET 3001! simulierte Schaltungen Funktion des Rechteckgenerators untersuchen + 5.3 Carl-Engler-Schule Karlsruhe Technisches Gymnasium V2 G - 5V IC1p Spannungsversorgung des Schmitt-Trigger-ICs 6 Uschmitt 5 4 3 R1 Schmitt-Trigger-IC 10k IC1a UR Obere Schaltschw elle UC 2 Untere Schaltschw elle 1 UC 0 C1 UC -1 74HC14 Uschmitt 22µF Zeit 0 V(Uschmitt,GND) 100m V(Uc,GND) 200m 2.51 300m 400m 1.59 ca. 170ms Generator, der ein Rechtecksignal erzeugt • • • • • • • Zu Beginn ist der Kondensator entladen Uc = 0V Da die Eingangsspannung des Schmitt-Triggers unterhalb der Schaltschwelle liegt, ist die Ausgangsspannung 5V (High) Der Kondensator lädt sich über den Widerstand auf → Uc steigt Sobald Uc die obere Schaltschwelle des Schmitt-Triggers überschreitet, wird die Ausgangsspannung 0V (Low). Nun entlädt sich der Kondensator über den Widerstand. Sobald Uc die untere Schaltschwelle des Schmitt-Triggers unterschreitet, wird die Ausgangsspannung wieder High und der Vorgang beginnt von vorne. Erzeugte Frequenz: f = 1 / 170ms = 5,9Hz 5.3.1 Vergrößerung der Frequenz • • Entweder Widerstand verkleinern → Strom größer → Kondensator lädt sich schneller auf Oder Kondensator verkleinern → Kondensator ist schneller aufgeladen R = 4,7kΩ und C1 = 22µF → Frequenz: f = 1 / 83ms = 12 Hz 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0 Zeit 0 V(Uschmitt,GND) In_Target_simulierte_Schaltungen_2010_target_logo.odt 100m V(Uc,GND) 200m 2.51 300m 400m 1.59 Seite 21 von 26 In TARGET 3001! simulierte Schaltungen 5.4 Carl-Engler-Schule Karlsruhe Technisches Gymnasium Rechteckgenerator mit variablem Tastgrad + Die Zeiten, in der das Rechecksignal High bzw. Low ist, lassen sich getrennt einstellen. V2 G - 5V IC1p Spannungsversorgung des Schmitt-Trigger-ICs 5 4 D1 1N4148 D2 1N4148 3 R1 10k R2 Schmitt-Trigger-IC 20k IC1a 1 2 0 -1 C1 UC Zeit 0 74HC14 Uschmitt V(Uschmitt,GND) 22µF 0,2 V(Uc,GND) 0,4 2.51 0,6 0,8 1,0 1.59 Generator, der ein Rechtecksignal erzeugt • • • • Der Kondensator lädt sich über D1, R1 auf, daher wird die Aufladezeit von R1 und C1 bestimmt. Folgerung: die High-Zeit des Rechtecksignals wird mit R1 und C1 festgelegt. Der Kondensator entlädt sich über R2 und D2, daher wird die Entladezeit von R2 und C1 bestimmt. Folgerung: die Low-Zeit des Rechtecksignals wird mit R2 und C1 festgelegt. Z.B. mit R1 = 33kΩ und R2 = 20kΩ ist die High und Low-Zeit des Rechtecksignals gleich lang. Mit C1 wird die High-Zeit und die Low-Zeit gleichzeitig verändert. D1 1N4148 R1 33k D2 1N4148 6 5 4 R2 Schmitt-Trigger-IC 20k IC1a 3 2 1 C1 UC 74HC14 22µF Uschmitt 0 -1 Zeit 0 Generator, der ein Rechtecksignal erzeugt In_Target_simulierte_Schaltungen_2010_target_logo.odt V(Uschmitt,GND) 0,4 V(Uc,GND) 0,8 2.51 1,2 1,6 2,0 1.59 Seite 22 von 26 Carl-Engler-Schule Karlsruhe Technisches Gymnasium In TARGET 3001! simulierte Schaltungen 6 RLC-Schaltungen an Wechselspannung 6.1 Widerstand an Wechselspannung 4 V1 P=U*I 3 G R1 0,5 1,4142V 2 1 0 U -1 U und I sind phasengleich P erhält man durch Multiplikation der Momentanwerte von U und I P hat die doppelte Frequenz von U und ist immer positiv → Wirkleistung • • • 6.2 -2 I -3 0 V(Plus,GND) 10m I(r1,2) Zeit 20m 30m 40m V(Plus,GND)*I(r1,2) Kondensator an Wechselspannung 1,5 Ic V1 G 1,0 C1 100µF Uc 1V 0,5 0 -0,5 I eilt 90° vor U P ist abwechselnd positiv und negativ → Blindleistung I und P sind frequenzabhängig • • • -1,0 -1,5 Zeit 0 V(Plus,GND) 0,4m I(c1,1) 0,8m 1,2m V(Plus,GND)*I(c1,1) 6.2.1 Frequenzabhängigkeit untersuchen 1,0 1,0 U 0,8 0,6 I 0,6 0,4 0,2 0 0 -0,2 -0,2 -0,4 -0,4 -0,6 -0,6 -0,8 -0,8 U 1,0 P 0,4 P I 0,2 1,5 U 0,8 I P 0,5 0 -0,5 -1,0 Zeit -1,0 0 0,5m 1,0m 1,5m 2,0m 2,5m Zeit -1,0 0 Frequenz f = 500Hz In_Target_simulierte_Schaltungen_2010_target_logo.odt 0,5m 1,0m 1,5m Frequenz f = 1kHz 2,0m 2,5m Zeit -1,5 0 0,5m 1,0m 1,5m 2,0m 2,5m Frequenz f = 2kHz Seite 23 von 26 Carl-Engler-Schule Karlsruhe Technisches Gymnasium In TARGET 3001! simulierte Schaltungen 6.3 RC-Reihenschaltung 1,0 0,8 R1 0,4 Uges I 1V f=1kHz 0,6 1,5 V1 G UR 0,2 0 C1 100µF Uc -0,2 -0,4 UR -0,6 UC -0,8 Uges -1,0 0 V(ges,C) • • • • • • 1,0m V(ges,GND) I(r1,1) 1,5m 2,0m 2,5m Uges erhält man durch Addition der Momentanwerte von UR und Uc Beweis: Im Graphenrechner UR und Uc addieren 6.3.1 Frequenzgang • • V(C,GND) Zeit 0,5m erhält man mit AC-Analyse im Oszilloskop-Fenster X-Achse logarithmisch einstellen f ↑ → XC ↓ → UC ↓ f ↑ → XC ↓ → Z ↓ → I ↑ → UR ↑ Grenzfrequenz ablesen Ausgang = Uc → Tiefpass-Verhalten Ausgang = UR → Hochpass-Verhalten 1,0 0,9 UC 0,8 UR 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Frequenz 10 V(ges,C) In_Target_simulierte_Schaltungen_2010_target_logo.odt V(C,GND) 100 1K 10K V(ges,GND) Seite 24 von 26 In TARGET 3001! simulierte Schaltungen 6.4 Carl-Engler-Schule Karlsruhe Technisches Gymnasium Filter 1,0 6.4.1 RC-Tiefpass 0,9 0,8 R1 V1 0,7 0,6 1k G C1 Uein 10V 0,5 Uaus 100nF 0,4 0,3 0,2 0,1 im Ozilloskop-Fenster -> Ansicht -> Achse logarithmisch 0 Frequenz 100 1K 10K 100K V(Ua) 1,0 6.4.2 RC-Tiefpass V1 G 0,9 R1 R2 1k 10k C1 100nF Uein 10V 0,8 0,7 C2 Uaus 10nF U2 0,6 0,5 0,4 0,3 im Ozilloskop-Fenster -> Ansicht -> Achse logarithmisch 0,2 0,1 0 Frequenz 10 V(Uc) 100 1K 10K 100K V(Uc2) 6.4.3 RL-Tiefpässe 1,0 L1 0,9 45,5mH Ue R1 1k 0,8 Ua1 0,7 0,6 0,5 L2 0,3 V1 G 45,5mH Ue 10V 0,4 R2 100 Ua2 0,2 0,1 0 Frequenz 10 V(Ua1) 100 1K 10K 100K V(Ua2) im Ozilloskop-Fenster -> Ansicht -> Achse logarithmisch In_Target_simulierte_Schaltungen_2010_target_logo.odt Seite 25 von 26 In TARGET 3001! simulierte Schaltungen 6.4.4 Bandpass mit Schwingkreis 1,0 Bandpass aus Schwingkreis mit Vorwiderstand 0,9 R2 V1 0,8 200 G Carl-Engler-Schule Karlsruhe Technisches Gymnasium Uein 1V L1 R1 C1 100mH 10k 253nF 0,7 Uaus 0,6 0,5 f_Res = 1kHz Bandbreite ca. 3100Hz fgrenz bei ca 300Hz und 3,4 KHz Im Oszilloskop -> Ansicht -> X-Achse logarithmisch 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Frequenz 10 100 1K 10K 100K V(Ua) 6.4.5 Bandpass aus HP und TP Bandpass aus Hochpass und Tiefpass Um auch den Frequenzgang des Tiefpasses darstellen zu können, ist ein identischer Tiefpass parallel an die Quelle geschaltet. TP HP 1,0 0,9 R3 0,8 47k fgTP=3,4kHz TP zum Vergleich C1 V1 G C3 1nF Uaus_TP 0,7 BP 0,6 0,5 0,4 R2 0,3 100nF Uein 1V R1 5,3k 47k Uaus_HP C2 1nF Uaus_BP 0,2 0,1 fgHP=300Hz fgTP=3,4kHz 0 Frequenz 10 100 1K 10K 100K Bandpass aus HP und TP V(UHP) V(UTP) V(UBP) Im Oszilloskop -> Ansicht -> X-Achse logarithmisch In_Target_simulierte_Schaltungen_2010_target_logo.odt Seite 26 von 26
