19. Februar 2016 Elektrizitätslehre II Martin Loeser, Martin Weisenhorn Laborpraktikum 6 – Einfache RC-Schaltungen 1 Lernziele Bei diesem Versuch werden verschiedene Anwendungen des RC-Glieds untersucht und quantitativ beschrieben. • Sie können die Funktionsweise eines RC-Gliedes als Integrator erläutern und die Bedingungen angeben, unter denen diese Funktionsweise zustande kommt. • Sie können den zeitlichen Verlauf der magnetischen Flussdichte in einem ferromagnetischen Material messtechnisch erfassen und damit die magnetische Hysterese dieses Materials darstellen. • Sie können die Funktionsweise eines CR-Gliedes als Differentiator erläutern und die Bedingungen angeben, unter denen diese Funktionsweise zustande kommt. • Sie können den Vorgang der DC-Entkopplung mit einem in Serie geschalteten Kondensator erläutern und die Bedingungen angeben, unter denen sie zustande kommt. Dieses Beispiel können Sie mit dem Superpositionsprinzip erklären. • Sie können messtechnisch den Entkopplungkondensator eines KO im AC-Modus bestimmen. • Sie können das Verhalten einer RC-Schaltung an einem Funktionsgenerator mit Matlab modellieren und für diverse vorgegebene Spannungsverläufe numerisch berechnen. Sie sind in der Lage dieses Simulationsmodell durch Vergleich von theoretischen mit messtechnischen Ergebnissen unter Berücksichtigung der systematischen Einflüsse der Innenwiderstände von Quelle oder Messgerät (KO) zu validieren. Laborpraktikum 6 – Einfache RC-Schaltungen, Elektrizitätslehre II 2 2 Einleitung 2.1 RC-Glied als Integrator In diesem Abschnitt wird gezeigt wie auf einfachste Weise ein Integrator realisiert werden kann, dessen Ausgangsspannung u2 (t) das Integral einer Eingangsspannung u1 (t) ist. Dazu betrachten wir die Bauteilgleichung der Kapazität in integraler Form Z 1 t iC (ψ) dψ. uC (t) = C −∞ Nun fehlt noch eine Schaltung die für einen Strom iC (t) sorgt der proportional zur Eingangsspannung u1 (t) ist. In Formeln lautet der Zusammenhang iC (t) = α u1 (t), wobei α eine vorerst beliebige Proportionaliätskonstante ist. Am einfachsten wird die Proportionalität durch die in Abb. 1 dargestellte Schaltung erreicht, allerdings nur näherungsweise und umso genauer, je kleiner der Betrag von u2 (t) gegenüber dem Betrag von uR (t) ist. Dann nämlich ist uR (t) ≈ u1 (t) und damit iC (t) ≈ u1 (t)/R. uR (t) iC (t) R u1 (t) u2 (t) C Abbildung 1: RC-Glied als Integrator Das RC-Glied funktioniert um so genauer wie ein Integrator, je grösser das Verhältnis des Betrags der Eingangsspanung zum Betrag der Ausgangsspannung ist. Als Richtwert wollen wir festlegen, dass der Betrag der Eingangssapnnung etwa zehn mal grösser sein soll als der Betrag der Ausgangsspannung. Für diesen Fall gilt die Näherung u2 (t) = 1 C Z t −∞ iC (t) dt ≈ 1 RC Z t Dabei ist RC = τ die Zeitkonstante des RC-Gliedes. −∞ u1 (t) dt. Laborpraktikum 6 – Einfache RC-Schaltungen, Elektrizitätslehre II 3 2.1.1 Sinusförmige Signale am RC-Glied. Die oben erarbeitete Bedingung unter der das RC-Glied als Integrator arbeitet lässt sich für sinförmige Eingangsspannungen u1 (t) = û1 sin(2πf t) als eine Bedingung an die Freqeuenz ausdrücken, die häufig sehr nützlich ist. Vorbereitung. Wir betrachten die Kapazität an einer sinusförmigen Spannung: iC (t) uC (t) = ûC sin(2πf t) C Für den Strom iC (t) folgt mit hilfe der Bauteilgleichung iC (t) = C duC (t) = ûC 2πf C cos(2πf t), | {z } dt îC wobei îC der Scheitelwert des Stromes ist. Der Verlauf von Spannung und Strom lässt sich graphisch darstellen, siehe Abb. 2. Man erkennt eine zeitliche VerschieûC îC T t Abbildung 2: Verlauf von Spannung und Strom an einer Kapazität. bung zwischen Spannung und Strom. Deshalb sind im Unterschied zu einem Widerstand die Momentanwerte von Spannung und Strom nicht proportional zueinander sondern lediglich die Scheitelwerte. Deren Verhältnis wird bei einer Kapazität als Blindwiderstand Xc bezeichnet: XC := ûC ûC 1 = = . uˆC 2πf C 2πf C îC Für einen Widerstand R gilt übrigens auch R= ûR uR = . iR îR Laborpraktikum 6 – Einfache RC-Schaltungen, Elektrizitätslehre II 4 Überlegung. Nun kommen wir zurück zur Schaltung aus Abb. 1, um uns die genannte Bedingung an die Frequenz zu überlegen. Wie bereits diskutiert, funktioniert das RC-Glied näherungsweise als Integrator, wenn der Strom îC (t) proportional zur Eingangsspannung u1 (t) ist. Dies gilt nie exakt aber näherungsweise wenn R XC ⇔ 1 R ⇔ 2πf C 1 f 2πτ Als Richtwert wollen wir festlegen, dass f > 1/τ sein muss, wobei τ = RC die Zeitkonstante des RC-Glieds ist. Mit ähnlichen Überlegungen findet man, dass für kleine Signalfrequenzen f 1/τ Ausgangs- und Eingangssignal ungefähr gleich sind. Das RC-Glied funktioniert um so genauer wie ein Integrator, je mehr die Signalfrequenz f den Wert 1/τ überragt. 2.1.2 Integrator mit OPV Das RC-Glied arbeitet nur dann als Integrator, solange die Eingangsspannung am RC-Glied betragsmässig deutlich grösser ist als der Betrag der Ausgangsspannung, das ist nicht der Fall wenn z.B. u1 (t) den Wert von 1 V durchschreitet. Für sinusförmige Eingangssignale muss die Signalfrequenz f grösser als 1/τ sein. Die genannten Einschränkungen werden durch die Schaltung in Abb. 3 behoben. Die Forderung, dass iC (t) proportional zu u1 (t) ist, wird durch den virtuellen Nullpunkt am Knoten 2 erfüllt, indem er dafür sorgt dass der Strom durch den Widerstand gleich iC (t) = u1 (t)/R ist. Dies gilt unabhängig von der grösse der Eingangsspannung. Allerdings ist die Proportionslitätskonstante des Integrators nun gleich (−1/RC) also negativ. Fazit • Das RC-Glied funktioniert um so genauer wie ein Integrator, je grösser das Verhältnis des Betrags der Eingangsspanung zum Betrag der Ausgangsspannung ist. • Bei sinusförmigem Eingangssingal funktioniert das RC-Glied um so genauer wie ein Integrator, je mehr die Signalfrequenz f den Wert 1/τ überragt. • Bei sinusförmigen Eingangssingalen mit Signalfrequenzen f 1/τ sind Eingangsund Ausgangssignal identisch. Laborpraktikum 6 – Einfache RC-Schaltungen, Elektrizitätslehre II 5 iC (t) C R 2 iC (t) u1 (t) u2 (t) 1 Abbildung 3: Invertierender Integrator mit Operationsverstärker. 2.2 RC-Glied als Differenzierer Einen Differenzierer erhält man mit der in Abb. 4 gezeigten Anordnung. Verglichen mit Abb. 1 sind einfach der Widerstand und die Kapazität miteinander vertauscht. uC (t) iC (t) C u1 (t) u2 (t) R Abbildung 4: CR-Glied als Differenzierer. Damit die Schaltung tatsächlich als ein Differenzierer arbeitet muss der Betrag der Ausgangsspannung u2 (t) klein gegenüber dem Betrag der Eingangsppanunng sein. Dann nämlich ist die Spannung uC (t) an der Kapazität etwa gleich der Eingangsspannung u1 (t), damit folgt entsprechend der Bauteilgleichung der Kapazität iC (t) = Cdu1 (t)/dt. Dieser Strom durch den Kondensator verursacht im Widerstand wie gewünscht einen Spannungsabfall u2 (t) = R iC (t) ≈ RC d u1 (t) dt der proportional zur Ableitung der Eingangsspannung ist. Dabei ist RC = τ die Zeitkonstante des CR-Gliedes. Laborpraktikum 6 – Einfache RC-Schaltungen, Elektrizitätslehre II 6 Das CR-Glied funktioniert um so genauer wie ein Differnzierer, je grösser das Verhältnis des Betrags der Eingangsspanung zum Betrag der Ausgangsspannung ist. Für sinusförmige Eingangssignale erhält man mit einer zu Abschnitt 2.1.1 analogen Überlegung die folgende Bedingung: Das CR-Glied funktioniert um so genauer wie ein Differenzierer, je mehr die Signalfrequenz f den Wert 1/τ unterschreitet. Mit ähnlichen Überlegungen findet man, dass für hohe Signalfrequenzen f 1/τ Ausgangs- und Eingangssignal ungefähr gleich sind. Fazit • Das CR-Glied funktioniert um so genauer wie ein Differnzierer, je grösser das Verhältnis des Betrags der Eingangsspanung zum Betrag der Ausgangsspannung ist. • Bei sinusförmigem Eingangssignal funktioniert das CR-Glied um so genauer wie ein Differenzierer, je mehr die Signalfrequenz f den Wert 1/τ unterschreitet. • Bei sinusförmigen Signalfrequenzen f 1/τ sind Ausgangs- und Eingangssignal ungefähr gleich. 3 Versuchsdurchführung – Messaufgaben 3.1 RC-Glied als Integrator Für die Durchführung dient die Schaltung, die in Abbildung 1 dargestellt ist. (a) In Abb. 5 sind zwei verschiedene Spannungsverläufe für u1 (t) angegeben. Überlegen Sie sich welche Form die Ausgangsspannung u2 (t) jeweils besitzt und zeichnen Sie diese in das darunterliegende Koordinatensystem ein. (b) Zeigen Sie mit mittelwertfreien, periodischen sinus-, dreieck- und rechteckförmigen Eingangsignalen u(t), dass die Schaltung als Integrator wirkt, wenn die Periodendauer T der Signale viel kleiner als die Zeitkonstante τ = RC der Schaltung ist. Quantifizieren Sie „viel kleiner” gegebenenfalls für jede Signalform separat. Laborpraktikum 6 – Einfache RC-Schaltungen, Elektrizitätslehre II u1 (t) 7 u1 (t) 0 0 t T u2 (t) t T u2 (t) 0 0 t t Abbildung 5: Spannungen am Integrator. Versuch 2.7 2/5 b) Wie verhält sich die Schaltung bei einem mittelwertbehafteten Signal, wie z. B. dem Mischsignal (c)7.2?Wie verhält sich die Schaltung bei einem mittelwertbehafteten Signal, wie z. B. gemäss Figur Hinweis: Überlagerungssatz verwenden. einem Rechteck-Signal wie in Abbildung 6? Hinweis: Überlagerungssatz verwen- Simulieren Sie das Verhalten der Schaltung mit Matlab/Simulink und zeigen Sie, dass nach Abklingen einer transienten den. Phase die Schaltung ihre Funktion erfüllt. u1(t) U0 0V Figur 7.2 Periodische Mischspannung Versuch 2.7 t 2/5 b) Wie verhält die Schaltung einem Signal, wieMaterial z. B. dem Mischsignal c) Benutzen Sie den Integrator um diesich magnetische Flussdichte B(t)mittelwertbehafteten in einem mit Ferromagnetischen Abbildung 6: bei Rechteck-Signal Gleichanteil gemäss Figur Hinweis: Überlagerungssatz messtechnisch zu bestimmen. Damit7.2? kann auch die Hysteresekurveverwenden. dieses Materials mit einem KO im xy-Betrieb dargestellt Simulieren werden (siehe Messchaltung Figur Sie das Verhalten dergemäss Schaltung mit7.3). Matlab/Simulink und zeigen Sie, dass nach Abklingen einer transienten Phase die Schaltung ihre Funktion erfüllt. Signalgenerator (d) Simulieren Sie das Verhalten der Schaltung mit Matlab und zeigen Sie, dass nach R Abklingen einer transienten Phaseudie ihre Funktion erfüllt. Benutzen 1(t) Schaltung i1 (t) Sie dazu den Programmcode aus dem Laborpraktikum 2 - Kondensator und uy (t) ∝ B(t) C N R 1 N1 Kapazität. U0 2 (e) Benutzen Sie den Integrator um die magnetische Flussdichte B(t) in einem fer0V ux (t) ∝ H(t) t romagnetischen messtechnisch zu bestimmen. Damit kann auch die Figur 7.2 PeriodischeMaterial Mischspannung Hysteresekurve Materials mitferromagnetischen einem KOB(t) imMaterials dargestellt werFigur 7.3 Messchaltung Darstellung der BH-Hysterese eines c) zur Benutzen Sie dendieses Integrator um die magnetische Flussdichte inxy-Betrieb einem Ferromagnetischen Material messtechnisch zu bestimmen. Damit kann auch die Hysteresekurve dieses Materials mit einem KO im den.xy-Betrieb Die entsprechende Messschaltung ist in Abbildung 7 dargestellt. Dabei gilt dargestellt werden (siehe Messchaltung gemäss Figur 7.3). Für H(t) gilt: H ( t ) = N1 i1 ( t ) RC N uy ( t ) = 1 ux ( t ) und für B(t): B( t ) = lFe lFe R1 N 2 AFe • Die Frequenz € R i1 (t) Wichtige Bemerkungen: SignaldesgeneSignalgenerators rator uy (t) ∝ B(t) C N1€ N2 R 1 Messung sollte je nach zwischen 50 und 150 Hz liegen. • Der Messwiderstand R1 zur Bestimmung der Stromstärke i 1 ( t ) wird stark belastet! 5 W Widerstände benutzen und nur kurzzeitig ubelasten. x (t) ∝ H(t) • Die Wahl von R und C beeinflusst den Pegel des Signals uy (t). Gegebenenfalls Werte anpassen, Figur 7.3 zur Darstellung der BH-Hysterese ferromagnetischen Materials um einen akzeptablen PegelMesschaltung mit einer7:dennoch grossenzur Zeitkonstante zueines erhalten. Typische Werte: Abbildung Schaltung Bestimmung der Hysterese-Kurve. C zwischen 680 und 1000 nF, R zwischen 100 und 1000 kΩ. Für H(t) gilt: H ( t ) = N1 i1 ( t ) = N1 ux ( t ) und für B(t): B( t ) = RC uy ( t ) lFe allzulFe R1 zu belasten, bzw. zu zerstören, N 2 AFe sollte • Um die Primärwicklungen der Messobjekte nicht stark die Hysterese nur bis zum Erreichen der Sättigung betrieben werden. Wichtige Bemerkungen: • Die Frequenz zwischen 50 und 150 Hz liegen. € des Signalgenerators sollte je nach Messung € • Der Messwiderstand R1 zur Bestimmung der Stromstärke i 1 ( t ) wird stark belastet! 5 W Widerstände benutzen und nur kurzzeitig belasten. Laborpraktikum 6 – Einfache RC-Schaltungen, Elektrizitätslehre II H(t) = 8 N1 N1 i1 (t) = ux (t) lF e lF e RL und B(t) = RC uy (t) N2 AF e Wichtige Bemerkungen • Die Frequenz des Signalgenerators sollte je nach Messung zwischen 50 und 150 Hz liegen. • Der Messwiderstand R1 zur Bestimmung der Stromstärke i1 (t) wird stark belastet! Er sollte desshalb in der Grössenordnung von nur etwa 1 bis 2 Ω liegen, 5 W vertragen und nur kurzzeitig belastet werden. • Die Wahl von R und C beeinflusst den Pegel des Signals uy (t). Gegebenenfalls Werte anpassen, um einen akzeptablen Pegel mit einer dennoch grossen Zeitkonstante zu erhalten. Typische Werte: C zwischen 680 und 1000 nF, R zwischen 50 kΩ und 500 kΩ. • Um die Primärwicklungen der Messobjekte nicht allzu stark zu belasten, bzw. zu zerstören, sollte die Hysterese nur bis zum Erreichen der Sättigung betrieben werden. 3.2 RC-Glied als Differenzierer Für die Durchführung dient die Schaltung, die in Abbildung 4 dargestellt ist. (a) Zeigen Sie mit mittelwertfreien, periodischen sinus-, dreieck- und rechteckförmigen Eingangsignalen u(t), dass die Schaltung als Differenzierer wirkt, wenn die Periodendauer T der Signale viel grösser als die Zeitkonstante τ = RC der Schaltung ist. Quantifizieren Sie „viel grösser” gegebenenfalls für jede Signalform separat. (b) Simulieren Sie das Verhalten der Schaltung mit Matlab und zeigen Sie, dass nach Abklingen einer transienten Phase die Schaltung ihre Funktion erfüllt. Sie können dazu den Programmcode aus Abschnitt 3.1 Aufgabenpunkt (d) modifizieren. Verwenden Sie den Maschensatz, um aus uR (t) aus u1 (t) und u2 (t) zu bestimmen. Laborpraktikum 6 – Einfache RC-Schaltungen, Elektrizitätslehre II 9 3.3 DC-Entkopplung Versuch 2.7 4/5 Bei sogenannten Mischsignalen besteht die Spannung u1 (t) aus einer mittelwertfreien, zeitlich veränderlichen Spannung uq (t) und einem konstanten Gleichanteil 3 DC-Entkopplung Uq0 . Möchte man nun den zeitlich veränderlichen Anteil der Spannung u1 (t) isoliert Bei sogenannten Mischsignalen bei denen zusätzlich zu einer periodischen, mittelwertfreien (das nennt man kann man dafür die nachfolgend abge1 U DC-Entkopplung) Wechselspannung u1wbetrachten (t) ein Gleichspannungsanteil 1 0 enthalten ist (u1 (t) = U1 0 + u 1 W(t)), wünscht man gelegentlich nur den Wechselspannungsanteil ohne die Gleichspannung betrachten (DC-Entkopplung). bildete Schaltung verwenden. Sofern diezuFrequenzen des Wechselanteils hoch genug Dies kann mit folgender Schaltung erreicht werden: Ri uq(t) C u1(t) i(t) R u2(t) Uq0 Figur 7.5 DC-Entkopplung mit Kondensator Sofern die Frequenz hoch genug ist (T « τ),Abbildung wird der Wechselanteil des Kondensator-Ladestroms 8: Schaltung zur DC-Entkopplung.der Wechselspannung u1w(t) zeitlich folgen und am Widerstand R ein entsprechendes Signal u2 (t) ≈ u1w(t) erzeugen. Der Gleichspannungsanteil U1 0 hingegen wird über dem Kondensator "hängen", da für tiefe Frequenzen2 der Aufladevorgang dem zeitlichen Signalverlauf folgen kann.sichtbar, Die sind (ωτ des 1) Kondensators wird dieser Anteil am Ausgang der Schaltung während der getrennte Betrachtungsweise für beide Spannungskomponenten ist wegen der Linearität der Schaltung3 erlaubt (Superpositionsprinzip). Gleichanteil, wie im Theorieteil erklärt, nicht übertragen wird. Messaufgaben (a) Bestimmen Sie für sinusförmige Mischsignale ab welcher Frequenz die DC-Entkopplung • Bestimmen Sie für sinusförmige Mischsignale ab Eingangswelcher Frequenz die DC-Entkopplung wirkt. wirkt. Stellen Sie dazu und Ausgangssignal für verschiedene FrequenVerwenden Sie auch andere Formen als sinusförmige für den Wechselanteil des Signals (z. B. Rechteck, zen in einer gemeinsamen Figur dar. Verwenden Sie auch andere Formen als Dreieck). sinusförmige für den Wechselanteil des Signals (z. B. Rechteck, Dreieck) Simulieren Sie das Verhalten der Schaltung mit Matlab/Simulink und zeigen Sie, dass nach Abklingen einer transienten Phase die Schaltung ihre Funktion erfüllt. (b) Beim Kathodenstrahloszillograph wird im AC-Modus eine DC-Entkopplung nach • Beim Kathodenstrahloszillograph wird8 im AC-Modus eine DC-Entkopplung nachkann demman obenden Wert des Entdem in Abb. beschriebenen Prinzip realisiert. Wie beschriebenen Prinzip realisiert. Wie kann man den Wert des Entkopplungskondensators des KO kopplungskondensators C und des Innenwiderstandes R des Oszilloskops mesmesstechnisch bestimmen? stechnisch bestimmen? Hinweis: Rechteckspannung im DC- und im AC-Modus betrachten und Frequenz verändern. Hinweis: Rechteckspannung im DC- und im AC-Modus betrachten und Frequenz verändern. 3.4 Benötigte Laborausrüstung • Funktionsgenerator (HM 8030) • Multimeter (HM8011) 1 2 3 Der Gleichspannungsanteil eines (periodischen) Mischsignals x(t) entspricht dem linearen 1 • Kathodenstrahloszillograph (Hameg HM 1507) mit 2 Sonden (10:1 Tastkopf) Mittelwert dieses Signals: X0 = ∫ x(t ) dt . TT • LC-Meter (HM T8018), nicht an allender Messplätzen vorhanden Das Integral ist dabei über die Periodendauer zu bilden und entspricht Fläche unter der Kurve x(t) zwischen den Abszissenwerten t0 und t0 +T. Zieht man den linearen Mittelwert von einem Mischsignal ab, so erhält ein mittelwertfreies, rein wechselstromartiges Signal. • man Widerstandsdekaden Gleichstrom hat die Frequenz Null. Die Schaltung besteht nur aus linearen Elementen wie Widerstände und Kondensatoren. ZHAW, School of Engineering 12. Mai 2009, © M. Schlup Laborpraktikum 6 – Einfache RC-Schaltungen, Elektrizitätslehre II 10 3.5 Messobjekte • Schnittbandkern Schnittbandkern (nach DIN 41309: SG 108/19, nach IEC: Q 9.1; Banddicke 0.33 mm) aus TRAFOPERM N2 mit zwei Wicklungen und einstellbarem Luftspalt (Abstandspapier: 0.05 mm / 0.1 mm), lF e = 25.9 cm, AF e = 2.87 cm2 , Wicklungen: N1 = N2 = 100, RCu = 0.2 Ω • Schnittbandkern(Dynamoblech) (lF e = 13 cm, AF e = 1.7 cm2 , N1 = N2 = 100) • ToroidausPermalloy F (lF e = 100 mm, AF e = 40 mm2 , N1 = N2 = 20, RCu = 0.1 Ω, Imax = 2 A)