2. Laboreinheit - Hardwarepraktikum SS 2002
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2. Laboreinheit - Hardwarepraktikum SS 2002 1. Versuch: Der bipolare Transistor als Schalter In diesem Versuch wird die Nutzung des Transistors als Schalter und die Nutzungsgrenzen aus dem Kennlinienfeld untersucht. Vorbereitung Machen Sie sich mit dem Datenblatt des Transistors BC 547 B (siehe BC547.pdf) vertraut. UE Abbildung 1 Laboraufgabe A1 Bauen Sie die Schaltung (Abbildung 1) auf und untersuchen Sie die Zeitverläufe der Spannungen an den Knotenpunkten A und B für eine rechteckförmige Eingangsspannung UE des Funktionsgenerators von 0...5V (Offset von 2.5V nicht vergessen) bei Frequenzen von 500 Hz, 5 kHz und 50kHz für folgende Kombinationen der Widerstände R1 und R2 . Dokumentieren und erläutern Sie die einzelne Messkurven. Kombination K1 R1 1MΩ R2 1.1 kΩ K2 1 MΩ 5.6 kΩ K3 1 MΩ 10 kΩ K4 1 MΩ 110 kΩ K5 1.1 kΩ 1.1 kΩ K6 1.1 kΩ 5.6 kΩ K7 1.1 kΩ 10 kΩ K8 1.1kΩ 110 kΩ A2 Messen Sie für jede Widerstandskombination jeweils bei UE = 0V und UE = 5V die Spannungen U1 den Strom I1 und berechen Sie die Spannung U2. Tragen Sie die Werte in eine Tabelle ähnlich der Mustertabelle ein. Mustertabelle Kombination Spannung U1 UE = 0V UE = 5V K1 U2 I 1 U1 K2 U2 I 1 U1 ... U2 I1 A3 Diskutieren Sie anhand der dokumentierten Zeitverläufe und der gemessenen Spannungen U1 und U2 die Zusammenhänge, die sich aus dem Ausgangskennlinienfeld des Transistors ergeben. A4 Erläutern Sie die Grenzen der Nutzung als Inverter in Digitalschaltungen. Bestimmen Sie dafür die Schaltzeiten und Signallaufzeiten des Transistorsschaltung als Inverter bei R1 = 1.1kΩ und bei 1 MΩ und R2 = 5.6 kΩ bei einer Frequenz von 5 kHz. Dokumentieren Sie die Schaltzeiten und Signallaufzeiten durch Oszilloskopbilder, unter Verwendung der Cursor-Funktion des Oszilloskops. A5 Ermitteln Sie messtechnisch die Übertragungsfunktion des Negators für die Fälle aus Aufgabe A4. Dokumentieren Sie die Übertragungsfunktion durch Oszilloskopbilder und stellen Sie die Signale in XY Darstellung dar. Verwenden Sie als Eingangsspannung UE eine Dreieckspannung von 0V bis 5V (Offset nicht vergessen) bei einer Frequenz von 0.5 Hz und von 5kHz. Diskutieren Sie die Ergebnisse der Übertragungsfunktion. 2. Versuch: Kennlinie eines bipolaren Transistors als Verstärker Der Versuch soll durch Simulation und Experiment die Nutzungsmöglichkeit des bipolaren npnTransistors als Verstärker und die U/I-Verhältnisse in der ausgewählten Grundschaltung untersuchen. Vorbereitung Machen Sie sich mit dem Datenblatt des Transistors BC 547 B (siehe Datenb.pdf) vertraut. Stellen Sie die Berechnungsgleichungen für die Widerstände R1 und R2 für die abgebildeten Schaltung (Abbildung 2) zusammen. Berechnen Sie den Widerstand R1, für einen Basisstrom des Transistors von 30µA, einem UBE von 700mV und einer Betriebsspannung UE von 10V aus. Berechnen Sie den Widerstand RC bei einer Stromverstärkung von 250 für den Arbeitspunkt (UCE = 5V). Ermitteln Sie nun den maximalen Kollektorstrom IC der Schaltung. Begründen Sie die Lage des Arbeitspunktes für den Einsatz des Transistors als Verstärker. Diskutieren Sie die Auswirkung der Verlagerung des Arbeitspunktes. Erläutern Sie die Funktion der Kondensatoren an den Knotenpunkten A und D. UCE UBE Abbildung 2 Laboraufgabe A1 Bauen Sie die Verstärkerschaltung mit den, in der Schaltung angegebenen Werten für R1 und R3 auf, stellen Sie den Widerstandswert des Potentiometer R2 auf den von Ihnen berechneten Wert. Stellen Sie die Betriebsspannung UE auf 10V ein, bei einem maximalen Strom von 50 mA und überprüfen Sie ob die Schaltung im Arbeitspunkt arbeitet (siehe Vorbereitung). Falls nicht, stellen Sie den Arbeitspunkt experimentell mit dem Potentiometer R2 auf den ausgewählten Arbeitspunkt ein. A2 Stellen Sie am Frequenzgenerator eine sinusförmige Ausgangsspannung von ca. 100mV mit einer Frequenz von 5 kHz ein. Untersuchen Sie die Zeitverläufe der Spannungen zwischen den Knotenpunkten A und B, A und C, A und D und zwischen C und D. Diskutieren und dokumentieren Sie die Ergebnisse. A3 Welche Veränderung ist zu erwarten, wenn Sie am Frequenzgenerator zusätzlich eine Offsetspannung einstellen und was können Sie beobachten? Untersuchen Sie erneut die Zeitverläufe an den Knotenpunkten, wie Sie in Aufgabe A2 beschrieben und diskutieren Sie die Ergebnisse. A4 Stellen Sie die Offsetspannung auf 0 Volt zurück (Offsetspannung am Frequenzgenerator ausschalten) und bestimmen Sie experimentell die Spannungsverstärkung der Schaltung aus den Spannungsamplituden an den Knotenpunkten A und D. Dokumentieren Sie die Spannungsverstärkung der Schaltung durch Oszilloskopbilder und benutzen Sie die CurorFunktion des Oszilloskops. A5 Vergrößern Sie nun schrittweise die Amplitude der Spannung am Knotenpunkt A und dokumentieren Sie für ausgewählte Fälle die Zeitverläufe an den Knotenpunkten A und D. Diskutieren Sie das Ergebnis ihrer Messungen. 3. Versuch: Optokoppler Der Optokoppler bietet die Möglichkeit eine galvanische Trennung zwischen zwei elektrischen Stromkreisen zu realisieren. Im Bereich der Datenübertragung und Automatisierungstechnik ist der Optokoppler sehr verbreitet. Der Versuch soll die Möglichkeiten und Grenzen des Optokopplers demonstrieren. Vorbereitung Schauen Sie sich das Datenblatt des Optokopplers PC844 (siehe PC844.pdf) an. Ermitteln die Werte der Widerstände RV und RL (Abbildung 3) für eine Betriebsspannung von 5V, IF = 10 mA, UF = 1.2 V und IC = 10 mA. Abbildung 3 UE fallende Flanke FF B C UF UAH UA E UAL steigende Flanke SF LED-Seite Transistor-Seite Abbildung 4 Abbildung 5 Laboraufgabe A1 Bauen Sie die LED-Seite der dargestellten Schaltung (Abbildung 4) auf. Messen Sie den Strom und die Spannungsabfälle auf der LED-Seite des Optokopplers für den Fall UE = 5V. A2 Messen Sie dann den Strom und die Spannungsabfälle auf der Transistor-Seite für den Fall UE = 5V und UE = 0V. Welche Logikfunktion wird durch den Optokoppler realisiert? A3 Erzeugen Sie mit Hilfe des Frequenzgenerators einen Rechteckimpuls 0..5V (Offsetspannung von 2,5V nicht vergessen) und analysieren Sie die Spannungen UAL und UAH (siehe Abbildung 5) bei einer Frequenz von 500 Hz und einem Widerstand R2 von 360 Ω, 5.6 kΩ, 150 kΩ und 1MΩ. Führen sie nun die 4 Messungen durch und dokumentieren Sie die einzelne Messkurven mit Ozsilloskopbildern und erläutern Sie die Messwerte. A4 Bestimmen Sie Flankenanstiegszeit und die Signallaufzeit des Optokopplers bei einem Widerstand R2 von 5.6 kΩ und den Frequenzen von 5 Hz, 50 Hz, 500 Hz, 5 kHz und 50 kHz (x10 Funktion) und einem Widerstand R1 von 1,1 kΩ. Verwenden Sie zur Bestimmung der Flankenanstiegszeit und der Signallaufzeit die Cursor-Funktion des Oszilloskops. Wie verhalten sich die Flankenanstieg der Spannung UA bei den angegebenen Frequenzen? Begründen Sie ihre Meinung und dokumentieren Sie es durch ausgewählte Ozsilloskopbilder.
