Protokoll

P rotokoll No. 1.doc
INSTITUT FÜR MIKROELEKTRONIK
JOHANNES KEPLER UNIVERSITÄT LINZ
Praktikum Elektrotechnik
SS 2006
Protokoll
Übung 1 : Oszilloskop
Gruppe:
Protokollführer / Protokollführerin:
Unterschrift:
Mitarbeiter / Mitarbeiterin:
Unterschrift:
Mitarbeiter / Mitarbeiterin:
Unterschrift:
Übungsdatum:
Wochentag:
abgegeben am:
-1-
P rotokoll No. 1.doc
Übung 1 : Oszilloskop........................................................................................................ 1
1. Ausmessung einer symmetrischen Recheckspannung ....................................................... 3
1.1. Aufgabenstellung: ....................................................................................................... 3
1.2. M essschaltung: ............................................................................................................ 3
1.3 M essungen:................................................................................................................... 3
2. Lissajous-Figuren .............................................................................................................. 6
2.1. Aufgabenstellung......................................................................................................... 6
2.2. Geräte, M essaufbau, M essschaltung........................................................................... 6
2.3. Vorgangsweise ............................................................................................................ 6
2.4. M essergebnisse............................................................................................................ 7
2.4. Diskussion................................................................................................................... 8
3. Laden und Entladen eines Kondensators............................................................................ 9
3.1. Aufgabenstellung: ....................................................................................................... 9
3.2. M essaufbau:................................................................................................................. 9
3.3. M essung: ................................................................................................................... 10
3.4. Auswertung der e-Potenz:......................................................................................... 10
4. R, L und C im Wechselstromkreis ................................................................................... 12
4.1. Aufgabenstellung: ..................................................................................................... 12
4.2. M essaufbau:............................................................................................................... 12
4.3. M essung am Widerstand: .......................................................................................... 12
4.4. M essung am Kondensator: ........................................................................................ 13
4.5. M essung an der Spule: .............................................................................................. 15
4.6. Zeigerdiagramme: ..................................................................................................... 16
5. RL- und RC- Kombinationen ........................................................................................... 19
5.1. Aufgabenstellung: ..................................................................................................... 19
5.2. M essaufbau:............................................................................................................... 19
5.3. M essung der Serienschaltung:................................................................................... 19
5.4. M essung der Parallelschaltung:................................................................................. 20
5.5. Zeigerdiagramme ...................................................................................................... 21
6. RLC - Kombination......................................................................................................... 22
6.1. Aufgabenstellung....................................................................................................... 22
6.2. Geräte, M essaufbau, M essschaltung......................................................................... 22
6.3. Vorgangsweise .......................................................................................................... 23
6.4. M essergebnisse.......................................................................................................... 23
6.5. Auswertung der M essergebnisse ............................................................................... 23
6.6. Diskussion................................................................................................................. 24
7. Ausmessen einer unbekannten Kombination .................................................................. 25
7.1. Aufgabenstellung....................................................................................................... 25
7.2. Geräte, M essaufbau, M essschaltung......................................................................... 25
7.3. Vorgangsweise .......................................................................................................... 26
7.4. M essergebnisse.......................................................................................................... 26
7.5. Diskussion................................................................................................................. 27
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1. Ausmessung einer symmetrischen Recheckspannung
1.1. Aufgabenstellung:
M essen Sie Amplitude Upp/2, Periodendauer , Anstiegszeit t rise und Abfallzeit t fall des
Signals des Funktionsgenerators bei der maximal möglichen Frequenz und der
maximal möglichen Amplitude der Rechteckspannung.
1.2. Messschaltung:
Verbinden des Funktionsgenerators mit dem CH1 Eingang des Oszillokops und die
M asse des Oszillokops mit der M asse des Funktionsgenerators. Die Spannungstyp
muss auf die symmetrische Recheckspannung gestellt werden und die Amplitude auf
das M aximum. Die grobe Frequenzeinstellung am Generator auf x2000 und die
Feineinstellung der Frequenz auf das M aximum. Der Eingangswahlschalter am
Oszilloskop muss die Stellung DC haben.
1.3 Messungen:
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Upp / 2
M anuelle M essung:
Up1 = 10,4 V
Up2 = - 9,4 V
Upp = 19,8 V
Upp/2 = 9,9 V
Bemerkung:
- gemessen mit dem Cursor auf
dem Spitzenwert
- das Signal ist unsymmetrisch.
Dies ist nur aus der manuellen
M essung ersichtlich und nicht aus
der automatischen M essung des
Oszilloskops.
Upp = 20,8 V
Automatische M essung
Upp / 2 = 10,4 V
Periodendauer
manuell gemessenes zwischen den
beiden Nulldurchgängen mittels Cursor:
t (Cursor1) = 0,0 * 10-6 s
t (Cursor2) = 23,0 * 10-6 s
t = 23,0 * 10-6 s =
daraus resultierende Frequenz
fmanuell = 43,4783 103 Hz
fOszi = 43,4038 103 Hz
(automatische M essung durch
Triggerfrequenz)
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Anstiegsdauer trise
Durch die manuelle M essung der 10
und 90 % Grenzen mittels Cursor:
t (Cursor1) = -1,12 * 10-6 s
-6
t (Cursor2) = 0,8 * 10 s
-6
t = 1,92 * 10 s = trise-manuell
automatische M essung:
diese schwankte immer zwischen
1,38 * 10-6 s und 1,51 * 10-6 s
Abfallzeit tfall
Durch die manuelle M essung der 90
und 10 % Grenzen mittels Cursor:
t (Cursor1) = 10,24 * 10-6 s
t (Cursor2) = 11,44 * 10-6 s
t = 1,2 * 10-6 s = tfall-manuell
automatische M essung:
1,13 * 10-6 s = trise-Oszi.
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2. Lissajous-Figuren
2.1. Aufgabenstellung
Stellen Sie mit Hilfe einer Lissajous-Figur am Funktionsgenerator eine Sinusspannung
mit der dreifachen Frequenz (fFG) der am Übungsboard vorhandenen
Drehstromversorgung (L1, fL1 50 Hz) ein. M essen Sie die eingestellte Frequenz im
yt-Betrieb.
2.2. Geräte, Messaufbau, Messschaltung
Aufbau, Geräte :
Digitalspeicheroszilloskop
Tek - Tektronix TDS
1002
hps - Elektronic Board
CH1
CH2
S chaltung, Einstellungen :
2.3. Vorgangsweise
Aufbau, grobes Voreinstellen der ca. 3-fachen Frequenz von L1 (Lissajous Figur
entsteht nur wenn fy / fx rational), wechseln in den xy-Betrieb, Lissajous-Figur
„auspendeln“, M essen der so entstandenen Frequenzen im yt-Betrieb.
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2.4. Messergebnisse
Frequenzen f FG , f L1 (im yt-Betrieb)
M eßung Oszilloskop :
fL1 = 50,76 Hz
fFG = 152,0 Hz
fL1 / fFG =
M eßung Cursor:
t für fFG :
t (Cursor1) = -1,400 ms
t (Cursor2) = 5,200 ms
t = 6,600 ms
fFG = 1 t =
= 1 / 6,600 10-3 s =
151,5 Hz
Bemerkung:
Cursormessung bestätigt
(trotz Abweichung)
obiges Messergebnis
Kontrolle mit Lissajous-Figur (M essung im xy-Betrieb)
stehendes Bild – OK
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2.4. Diskussion
Stehendes Bild ist mit dem Funktionsgenerator schwer Einzustellen, da die
Frequenzen nicht auf einem stabilen Wert bleiben. (Schwankende Frequenzen des
Funktionsgenerator)
Frequenzmessung mit Cursor (Zeitdifferenz) weicht, aufgrund Auflösung der
Cursorschrittweite, von der Oszilloskopinternen Triggerfrequenzmessung ab. In
dieser M essung gelten die Werte aus der Oszilloskopinternen M essung.
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3. Laden und Entladen eines Kondensators
3.1. Aufgabenstellung:
Nehmen Sie die Lade- und Entladekurve eines 0,47 10-6 F au fund berechnen Sie daruas den
Kapazitätswert.
3.2. Messaufbau:
Geräte:
Oszilloskop: Tektronix TDS1002 (Seriennummer : 310000006293 000)
hps Elektronic Board
Am CH1 des Oszilloskop wird die Spannung am Kondensator gemessen und durch einen
Shunt Widerstand, der in Serie zum Kondensator geschaltet wird, kann man den Strom durch
den Kondensator messen. Zu beachten ist, dass durch den Aufbau der Schaltung der CH2
invertiert werden muss. Dies kann man an der Taste CH2 M ENU am Oszilloskopen
einstellen. Wichtig ist auch, dass man die beiden M assen am Oszilloskopen mit
unterschiedlichen Potential belastet, da die M assen im Oszilloskop miteinander kurz
geschlossen sind. Am Kondensator wird mittels des Funktionsgenerators 5 V eingestellt und
eine Frequenz von 103 Hz.
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3.3. Messung:
Verlauf von U und I
Oben sieht man den Verlauf der Spannung am Kondensator. Die Hauptzeitbasis beträgt im
gesamten Diagramm 250 * 10-6 s. Der Skalenfaktor der Spannung am Kondensator beträgt 2
V. Der untere Verlauf skizziert die Spannung die am Shuntwiderstand abfällt. Diese
Spannung durch den Widerstand dividiert ergibt den Strom durch den Kondensator. Der
Skalenfaktor dieser Skizze beträgt 5 V.
3.4. Auswertung der e-Potenz:
Die Zeitkonstante ergibt sich durch die Zeit, nachdem der Kondensator schon zu 63 %
geladen ist. Da der Kondensator asymptotisch gegen 5 V geladen wird, befindet sich die 63 %
- Grenze bei 3,15 V. Laut M essung mittels des Cursors, die jedoch auf Grund der
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verschliffenen Kurve nicht ganz genau bestimmt werden konnte, beträgt die Zeitkonstante
-6
60 * 10 s.
= RC
Aus R = 100
( 3.1 )
lässt sich sofort C ausrechnen:
C = 0,6 * 10-6 F
Dies stimmt leider nicht wegen der M essungenauigkeit genau mit der Angabe am
Kondensator überein. Zur genaueren M essung werden 2 M esspunkte ausgerechnet bei ein und
zwei Drittel des Ladens gemacht, um durch die Formel
t2
ln
t1
U t1
U t2
U
U
( 3.2 )
eine genauere Ermittelung der Kapazität zu erreichen.
Folgende M esswerte wurden durch die Cursorfunktion am Oszilloskop ermittelt:
1,6 V = U ( 24 * 10-6 s )
3,2 V = U ( 70 * 10-6 s )
Durch die oben angegeben Formel (3.2) für kommt man auf das Ergebnis:
= 72,32 * 10-6 s
Damit kommt man durch die Formel 3.1 und dem Widerstand von R = 100
Kapazitätswert:
C = 0.7 * 10-6 F
auf den
Leider ist dieser Wert noch ungenauer als der vorherige Wert, was man eventuell auf
ungenaues M essen am Oszilloskop zurückführen kann.
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4. R, L und C im Wechselstromkreis
4.1. Aufgabenstellung:
M essen Sie Strom, Spannung und Phasenverschiebung für R = 680 , L = 40 mH und C = 0.1
-6
3
* 10 F bei einer Frequenz von 10 Hz , wobei anzumerken in dass die Induktivität im
Übungsbrett integriert ist. Zeichnen Sie nun Zeigerdiagramme von Strom, Spannung,
Impedanzen und Admittanzen und bestimmen Sie die Verlustfaktoren. Berechnen Sie
zusätzlich die Blindwiderstände Xl und Xc und daraus zur Kontrolle C und L.
4.2. Messaufbau:
Geräte:
Oszilloskop: Tektronix TDS1002 (Seriennummer : 310000006293 000)
hps Elektronic Board
Gleich wie bei der Aufgabenstellung der vorherigen Nummer wird ein Shuntwiderstand (100
) zum Strom messen in Serie des zu messenden Objekts geschaltet, dieser muss jedoch am
Oszilloskop invertiert werden. Das Sinusförmige Eingangssignal kommt vom
Funktionsgenerator, der zusätzlich auf 103 Hz eingestellt werden muss. Die Spannung wird
zwischen dem Ein- und Ausgang des M essobjekt auf 5 V eingestellt und der Strom wird
durch die Spannung am Shuntwiderstand gemessen. Nach jedem M essobjekt muss die
Spannung an diesem nachjustiert werden. Als DUT wird hier jeweils der Widerstand,
Kondensator oder die Spule verwendet. Zu beachten ist, dass die Spannung, die am
Shuntwiderstand abfällt und damit der Strommessung dient, am CH 2 invertiert werden muss.
4.3. Messung am Widerstand:
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CH1
Erde
CH2
R = 680
ÛR = 5 V (eingestellt)
Ûshunt = 0,75 V
ÎR = Ûshunt / R
ÎR = 7,5 10-3 A
= 0°
= 0°
4.4. Messung am Kondensator:
- 13 -
(4.1)
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CH1
Erde
CH2
C = 1 * 10-6 F
ÛC = 5 V (eingestellt)
Ûshunt = 3,28 V
ÎC = 32,8 10-3 A
tnulldurchgänge = 232 * 10-6 s
= tnulldurchgänge * 360° * f
Verlustfaktor
C
=
/2–
Y
(4.2)
(4.3)
= - 83.52°
= 6.48°
An dieser Skizze sieht man genau die Phasenverschiebung um fast - 90° (genaue M essung
erkennt man am nächsten Bild). M an erkennt, dass der Strom (Kurve mit der geringeren
Amplitude) der Spannung voreilt. Ein idealer Kondensator hätte eine Phasenverschiebung um
genau -90°; da doch ein Kondensator immer ohm’sche Verluste beinhaltet, ist die
Phasenverschiebung nicht ganz genau – 90°, sondern meist etwas weniger. Zusätzlich ist zu
beachten, dass die beiden M ittellinien, wie man oben bei der M essung sieht nicht ganz
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übereinander liegen. Damit müsste die Phasenverschiebung ungefähr bei –80° liegen. Bei
dem Zeigerdiagramm wird jedoch der Wert –83,52° verwendet.
4.5. Messung an der Spule:
Bemerkung: das Delta zwischen den beiden Cursor bezieht sich noch auf die M essung mit
dem Kondensator und nicht mit der M essung mit der Spule. Wie man hier an dieser
Aufnahme erkennt, eilt der Strom (Schwingung mit der geringeren Amplitude) der Spannung
nach.
L = 40 * 10-3 H
ÛL = 5 V (eingestellt)
Ûshunt = 1,92 V
ÎL = 19,2 10-3 A
tnulldurchgänge = 270 * 10-6 s
= 97,2°
Verlustfaktor
L
=
/2–
Z
(4.4)
= 3°
Einige der Ergebnisse wurden auf Grund der M esswerte mit Hilfe der Formeln 4.1, 4.2 und
4.4 berechnet. Bei der Berechnung des Verlustfaktors wurde wie unten weiter beschrieben der
Wert = 87° verwendet. Interessanterweise ist die Phasenverschiebung bei der M essung an
der Spule mehr als 90°, was auch ein Foto der M essung bestätigt. Dies hat
höchstwahrscheinlich einen M essfehl zu Grunde, da wie oben am Foto zu sehen, die
M ittellinien nicht exakt übereinander liegen. Für das Zeigerdiagramm wird eine
Phasenverschiebung von 87° verwendet, da eine Phasenverschiebung von mehr als 90° keinen
Sinn ergibt, da es keinen negativen Widerstand gibt.
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4.6. Zeigerdiagramme:
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5. RL- und RC- Kombinationen
5.1. Aufgabenstellung:
M essen Sie Strom, Spannung und Phasenverschiebung folgender Kombinationen:
Serienschaltung von R = 680 und L = 200 mH;
Parallelschaltung von R = 680 und C = 0,47 * 10-6 F
Zeichnen Sie maßstäbliche Zeigerdiagramme der Impedanz bzw. Admittanzen.
5.2. Messaufbau:
Geräte:
Oszilloskop: Tektronix TDS1002 (Seriennummer : 310000006293 000)
hps Elektronic Board
Als Shuntwiderstand zur Strommessung soll wieder ein ohm’scher Widerstand mit R = 100
dienen, dieser muss jedoch am CH2 des Oszilloskops invertiert werden. Als DUT wird
entweder die Parallelschaltung von R und C oder die Serienschaltung von R und L eingesetzt.
Als Spannung am M essobjekt soll 5 V sein und die Frequenz ist 103 Hz. Dies ist am
Funktionsgenerator einzustellen.
5.3. Messung der Serienschaltung:
ÛR+L = 5 V
Ûshunt = 0,36 V
ÎR+L = 3,6 * 10-3 A
(berechnet laut der Formel 4.1)
tnulldurchgänge = 196 * 10-6 s
= 70.56°
(berechnet laut der Formel 4.2)
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5.4. Messung der Parallelschaltung:
CH1
CH2
Erde
ÛR||C = 5 V
Ûshunt = 1,25 V
ÎR||C = 1,25 * 10-3 A
(berechnet laut der Formel 4.1)
tnulldurchgänge = 170 * 10-6 s
= - 61.2°
(berechnet laut der Formel 4.2)
Bei der induktiven Schaltung erhalten wir naturgemäß einen positiven Phasenwinkel, da in
diesem Fall die Spannung dem Strom voreilt. Anders geschieht dies bei der Kapazitiven
Schaltung, bei der die Spannung dem Strom nacheilt. Wichtig ist, dass man nach jeder
Schaltung die Spannung, die am DUT abfallen soll, auf 5 V nachjustiert.
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5.5. Zeigerdiagramme
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6. RLC - Kombination
6.1. Aufgabenstellung
M essen Sie wie unter Punkt 1.5.4 Strom, Spannung und Phasenwinkel der
Parallelschaltung von R = 680 , L = 40 mH und C = 1 µF und erstellen Sie das
maßstäbliche Zeigerdiagramm für die Admittanz aus den gemessenen Werten.
6.2. Geräte, Messaufbau, Messschaltung
Aufbau, Geräte :
Digitalspeicheroszilloskop
Tektronix TDS 1002
Tek
-
hps - Elektronic Board
(Aufbau analog Pkt. 4)
siehe Schaltung unten
S chaltung, Einstellungen :
CH 1
11111
M asse CH2
CH 2 muss invertiert sein !
Spannung am Fkt. Generator Upp = 10 V
RSHUNT = 100
f = 1 kHz
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6.3. Vorgangsweise
Aufbau; Einstellen von Upp ; Invertieren von CH 2; M essen
6.4. Messergebnisse
Amplitude, Phasenverschiebung
M eßung Oszilloskop :
CH1:
Upp = 10,0 V
f1 = 1,012 kHz
CH2:
(Upp RLC = 3,28 V)
I = 3,28 V /100
=32,8 mA
f2 = f1
t = 180 µ s (Cursormeßung)
6.5. Auswertung der Messergebnisse
Phasenverschiebung
t
1
(ermittelte Werte mit Cursormessung)
1
f1
360
Admittanz Y
Y
1
180
1
L
f
Cc
L
R
65,5776 ° (Cursor)
360
988.142
R
988,142 µs
1012
Cc
=2
=
f
Y =
1012;
1 10 6 ;
40 10 3 ;
680;
Y =
1
680
253
125000
25
2024
1
R
Cc
L
1
R
2fL
1
25
680
2024
2
f
Cc
253
125000
= 0.00147059 S = 1,47059 mS
= + 0.00635858
S = 6,35858
= - 0.00393169
S
- 23 -
- 3,93169
mS
mS
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Zeigerdiagramm
in
1
m
S/
di
v
1
L
C
lt. Zeigerdiagramm)
1
in 1 mS/div
R
6.6. Diskussion
Die gemessenen Werte für die Phasenverschiebung (Cursormessung) weichen von der
Berechneten Phasenverschiebung ab. Grund dafür müsste die Auflösung der
Cursorstufungen und M eßungenauigkeit sein.
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7. Ausmessen einer unbekannten Kombination
7.1. Aufgabenstellung
M essen Sie Strom, Spannung und Phasenwinkel einer unbekannten RL- oder RCKombination und finden Sie heraus, ob es sich bei der Kombination um eine Serienoder eine Parallelschaltung handelt.
7.2. Geräte, Messaufbau, Messschaltung
Aufbau, Geräte :
Digitalspeicheroszilloskop Tek - Tektronix
TDS 1002
hps - Elektronic Board
Digital-Multimeter
DUT (unbekannt – Nr.: 8) :
(Aufbau analog Pkt. 4)
siehe Schaltung unten
S chaltung, Einstellungen :
CH 1
11111
CH 2 muss invertiert sein !
Spannung am Fkt. Generator Upp = 10 V
RSHUNT = 100
f = 1 kHz
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M asse CH2
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7.3. Vorgangsweise
Aufbau; Einstellen von Upp ; Invertieren von CH 2; M essen
7.4. Messergebnisse
Amplitude, Phasenverschiebung
M eßung Oszilloskop :
CH1:
CH2:
Upp = 10,00 V
f1 = 1,01257 kHz
Up RLC = 2,12 V
I = 2,12 V / 100
21,2 mA
f2 = f1
t = 88 µ s
Spannung eilt Strom nach
Kapazitiv
M essung bei f = 5 kHz :
CH1:
CH2:
Upp = 10,0 V
f1 = 5 kHz
Up RLC = 2,52 V
I = 2,52 V / 100
25,2 mA
f2 = f1 = 5 kHz
t = 34 µ s
M essung am M ultimeter:
Zeit
Widerstand sinkt mit der
Kapazitiv
Phasenverschiebung
1
t
f
360
(ermittelte Werte mit Cursormessung)
1
1012.57
88
360
988.142
=
0.000987586 s = 987,586 µs
=
32.0602°
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P arallelschaltung
C = 9,122µF , R = 117,64
7.5. Diskussion
Kein Bild vom M ultimeter vorhanden.
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