Praktikum Grundlagen der Elektrotechnik 2 (GET2) Versuch 2

Werner-v.-Siemens-Labor für elektrische Antriebssysteme Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. H. Biechl Praktikum Grundlagen der Elektrotechnik 2 (GET2) Versuch ...
Author: Lilli Bruhn
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Werner-v.-Siemens-Labor für elektrische Antriebssysteme

Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. H. Biechl

Praktikum Grundlagen der Elektrotechnik 2 (GET2)

Versuch 2

Messungen mit dem Oszilloskop Lernziel: Dieser Praktikumsversuch dient dazu, Messungen mit dem Oszilloskop durchzuführen. Dabei sollen vor allem der Funktionsgenerator, das Oszilloskop sowie das elektrische Verhalten von Diode, Widerstand, Spule, Kondensator und ihre Kombination näher betrachtet werden.

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Versuche: Einstellen und Messen verschiedener Wechselspannungen Untersuchung und Messen der Einweggleichrichterschaltung Frequenzgänge einer RC- Schaltung sowie einer RL-Schaltung

Die mit Info gekennzeichneten Abschnitte beinhalten zusätzliche, über die Vorlesung hinausgehende Informationen.

Stückliste: Geräte:

Oszilloskop Fabr. Keysight mit Funktionsgenerator

Werkzeuge:

Lötkolben Werkzeugkiste „Löten“

Leitungen und Zubehör:

2x BNC / Stecker – Leitung 2 x „Hirschmann“- Klemmen rot 2 x „Hirschmann“- Klemmen schwarz 1x BNC / BNC Leitung 1 x BNC-T-Stück Lötbrett

Bauteile:

Widerstand 10kΩ; 1kΩ ; 100Ω Diode 1N4004 Kapazität 22nF Induktivität 1mH

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1. Versuchsvorbereitung Nacharbeiten des Vorlesungsstoffes Durcharbeiten der Praktikumsunterlagen

2. Versuche 2.1 Einstellen von Wechselspannungen

Oszilloskop

Funktionsgenerator

05)

BNC- Leitung

10)

Bild 2.1. Aufbau der Schaltung

2.1.1 Einstellungen am Funktionsgenerator Die verschiedenen Einstellmöglichkeiten am Funktionsgenerator sind in Abschnitt 3 enthalten.

2.1.2 Einstellungen am Oszilloskop 2.1.2.1

Triggerung: Die Triggerung ist bei SOURCE auf CH1 und bei MODE auf Auto einzustellen.

Die verschiedenen Einstellmöglichkeiten am Oszilloskop sind Abschnitt 3 zu entnehmen.

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2.1.3 Versuchsdurchführung Man stelle die folgenden Spannungsverläufe ein und gebe die jeweiligen Ablenkungskoeffizienten (K t für Zeitablenkung bzw. KY für Spannungsablenkung) an: Die Spannungsverläufe sind in Arbeitsblatt 01 einzutragen und die jeweiligen Ablenkungskoeffizienten anzugeben. Es sind immer zwei Perioden darzustellen.

U = 1,0V , f = 10kHz U SS = 1,5V , f = 20kHz U = 1,0V , T = 2ms

2.1.3.1

Sinusförmige Spannung,

2.1.3.2

Rechteckspannung,

2.1.3.3 2.1.3.4

Dreieckspannung, Man lasse sich von einem Kommilitonen eine Wechselspannung vorgeben und ermittle die Frequenz dieser Spannung.

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ARBEITSBLATT 01

Wechselspannungen einstellen

Sinus-Spannung Ablenkungskoeffizienten: Kt: _________

/ DIV

KY:__________VOLT / DIV

Rechteck-Spannung Ablenkungskoeffizienten: Kt: _________

/ DIV

KY:__________VOLT / DIV

Dreieck-Spannung Ablenkungskoeffizienten: Kt: _________

/ DIV

KY:__________VOLT / DIV

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2.2 Einweg-Gleichrichter-Schaltung Man baue mit Hilfe eines Lötbrettes die Einweg-Gleichrichter-Schaltung nach Bild 2.2 auf. Mit Kanal 1 wird die Eingangsspannung und mit Kanal 2 die Spannung über dem Lastwiderstand oszilloskopiert.

CH 1

Achten Sie unbedingt auf

1N4004 A G

CH 2

K

Oszilloskop

RLAST = 10kΩ

u1(t)

richtige Anschlüsse! [ GND niemals mit CH1

u2(t)

oder CH2 verbinden(*) ] GND

Funktionsgenerator

05)

10), 11)

Lötbrett

(* ,schwarzer Anschluß)

Bild 2.2. Einweg-Gleichrichter-Schaltung

Info: Kennzeichnung von Dioden: A K

Bei der im Praktikum verwendeten Diode wird die Kathode durch einen Farbring gekennzeichnet.

Kathodenseite

Info: Strom-Spannungsverhalten von Dioden (genauere Informationen in den Vorlesungen „Werkstoffkunde“ und „Elektronische Bauelemente“): Die Strom-/ Spannungskennlinie der Diode ist stark nichtlinear; sie wird näherungsweise durch folgende analytische Funktionen beschrieben

 UD  N ⋅UT

ID

ID = IS ⋅  e

  − 1 bzw.

I  U D = N ⋅U T ⋅ ln  D + 1  IS  ≈ 0,7V |Si

IS

: Sperrstrom ( Bauelementspezifisch)

k ⋅T UT = B e

: Temperaturspannung ≈ 26mV 300 K

T

: Bolzmannkonstante : 1,38 ⋅10−12 VAs K : absolute Temperatur des Bauteils

e

: Elementarladung 1, 602 ⋅ 10−19 As

N

: Emissionskoeffizient N Real = 1...2 ( Nideal = 1)

kB

UD

2.2.1 Versuchsdurchführung 2.2.1.1 2.2.1.2 2.2.1.3

Man oszilloskopiere für die Eingangsspannungen Sinus, Rechteck und Dreieck mit jeweils USS = 5V und f =1kHz die Verläufe u1(t) und u2(t). Worin liegen die prinzipiellen Unterschiede zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung? Was fällt bei U 2 (max. Spannung am Lastwiderstand) in Vergleich zu U 1 (max. Eingangsspannung) auf? Wodurch lässt sich dies erklären?

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ARBEITSBLATT 02

Einweg-Gleichrichter-Schaltung

Sinus-Spannung Ablenkungskoeffizienten: Kt: _________

/ DIV

KY:__________VOLT / DIV

Rechteck-Spannung Ablenkungskoeffizienten: Kt: _________

/ DIV

KY:__________VOLT / DIV

Dreieck-Spannung Ablenkungskoeffizienten: Kt: _________

/ DIV

KY:__________VOLT / DIV

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2.3 RC- Tiefpass Es ist die Schaltung nach bild 2.3, bestehend aus Widerstand und Kondensator, aufzubauen. Für die Eingangsspannung, die auf Kanal 1 gelegt wird, ist u1(t)=2,5V sin(2πƒ⋅ t) zu wählen. Die Ausgangsspannung u2(t) wird auf Kanal 2 geführt.

CH 1

R =1kΩ G

C= 22nF

u1(t)

Funktionsgenerator

CH 2

u2(t)

Oszilloskop

GND

Lötbrett

Bild 2.3. RC-Tiefpass

2.3.1 Amplituden- und Phasengang Der Amplituden- bzw. Phasengang des Spannungsverhältnisses des RC- Tiefpasses kann wie folgt berechnet werden: Amplitudengang Phasengang

vU ( f ) =

U2 = U1

1 1 + ( 2π f ⋅ R ⋅ C )

2

∆ϕ ( f ) = −arctan ( 2π f ⋅ R ⋅ C )

2.3.2 Versuchsvorbereitung 2.3.2.1 2.3.2.2

1 ein. 2π RC Berechnen Sie analytisch die Kurvenverläufe vU(f) und ∆ϕ(f) und tragen Sie diese in die Arbeitsblätter 04 / 05 ein. Tragen Sie in die Diagramme 04, 05 jeweils die Grenzfrequenz f g =

2.3.3 Versuchsdurchführung 2.3.3.1

Bestimmen Sie mit Hilfe des Oszilloskops für sinnvolle Frequenzen Werte für vU(f) und ∆ϕ(f). Verwenden Sie hierzu das Arbeitsblatt 03. Tragen Sie anschließend die Kurvenverläufe in die Arbeitsblätter 04 und 05 ein.

2.3.3.2

Sind Abweichungen von der errechneten Kurve vorhanden und wie können diese erklärt werden?

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ARBEITSBLATT 03

f [Hz]

U 1 [V]

Messwerttabelle RC- Tiefpass

U 2 [V]

vU(f)

δ in DIV

° / DIV

∆ϕ [°]

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ARBEITSBLATT 04:

RC- Tiefpass

Amplitudengang vU(f)

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ARBEITSBLATT 05:

RC- Tiefpass

Phasengang ∆ϕ(f)

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2.4 Versuch 4: RL- Hochpass Es ist die Schaltung nach Bild 2.4.1, bestehend aus Widerstand und Induktivität, aufzubauen. Für die Eingangsspannung, die auf Kanal 1 gelegt wird, ist u1(t)=2,5V sin(2πƒ⋅ t) zu wählen. Die Ausgangsspannung u2(t) wird auf Kanal 2 geführt.

CH 1

R =100Ω G

u1(t)

L= 1mH

CH 2

u2(t)

Oszilloskop

GND

Funktionsgenerator Lötbrett

Bild 2.4. RL-Hochpass

2.4.1 Amplituden- und Phasengang Der Amplituden- bzw. Phasengang des RL-Tiefpasses kann wie folgt berechnet werden: Amplitudengang

1

vU ( f ) = 1+

Phasengang

∆ϕ ( f ) = − arctan

( 2π Rf ⋅ L )

2

( 2π Rf ⋅ L )

2.4.2 Versuchsdurchführung 2.4.2.1 2.4.2.2

R ein. 2π ⋅ L Berechnen Sie analytisch die Kurvenverläufe vU(f) und ∆ϕ(f) und tragen Sie diese in die Arbeitsblätter 07 / 08 ein. Tragen Sie in die Diagramme 07, 08 jeweils die Grenzfrequenz f g =

2.4.3 Versuchsdurchführung 2.4.3.1

Bestimmen Sie mit Hilfe des Oszilloskops für sinnvolle Frequenzen Werte für vU(f) und ∆ϕ(f). Verwenden Sie hierzu das Arbeitsblatt 06. Tragen Sie anschließend die Kurvenverläufe in die Arbeitsblätter 07 und 08 ein.

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ARBEITSBLATT 06

f [Hz]

U 1 [V]

Messwerttabelle RL- Hochpass

U 2 [V]

vU(f)

δ in DIV

° / DIV

∆ϕ [°]

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ARBEITSBLATT 07: RL- Hochpass Amplitudengang vU(f) des Spannungsverhältnisses

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ARBEITSBLATT 08: RL- Hochpass

Phasengang ∆ϕ(f) des Spannungsverhältnisses

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3. Anhang Die Bedienungsanleitung finden Sie als PDF-Datei im Netz!

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