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Elektronik Labormappe Markus Gögele – 4AEL – TFO Meran – 2014/2015

Markus Gögele

4AEL – TFO Meran – 2014/2015

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Inhaltsverzeichnis Nr.

Name

Seite

LU1 Phasenverschiebung RLC

2

LU2 Phasenverschiebung RLC 2

6

LU3 Diodenkennlinie

10

LU4 Diodenkennlinie – Zenerdiode

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LaborĂźbung 01 – Phasenverschiebung RLC Aufgabenstellung: Das in dieser LaborĂźbung behandelte Thema ist die Phasenverschiebung am Widerstand, Spule und Kondensator. FĂźr die unten angegebenen Bauteile soll bei verschiedenen Frequenzen jeweils die Stromstärke i(t) und die Spannung u(t) gemessen werden. FĂźr die Strommessung wird ein Shunt Widerstand (in unserem Fall ein Potentiometer) RS = 1Ί verwendet.

Schaltung:

Werte: • đ?‘…đ?‘… = 270Ί • đ??śđ??ś = 100đ?œ‡đ?œ‡đ?œ‡đ?œ‡ • đ??żđ??ż = 27đ?‘šđ?‘šđ?‘šđ?‘š

DurchfĂźhrung: CH1: Spannung - gelb CH2: Strom - blau

Abbildung 1: Schaltung zum Messen der Spannung und des Stromes mit dem Oszilloskop

1) Widerstand Phasenverschiebung: 0°

Abbildung 2: Strom und Spannung bei einem Widerstand

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2) Kondensator: Phasenverschiebung: -90°

Abbildung 3: Strom und Spannung bei einem Kondensator

2) Spule: Phasenverschiebung: +90°

Abbildung 4: Strom und Spannung bei einer Spule

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3) Impedanz (Kondensator + Widerstand Phasenverschiebung: -90° < ϕ < 0°

Abbildung 5: Strom und Spannung bei einer Impedanz aus Kondensator und Widerstand

4) Impedanz (Spule + Widerstand) Phasenverschiebung: 0° < ϕ < 90°

Abbildung 6: Strom und Spannung bei einer Impedanz aus Spule und Widerstand

Fazit: Die Spannung über RCL kann man mit dieser Schaltung nicht genau messen, da der Frequenzgenerator nicht genügend Strom für die kleine Last liefert. Die abfallende Spannung über dem Shuntwiderstand führt ebenfalls zu ein verfälschtes Ergebnis, da diese mitgemessen wird. Es gibt zwei Möglichkeiten, dem realen Wert näher zu kommen.

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1.

Frequenz erhöhen (Spule) / vermindern (Kondensator), damit XL/XC größer wird und der Shuntwiderstand weniger ins Gewicht fällt. 2. Subtraktion der Spannung über dem Shuntwiderstand (CH2 - blau) von der Gesamtspannung (CH1 - gelb) mit Hilfe der Math Funktion (rot).

Abbildung 7: Math-Funktion an der Messung einer Spule

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Laborübung 02 – Phasenverschiebung RLC 2 Aufgabenstellung: In dieser Laborübung wird das Thema Phasenverschiebung behandelt.

Dabei soll eine Serienschaltung von Spule L, Kondensator C und Widerstand aufgebaut werden. Im ersten Teil der Laborübung werden Strom bzw. Spannung über verschiedene Messungen ermittelt.

Im zweiten Teil der Laborübung wird die jeweils zugehörige Phasenlage rechnerisch und graphisch ermittelt. Im dritten Teil der Laborübung soll die Schaltung mit Hilfe des Programms LTSPICE simuliert werden Teil 1 •

Zeichne den Schaltplan einer Serienschaltung von L – C – R auf die Formular-Vorlage und trage die

Messpunkte sowie die bei den Messpunkten verwendeten Messgeräte ein •

Zeichne die nach deinen theoretischen Kenntnissen zu erwartenden Zeigerdiagramme

•

Baue die Schaltung auf, wobei U = 10 V und R = 100 Ω ist

•

Miss UReff sowie die Phase zwischen U und Ur mit dem Oszilloskop

•

Berechne IR bzw. I

•

UL und UC muss mit Hilfe des Multimeters gemessen werden (überlege warum und gib deine Überlegung im Bericht an!)

Teil 2 •

Laut Maschenregel gilt U = UL + UC + UR

•

Zeichne das Zeigerdiagramm mit den Werten für U, I, UL, UC, UR

•

Bestimme jeweils die zugehörige Phasenlage, angenommen U habe die Phase 0°

Teil 3 •

Simuliere die Schaltung mit LTSPICE und stelle in einem Liniendiagramm die Größen U, I, UR, UC und UL dar

•

Vergleiche die Liniendiagramme mit den in Teil 2 ermittelten Zeigerdiagrammen

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MP3

L = 27 mH MP2 f=50Hz Ă›=3V

C = 100 ÂľF MP1

L = 120 Ohm MP1-3 Abbildung 8: Aufbauschaltung mit Messpunkten

ďż˝ = 3đ?‘‰đ?‘‰ und eine Frequenz von 50Hz gewählt Wir haben fĂźr diesen Versuch eine Spitzenspannung von đ?‘ˆđ?‘ˆ da das Netzteil keine 10V liefern konnten und da sonst die Spannung zu viel Eingebrochen währe. ďż˝ = đ?‘ˆđ?‘ˆ ∗ √2 ⇒ đ?‘ˆđ?‘ˆ = đ?‘ˆđ?‘ˆ

ďż˝ đ?‘ˆđ?‘ˆ

√2

= 2.121��

Wir haben die Effektivspannung Ăźber den Widerstand gemessen. đ?‘ˆđ?‘ˆđ?‘…đ?‘… đ?‘’đ?‘’đ?‘’đ?‘’đ?‘’đ?‘’ = 0.35đ?‘‰đ?‘‰

Wir haben auch die Phasenverschiebung zwischen đ?‘ˆđ?‘ˆ und đ?‘ˆđ?‘ˆđ?‘…đ?‘… gemessen, dazu haben wir beide Spannungen mit dem Oszilloskop gemessen und stark hinein gezoomt sodass wir mit den Cursors genau messen konnten.

Abbildung 9: Messung der Zeitdifferenz zwischen den beiden Phasen

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Wir haben einen Zeit gemessen wollen jedoch den Winkel wissen deshalb haben wir wie folgt gerechnet. Gemessen: �� = 4.42���� �� =

⇒φ=

1 1 = = 0.02đ?‘ đ?‘ đ?‘“đ?‘“ 50đ??ťđ??ťđ??ťđ??ť

đ?‘Ľđ?‘Ľ 360° = 0.02đ?‘ đ?‘ 4.42đ?‘šđ?‘šđ?‘šđ?‘š

360° ∗ 4.42 ∗ 10−3 đ?‘ đ?‘ = 79.92° 0.02đ?‘ đ?‘

Also hat die Spannung Ăźber den Wiederstand ist also Voreilend und somit ergibt es Eine Effektivspannung von. đ?‘ˆđ?‘ˆđ?‘…đ?‘… đ?‘’đ?‘’đ?‘’đ?‘’đ?‘’đ?‘’ = 0.35V ∠79.92° ��������

Nun kĂśnnen wir Ăźber das Ohm’sche Gesetz den Gesamtstromausrechnen. đ??źđ??źĚ˛ =

đ?‘ˆđ?‘ˆđ?‘…đ?‘… đ?‘’đ?‘’đ?‘’đ?‘’đ?‘’đ?‘’ 0.35V ∠79.92° �������� = = 0.0029đ??´đ??´ ∠79.92° đ?‘…đ?‘… ďż˝ 120Ί ∠0°

Dann haben wir die Werte đ?‘ˆđ?‘ˆđ??żđ??ż und đ?‘ˆđ?‘ˆđ??śđ??ś mit dem Multimeter gemessen. đ?‘ˆđ?‘ˆ ���đ??żđ??ż = 0.031V ∠169.92°

đ?‘ˆđ?‘ˆ đ??śđ??ś = 2.118đ?‘‰đ?‘‰ ∠− 10.08° ����

Nun kĂśnnen wir ĂœberprĂźfen ob wir Richtig gerechnet haben und so Rechnen wir alle Spannungen zusammen und schauen ob wir auf die Gesamtspannung kommen. đ?‘ˆđ?‘ˆđ?‘…đ?‘… đ?‘ˆđ?‘ˆ ďż˝ = đ?‘ˆđ?‘ˆ ���đ??żđ??ż + đ?‘ˆđ?‘ˆ đ??śđ??ś + ���� ����

đ?‘ˆđ?‘ˆ ďż˝ = 0.031đ?‘‰đ?‘‰ ∠169.92° + 2.118đ?‘‰đ?‘‰ ∠− 10.08° + 0.35đ?‘‰đ?‘‰ ∠79.92° = 2.116đ?‘‰đ?‘‰ ∠− 0.03° ≈ 2.121đ?‘‰đ?‘‰ ∠0°

Abbildung 10: Zeigerdiagramm [1=1V; 1=10mA]

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Zur Kontrolle überprüfen wir die die Schaltung noch einmal in LTSpice. Auf dem folgendem Screenshot kann man die Phasenverschiebungen gut erkennen.

Abbildung 11: Simulation der Schaltung in LTSpice

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LaborĂźbung 03 – Diodenkennlinie In dieser LaborĂźbung wird das Thema Diode behandelt. Dabei soll die Kennlinie der Diode messtechnisch auf verschiedene Weisen ermittelt und dargestellt werden. Die erste Messschaltung ist im Lehrbuch „Bauelemente und Grundschaltungen, S 36, Abb. 1.23 a“ dargestellt, die zweite Messschaltung ist im Lehrbuch „Bauelemente und Grundschaltungen, S 36, Abb. 1.24“ zu finden. Im Lehrbuch „Grundlagen der Elektrotechnik 2“ wird das Thema von Seite 196 bis Seite 213 behandelt. Die Messschaltungen sind auf Seite 201 abgebildet FĂźhre alle Schritte gemäĂ&#x; dem Formular „TFO_LABOR_ChecklisteELE“ aus! •

Zeichne den 1. Schaltplan auf die Formular-Vorlage und trage die Messpunkte ein

•

Zeichne die nach deinen theoretischen Kenntnissen zu erwartenden Kennlinien

•

Berechne sämtliche relevanten Werte der Schaltung

•

Bestimme die Kennlinie einer Diode in Durchlassrichtung

•

Trage die Messpunkte in eine Excel Tabelle ein und stelle sie dann grafisch dar

•

Berechne den Diodenstrom đ??źđ??źđ??šđ??š mit folgender Formel: đ??źđ??źđ??šđ??š = đ??źđ??ź0 ∗ đ?‘’đ?‘’ đ?‘›đ?‘›âˆ—đ?‘ˆđ?‘ˆđ?‘‡đ?‘‡

đ?‘ˆđ?‘ˆđ??šđ??š

Benutze dafĂźr die Mathematikfunktion von Excel. FĂźr đ??źđ??ź0 soll der Wert 1nA angenommen

werden. đ?‘ˆđ?‘ˆđ?‘‡đ?‘‡ ist eine temperaturabhängige KorrekturgrĂśĂ&#x;e, fĂźr welche wir den Wert đ?‘ˆđ?‘ˆđ?‘‡đ?‘‡ = •

25 ���� annehmen. �� ist eine Korrekturzahl, welche zwischen 1 und 2 liegt.

Baue dann die zweite Schaltung „Abb. 1.24“ auf und stelle die Diodenkennlinie am Oszilloskop dar. Das Oszilloskop muss dafĂźr im XY-Mode betrieben werden!

•

Speichere diese Kennlinie auf einem Datenträger und fßge sie in das Protokoll ein

•

Beurteile alle Ergebnisse

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Rv=2*100k A +

10V

V

-

P=10k

Abbildung 12: Schaltplan zur genauen Messung der Spannung und des Stromes einer Diode

R2=1k

U=2-20V f=50Hz

X-Abl.

Y-Abl. R3=100

R1=2.2k

Abbildung 13: Schaltplan zur Messung einer Diode fĂźr den XY-Modus eines Oszilloskops

Abbildung 14: Theoretische Kennlinie einer Diode in Durchlassrichung

Als erstes haben wir uns den BenĂśtigten Widerstand đ?‘…đ?‘…đ?‘‰đ?‘‰ in der ersten Schaltung errechnet. Deshalb haben wir im Datenblatt der Diode nachgeschaut wie groĂ&#x; die hĂśchste Spannung betragen darf 11

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đ??źđ??źđ??ˇđ??ˇ đ?‘€đ?‘€đ?‘€đ?‘€đ?‘€đ?‘€ = 1đ??´đ??´

đ??źđ??źđ??ˇđ??ˇ =

���� =

đ?‘ˆđ?‘ˆđ?‘…đ?‘… đ?‘ˆđ?‘ˆđ?‘…đ?‘… ⇒ RV = đ?‘…đ?‘…đ?‘‰đ?‘‰ đ??źđ??źđ??ˇđ??ˇ

đ?‘ˆđ?‘ˆ − đ?‘ˆđ?‘ˆđ??ˇđ??ˇ 9,3đ?‘‰đ?‘‰ = = 9,3Ί đ??źđ??źđ??ˇđ??ˇ 1đ??´đ??´ ⇒ đ?‘…đ?‘…đ?‘‰đ?‘‰ > 9,3Ί

Jedoch mĂźssen wir noch ĂźberprĂźfen ob der Wiederstand die dabei erzeugte Leistung aushält. đ?‘ƒđ?‘ƒ = đ?‘ˆđ?‘ˆ ∗ đ??źđ??ź = 9,3đ?‘‰đ?‘‰ ∗ 1đ??´đ??´ = 9,3đ?‘Šđ?‘Š â‡? đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘? â„Žđ?‘œđ?‘œđ?‘œđ?‘œâ„Žâ€ź đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ â„ŽĂśđ?‘?đ?‘?â„Žđ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ 0,25đ?‘Šđ?‘Š

Also mĂźssen wir die Rechnung umgekehrt machen sodass wir eine HĂśchstleistung von 0,25W erzeugen. Da der Spannungsabfall immer gleich bleibt kĂśnnen wir nur den Strom ausrechnen. đ?‘ƒđ?‘ƒ = đ?‘ˆđ?‘ˆ ∗ đ??źđ??ź ⇒ đ??źđ??ź =

đ?‘ƒđ?‘ƒ 0,25đ?‘Šđ?‘Š = = 0,0269đ??´đ??´ đ?‘ˆđ?‘ˆ 9,3đ?‘‰đ?‘‰

Jetzt rechnen wir noch den kleinstmĂśglichsten Widerstand aus. đ?‘…đ?‘… =

đ?‘ˆđ?‘ˆ 9,3đ?‘‰đ?‘‰ = = 345,72Ί đ??źđ??ź 0,0269đ??´đ??´ ⇒ đ?‘…đ?‘…đ?‘‰đ?‘‰ > 345,72Ί

Wenn wir nun den nächstgrĂśĂ&#x;ten Widerstand wählen, in unserem Fall den Widerstand mit 470â„Ś kommen wir auf einen Maximalstrom von ca. 0,02A. đ??źđ??ź =

đ?‘ˆđ?‘ˆ 9,3đ?‘‰đ?‘‰ = = 0,0198A đ?‘…đ?‘… 470Ί

Wir wollen aber einen grĂśĂ&#x;eren Strom deshalb teilen wir die Leistung auf 2 in Serie geschaltete Widerstände auf. đ??źđ??ź =

đ?‘…đ?‘… =

đ?‘ƒđ?‘ƒ 0,25đ?‘Šđ?‘Š = = 0,05376đ??´đ??´ đ?‘ˆđ?‘ˆ 4,65đ?‘‰đ?‘‰

đ?‘ˆđ?‘ˆ 4,65đ?‘‰đ?‘‰ = = 86,496Ί đ??źđ??ź 0,05376đ??´đ??´ ⇒ đ?‘…đ?‘…đ?‘‰đ?‘‰ > 86,496Ί

Wir wählen also den nächstgrĂśĂ&#x;ten Widerstand in diesem Falle 2 ∗ 100Ί und berechnen den Strom der durch diese Widerstände flieĂ&#x;t. đ??źđ??ź =

đ?‘ˆđ?‘ˆ 4,65đ?‘‰đ?‘‰ = = 0,0465đ??´đ??´ đ?‘…đ?‘… 100Ί

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Dann haben wir die Messung gemacht und in eine Excel-Tabelle eingetragen und danach haben wir ein Diagramm erstellt und geschaut ob die Kennlinie mit der theoretischen Kennlinie übereinstimmt. U[V]

I[mA] 0,757 0,7 0,65 0,6 0,55 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0

42 10,75 3,15 1,25 0,37 0,1 0,03 0,01 0,0025 0,0007 0,0002 0 0 0 0 0

IF[mA] 0,58473345 0,12788816 0,03371095 0,00888611 0,00234235 0,00061744 0,00016275 4,2902E-05 1,1309E-05 2,981E-06 7,8577E-07 2,0713E-07 5,4598E-08 1,4392E-08 3,7937E-09 1E-09

Kennlinie

50 40 30 20 10 0

-10 0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

Abbildung 15: Gemessene Kennlinie

Hinterher haben wir die 2. Schaltung aufgebaut und die Kennlinie mit dem Oszilloskop im XY-Mode gemessen.

Abbildung 16: Messung der Kennlinie am Oszilloskop im XY-Mode

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Laborßbung 04 – Diodenkennlinie Zenerdiode

Abbildung 17: Schaltplan zur genauen Messung der Spannung und des Stromes einer Zenerdiode in Sperrrichtung

Als erstes haben wir uns den BenĂśtigten Widerstand đ?‘…đ?‘…đ?‘‰đ?‘‰ in der ersten Schaltung errechnet. Deshalb haben wir im Datenblatt der Diode nachgeschaut wie groĂ&#x; der Strom bei der HĂśchstspannung betragen darf. đ??źđ??źđ??šđ??š đ?‘€đ?‘€đ?‘€đ?‘€đ?‘€đ?‘€ = 0,2đ??´đ??´

đ?‘ˆđ?‘ˆđ?‘…đ?‘… đ?‘ˆđ?‘ˆđ?‘…đ?‘… ⇒ RV = đ?‘…đ?‘…đ?‘‰đ?‘‰ đ??źđ??źđ??šđ??š

đ??źđ??źđ??šđ??š =

���� =

đ?‘ˆđ?‘ˆ − đ?‘ˆđ?‘ˆđ??šđ??š 1,8đ?‘‰đ?‘‰ = = 9Ί đ??źđ??źđ??šđ??š 0,2đ??´đ??´ ⇒ đ?‘…đ?‘…đ?‘‰đ?‘‰ > 9Ί

Jedoch mĂźssen wir noch ĂźberprĂźfen ob der Wiederstand die dabei erzeugte Leistung aushält. đ?‘ƒđ?‘ƒ = đ?‘ˆđ?‘ˆ ∗ đ??źđ??ź = 1,8đ?‘‰đ?‘‰ ∗ 0,2đ??´đ??´ = 0,36đ?‘Šđ?‘Š â‡? đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘? â„Žđ?‘œđ?‘œđ?‘œđ?‘œâ„Žâ€ź đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ â„ŽĂśđ?‘?đ?‘?â„Žđ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ 0,25đ?‘Šđ?‘Š

Also nehmen wir einen 10V Leistungswiederstand um auf die 200đ?‘šđ?‘šđ?‘šđ?‘š zu kommen.

Als nächstes haben wir das gleiche fĂźr die Sperrrichtung aus. đ??źđ??źđ?‘…đ?‘… đ?‘€đ?‘€đ?‘€đ?‘€đ?‘€đ?‘€ = 0,035đ??´đ??´

���� = Nun rechnen wir noch die Leistung aus.

2,8đ?‘‰đ?‘‰ = 80Ί 0,035đ??´đ??´

⇒ đ?‘…đ?‘…đ?‘‰đ?‘‰ > 80Ί

đ?‘ƒđ?‘ƒ = đ?‘ˆđ?‘ˆ ∗ đ??źđ??ź = 2,8đ?‘‰đ?‘‰ ∗ 0,035đ??´đ??´ = 0,098đ?‘Šđ?‘Š

Dann haben wir die Messung gemacht und in eine Excel-Tabelle eingetragen und danach haben wir ein Diagramm erstellt und geschaut ob die Kennlinie unseren Erwartungen entsprach.

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Kennlinie Durchlass- und Sperrichtung 250 200 150 100 50 -8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 -50

0

1

2

Kennlinie Durchlassrichtung 250 200 150 100 50 0

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

Kennlinie Sperrichtung 10 -8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0 -10 -20 -30 -40

15

0

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