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Studienleistung
Elektrotechnik

Universität, Schule

Hamburger Fern-Hochschule - HFH

Note, Lehrer, Jahr

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Gorm W. ©
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sternsternsternsternstern
ID# 27703







Hamburger Fern-Hochschule, Studienzentrum München

Ausarbeitung zum Labor

Elektrotechnik

1                 Inhaltsverzeichnis. 2
2                 Einführung. 5
3                 Messungen mit dem Oszilloskop im Grundstromkreis. 6

3.1             Messungen mit dem Tastkopf. 6
3.2             Darstellung sinusförmiger Größen. 7
3.3             Messung verschiedener Spannungen einer Gleichrichterschaltung. 8

3.3.1   Ausgangsspannung ua(t):9
3.3.2   Kondensatorstrom iC(t):10
3.3.3   Diodenspannung uD(t):11

4       Kennlinien einer Diode und eines Transistors. 12

4.1             Aufnahme der Strom-Spannungs-Kennlinie einer Diode. 12
4.1.1         Statischer Diodenwiderstand RD bei Diodenstrom i = 10 mA13
4.1.2         Dynamischer Diodenwiderstand rD bei Diodenstrom i = 10 mA13

4.2             Aufnahme der Strom-Spannungs-Kennlinie einer Z-Diode. 13
4.3             Aufnahme der Ausgangskennlinie eines NPN-Transistors. 13

5       Grundschaltungen des Operationsverstärkers (OPV). 17

5.1             Übertragungskennlinie eines OPV in nicht invertierender Schaltung. 17
5.2             Übertragungskennlinie eines OPV in invertierender Schaltung. 18
5.3             Frequenzgang und Grenzfrequenz eines OPV in invertierender Schaltung. 19

6       Anhang. 22

6.1             Protokoll Versuch 2: „Oszilloskop im Grundstromkreis“. 22
6.2             Protokoll Versuch 10: „Kennlinien einer Diode und eines Transistors“. 26
6.3             Protokoll Versuch 12: „Grundschaltungen des OPV“. 30

1              Einführung

Ich verzichte in dieser Ausarbeitung bewusst auf die Erläuterung der Funktionalität sowie technischen Parameter der verwendeten Gerätschaften. Denn diese sind in der vorab übersandten Laboranleitung von Hr. Dr. Fußeder und den zur Verfügung gestellten Datenblättern (auf der CD des Studienbrief 1) bereits ausreichend beschrieben.


Folgende Gerätschaften wurden im Labor verwandt:

·      Oszilloskop HAMEG HM 305

·      Funktionsgenerator HAMEG HM 8030-5

·      Dreifachnetzgerät HAMEG HM 8040-2

·      Multimeter Voltcraft M3650-B


Erläuterungen und Grundlagen zu den einzelnen Versuchen sind dort ebenso zu finden und sollen aus diesem Grund in dieser Ausarbeitung nicht wiederholt werden – lediglich bei Bedarf zitiert bzw. darauf verwiesen werden. In den folgenden Kapiteln wird nun die Ausführung und Interpretation der einzelnen Versuche dargestellt.


2              Messungen mit dem Oszilloskop im Grundstromkreis

Bei den nachfolgenden Versuchen sind jeweils Werte zu bestimmen bzw. zu errechnen, die als Grundlage die jeweils zugehörigen Oszi-Bilder haben. Dies erfolgt in dieser Ausarbeitung direkt über die Abbildungen - z.T. fehlen daher die Werte im Protokoll bzw. sind abweichend (genauer).

3.1    Messungen mit dem Tastkopf

Dieser Versuch wurde zu Beginn des Labors von Herrn Dr. Fußeder für die gesamte Laborgruppe durchgeführt, auf eine einzelne Durchführung der Gruppen wurde verzichtet.  Aus diesem Grund soll der Versuch hier nochmals kurz erläutert werden (vgl. Laboran.....[Volltext lesen]

Download Ausar­bei­tung zum ELT-Labor der HFH - Messungen mit dem Oszil­lo­skop im Grund­strom­kreis - Kenn­li­nien einer Diode und eines Tran­sis­tors
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(vgl. Abb. 2.7 Laboranleitung Dr. Fußeder)

3.2    Darstellung sinusförmiger Größen

Für diesen Versuch wurde aus dem Signalgenerator eine sinusförmige Spannung von 10 V mit einer Frequenz von 49,98 Hz auf den CH1 des Oszilloskop gelegt. Es ergibt sich folgendes Oszi-Bild:


Abbildung 3: Sinusförmiger Spannungsverlauf

Mit den Reglern „Y-Pos“ und „X-Pos“ wurde das Standbild nun noch zum optimalen „Ablesen entsprechend verschoben. Es ergeben sich folgende Werte fürs Protokoll (aus Oszi-Bild abgelesen):



Aus Oszilloskopbild ermittelte Werte

Scheitelwert der Spannung [V]

10

Periodendauer [ms]

20

Tabelle 1: Darstellung sinusförmiger Größen (Protokoll Tabelle P 2.2)

Das sogenannte Triggerlevel legt die Spannung (UTr) fest, bei welcher die Bilderstellung auf dem Oszilloskop ausgelöst wird. Verändert man diese Spannung (Regler „Level“), so erfolgt eine vorzeigte oder verspätete Auslösung im Vergleich zu der vorher gewählten Spannung. Diese Veränderung erzeugt aufgrund des periodischen Verlaufs der Spannung in der Darstellung eine Verschiebung nach rechts oder links.

Damit erfolgt „effektiv“ auch durch die Variation der Triggerspannung UTr eine Verschiebung des Bilde.....

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Aus diesem Grund wurden in Folge die gesuchten Größen einzeln ans Oszilloskop angelegt und gemessen. Die Auswertung dieser Oszi-Bilder erfolgt in den Punkten 3.3.1 bis 3.3.3 nachfolgend.

Zusammengefasst - jeweils abgelesen aus den Oszi-Bildern - wurden folgende Messergebnisse erzielt (Die Ergebnisse weichen z.T. von den im Protokoll notierten Werten ab, da über die Bildauswertung dieser Ausarbeitung eine genauere Ablesung möglich war):


ûD [V]

ûDmin [V]

ûa [V]

ûamin [V]

îC [A]

îCmin [A]

Positive Amplitude

5,5

0,7*

---

4,4

---

0,024

---

Negative Amplitude

---

-7

---

-2,8

---

-0,013

      * Siehe Kommentierung der Messwerte unter Punkt 5.3.3

Tabelle 2: Messergebnisse an einer Gleichrichterschaltung (Protokoll Tabelle P 2.3)

Die Tabelle wurde im Vergleich zur Aufgabenstellung in der Laboranleitung jeweils auf die Größen der positiven und negativen Amplitude erweitert, da auf Grund der asymmetrischen Graphenverläufe  erst beide Scheitelwerte des Periodenverlaufes eine vollständige Aussage ermöglichen.


3.3.1  Ausgangsspannung ua(t):

Abbildung 5: Ausgangsspannung ua(t) der Gleichrichterschaltung

Die Abbildung 5 zeigt den zeitlichenSpannungsverlauf am Lastwiderstand RL. Zunächst erfolgt in Durchlassrichtung der Diode ein normaler, sinusförmiger Verlauf am Lastwiderstand RL und der Kondensator C1 wird aufgeladen. Sobald die  die Quellspannung unter die Spannung am Kondensator abfällt (Uq < UC1) befindet sich die Diode im Sperrzustand und findet kein Stromfluss mehr statt; nun übernimmt der Kondensator C1 die Spannungsversorgung des Verbrauchers RL und entlä.....

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Aus dem Stromfluss durch den Kondensator ist ersichtlich, dass in Durchlassrichtung der Diode dieser zunächst lädt, bevor er in Sperrrichtung der Diode entlädt. Weiterhin ist festzustellen, dass dieser Ent-/ Ladevorgang des Kondensators nicht „linear“, d.h. in Phasenverschiebung, erfolgt. 

In unserem Versuch hat die positive Amplitude eine Spannung von ca. 0,24 V (maximaler Stromdurchfluss), die Negative von ca. -0,13 V (minimaler Stromdurchfluss). Bei dem eingesetzten Messwiderstand Rm = 10 Ω ergeben sich daher folgende Werte (vgl. Tabelle 2):

·      îC+ = UR+ / Rm = 0,24 V / 10 Ω = 0,024 A = 24 mA (Maximalwert, positive Amplitude)

·      îC- = UR- / Rm = -0,13 V / 10 Ω = -0,013 A = -13 mA (Minimalwert, negative Amplitude)

·      Periodendauer = 10 * 2 ms = 20 ms


3.3.3  Diodenspannung uD(t):

ûD- ~ -7 V


ûD+ ~ 5,5 V

Abbildung 7: Diodenspannung uD(t) der Gleichrichterschaltung

Die Diodenspannung uD(t) kann in der aufgebauten Schaltung nicht direkt abgenommen werden (außer mit dem Multimeter ohne zeitliche Verlaufsdarstellung). Über den Maschensatz gilt aber folgende Gleichung in der Schaltung: uq(t)- uD(t)- ua(t) = 0, umgestellt erhält man: uD(t)= uq(t)- ua(t). Über diesen „Umweg“ kann nun auch die Diodenspannung uD(t) am Oszilloskop dargestellt werden: Man legt auf einen Kanal die Quellspannung uq(t), auf den anderen Kanal die invertierte (Knopf „INV“) Ausgangsspannung ua(t) und stellt beide Kanäle addiert dar (Knopf „ADD“).

Die Abbildung 7 zeigt den zeitlichen Spannungsverlauf an der Diode uD(t). Zu erkennen ist, dass die negative Halbwelle der Quellspannung uq(t) an der Diode anliegt, da die Diode hier sperrt. Die positive Halbwelle der Quellspannung uq(t) ist auf Grund der Durchlassrichtung der Diode keine Halbwelle sonde.....

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Unter Betrachtung des Aufbaus der Messung „nur“ über die äußere Masche (vgl. oben) liegt somit die Vermutung nahe, dass die genannte „Restspannung“ von 4,8 V am (sich ladenden) Kondensator abfällt.

Analog ergibt die Addition des Spannungsabfalls der negativen Amplitude an der Diode ûD- von -7 V mit der unter Punkt 3.3.1 gemessenen Ausgangsspannung der negativen Amplitude ûa- von -2,8 V wiederum in etwa die negative Amplitude der Quellspannung ûq- von 10 V.

3              Kennlinien einer Diode und eines Transistors

Bei den nachfolgenden Versuchen sind jeweils Werte zu bestimmen bzw. zu errechnen, die als Grundlage die jeweils zugehörigen Oszi-Bilder haben. Dies erfolgt in dieser Ausarbeitung direkt über die Abbildungen - z.T. fehlen daher die Werte im Protokoll bzw. sind abweichend (genauer).

4.1    Aufnahme der Strom-Spannungs-Kennlinie einer Diode

Zur Durchführung des Versuches  wurde nachfolgende Schaltung aufgebaut:

Abbildung 8: Kennlinienaufnahme der Diode und der Z-Diode (vgl. Abb. 10.6, Studienbrief 9)

Das Oszilloskop wird in den XY-Betrieb geschaltet, auf den CHANNEL 1 (Y-Achse) die Widerstands-spannung uR und auf den CHANNEL 2 (X-Achse) die Diodenspannung uD angelegt (Die Quellspannung U~ von 12 V wurde zunächst eingemessen und dann direkt ans Ex.....

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Als Arbeitspunkt ergibt sich dadurch eine Spannung Uy = 100 Ω * 0,01 A = 1 V, was bei der gewählten Oszi-Einstellung wiederum genau 1 Div. der Y-Achse beträgt.

4.1.1  Statischer Diodenwiderstand RD bei Diodenstrom i = 10 mA

Eingetragen in die Abbildung 9 als gelbes Steigungsdreieck; bei dem Arbeitspunkt von 10 mA ergeben sich ein Iy= 10 mA sowie ein Ux =~ 0,05 V.

Berechnung: RD = UX / IY = UX * R / UY = 0,6 V * 100 Ω / 1 V = 60 Ω

4.1.2  Dynamischer Diodenwiderstand rD bei Diodenstrom i = 10 mA

Eingetragen in die Abbildung 9 als violette Tangente im Arbeitspunkt; daraus ergeben sich für den Arbeitspunkt ein ∆Iy= 10 mA sowie ein ∆Ux =~ 0,05 V.

Berechnung: rD = ∆UX / IY = UX * R / UY = 0,05 V * 100 Ω / 1 V = 5 Ω.

Statischer Diodenwiderstand RD [Ω]

Dynamischer Diodenwiderstand rD [Ω]

60

5

Tabelle 3: Ermittelte Werte bei einem Diodenstrom von i = 10 mA (Protokoll Tabelle P 10.1)

4.2    Aufnahme der Strom-Spannungs-Kennlinie einer Z-Diode

Dieser Versuch wurde aus zeitlichen Gründen nicht durchgeführt, eine weitere Ausarbeitung hierzu ist nach Rücksprache mit Hr. Dr. Fußeder vor Ort nicht erforderlich.

4.3    Aufnahme der Ausgangskennlinie eines NPN-Transistors

Zur Durchführung dieses Versuches wurde der Transistor BC550 (Datenblatt siehe HFH-Unterlagen für das Elektrotechniklabor auf CD) verwandt und nachfolg.....

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