Elektronik Pr Versuch 2 v102 PDF

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Wintersemester ...

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Fachhochschule Südwestfalen

Labor für Elektronik, Digitaltechnik und Mikrocomputertechnik Prof. Dr.-Ing. Tobias Ellermeyer Version: 1.02

Praktikum Elektronik Versuch 2: Dioden und Gleichrichter Stichwörter: pn-Diode, Z-Diode, Diodenkennlinie, Gleichrichter, Glättung Lernziele: Die Studierenden lernen das Vorgehen zur Vermessung einer U/I-Kennlinie kennen. Weiter-

hin wird der Einfluss von Belastung, Glättungskondensator und Innenwiderstand verdeutlicht. Abschließend wird noch die differentielle bzw. in Grenzen potentialfreie Messung mit Hilfe des Oszilloskops vermittelt. Praktikumsvorbereitung: Es wird vorausgesetzt, dass die Anleitung von Versuchsbeginn bereits einmal intensiv durchgelesen wurde. Weiterhin wird empfohlen, die theoretischen Aufgaben des Auswertungsteils (4.1) zum besseren Verständnis bereits vor Praktikumsbeginn zu lösen und nicht erst in der Auswertung.

1 Einleitung Zunächst werden Kennlinien einer pn-Diode im Durchlassbereich und einer Z-Diode im Sperrbereich ermittelt. Die Typangabe der Z-Diode wurde absichtlich nicht angegeben, damit die Z-Spannung in der Auswertung aus den Messwerten ermittelt werden kann. Im weiteren Verlauf des Versuchs wird dann sowohl der Einweg- als auch der Brückengleichrichter im Leerlauf, belastet und mit Glättung betrachtet,

2 Versuchsdurchführung 2.1 Versuchsaufbau zur Messung der Kennlinien Sie benötigen die folgenden Messgeräte und Bauelemente für den Versuchsaufbau: Bauelemente

-

Geräte

Steckbrett / Drahtbrücken / Kabel Widerstand, 𝑅1 = 390 Ω pn-Diode 𝐷1, Typ 1N4007 Z-Diode 𝐷2 (ohne Typangabe)

- Handmultimeter Fluke - Tischmultimeter Rigol - Spannungsquelle Rigol

Abbildung 1: Messaufbau pn-Diode

Versuch 2: Dioden und Gleichrichter

Praktikum Elektronik

Abbildung 2: Messaufbau Z-Diode

Hinweise:

•

Notieren Sie die Seriennummern der eingesetzten Geräte – diese Angaben gehören in die Ausarbeitung! (gilt auch für die folgenden Auswertungen)

•

Lesen Sie sich immer erst alle Punkte eines Aufgabenteils durch und beginnen erst danach mit dem Aufbau und der Messung!

2.1.1 Teil 1: Kennlinie der pn-Diode a) Bauen Sie die Schaltung nach Abbildung 1 auf. Verwenden Sie die +25 V Spannungsquelle. Den Strom 𝐼𝐷,𝑖𝑠𝑡 messen Sie mit dem RigolTischmultimeter, die Spannung 𝑈𝐷 mit dem Handmultimeter. b) Stellen Sie an der Spannungsquelle zunächst 𝑈0 = 0 V ein und programmieren Sie die Strombegrenzung auf 50 mA. c) Erhöhen Sie nun schrittweise die Spannung und beobachten den Strom. Versuchen Sie, den ersten Messpunkt (𝐼0 = 50 µA) in Tabelle 1 möglichst genau zu treffen. Notieren Sie in der Tabelle in der Spalte „pn-Diode“ den tatsächlich fließenden Strom 𝐼𝐷,𝑖𝑠𝑡 und den Spannungsabfall 𝑈𝐷 über der Diode. d) Verfahren Sie mit den übrigen Messpunkten in der Tabelle auf dieselbe Weise.

2.1.2 Teil 2: Kennlinie der Z-Diode a) Stellen Sie die Spannungsquelle wieder auf 0 V. Tauschen Sie die pnDiode gegen die Z-Diode aus (Richtung beachten!) b) Führen Sie dieselbe Messung wie in 2.1.1 mit der Z-Diode durch und tragen die Ergebnisse in die Spalte „Z-Diode“ in Tabelle 1 ein.

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Versuch 2: Dioden und Gleichrichter

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2.2 Teil 3: Versuchsaufbau Gleichrichter Für diesen Aufbau benötigen Sie folgende Bauelemente und Messgeräte: Bauelemente

-

Geräte

Steckbrett / Drahtbrücken / Kabel Widerstand, 𝑅𝐿 = 390 Ω 4 Stück pn-Diode 𝐷1−4 , Typ 1N4007 Tantal-Kondensator 𝐶1 = 100 µF

- Signalgenerator Rigol - Oszilloskop Hameg

Zunächst bauen Sie die Schaltung nach Abbildung 3 auf. Diese ist die Vorlage für die nachfolgenden Messungen. Stecken Sie die Bauelemente so, dass Sie die Dioden 𝐷2 bis 𝐷4 , sowie den Widerstand 𝑅𝐿 und den Kondensator 𝐶1 einfach herausziehen bzw. wieder einstecken können. Beachten Sie die Polung des Tantal-Kondensators (kleiner Aufdruck auf dem Bauelement)!

Abbildung 3: Versuchsaufbau Gleichrichter

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Versuch 2: Dioden und Gleichrichter

Praktikum Elektronik

2.2.1 Einweg-Gleichrichter a) Für den Einweg-Gleichrichter lassen Sie nur die Diode 𝐷1 gesteckt, die übrigen werden wieder entfernt. Anstelle der Diode 𝐷4 wird eine Leiterbrücke eingesetzt (vgl. Abbildung 4). b) Stellen Sie am Signalgenerator eine Sinus-Signal mit 50 Hz und einer Amplitude von 𝑢𝑒 = 10 VSS (𝑉𝑆𝑆=Spitze/Spitze; engl. 𝑉𝑃𝑃 =peak to peak) ein. Das Signal soll offsetfrei sein. Bedenken Sie in den weiteren Betrachtungen, dass der Signalgenerator einen fest eingebauten Serien-Innenwiderstand von 50 Ω hat. c) Der Gleichrichter soll nun im Leerlauf, sowie unter Belastung, jeweils ohne oder mit Glättungskondensator betrachtet werden. Führen Sie die in Abbildung 5 aufgeführten Messungen durch und bestimmen den Gleichrichtmittelwert 𝑢 und den Spitze/Spitze-Wert 𝑢𝑆𝑆 der Eingangsspannung 𝑢𝑒 und der Ausgangsspannung 𝑢𝑎 und tragen die Ergebnisse in Tabelle 2 ein. Erstellen Sie von jeder Messung ein Screenshot für die Auswertung.

Abbildung 4: Aufbau Einweggleichrichter

Messung a) Leerlauf

Messung b) Nur 𝑅𝐿

Messung c) Nur 𝐶1

Messung d) 𝑅𝐿 ∥ 𝐶1

Abbildung 5: Durchzuführende Messungen am Einweggleichrichter

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Versuch 2: Dioden und Gleichrichter

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2.2.2 Brückengleichrichter

Abbildung 6: Brückengleichrichter, Eingangsspannung

a) Bauen Sie nun wieder die vollständige Schaltung auf, wie in Abbildung 6 gezeigt. Dieser Aufbau dient zur Messung der Eingangsspannung 𝑈𝐸 . b) Stellen Sie am Signalgenerator eine Sinus-Signal mit 50 Hz und einer Amplitude von 10 VSS ein. Das Signal soll offsetfrei sein. Bedenken Sie in den weiteren Betrachtungen, dass der Signalgenerator einen fest eingebauten Innenwiderstand von 50 Ω hat. c) Es sollen zwei Messungen durchgeführt werden, einmal nur mit 𝑅𝐿 und einmal 𝑅𝐿 und 𝐶1 . Die Ergebnisse tragen Sie i n Tabelle 3 ein. d) Messen Sie nun für Ihre erste Schaltung (nur 𝑅𝐿 ) Mittel- und Spitze/Spitze-Wert der Eingangsspannung 𝑢𝑒 wie in Abbildung 6 gezeigt. e) Um die Ausgangsspannung 𝑢𝐴 zu messen, muss Kanal 1 des Oszilloskops wie in Abbildung 7 gezeigt angesteckt werden (er kann dort auch während der Messung der Eingangsspannung verbleiben). Der zweite Kanal muss umgesteckt werden, so dass die Spannung differentiell gemessen wird. Beachten Sie bitte, dass das mit *1 gekennzeichnete Netz keine Verbindung zur Masse haben darf. Messen Sie hier den Mittel- und Spitze/Spitze-Wert der Differenzfunktion Ch1-Ch2. Hinweise zur Anzeige einer mathematischen Funktion auf dem Oszilloskop finden Sie in der allgemeinen Praktikumsanleitung. Erstellen Sie einen Screenshot, auf dem sowohl Ch1, Ch2 als auch das berechnete Signal Ch1-Ch2 zu erkennen sind. f)

Führen Sie die Schritte d) und e) auch für die Variante 𝑅𝐿 ∥ 𝐶1 durch.

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Versuch 2: Dioden und Gleichrichter

Praktikum Elektronik

Abbildung 7: Messung der Ausgangsspannung beim Brückengleichrichter

2.3 Abschließendes zum Praktikumstermin a) Vergewissern Sie sich, dass Sie alle geforderten Screenshots und Messwerte haben. Wenn Sie unsicher sind, fragen Sie den Betreuer! b) Lassen Sie sich Ihre ausgefüllte Tabelle vom Betreuer abzeichnen! Die Original-Messwerte gehören in die Auswertung (als Scan oder Foto); dabei muss das Kürzel des Betreuers erkennbar sein!

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Praktikum Elektronik

Versuch 2: Dioden und Gleichrichter

3 Tabellen für Messwerte Tabelle 1: Messwerte Versuchsteile 1 und 2

pn-Diode

Z-Diode

Strom (soll)

Strom (ist)

Spannung

Strom (soll)

Strom (ist)

Spannung

𝐼0 / mA

𝑰𝑫 / mA

𝑼𝑫 / mV

𝐼0 / mA

𝑰𝒁 / mA

𝑼𝑫 / V

0,05

0,1

0,1

0,5

0,2

1,0

0,5

4,0

1,0

5,0

5,0

6,0

9,0 10,0 11,0 Tabelle 2: Messwerte für Einweg-Gleichrichter

Messung a) Leerlauf

Messung b) nur 𝑹𝑳

Messung c) nur 𝑪𝟏

Messung d) 𝑹𝑳 ∥ 𝑪 𝟏

Eingang 𝒖𝒆,𝑺𝑺 Eingang 𝒖𝒆 Ausgang 𝒖𝒂,SS SS Ausgang 𝒖𝒂 Tabelle 3: Messwerte für Brückengleichrichter

Nur 𝑹𝟏 Spitze/Spitze 𝑢SS

𝑹𝟏 ‖𝑪𝟏 Mittelwert 𝑢

Spitze/Spitze 𝑢SS

Mittelwert 𝑢

Eingang 𝒖𝒆 Ausgang 𝒖𝒂

Datum

Uhrzeit

Platz

Handzeichen

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Versuch 2: Dioden und Gleichrichter

Praktikum Elektronik

4 Auswertung Beachten Sie die allgemeinen Hinweise zu Ausarbeitungen, die in der Einleitung zum Praktikum gegeben sind.

4.1 Theoretischer Teil a) Die Diodenkennlinie soll mit folgender Schaltung gemessen werden:

- Wozu dient der Vorwiderstand? - Wieso wurde die Spannungsrichtige Messung verwendet? b) Wie kann man eine Diode im Arbeitspunkt linearisieren? Skizzieren Sie das zugehörige Ersatzschaltbild! c) In welchem Betriebsmodus wird eine Z-Diode als Spannungsstabilisierung üblicherweise betrieben? d) Auf dem eLearning/Moodle-Server finden Sie ein Datenblatt für die Dioden der Reihe 1N400x. Wie groß ist die erlaubte Sperrspannung für die Diode 1N4004? Können Sie diese Diode verwenden, um eine Wechselspannung von 380 Veff gleichzurichten? e) Wie groß ist der Spannungsabfall an der Diode 1N4004 bei einem Flussstrom von 200 mA? f) Welchen maximalen Strom darf Sie kurzzeitig (z.B. 1 Millisekunde) durch eine Diode vom Typ 1N4004 fließen?

4.2 Auswertung zu Versuchsteil 1 und 2 a) Fügen Sie einen Scan bzw. ein Foto Ihrer vom Betreuer unterzeichneten Original-Messwerte aus dem Praktikumstermin an. b) Erstellen Sie von den Messwerten der pn- und Z-Diode jeweils ein aussagekräftiges Diagramm der Diodenkennlinie. c) Linearisieren Sie rechnerisch (Formeln/Herleitung!) die pn-Diode um den Arbeitspunkt 𝐼𝐷 = 10 mA. Geben Sie die Werte für 𝑟𝑓 und 𝑈𝐹0 an. d) Welche Spannung 𝑈𝑍0 würden Sie für die Z-Diode angeben?

4.3 Auswertung zu Versuchsteil 3 a) Erläutern Sie die Messergebnisse und die dazugehörigen Screenshots beim Einweggleichrichter. b) Warum bricht die Spannung 𝑢𝑒 bei Belastung ein? c) Wie groß wäre die Ausgangsspannung 𝑢𝑎,𝑆𝑆 bzw. 𝑢𝑎 in Messung b) der Tabelle 2 für einen ideales 50 Hz Sinussignal mit 𝑢𝑒,𝑆𝑆 = 10 V, welches bei Belastung nicht einbricht. d) Wie groß ist der Spannungsverlust 𝑢𝑒 zu 𝑢𝑎 beim Brückengleichrichter? Begründung? e) Begründen Sie, warum in Abbildung 7 die Ausgangsspannung differentiell gemessen werden muss, und nicht einfach die Masse vom Tastkopf 2 an das Netz mit der Kennzeichnung *1 angeschlossen werden kann. [8]...