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Versuch 2. Kondensatoren

Ziele des Versuchs

Kennenlernen von folgenden Komponenten

  • Digitalmultimeter
  • Funktionsgenerator
  • Oszilloskop
  • Steckbrett

elektrotechnischer Erkenntnisgewinn bei der

  • Erzeugung und Darstellung periodischer Signale
  • Bestimmung von Kapazitäten
  • Messen der Kennlinie einer Diode und Z-Diode

Vorbereitung für das Labor

Funktionsgenerator

Abb. 1: Funktionsgenerator HM8030-5
elektrotechnik_labor:funktionsgenerator_hm8030_5.png

Ein Funktionsgenerator stellt eine variable Spannungsquelle dar. Allgemein können diese Signale mit unterschiedlichen Kurvenformen, Frequenzen und Amplituden erzeugen. Diese Werte sind bei realen Funktionsgeneratoren einstellbar. Im Gegensatz zum idealen Funktionsgenerator ist bei einem realen System der Ausgangsstrom begrenzt. Wie bei der realen Spannungsquelle wird hier eine Ausgangsimpedanz angegeben.

In Abbildung 1 ist der im Labor verwendete Funktionsgenerator abgebildet. Dieser hat eine Ausgangsimpedanz von 50 Ohm. Im Folgenden sollen die Einstellungen kurz beschrieben werden:

  1. Die Kurvenform kann über den Knopf FUNCTION gewählt werden. Per Knopfdruck kann die nächste Kurvenform ausgewählt werden. Bei Start ist die Sinusform (∿) ausgewählt, die folgenden Verläufe sind: Dreieck und Rechteck bzw. Impuls. Die Verläufe sind in der Simulation unten zu sehen; ein Sägezahnsignal ist bei diesem Funktionsgenerator nicht möglich.
  2. Die Frequenz kann durch zwei Eingaben geändert werden
    1. Das Potentiometer unter FREQUENCY ermöglichen eine genaue Einstellung. Eine Drehung im Uhrzeigersinn erhöht die Frequenz.
    2. Über die Knöpfe unter dem Potentiometer kann die Frequenz um eine Dekade - d.h. eine Zehnerpotenz - nach unten (Knopf mit Pfeil nach links) bzw. nach oben (Knopf mit Pfeil nach rechts) geändert werden. Die Grenzen liegen dabei bei 50mHz und 5MHz.
  3. Auch für die Spannung gibt es mehrere Eingaben
    1. Über das Potentiometer OFFSET ist die genaue Auswahl des Gleichspannungsanteils möglich. Soll ein Gleichspannungsanteil zugeschalten werden, so ist der Knopf ON zu betätigen.
    2. An der Ausgangsbuchse sind zweimal Dämpfungen um -20dB zuschaltbar. Damit verkleinert sich der Bereich der Spitze-Tal-Spannung von [0V, 10V] auf [0V, 1V] bzw. [0V, 0,1V].
    3. Die AMPLITUDE bzw. die Spitze-Tal-Spannung kann über ein Potentiometer fein justiert werden.

verwendetes Oszilloskop

Das Oszilloskop ist noch vor dem Digitalmultimeter das wichtigste Messinstrument in der Elektrotechnik und Elektronik. Es ermöglicht einen Spannungsverlauf u(t) über die Zeit t darzustellen, in „Echtzeit“ zu beobachten und zu vermessen. In vielen Versuchen und Analysen ist es ein zentraler Bestandteil, da es die elektrische Vorgänge sichtbar machen kann. Neben quantitativen Aussagen (wie hoch ist die Spannung wann?) ist es auch hilfreich qualitative Ergebnisse zu liefern (beispielsweise: Ist ein Fehler in der Schaltung?).

Abb. ##: Display und Bedienfeld des Oszilloskop DS1052E
elektrotechnik_labor:oszilloskop_rigol_ds1052e.png

Abb. 1: Display und Bedienfeld des Oszilloskop DS1052E
elektrotechnik_labor:oszilloskop_rigol_ds1052e_small.png

Für den Versuch ist eine gute Kenntnis des Oszilloskops notwendig. In Abbildung ## ist das Bedienfeld des verwendeten DS1052E zu sehen, welches hier kurz verschrieben werden soll.

  • Das Oszilloskop lässt sich durch den Taster an der Oberseite an/ausschalten (1.)
  • Im Anzeigebereich (2.) sind nach dem Anschalten Informationen in der Benutzeroberfläche zu sehen, die im Folgenden erklärt werden (siehe Abbildung ## rechts, 9…16)

Signalanzeige uns -einspeisung

  • Den größten Bereich nimmt das Anzeigefenster (9.) ein. Das Anzeigefenster zeigt 10 waagrechte und 8 senkrechte Teilungen (eng. Divisions, Abkürzung Div.). In der Regel wird hier der Spannungs-Zeit-Verlauf angezeigt.
  • In der Abbildung sind zwei Verläufe gleichzeitig angezeigt: Kanal 1 in gelb und Kanal 2 in mint. Mit der Kanalwahl (5. obere zwei Knöpfe) können diese an/ausgeschalten werden.
  • Über die Eingangsbuchsen (6.) werden die Signale eingespeist (CH 1 : Kanal 1, CH 2 : Kanal 2)
  • Es kann beim Signal gewählt werden, ob der Gleichanteil unterdrückt wird (AC Kopplung) oder nicht (DC Kopplung). Die Kanalkopplung ist in der Anzeige (14.) als Linie (= für DC Kopplung) oder Tilde (~ für AC Kopplung angezeigt)

Skalierung

  • Durch die vertikalen Bedienelemente (5.) lässt sich die Spannungsskala variieren: Mit POSITION kann ein Verlauf nach oben/unten verschoben werden. Mit SCALE ist eine Vergrößerung/Verkleinerung der vertikalen Achse (= Spannungsachse) möglich.
  • Gleiches kann mittels der horizontalen Bedienelemente (7.) für die Zeitachse geschehen: Auch diese kann mit POSITION verschoben und mit SCALE vergrößert/verkleinert werden.
  • Die aktuelle Skalierung bzw. Basis kann aus dem Anzeigebereich ausgelesen werden: Im Bild ist eine Spannungsbasis von 2.00 V/Div für beider Signalverläufe (14.) und eine Zeitbasis von 50.00 us/Div (15.) dargestellt.

Trigger

  • In der Regel soll die Aufnahme beim Über- bzw. Unterschreiten einer bestimmten Schwelle ausgelöst werden. Diese Schwelle nennt man Triggerschwelle. Mit dem Drehknopf (8.) kann die Schwelle (Trigger Level) verschoben werden. mit Druck auf 50% wird der Trigger in die Mitte gesetzt.
  • Oben links im Anzeigebereich ist der Erfassungsstatus (10.) zu finden. STOP bedeutet, dass ein Standbild dargestellt wird. Bei einem laufenden Bild ist hier ein T'D für Triggered zu sehen.
  • Das Oszilloskop nimmt einen längeren Zeitraum als den dargestellten auf. Die dargestellte Posistion im Speicher (11.) ist oben im Anzeigebereich zu sehen.
  • * und Position im Anzeigefenster
  • Triggerverzögerung
  • Triggerschwelle

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  • 3
  • 4
  • 6
  • 7
  • 8
  • 9

Links ist ein schönes Einführungsvideo zu finden. Zu beachten ist, dass die konkrete Bedienung häufig hersteller- bzw. typenabhängig ist. Die Konzepte sind jedoch bei allen Geräten gleich.

Ein virtuelles Oszilloskop ist auf den Seiten der Dublin University zu finden. Versuchen Sie dort verschiedene Einstellungen des Funktionsgenerators zu oszilloskopieren, z.B.:

  • 200Hz, Sinus, Offset 1V, Amplitude 5V
  • 200Hz, Rechteck, Offset -1V, Amplitude 3V

Was passiert, wenn der Triggerlevel zu hoch gewählt wird?

weiteres virtuelles Oszilloskop

Vorbereitung für die mündliche Kurzprüfung

Zu diesem Versuch sollten Sie

  1. folgende Konzepte anwenden und erklären können:
    1. strom- und spannungsrichtige Messung
    2. Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen
    3. Maschen- und Knotensatz
    4. Verbraucher- und Erzeuger-Pfeilsystem
    5. ideale und reale Quellen

Folgende Fragen sollten Sie beantworten können:

  1. Welche Betriebsart nutzt die Quelle? Welche Größe wird durch die Quelle konstant gehalten?
  2. Netzgeräte arbeiten in Quadranten. In welchem Quadrant wird das Netzgerät betrieben? Was kann die Quelle dann entsprechend nicht?
  3. Was muss beim (belasteten und unbelasteten) Spannungsteiler beachtet werden?
  4. Wie misst man eine Spannung mit einem Strommessgerät? Wie einen Strom mit einem Spannungsmessgerät?
  5. Wie misst ein Ohmmeter den Widerstand?
  6. Wo liegen die Grenzen der Linearität bei realen Widerständen?
  7. Welche Beispiele gibt es für lineare und nicht-lineare Widerstände?
  8. Wovon kann der Widerstand sonst noch abhängen?

Verwendete Laborgeräte

BildLaborgerätAnleitung
geraete_rigol_ds1052e.jpgOszilloskopDS1052E
geraete_hm8012.jpgProgrammierbares MultimeterHM8012
geraete_hm8030.jpgFunktionsgeneratorHM8030-5
BildLaborgerätAnleitung
geraete_hm8040.jpgdreifach SpannungsquelleHM8040-2
schublade_digitalmultimeter.jpgDigital-Multimeter „UT139A/B/C“(Anleitung )