Versuch 3 -- NEU
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PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2013/2014 VERSUCHSANLEITUNG 3 1<br />
<strong>Versuch</strong> 3<br />
Stand: 3. 12. 13<br />
<strong>Versuch</strong>sziele:<br />
• Elementare Schaltungen mit MOSFETs aufbauen und in Betrieb nehmen.<br />
• Das Verhalten einer induktiven Last untersuchen.<br />
• Typische Besonderheiten von Operationsverstärkern und Komparatoren im Experiment<br />
kennenlernen.<br />
Aktive Bauelemente:<br />
• P-Kanal-FET: IRF9Z14 oder IRF730 oder IRF9630.<br />
• N-Kanal-FET: IRF620 oder IRL520.<br />
• Operationsverstärker: TL061.<br />
• Komparator: LM339.<br />
Zum Dienstreglement:<br />
• Die <strong>Versuch</strong>e 1 bis 3 (P-Kanal-FET, Relais) werden – wie bisher üblich – mit Steckmodulen<br />
ausgeführt.<br />
• N-Kanal-FETs, Operationsverstärker und Komparatoren werden mittels des Universaladapters 10b<br />
(der Bunten Kuh) adaptiert. Geben Sie bitte Bescheid, wenn Sie ein solches Bauelement benötigen.<br />
Nur ein Bauelement zu einer Zeit. Das Teil, was Sie jeweils nicht mehr brauchen, geben Sie zurück.<br />
1. Das statische Verhalten des Feldeffekttransistors<br />
Wir untersuchen den FET als Leistungsschalter in Source- und Drainschaltung. Hierzu verwenden wir<br />
einen P-Kanal-Typ. Der Transistor befindet sich auf einem vierpoligen Steckmodul.<br />
Abb. 1.1 Leistungs-FET in Gehäuse TO-220. Anschlußbild.<br />
<strong>Versuch</strong>sdurchführung (für die beiden folgenden Schaltungen):<br />
1. Alle Spannungsregler der Labornetzgeräte auf Null (linker Anschlag). Stets vorsichtig betätigen!<br />
2. Betriebsspannung U B auf – 10 V.<br />
3. Steuerspannung langsam (!) hochdrehen. Instrumente beobachten!
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Zu untersuchen:<br />
a) Von welcher Gatespannung U GS an bewegt sich die Ausgangsspannung U DS ?<br />
b) Wie hängt der Durchlaßwiderstand R DSon von der Gatespannung U GS ab?<br />
c) Wie groß ist R DSon bie Vollaussteuerung?<br />
Hinweis: R<br />
DSon<br />
<br />
U<br />
I<br />
DS<br />
A<br />
Abb. 1.2 Der Leistungs-FET in Sourceschaltung. Da es sich um einen P-Kanal-<br />
Typ handelt, sind die Spannungen negativ gegen Masse.<br />
Abb. 1.3 Der P-Kanal-FET in Drainschaltung. .
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2. High Side Drive<br />
Die Schaltung von Abb. 1.3 wird auf positive Betriebsspannung umgebaut. Der FET wird also gleichsam<br />
verkehrt herum angeschlossen (Source an Betriebsspannung).<br />
<strong>Versuch</strong>sdurchführung:<br />
1. Alle Spannungsregler der Labornetzgeräte auf Null (linker Anschlag). Stets vorsichtig betätigen!<br />
2. Betriebsspannung U B auf 10 V.<br />
3. Steuerspannung langsam (!) hochdrehen. Instrumente beobachten!<br />
Zu untersuchen:<br />
a) Welche Ausgangsspannung U A ergibt sich bei Steuerspannung U S = 0 V?<br />
b) Steuerspannung U S erhöhen. Wann beginnt sich am Ausgang etwas zu tun (nennenswerte Änderung<br />
der Ausgangsspannung U A )?<br />
c) Steuerspannung U S weiter erhöhen. Wann hat die Ausgangsspannung den anderen Endwert erreicht?<br />
Abb. 2.1 High Side Drive mit P-Kanal-FET. Achtung: Source ist oben!<br />
3. Die induktive Last<br />
Mit dem P-Kanal-FET ist ein Relais anzusteuern.<br />
<strong>Versuch</strong>sdurchführung:<br />
1. Betriebsspannung U B auf 15 V.<br />
2. Zunächst keine Freilaufdiode.<br />
3. Funktionsgenerator über Meßadapter 09b anschließen, Nur positive Halbwelle. Rechtecksignale mit<br />
15 V Amplitude (Regler am Funktionsgenerator an den rechten Anschlag). Frequenz zunächst<br />
50...1000 Hz.
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Zu untersuchen:<br />
a) Verlauf der Ausgangsspannung.<br />
b) Verlauf des Ausgangsstroms.<br />
c) Verlauf der Gatespannung.<br />
d) Freilaufdiode einsetzen. Wie sehen jetzt Ausgangsspannung und Gatespannung aus?<br />
e) Frequenz soweit herunterdrehen, bis Relais hörbar schaltet. Wie sieht der Ausgangsstrom aus?<br />
Vor allem zu untersuchen:<br />
Der Verlauf des Ausgangsstroms mit und ohne Freilaufdiode. Wir verwenden deshalb High Side Drive,<br />
weil hier der Strom als Spannungsabfall gegen Masse gemessen werden kann.<br />
Abschließender Demonstrationsversuch (für Freiwillige): Das Relais wird durch die Sekundärwicklung<br />
eines Netztransformators ersetzt. Welche Spannung ergibt sich an der Primärwicklung? Bis zu welcher<br />
Frequenz funktioniert das? – VORSICHT, HOCHSPANNUNG!<br />
Abb. 3.1 Ansteuerung eines Relais mittels P-Kanal-FET (High Side Drive).
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Ohne Freilaufdiode<br />
a) Spannung b) Strom<br />
Mit Freilaufdiode<br />
a) Spannung b) Strom<br />
4. Der N-Kanal-FET<br />
Wir adaptieren den Transistor mittels des Universaladapters 10b.<br />
Woher kommt der zweite Zacken?<br />
Abb. 4.1 Der N-Kanal-FET im Universaladapter 10b.
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<strong>Versuch</strong>sdurchführung:<br />
Wir beschränken uns auf die dynamische Erprobung mitttels Funktionsgenerator und Oszilloskop.<br />
1. Betriebsspannung U B auf 15 V.<br />
2. Funktionsgenerator über Meßadapter 09b anschließen, Nur positive Halbwelle. Rechtecksignale<br />
maximal 15 V Amplitude. Regler am Funktionsgenerator bei <strong>Versuch</strong>sbeginn jeweils zunächst an den<br />
linken Anschlag. Frequenz etwa 5 kHz.<br />
Sourceschaltung<br />
Amplitude der Impulse erhöhen und Ausgangsverhalten beobachten. FET fängt bei etwa 4 V an zu<br />
schalten und schaltet bei etwa 8 V richtig durch. Weitere Erhöhung der Gatespannung bringt nichts.<br />
Abb. 4.2 N-Kanal-FET in Sourceschaltung (Low Side Drive).<br />
Drainschaltung<br />
Amplitude der Impulse erhöhen und Ausgangsverhalten beobachten. FET fängt bei etwa 4 V an zu<br />
schalten. Die Ausgangsamplitude folgt der Eingangsamplitude (ähnlich wie beim Emitterfolger), aber<br />
vermindert um die Schwellenspannung von etwa 3,5...5 V.<br />
Abb. 4.3 N-Kanal-FET in Drainschaltung (High Side Drive).
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Spannungsüberhöhung mit Ladungspumpe<br />
Drainschaltung = High Side Drive. Damit der FET richtig durchschaltet, muß die Gatespannung um die<br />
Schaltspannung für minimalen R DSon überhöht werden (V DD + 10...20 V). Die Diode klammert den<br />
negativen Pegel am Kondensator auf die Betriebsspannung (V DD ). Damit liegt der positive Pegel um die<br />
Sourcespannung über V DD . Es müssen sich Rechteckimpulse ergeben, deren Low-Anteile auf V DD -Pegel<br />
liegen. Um daraus eine Gleichspannung zu gewinnen, schalten wir einen Ladekondensator nach. Die in<br />
Flußrichtung zwischengeschaltete Diode dient als Rückstromsperre. Gleichspannung messen.<br />
Abb. 4.4 Vorversuch zur Ladungspumpe.<br />
Bootstrapschaltung<br />
Der FET wird über eine Transistorstufe angesteuert. Diese wird von der Ladungspumpe gespeist.<br />
Ansteuerpegel etwa 4 V. Pegel am Kondensator (**) zwischen V DD und 2 V DD ; Pegel am Gate zwischen<br />
0 V und 2 V DD . Signalverläufe und Pegel beobachten. Gleichspannung messen. Werte mit denen des<br />
Vorversuchs vergleichen. Wodurch ergeben sich die Unterschiede?<br />
Abb. 4.5 High Side Drive mit N-Kanal-FET und selbstgebauter<br />
Bootstrapschaltung.
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5. Operationsverstärker<br />
Wir beschränken uns auf elementare Vorversuche. Der Operationsverstärker wird mittels des<br />
Universaladapters 10b adaptiert. Betriebsspannungen: + 15 V und – 15 V aus dem<br />
Festspannungsnetzgerät.<br />
Abb. 5.1 Der Operationsverstärker TL061 im Universaladapter 10b.<br />
Die Offsetspannung<br />
Schaltet man beide Eingänge an Masse, müßte die Ausgangsspannung 0 V betragen. Was aber kommt<br />
heraus? Dann mit dem 1:1-Puffer probieren.<br />
Abb. 5.2 Die Offsetspannung (1). Keine Rückkopplung.<br />
Abb. 5.3 Die Offsetspannung (2). Der 1:1-Puffer.
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Der Betrieb mit zwei Speisespannungen<br />
Wir bleiben beim 1:1-Puffer und verwenden die Potentiometerplatine 09a, um den gesamten Bereich der<br />
Eingangsspannung zu durchfahren. In welchen Bereichen ist UA = UE, in welchen nicht?<br />
Abb. 5.4 Betrieb mit zwei Speisespannungen (Dual Rail Operation).<br />
Der Betrieb mit nur einer Speisespannung<br />
Wir betreiben den 1:1-Puffer mit + 15 V gegen Masse und verwenden die Potentiometerplatine 09a, um<br />
den gesamten Bereich der Eingangsspannung zu durchfahren. In welchen Bereichen ist UA = UE, in<br />
welchen nicht?<br />
Abb. 5.5 Betrieb mit einer Speisespannung (Single Rail Operation).<br />
Der 1:1-Puffer als Spannungsquelle<br />
Wir betreiben den Operationsverstärker wieder mit + und – 15 V. An den Ausgang schließen wir den<br />
Stellwiderstand 09 an. Wir verwenden nur eines der beiden Widerstandselemente.<br />
<strong>Versuch</strong>sdurchführung:<br />
1. Eingangsspannung (Potentiometer) auf etwa + 5 V.<br />
2. Stellwiderstand anfänglich auf 10 kOhm.<br />
3. Widerstandswert am Ausgang schrittweise verringern. Bei welchem Wert nimmt die<br />
Ausgangsspannung merklich ab? Mit wievielen mA kann also der Verstärker höchstens belastet<br />
werden?<br />
4. Den niedrigsten Widerstandswert wieder einstellen, bei dem sich die Ausgangsspannung noch nicht<br />
geändert hat (maximale Belastung). Jetzt die Eingangsspannung verändern (zwischen + und – 10 V)<br />
und die Ausgangsspannung beobachten. Bleibt sie weiterhin konstant oder nicht?
PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2013/2014 VERSUCHSANLEITUNG 3 10<br />
Abb. 5.6 Der Stellwiderstand 09. Nutzung versteht sich von selbst. Kippschalter<br />
oben: zwei unabhängige Widerstandselemente. Kippschalter unten:<br />
Widerstandselemente und die beiden Buchsen in der Mitte verbunden<br />
(Spannungsteiler).<br />
Abb. 5.7 Der 1:1-Puffer als Spannungsquelle.<br />
Der nichtinvertierende Verstärker<br />
Wir setzen den Stellwiderstand 09 ein, um einen nichtinvertierenden Verstärker zu bauen.<br />
<strong>Versuch</strong>sdurchführung:<br />
1. Beide Widerstände anfänglich auf 10 kOhm. Kippschalter an Rückseite des Stellwiderstands nach<br />
unten. Dann sind beide Widerstandselemente in der Mitte miteinander verbunden<br />
(Spannungsteilerschaltung).<br />
2. Eingangsamplitude etwa 2 V. Sinus. Frequenz etwa 1 kHz.<br />
3. Welche Verstärkung ergibt sich?<br />
4. Die Amplitude am Funktionsgenerator vorsichtig (!) erhöhen. Bis zu welchem Wert läßt sich der<br />
Verstärker korrekt ansteuern? Welcher Ausgangsspannungshub ergibt sich damit? Dann wieder auf<br />
2 V zurück.<br />
5. Stellen Sie R2 auf 22 kOhm und dann auf 5,6 kOhm. Welche Verstärkung ergibt sich?<br />
6. <strong>Versuch</strong>en Sie eine Widerstandseinstellung zu finden (man kann sie auch berechnen...), die eine<br />
Verstärkung von etwa 100 ergibt. Hinweis: Sie kennen jetzt den maximalen Ausgangsspannungshub,<br />
bis zu dem Sie den Verstärker aussteuern können. Welche Eingangsspannung dürfen Sie höchstens<br />
anbieten, um bei einem Verstärkungsfaktor = 100 den Verstärker nicht zu übersteuern? Ggf. die<br />
Spannungsteilerfunktion (Attenuation) des Funktionsgenerators ausnutzen (20 dB = 1:10, 40 dB =<br />
1:100).
PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2013/2014 VERSUCHSANLEITUNG 3 11<br />
Abb. 5.8 Der nichtinvertierende Verstärker.<br />
Der invertierende Verstärker<br />
Wir setzen den Stellwiderstand 09 ein, um einen invertierenden Verstärker zu bauen.<br />
<strong>Versuch</strong>sdurchführung:<br />
Siehe den nichtinvertierenden Verstärker.<br />
Abb. 5.9 Der invertierende Verstärker.
PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2013/2014 VERSUCHSANLEITUNG 3 12<br />
6. Der Komparator<br />
Wir beschränken uns auf elementare Vorversuche. Der Komparator wird mittels des Universaladapters<br />
10b adaptiert. Betriebsspannungen: + 15 V, – 15 V und + 5 V aus dem Festspannungsnetzgerät.<br />
Abb. 6.1 Der Komparator LM339 im Universaladapter 10b.<br />
<strong>Versuch</strong>sdurchführung:<br />
1. Frequenz etwa 5 kHz.<br />
2. Darstellung der Vergleichsspannung mittels Potentiometerplatine 09a.<br />
3. Eingangsamplitude von 0 V an langsam erhöhen bis auf ca. 15 V.<br />
4. Sinus- und Dreiecksignale. Die Vergleichsspannung verändern und das Schalten des Komparators<br />
beobachten. Wie schaltet der Komparator, wenn der Anstieg steil und wenn er flach ist (Sinus in der<br />
Nähe des Nulldurchgangs und der Spitzen). Oszilloskop richtig synchronisieren und ggf. Zeitbasis<br />
so dehnen, daß die Einzelheiten der Signalflanken zu sehen sind.<br />
5. Mit verschiedenen Arbeitswiderständen (RA) probieren: 22k, 1k und 330R.
PRAKTIKUM ANALOGELEKTRONIK WS 2013/2014 VERSUCHSANLEITUNG 3 13<br />
Abb. 6.2 Der Komparator in einer elementaren Einsatzumgebung.<br />
Zwischen welchen Pegeln schaltet der Ausgang eigentlich? Wie kann man es einrichten, daß der Low-<br />
Pegel näherungsweise gleich 0 V (also Massepotential) ist? – Ausprobieren.<br />
Abb. 6.3 Komparator mit ausgangsseitiger Klammerdiode.