Elektronische - FRANZIS · Richard Zierl In diesem Buch lernen Sie die Entwicklung und den Aufbau...

Richard Zierl

In diesem Buch lernen Sie die Entwicklung und den Aufbau

elektronischer Schaltungen kennen. Lassen Sie sich dabei von

den Möglichkeiten virtueller Schaltungen faszinieren.

Im Vordergrund steht die Entwicklung eigener elektronischen Schaltungen

mit einem PC-Simulationsprogramm. Sie entwerfen, untersuchen und opti-

mieren zahlreiche Schaltungen aus allen Bereichen.

Die zugehörigen Berechnungsformeln finden Sie im Anhang, so dass Sie

sich – falls nötig – fit machen können für Schule, Ausbildung und Studium.

Sie können alle Bausätze mit wenigen, gängigen Bauteilen schnell und

einfach nachbauen. Mit modernen Software-Messgeräten (Oszilloskop

und NF-Generator) überprüfen Sie die Ergebnisse an der realen Schaltung.

Die vielfältigen, schnell und einfach durchführbaren Versuche an

virtuellen und realen elektronischen Schaltungen bieten neben Spaß

und Unterhaltung eine gründliche, praxisorientierte Einführung.

Das auf der CD-Rom befindliche PC-Simulationsprogramm kann für die

Entwicklung eigener komplexer elektronischer Schaltungen eingesetzt

werden (Analog-, Digital- und gemischte Analog/Digital-Schaltungen).

Aus dem Inhalt:� NF- und HF-Schaltungen selbst entwickeln und aufbauen

� Elektronische Schalter und elektronische Regelungen entwickeln und aufbauen

� Praktische Mess-Schaltungen entwickeln und aufbauen

� Praktische Anleitungen für das PC-Simulationsprogramm, PC-Oszilloskop und PC-NF-Generator

� Berechnungsformeln

Auf CD-ROM:· Software-Vollversionen:

Spice-Simulator, Oszilloskop, NF-Generator, Open Office

· Virtuelle Schaltungen undRechenformeln

ISBN 978-3-7723-5717-6

Euro 19,95 [D]

Besuchen Sie uns im Internet:www.franzis.de

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ElektronischeSchaltungen

Richard Zierl

Zierl

Auf CD-ROM:• Software-Vollversionen: Spice-Simulator,

Oszilloskop, NF-Generator, Open Office• Virtuelle Schaltungen und Rechenformeln

FRANZISE L E K T R O N I K


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• Exakt layouten• Selbst entwickeln• Praktisch aufbauen

5717-6 U1+U4 02.10.2007 15:52 Uhr Seite 1

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Vorwort

Dieses Buch wird Ihnen Spaß und Freude am Entwickeln und Aufbauen – demBasteln – elektronischer Schaltungen vermitteln und Sie animieren, aktiv und krea-tiv eigene Ideen zu verwirklichen.

Noch wichtiger aber ist die Tatsache, dass Sie das wichtigste Werkzeug eines Entwick-lers kennen- und beherrschen lernen: den Schaltungssimulator. Früher stand der Löt-kolben am Beginn der Elektronikentwicklung, heute ist es der Simulator auf dem PC.Entdecken Sie die faszinierenden Möglichkeiten virtueller elektronischer Schaltun-gen, entwickeln und optimieren Sie Schaltungen mit dem beiliegenden Simulations-programm. Die anschließend real aufgebauten Schaltungen laden zum Experimentie-ren und zum sinnvollen praktischen Einsatz ein.

Sie erwerben eine wertvolle Grundlage für eine mögliche berufliche Tätigkeit als Elek-tronikentwickler. Die Entwicklung der Elektronik steht erst am Anfang, das Zeitalterder Informationstechnik verlangt nach fähigen jungen Menschen, die in der Lagesind, komplexe elektronische Schaltungen zu entwickeln. Ihrer Fantasie werden keineGrenzen gesetzt sein, die Schaltungen können beliebig groß und komplex ausfallen.Mit dem Simulationsprogramm können Sie mehr Schaltungen aufbauen und erpro-ben als am Werktisch.

Wenn Sie für Schule, Ausbildung oder Studium tiefer in das Thema eindringen möch-ten, finden Sie für alle Grundschaltungen dieses Buches im Anhang die entsprechen-den Berechnungsformeln.

Bei der Überprüfung realer Schaltungen hilft Ihnen ein weiteres PC-Programm, mitdem Sie auf einem Oszilloskopschirm den Verlauf oder die spektrale Zusammenset-zung von Signalen darstellen können. Ein weiteres PC-Programm erzeugt Signaleunterschiedlicher Art. Alle Programme sowie alle Schaltungen finden Sie als uneinge-schränkte Vollversion auf der beiliegenden CD-ROM.

7

Inhalt

1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11Steckboard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13Piezohörer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14Widerstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17Batterieanschluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18Schaltdraht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18Bezugsquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2 NF- und HF-Schaltungen entwickeln und aufbauen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20Einstufigen NF-Verstärker mit und ohne Gegenkopplung simulieren und aufbauen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20Zweistufigen NF-Verstärker simulieren und aufbauen . . . . . . . . . . . . . . . . . 24Entzerrervorverstärker simulieren und aufbauen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27Rauscharmen NF-Vorverstärker simulieren und aufbauen . . . . . . . . . . . . . . 30Darlington-Schaltung simulieren und aufbauen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33Bootstrap-Schaltung simulieren und aufbauen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36NF-Gegentaktverstärker simulieren und aufbauen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39Antennenverstärker für MW simulieren und aufbauen . . . . . . . . . . . . . . . . . 44Aktiven RC-Hochpass simulieren und aufbauen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47Gitarren-Verzerrer simulieren und aufbauen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49Schwingkreis simulieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51Detektorempfänger simulieren und aufbauen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3 Elektronische Schalter entwickeln und aufbauen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58Zeitschalter simulieren und aufbauen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58Berührungsschalter simulieren und aufbauen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63Wassermelder simulieren und aufbauen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64Einschaltverzögerung simulieren und aufbauen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66Schaltverstärker simulieren und aufbauen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69Doppelblinker simulieren und aufbauen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70NAND-Gatter simulieren und aufbauen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

8 Inhalt

NOR-Gatter simulieren und aufbauen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76Inverter simulieren und aufbauen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78Flip-Flop simulieren und aufbauen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81Schmitt-Trigger simulieren und aufbauen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83Elektronische Mückenscheuche simulieren und aufbauen . . . . . . . . . . . . . 86Metronom simulieren und aufbauen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87Elektronisches Nebelhorn simulieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

4 Elektronische Regelungen entwickeln und aufbauen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91Stabilisierte Spannungsquelle simulieren und aufbauen . . . . . . . . . . . . . . . 91Stabilisierte Stromquelle simulieren und aufbauen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92Variable Zenerdiode simulieren und aufbauen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93DC-DC-Aufwärtswandler simulieren und aufbauen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

5 Messschaltungen entwickeln und aufbauen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100NF-Rauschgenerator simulieren und aufbauen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100Durchgangsprüfer simulieren und aufbauen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102Lügendetektor simulieren und aufbauen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103Signalinjektor simulieren und aufbauen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105Signalverfolger simulieren und aufbauen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .108HF-Generator simulieren und aufbauen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110Metallsuchgerät simulieren und aufbauen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112

6 Bedienung PC-Simulations-programm (SW CAD III) . . . . . . . . . . . . . . . . . .117Neue Schaltung anlegen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118Bauteile einfügen, drehen und löschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121Schaltung verdrahten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .131Signale benennen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132Oszilloskop (Transientenanalyse) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133Fourieranalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .138Frequenzganganalyse (AC Analysis) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .141Tastaturkürzel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .147

7 Bedienung des Programms PC-Oszilloskop (oszilight) . . . . . . . . . . . . . . . .148Verbindung mit der Soundkarte herstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .148Oszilloskop einschalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150DUT anschließen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .152Wellenform darstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .152Betriebsart einstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153Empfindlichkeit und Zeitablenkung einstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153Spektrum untersuchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .154

8 Bedienung des PC-NF-Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .158Verbindung zur Soundkarte herstellen 158

9Inhalt

NF-Generator einschalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160DUT anschließen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160Wellenform und Frequenz einstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

9 Berechnungsformeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164Ohmsches Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164Parallelschaltung von Widerständen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165Serienschaltung von Widerständen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165Blindwiderstand von Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165Blindwiderstand von Induktivitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166RC-Tiefpass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166RC-Hochpass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167LC-Tiefpass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168LC-Hochpass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169Induktivität von Spulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170Resonanzfrequenz Schwingkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171Güte des Schwingkreises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172Bandbreite des Schwingkreises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172Amplitudenmodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174Transistor-Emitterstufe berechnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174Koppelkondensatoren berechnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177Klirrfaktor und Klirrdämpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178Darlington-Stufe berechnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178RC-Zeitverzögerung berechnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179Digitales Zahlensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180Rechnen mit Dualzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181Siebglied Gleichrichterschaltung berechnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183Stabilisierung mit Zenerdiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183Rechteckgenerator berechnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185Transistor Emitterfolger berechnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186Kalkulationssoftware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188

Stichwortverzeichnis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

11

1 Einleitung

Im Folgenden werden die verwendeten Bauteile kurz vorgestellt. Alle Bauteile sindproblemlos zu beschaffen und oft in der Bastelkiste bereits vorhanden. Für diejenigen,die nicht so gerne löten, gibt es vom Franzis-Verlag ein „Lernpaket Elektronikent-wicklung“, das alle Bauteile und ein praktisches Steckboard enthält. Damit lassen sichalles Schaltungen aus diesem Buch einfach nachbauen.

Steckboard

Statt die Bauteile auf eine Platine mit Kupferbahnen zu löten, wird hier ein einfache-rer und schnellerer Weg beschritten. Die Bauteile werden mit den Anschlussdrähtenin Kontakte eines Steckboards gesteckt. Die Kontakte des Boards sind in regelmäßi-gem Muster intern miteinander verbunden. So wird die Verbindung zwischen denBauteilen auf einfache Weise hergestellt. Nach dem Experiment können die Bauteileproblemlos entfernt werden und stehen für eine neue Schaltung zur Verfügung.

In Bild 1.1 sehen Sie das Steckboard. Eingezeichnet sind schwarze Linien, die zeigen,wie die Kontakte intern verdrahtet sind. Die Reihen X und Y werden zur Stromversor-gung verwendet. In allen Schaltungen ist X mit dem Pluspol, Y mit dem Minuspol derBatterie verbunden. Die Spalten 1 bis 23 werden für die Bauteilverdrahtung benutzt.Achten Sie darauf, dass die freien Drahtenden der Bauteile und Anschlussdrähte freivon Fett oder sonstigen Verschmutzungen sind. Benutzen Sie gegebenenfalls eine Pin-zette, um die Anschlüsse senkrecht in die Kontaktöffnungen zu führen. Erst wenn Siespüren, dass die Kontaktfedern im Steckboard greifen, ist ein sicherer Kontakt herge-stellt. Die Kontaktgabe des Boards ist sehr gut. Sie können damit auch jederzeit eigeneSchaltungsideen schnell und unkompliziert ausprobieren. Erst wenn ein dauerhaftverwendetes Gerät daraus werden soll, lohnt es sich, eine Platine herzustellen, auf derdie Bauteile durch Löten einen festen Halt bekommen.

Steckboard: 1 × Steckboard SYB-46

Transistoren

Transistoren bieten die Möglichkeit, mit einem kleinen Basisstrom einen erheblichgrößeren Kollektorstrom zu steuern. Darauf beruht die verstärkende Wirkung dieses

12 1 Einleitung

Bauteils. Beachten Sie unbedingt den korrekten Anschluss von Basis, Emitter undKollektor – andernfalls kann der Transistor sofort beim Anschließen der Batterie zer-stört werden.

Bild 1.2 zeigt das Bauteil mit der Anschlussbezeichnung (gilt für 2N3904 und2N3906). In Bild 1.3 finden Sie das Schaltungssymbol für den NPN-Transistor2N3904, Bild 1.4 zeigt dasselbe für den PNP-Transistor 2N3906.

Benötigte Transistoren: 1 × 2N3906, 2 × 2N3904

Bild 1.1: Kontaktbe-legung Steckboard

Bild 1.2: Transistor mit Anschlussbelegung

Bild 1.3: Schaltplan-symbol NPN-Transistor

Bild 1.4: Schalt-plansymbol PNP-Transistor

13 Dioden

Dioden

Dioden lassen Strom nur in einer Richtung durch. Sie werden deshalb unter anderemzum Gleichrichten von Wechselspannung und zur Abblockung unerwünschter Pola-rität bei Gleichspannung eingesetzt. In Durchlassrichtung beginnt bei der Siliziumdi-ode erst ab einer Spannung von etwa 0,6 V nennenswert Strom zu fließen. BeiSchottky-Dioden beginnt der Stromfluss schon bei etwa 0,25 V. Strom fließt durchdie Diode, wenn an der Anode Plus und an der Kathode Minus angeschlossen wird.

Bild 1.5 zeigt das Bauteil mit der Anschlussbezeichnung, das Schaltungssymboljeweils für die (normale) Siliziumdiode und eine Schottky-Diode zeigen die Bilder 1.6und 1.7. Bei der Entzifferung der Aufschrift (Bezeichnung im Klartext) kann eineLupe hilfreich sein.

Benötigte Dioden: 1 × 1N4148 Siliziumdiode, 2 × BAT85 Schottky-Diode

LED

Leuchtdioden gibt es in verschiedenen Ausführungen. Sie dienen der Pegelanzeige(Strom ein, Strom aus). Sie verhalten sich im Prinzip wie normale Dioden. DieDurchlassspannung hängt von der Farbe ab. Rote LEDs leuchten ab etwa 1,8 V, grüneLEDs ab etwa 3 V.

Bild 1.8 zeigt das Bauteil mit der Anschlussbezeichnung, das Schaltungssymbol zeigtBild 1.9.

Bild 1.5: Diode mit Anschlussbelegung

Bild 1.6: Schaltplan-symbol Si-Diode

Bild 1.7: Schaltplan-symbol Schottky-Diode

Bild 1.8: LED mit Anschlussbelegung

14 1 Einleitung

Benötigte Dioden: 1 × LED rot, 1 × LED grün

Piezohörer

Ein flaches Keramikplättchen trägt auf beiden Seiten Metallelektroden. ElektrischeSpannung auf diesen Elektroden verformt das Keramikplättchen, diese Bewegung teiltsich der umgebenden Luft mit, Schallwellen werden ausgesandt. Vorteil dieses einfa-chen Schallwandlers ist die hohe Impedanz (Größenordnung 10 bis 100 kOhm).Allerdings kann der Piezohörer nur als Notbehelf gelten. Wenn Sie wirklich hörenwollen, was Ihre Schaltung leistet, schließen Sie den Ausgang am besten an den Line-In-Eingang des PCs oder an Ihre Hi-Fi-Anlage an.

Bild 1.10 zeigt das Bauteil. Als Schaltungssymbol wird im Simulationsprogramm daseines Widerstands mit 6,8 kOhm verwendet.

Benötigter Piezohörer: 1 Piezoelement

Bild 1.9: Schaltplansymbol LED

Bild 1.10: Piezohörer

15 Widerstände

Widerstände

Widerstände dienen der Pegelabschwächung und der Einstellung geeigneter Gleich-spannungs-Arbeitspunkte. Bei gegebenem Strom kann der gewünschte Spannungsab-fall durch Wahl des Widerstandswerts (ohm’sches Gesetz, siehe Anhang) herbeige-führt werden.

Bild 1.11 zeigt das Bauteil mit der Anordnung der Farbringe. In Bild 1.12 ist dasSchaltungssymbol zu sehen.

Die ersten vier Farbringe geben den Widerstandswert entsprechend nachstehenderTabelle an. Der fünfte (schmalere) Farbring steht für die Toleranz.

Tabelle: Farbcode für Widerstände

Beispiel für einen Widerstand mit 22 kOhm:

1. Farbring: Rot2. Farbring: Rot

Farbe 1. Ring =1. Ziffer

2. Ring = 2. Ziffer

3. Ring =3. Ziffer

4. Ring =Multiplikator

5. Ring =Toleranz

Schwarz 0 0 1Braun 1 1 1 10 1 %Rot 2 2 2 100 2 %Orange 3 3 3 1.000Gelb 4 4 4 10.000Grün 5 5 5 100.000 0,5 %Blau 6 6 6 1.000.000Violett 7 7 7 10.000.000Grau 8 8 8Weiß 9 9 9Gold 0,1 5 %Silber 0,01 10 %

Bild 1.11: Widerstand mit Farbringen

Bild 1.12: Schaltplansymbol Widerstand

16 1 Einleitung

3. Farbring: Schwarz

4. Farbring: Rot

5. Farbring: Braun

Entsprechend der Fertigungstoleranz werden die Widerstandswerte nach sogenann-ten Toleranztabellen produziert. Üblich sind Toleranzwerte von 10 und 5 %. DieseWiderstände werden als Kohleschichttypen zu niedrigen Preisen mit Werten zwischen1 Ohm und 22 MOhm angeboten. Weniger Rauschen und bessere Genauigkeit (1 und0,5 %) weisen Metallschichtwiderstände auf.

Widerstandstabelle für 10 % Toleranz = E-12-Reihe



Zusätzlich gibt es bei 1-%-Widerständen auch die „geraden“ Widerstandswerte, wiebeispielsweise 22,0 kOhm und nicht nur 22,1 kOhm.

Benötigte Widerstände:

2 × 100 Ohm (braun, schwarz, schwarz, schwarz, braun)

3 × 1 kOhm (braun, schwarz, schwarz, braun, braun)

2 × 2,2 kOhm (rot, rot, schwarz, braun, braun)

3 × 10 kOhm (braun, schwarz, schwarz, rot, braun)

4 × 22 kOhm (rot, rot, schwarz, rot, braun)

3 × 56 kOhm (grün, blau, schwarz, rot, braun)

2 × 100 kOhm (braun, schwarz, schwarz, orange, braun)

2 × 220 kOhm (rot, rot, schwarz, orange, braun)

2 × 560 kOhm (grün, blau, schwarz, orange, braun)

10 12 15 18 22 27 33 39 47 56 68 82

10 11 12 13 15 16 18 20 22 24 27 3033 36 39 43 47 51 56 62 68 75 82 91

10,0 10,2 10,5 10,7 11,0 11,3 11,5 11,8 12,1 12,4 12,7 13,013,3 13,7 14,0 14,3 14,7 15,0 15,4 15,8 16,2 16,5 16,9 17,417,8 18,2 18,7 19,1 19,6 20,0 20,5 21,0 21,5 22,1 22,6 23,123,7 24,3 24,9 25,5 26,1 26,7 27,4 28,0 28,7 29,4 30,1 30,931,6 32,4 33,2 34,0 34,8 35,7 36,5 37,4 38,3 39,2 40,2 41,242,2 43,2 44,2 45,3 46,4 47,5 48,7 49,9 51,1 52,3 53,6 54,956,2 57,6 59,0 60,4 61,9 63,4 64,9 66,5 68,1 69,8 71,5 73,275,0 76,8 78,7 80,6 82,5 84,5 86,6 88,7 90,9 93,1 95,3 97,6

17 Kondensatoren

Kondensatoren

Je nach Kapazität und Anwendungsbereich sind Kondensatoren unterschiedlich auf-gebaut. Für HF geeignete Kondensatoren haben Werte zwischen 1 pF und 100 nF. Siesind als Keramikkondensatoren meist in Scheibenform erhältlich. Bild 1.13 zeigteinen Keramikkondensator. Das Schaltbildsymbol finden Sie in Bild 1.14.

Der Wert des Keramikkondensators wird in drei Ziffern nach folgendem Verfahrenverschlüsselt:

1. Zahl = erste Ziffer2. Zahl = zweite Ziffer3. Zahl = Multiplikator

Beispiele:

Aufdruck = 221 entspricht 220 pFAufdruck = 104 entspricht 100 nF

Im NF-Bereich werden höhere Kapazitätswerte benötigt, die nicht mehr als Keramik-kondensator zur Verfügung stehen. Es werden Elektrolytkondensatoren eingesetzt.Diese sind polarisiert, der Pluspol muss jeweils am höheren positiven Potenzial ange-schlossen werden. Außerdem sind sie jeweils für einen maximalen Spannungswertausgelegt. Dieser Wert ist aufgedruckt und darf nicht überschritten werden. Bild 1.15zeigt einen Elektrolytkondensator.

Beachten Sie bitte beim Aufbau der realen Schaltungen die Polarität und den maxi-malen Spannungswert beim Einsatz von Elektrolytkondensatoren. Im Zweifelsfall

Bild 1.13: Keramikkondensator

Bild 1.14: Schaltplansymbol Kondensator

Bild 1.15: Elektrolytkondensator mit Anschlussbelegung

18 1 Einleitung

können Sie in der virtuellen Schaltung Höhe und Polarität des Gleichspannungspo-tenzials bestimmen.

Benötigte Kondensatoren:2 × Keramikkondensator 220 pF (221)3 × Keramikkondensator 1 nF (102)3 × Keramikkondensator 10 nF (103)1 × Keramikkondensator 100 nF (104)1 × Elektrolytkondensator 1 µF/10 V (oder höher)3 × Elektrolytkondensator 10 µF/10 V (oder höher)1 × Elektrolytkondensator 10 µF/160 V (oder höher)1 × Elektrolytkondensator 100 µF/6 V (oder höher)

Batterieanschluss

Mit dem Batterieanschluss (Clip) wird die 9-V-Batterie an die reale Schaltung ange-schlossen. Bild 1.16 zeigt den Batterieanschluss. Beachten Sie bitte die angegebeneFarbcodierung für die Polarität der Spannung.

Benötigter Batterieanschluss: 1 × Clip für 9-V-Batterie

Schaltdraht

Zur Herstellung der Verbindungen auf dem Steckboard sowie für die Schiebespulewird Schaltdraht verwendet (Bild 1.17). An den Enden entfernen Sie die Kunststoffi-

Bild 1.16: 9 V Batterie-Anschlussclip mit Polarität

19 Bezugsquellen

solierung mit einem Taschenmesser auf etwa 5 mm Länge. Abgeschnitten wird derDraht mit einem kleinen Seitenschneider.

Benötigter Schaltdraht: 12 m Schaltdraht kunststoffisoliert

Bezugsquellen

Unter anderem liefern folgende Firmen alle gängigen Elektronikbauteile auch in klei-nen Stückzahlen (ab Einzelstück) an Privatpersonen:

www.conrad.dewww.reichelt.dewww.segor.de

Bild 1.17: Schaltdraht

91

4 Elektronische Regelungen entwickeln und aufbauen

Wie bereits angemerkt: Ob Küchengeräte, Fernsteuerungen, Industriesteuerungen,Autos und Flugzeuge, Radio- und Fernsehgeräte, Handys und mp3-Player – ohneelektronische Regelungen würde nichts mehr funktionieren. Deshalb sei auch diesemThema ein eigenes Kapitel gewidmet, sodass Sie Gelegenheit haben, das Verhalten vonelektronischen Regelschaltungen kennenzulernen und zu studieren.

Stabilisierte Spannungsquelle simulieren und aufbauen

Kaum eine elektronische Schaltung, die nur dann gut funktioniert, wenn an kriti-schen Schaltungspunkten eine konstante Spannung zur Verfügung steht. Bild 4.1 zeigtdie typische Grundschaltung eines Spannungsstabilisators. Die Stabilisierung bewirktder Transistor Q2, mit Q1 wird lediglich eine Zenerdiode simuliert. C1 hat keineFunktion und wird nur deshalb eingefügt, damit das Simulationsprogramm keineoffenen Bauteilanschlüsse findet. Zenerdioden werden bekanntlich in Sperrrichtung

Bild 4.1: Spannungsstabilisator

92 4 Elektronische Regelungen entwickeln und aufbauen

betrieben, deshalb liegt der Emitteranschluss von Q1 an Plus. Über R2 fällt die kon-stante Vorspannung für Q2 ab. Verringert sich der Lastwiderstand R2, würde ohneStabilisierung die Spannung sinken. In der vorliegenden Schaltung wird bei zurückge-hender Spannung über R2 der Transistor mit einer höheren Emitter-Basis-Spannungversorgt, der Transistor lässt also mehr Strom passieren. Damit aber wird der Span-nungsabfall über R2 konstant gehalten.

Laden Sie die Schaltung (example-04-01) in das Simulationsprogramm. Mittels Tran-sientenanalyse messen Sie die Ausgangsspannung für verschiedene Werte von R2. ImSchaltbild sind einige Analysewerte eingetragen.

Für den Vergleich von Theorie und Praxis bauen Sie jetzt die reale Schaltung auf (Bild4.2). Schließen Sie an den Ausgang (falls vorhanden) ein digitales Vielfachmessgerät,Messbereich Gleichspannung 20 V) an. Notieren Sie die gemessene Spannung. Verän-dern Sie den Lastwiderstand und messen Sie die Ausgangsspannung erneut. So erhal-ten Sie einen Überblick über das Stabilisierungsvermögen der Schaltung. VergleichenSie die Ergebnisse mit den im Simulationsprogramm gewonnenen. Abweichungensind auf Toleranzen der beteiligten Bauteilparameter zurückzuführen.

Stabilisierte Stromquelle simulieren und aufbauen

Stabilisierte Stromquellen werden häufig benötigt. Ein Beispiel:

Der Wert von Widerständen soll gemessen werden, es steht aber kein Widerstands-messgerät zur Verfügung, lediglich ein Messgerät für Gleichspannung. Versorgen Siedie unbekannten Widerstände R mit einem konstanten Strom I, dann kann derWiderstandswert mit der Formel R = U mal I leicht berechnet werden. I ist konstantund bekannt, die Spannung U wird gemessen.

Bild 4.2: Spannungsstabilisator, real aufgebaut

93 Variable Zenerdiode simulieren und aufbauen

In Bild 4.3 sehen Sie das Schaltbild. Der Transistor Q1 wird in Emitterschaltung mitGleichstrom-Gegenkopplung durch die Emitterwiderstände R4/5 betrieben. Der Kol-lektorstrom (fließt durch den Lastwiderstand) wird von der SpannungsdifferenzEmitter zu Basis bestimmt. Ändert sich die Größe des Lastwiderstands, bleibt dieSpannungsdifferenz Emitter zu Basis gleich – lediglich die Spannungsdifferenz Emit-ter zu Kollektor verringert sich entsprechend. Der Widerstand dieser Strecke ist sehrhoch, sodass sich nur eine geringfügige Stromänderung durch die Lastwiderstandsän-derung ergibt.

Laden Sie die Schaltung (example-04-02) in das Simulationsprogramm. Mittels Tran-sientenanalyse können Sie die den Strom durch R2 messen. Bestimmen Sie diesenWert für unterschiedliche Werte von R2. Einige Messwerte sind im Schaltbild einge-tragen.

Das Verhalten kann auch an der realen Schaltung (Bild 4.4) studiert werden. Miteinem eventuell vorhandenen Vielfachmessgerät können Sie gegebenenfalls wiederden Spannungsabfall U über unterschiedlichen Lastwiderständen R bestimmen. DenStromwert I erhalten Sie mithilfe der Formel I = U geteilt durch R.

Variable Zenerdiode simulieren und aufbauen

Gerade beim Experimentieren wäre es oft wünschenswert, wenn zur Spannungsstabi-lisierung eine Zenerdiode mit dem gewünschten Spannungswert verfügbar wäre.Meist finden sich aber alle möglichen Werte in der Bastelkiste, nur der benötigte ist

Bild 4.3: Stromstabilisator


nicht darunter. Dann bauen Sie sich einfach eine variable Zenerdiode. Damit könnenSie den gewünschten Wert durch die passende Wahl zweier Widerstände einstellen.

Bild 4.5 zeigt das Schaltbild. Die Ausgangsspannung wird konstant gehalten. Beginntdie Ausgangsspannung infolge verringerter Batteriespannung zu sinken, sinkt auchdie Vorspannung an der Basis von Q2 und damit auch an der Basis von Q1. Damit

Bild 4.4: Stromstabilisator real aufgebaut

Bild 4.5: Variable Zenerdiode

95 DC-DC-Aufwärtswandler simulieren und aufbauen

aber sinkt der Strom durch Q1, womit die Ausgangsspannung wieder steigt, da sichder Spannungsabfall über R4 verringert. Die drohende Ausgangsspannungsabsen-kung wird ausgeglichen.

Probieren Sie aus, ob diese Schaltung wirklich funktioniert. Laden Sie example-04-03in das Simulationsprogramm. Mit der Transientenanalyse bestimmen Sie die Aus-gangsspannung. Erhöhen bzw. reduzieren Sie schrittweise die Batteriespannung undbestimmen Sie jeweils die zugehörige Ausgangsspannung. Im Schaltbild sind einigeWerte eingetragen. Variieren Sie die Werte von R1 und R2, um eine andere Größe fürdie Ausgangsspannung zu erzielen. Anhaltspunkte finden Sie wieder im Schaltbild.

Die reale Schaltung (Bild 4.6) ist schnell aufgebaut. Mit dem Vielfachmessgerätbestimmen Sie die Ausgangsspannung. Ändern Sie diese durch Variation der Wertevon R1 und R2. Eventuell können Sie die Schaltung aus einem Gleichspannungs-Netzgerät mit einstellbarer Ausgangsspannung speisen. Dann können Sie die Ein-gangsspannung variieren und beobachten ob (und wenn ja, wie viel) sich die Aus-gangsspannung dabei verändert.

DC-DC-Aufwärtswandler simulieren und aufbauen

Insbesondere bei batteriebetriebenen Geräten kommt es häufig vor, dass Gleichspan-nungen benötigt werden, die deutlich über der Höhe der Batteriespannung liegen.Beispiele: Betriebsspannung für eine Abstimmdiode (ca. 20 V) in einem Empfänger,betrieben mit 3 V Batteriespannung. Betriebsspannung für eine LCD-Anzeige (ca.15 V) in einem Messgerät, betrieben mit 9 V Batteriespannung.

Sicher kann Gleich- in Wechselspannung zerhackt, mit einem Trafo hochgespanntund dann wieder gleichgerichtet werden. Gegen diese Methode sprechen der

Bild 4.6: Variable Zenerdiode, real aufgebaut


schlechte Wirkungsgrad sowie der hohe Preis, Platz- und Gewichtsbedarf des Trans-formators.

Einfacher kann die Aufgabe mittels DC-DC-Wandler gelöst werden. Bild 4.7 zeigtdas Schaltbild. Eine Spule L1 wird von Q1 mit der Batterie verbunden bzw. davonisoliert. Die Basis von Q1 wird von einer Rechteckspannung angesteuert und vondem als RC-Generator fungierenden Transistor Q2 erzeugt. Die Frequenz liegt beietwa 160 kHz. So oft wird L1 von Q1 mit der Batterie verbunden, dabei magnetischaufgeladen und dann wieder getrennt. Die gespeicherte magnetische Energie derSpule verwandelt sich in eine Spannung, die über D1 den Kondensator C2 auflädt.Bei jedem Taktzyklus kommt das gleiche Ladungspaket von der Spule zum Konden-sator. Dieser lädt sich also immer weiter auf, und wenn keine Vorsorge getroffenwird, schreitet die Aufladung bis zur Zerstörung von C2 fort. Im vorliegenden Fallgesteht die Vorkehrung darin, dass über R5 und die LED D2 ein Strom fließt, derumso höher ausfällt, je höher die Ausgangsspannung ist. Damit reguliert sich dasSystem von selbst auf eine verträgliche Ausgangsspannung von etwa 50 V (Bild 4.8).Betreiben Sie deshalb die reale Schaltung nie (!) ohne Belastung am Ausgang. Poten-ziell gefährliche Versuche führen Sie am besten nur an der simulierten und nicht ander realen Schaltung durch.

Laden Sie jetzt die Schaltung (example-04-04) in das Simulationsprogramm. StartenSie die Simulation und haben Sie dann ein wenig Geduld, bis der PC die aufwendigeRechenarbeit erledigt hat. Das Ergebnis sieht dann so aus, wie in Bild 4.8 gezeigt.Überzeugen Sie sich davon (Klick mit der rechten Maustaste auf das Symbol), dass dieSpule mit den richtigen Werten für den Serien- und Parallelwiderstand versehen sind(Bild 4.9). Diese Werte repräsentieren die Wicklungs- und Abstrahlungsverluste der

Bild 4.7: DC-DC-Wandler


realen Spule. Beobachten Sie das Verhalten der Schaltung für unterschiedliche Wertevon C2 und R5. Kleinere Werte von R5 reduzieren erwartungsgemäß die maximalerreichbare Ausgangsspannung (Bild 4.10). Untersuchen Sie auch die Steuerspannungan der Basis von Q1.

Bild 4.8: Ausgangssignal DC-DC-Wandler

Bild 4.9: Fenster Inductor mit den Spulen-parametern

Bauen Sie die reale Schaltung nur dann auf (Bild 4.11), wenn Sie im Umgang mithohen Spannungen Erfahrung besitzen, und beachten Sie die dabei geltendenSicherheitsvorschriften.


Überzeugen Sie sich davon, dass am Ausgang eine Last angeschlossen ist, bevor Sie dieBatteriespannung anlegen. Als Spule verwenden Sie die Spule aus dem VersuchSchwingkreis/Detektorempfänger. Stellen Sie die Schiebespule auf einen mittlerenInduktivitätswert ein. Bessere Ergebnisse erhalten Sie mit einer kleinen Festinduktivi-tät aus der Bastelkiste (irgendein Wert zwischen 22 und 100 µH). Mit dem Vielfach-

Bild 4.10: Verlauf der Schwingspannung

Bild 4.11: DC-DC-Wandler real aufgebaut


messgerät können Sie die Ausgangsspannung messen, die, je nach Batteriezustand,zwischen etwa 25 und 50 Volt liegt. Entfernen Sie nie die Last am Ausgang, solangedie Batterie angeschlossen ist. Berühren Sie nie die Anschlüsse der Last (R5 und D2),denn dort kann eine gefährlich hohe Spannung anliegen. Wie sich die entscheidendenBauteile des DC-DC-Wandlers rechnerisch optimieren lassen, finden Sie im Formel-anhang.

Das vierte Kapitel mit dem Thema „elektronische Regelungen“ haben Sie damiterfolgreich absolviert. Sie können jetzt einfache Stabilisierungsschaltungen mit demSimulationsprogramm entwickeln und optimieren, das Prinzip von DC-DC-Auf-wärtswandlern ist Ihnen vertraut.

148

7 Bedienung des Programms PC-Oszilloskop (oszilight)

Neben dem Vielfachmessgerät ist das Oszilloskop das mit Abstand wichtigste Messge-rät bei der Entwicklung realer elektronischer Schaltungen. Da es in Hardwareausfüh-rung relativ teuer ist, ist es nicht in jedem Bastelzimmer vorhanden. Heute gibt esOszilloskope auch als PC-Programm. Der nutzbare Frequenzbereich wird von demzwischen realer Schaltung und PC liegenden Interface bestimmt. Für den NF-Bereichgenügt als Interface die eingebaute Soundkarte. Auf der beiliegenden CD-ROM fin-den Sie die Vollversion eines PC-Oszilloskops, das mit der Soundkarte im PC funktio-niert. Es bietet folgende technische Daten:

2 KanäleFrequenzbereich 20 Hz bis 20 kHz (abhängig von der verwendeten Soundkarte)Empfindlichkeit 1 mV bis 1 V/Div, mit Tastkopf bis 10 V/DivZeitablenkung 1 s/Div bis 100 µs/DivX/Y DarstellungBildschirmgröße 100 x 100 Div Spektraldarstellung (Fourieranalyse)SpeicheroszilloskopHardcopy des Oszilloskopbildschirms

Das Programm liegt als ausführbare Datei oszilight.exe vor, braucht also nicht instal-liert zu werden. Kopieren Sie die Datei in das Verzeichnis C:\Programme. Dort belegtes rund 0,4 MB Speicherplatz. Am einfachsten ist es, wenn Sie auf dem Desktop eineVerknüpfung zu C:\Programme\oszilight.exe anlegen.

Bedanken möchte ich mich beim Autor für die Erlaubnis, dieses nützliche Programmauf der beiliegenden CD-ROM weitergeben zu dürfen.

Verbindung mit der Soundkarte herstellen

Nach dem ersten Start aktivieren Sie als Erstes die Registerkarte Options. Dort findenSie das Listenfeld Wavedevice. Klappen Sie dieses Feld auf und Sie finden dort die inIhrem PC installierte Soundkarte. Markieren Sie diesen Eintrag (Bild 7.1). Die übri-

149 Verbindung mit der Soundkarte herstellen

Bild 7.1: Registerkarte Options

Bild 7.2: PC-Oszilloskop

150 6 Bedienung PC-Simulationsprogramm (SW CAD III)

gen Einstellungen können Sie belassen. Damit ist das Programm mit der Soundkarteverbunden und zeigt die Wellenform der Signale im linken und rechten Audiokanalseparat an (Bild 7.2).

Oszilloskop einschalten

Wenn Ihre Soundkarte über einen eigenen Lautstärkeregler verfügt, öffnen Sie diesen.Andernfalls benutzen Sie die von Windows zur Verfügung gestellte Lautstärkerege-lung.

1. Öffnen Sie die Lautstärkeregelung (Bild 7.3).2. Wählen Sie im Menü Optionen den Punkt Eigenschaften. Das Fenster Eigenschaften

(Bild 7.4) erscheint. Wählen Sie die Option Aufnahme im Abschnitt Lautstärkeregeln für. Drücken Sie die Taste OK. Das Fenster wird geschlossen, und das FensterLautstärkeregelung zeigt jetzt die Regler für die Aufnahmekanäle (Bild 7.5). Akti-vieren Sie die Option Auswählen beim Kanal Line-In. Alle anderen Kanäle werdenautomatisch deaktiviert. Stellen Sie den Schieberegler Line-In ganz nach oben.

Die Vorbereitungen sind damit abgeschlossen, Sie können das Fenster Aufnahme jetztverkleinern oder schließen. Das Oszilloskop ist betriebsbereit.

Bild 7.3: Fenster Windows Lautstärkeregelung

151 Oszilloskop einschalten

Bild 7.4: Fenster Eigenschaften

Bild 7.5: Fenster Aufnahmeregler

152 7 Bedienung des Programms PC-Oszilloskop (oszilight)

DUT anschließen

Der Eingang der Soundkarte bzw. eines externen Audio-Interfaces reagiert sehr emp-findlich auf Übersteuerungen. Sobald die Eingangsspannung den Wert 2 V übersteigt,kann die Schaltung Schaden nehmen. Viele der im vorliegenden Lernpaket gebautenSchaltungen liefern NF-Signale, deren Pegel deutlich über 2 V liegt. Deshalb wird einEingangsspannungsteiler benötigt.

Abgestimmt auf die Eingangsimpedanz der Soundkarte finden Sie in Bild 7.6 dasSchaltbild eines geeigneten Spannungsteilers für einen Kanal. Bringen Sie die beidenWiderstände R1 und R2 in einem kleinen, abgeschirmten Stiftgehäuse unter (das vonder Mine befreite Gehäuse eines Metallkugelschreibers eignet sich hervorragend).Eine abgeschirmte Leitung mit einer Länge von etwa 3 m, abgeschlossen mit einem3,5-mm-Klinkenstecker stellt die Verbindung zum PC her. Sie müssen für den linkenund den rechten Kanal jeweils eine eigene Leitung mit eigenem Taststift an den Klin-kenstecker 3,5 mm anschließen. Ein kurzes Stück Litze (ca. 20 cm) führt vom Masse-anschluss des Stiftgehäuses zur Masse der zu untersuchenden Schaltung (DUT –Device under Test) her. Der Spannungsteiler verhindert eine Beschädigung desAudio-Interfaces. Für eigene Schaltungen müssen Sie den Spannungsteiler gegebe-nenfalls anpassen. Mehr als 2 V dürfen nicht zum Line-In-Eingang gelangen.

Wellenform darstellen

Wenn Sie die Tastspitze an Ihre Schaltung (DUT) angeschlossen haben, sehen Sie aufdem Oszilloskopschirm die Wellendarstellung des Signals (Bild 7.7). Folgende Ein-stellungen sind vorzunehmen:

Bild 7.6: Spannungsteiler

153 Betriebsart einstellen

Betriebsart einstellen

Soll das Oszilloskop freilaufend arbeiten, muss die Option hold deaktiviert sein,ansonsten fungiert das Gerät als Speicheroszilloskop.

Als Nächstes entscheiden Sie, ob Ein- oder Zweikanalbetrieb benötigt wird. Bei Ein-kanalbetrieb wählen Sie auf der Registerkarte Channel1 im Listfeld den Modus time,auf der Registerkarte Channel2 wählen Sie den Modus off. Benutzt wird der Taststiftfür den linken Kanal, deshalb wählen Sie im Listfeld SourceY den Eintrag left. BeiZweikanalbetrieb können Sie die Option Trigger aktivieren und mit den Schiebereg-lern Y und X das Einrasten auf den entsprechenden Kanal erzwingen.

Empfindlichkeit und Zeitablenkung einstellen

Mit den beiden Schiebereglern im Abschnitt Y legen Sie die Empfindlichkeit (1 bis1.000 mV/Div, linker Schieberegler) und die Strahllage (rechter Schieberegler) fest.Beachten Sie, dass die tatsächlich gemessene Spannung durch den verwendeten Span-nungsteiler um den Faktor 10 höher liegt.

Den geeigneten Zeitablenkungsfaktor wählen Sie mit dem linken Schieberegler imAbschnitt X. Einstellungen zwischen 1 s/Div und 100 µs/Div sind möglich.

Bild 7.7: Wellendarstellung des PC-Oszilloskops


Ein sinusförmiges Signal mit einer Frequenz von 1 kHz sieht dann auf dem Oszillo-skopschirm bei einer Zeitablenkung von 0,25 ms/Div so aus wie in Bild 7.8.

Spektrum untersuchen

Die Einstellung und Zuordnung der Kanäle erfolgt wie oben beschrieben. Wählen Sieim Listfeld Betriebsart den Modus fft. Die Empfindlichkeit des Y-Kanals wird jetzt indB/Div eingestellt, der Darstellungsbereich der X-Achse in Hz/Div (Bild 7.9).

Die Y-Achse wird so eingestellt, dass die Grundlinie am unteren Rand des Oszillo-skopbildschirms zu liegen kommt und der Grundwellen-Peak gut abgelesen werdenkann. Beachten Sie, dass die Y-Achse jetzt logarithmisch und nicht linear, wie bei derWellenformdarstellung, dargestellt wird. Die Einstellung der X-Achse, die linear dar-gestellt wird, hängt davon ab, wie fein Sie das Spektrum auflösen wollen.

Speisen Sie ein geeignetes Signal ein, beispielsweise ein Sinussignal mit 1 kHz. In Bild7.10 sehen Sie das Ergebnis und die gewählten Einstellparameter des Fourier-Analysa-tors. Neben dem großen Grundsignal-Peak ist bei 8 kHz eine ganz geringe Oberwellezu sehen.

Ebenso typisch die Spektraldarstellung eines Sägezahnsignals, ebenfalls mit 1 kHzGrundfrequenz. Bild 7.11 zeigt die regelmäßig erscheinenden charakteristischenOberwellen und die gewählten Einstellparameter des Analysators.

Bild 7.8: Darstellung 1-kHz-Signal

155 Spektrum untersuchen

Bild 7.9: Fenster Einstellungen Fourier-Analyse

Bild 7.10: Analysefenster mit 1-kHz-Sinus-Signal


Bild 7.11: Analysefenster mit 1-kHz-Sägezahn-Signal

Bild 7.12: Analysefenster mit 1-kHz-Rechteck-Signal

157 Spektrum untersuchen

Untersuchen Sie weitere Signalformen wie beispielsweise Rechteck (Bild 7.12) undRauschen (Bild 7.13).

Mit fortschreitender Erfahrung verändern sich die Anforderungen an das Oszilloskop.Die verwendete Soundkarte schränkt den Einsatz auf den Frequenzbereich 20 Hz bis20 kHz ein. Es gibt inzwischen relativ preiswerte PC-Oszilloskop-Interfaces mit USB-Anschluss, die einen Frequenzbereich von 0 bis 20, 50 oder 100 MHz bieten. Damitkönnen auch Gleichspannungssignale erfasst werden. Ein weiterer Vorteil dieserMessgeräte besteht darin, dass die Eingangsimpedanz bei niedriger Frequenz bei etwa1 MOhm liegt, bei HF kann ein Abschluss von 50 Ohm realisiert werden. In der Regelwird auch der Betrieb als Spektrenanalysator unterstützt. Damit wird Ihr PC oder IhrNotebook zum hochwertigen Messplatz.

Bild 7.13: Analysefenster mit Rauschsignal

Richard Zierl

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