Wechselstromeigenschaften von RLC-Gliedern · Physikalisches Anf¨angerpraktikum der Universit ¨at...

Physikalisches Anfangerpraktikum der Universitat Heidelberg - Praktikum APL 1 Versuch 241 RLC-Glieder

Versuch 241

Wechselstromeigenschaften von

RLC-Gliedern

Abbildung 1: Versuchsaufbau.

I Messaufbau

• PC- gesteuerter Funktiongenerator und Speicheroszilloskop

• Analog- Oszilloskop

• Diverse passive Bauteile: Widerstande, Spulen, Kondensatoren, Diode

• Steckbrett zum Aufbau von Schaltungen

• Impedanzwandler mit Netzteil

• Niederfrequenz- Verstarker mit Netzteil

• Langdrahtantenne, Erdleitung

• Zwei Kopfhorer mit unterschiedlicher Impedanz

• Computer mit Drucker

II Literatur

Alle fur diesen Versuch erforderliche theoretische Hintergrunde, werden in die-ser Anleitung sehr ausfuhrlich im Kapitel Grundlagen behandelt. Weiterhinwird dieses Thema von nahezu allen Standardwerken der Physik aufgegriffen:z.B. Gerthsen, Bergmann-Schafer, Tipler, Demtroder etc.Fur den an allgemeiner Elektronik interessierten Leser, seien auch noch dieBucher von Horrowitz/ Hill, The Art of Electronics sowie das Buch von Tietze-Schenk, Halbleiterschaltungstechnik zu empfehlen.Ferner befinden sich auf der Homepage (http://www.physikpraktika.uni-hd.de)weitere Informationen: Java-Aplets zum RC-Glied und Schwingkreis, Grundla-gen der komplexen Zahlen sowie weitere nutzliche Links zur Thematik.

III Vorbereitung

Mathematische Vorraussetzungen: Der Einfachheit wegen werden in diesemVersuch Schwingungsvorgange mit Hilfe komplexer Zahlen beschrieben. Ihnenmuss klar sein, wie man hiermit die realen Schwingungsvorgange beschreibtund den Betrag und die Phase bestimmt. Zusatzlich sollten Sie mit einfachenDifferentialgleichungen, denen Sie bereits in der Mechanik begegnet sind,vertraut sein.

Verstandnisfragen:

1. Wie groß ist die Zeikonstante eines RC-Gliedes? Was genau beschreibt Sie?

2. Was versteht man unter der Impedanz? Geben Sie die Impedanz einesohmschen Widerstands, eines Kondensators und einer Induktivitat an.

3. Unter welchen Vorraussetzungen verhalt sich ein RC-Glied als Integratorbzw. als Differentiator?

c© Dr. J.Wagner - Physikalisches Anfangerpraktikum - V. 0.3 Stand 08/2008

1


4. Skizzieren Sie den Frequenzgang eines Hoch- und Tiefpassfilters. Wie istdie Grenzfrequenz definiert?

5. Wovon hangt bei einem RC-Glied die Phasenverschiebung zwischenEingangs- und Ausgangsspannung ab? Wie groß ist die Phasenverschie-bung bei der Grenzfrequenz sowie bei sehr hohen und sehr kleinen Fre-quenzen?

6. Stellen Sie eine Analogie zwischen einem elektrischen und einem mecha-nischen Schwingkreis her. Welchen elektrischen Großen entsprechen derMasse, Auslenkung, Geschwindigkeit, Federkonstante und Reibungskon-stante?

7. Wie berechnet sich die Eigenfrequenz eines elektrischen Schwingkreises?Welche Großen bestimmen die Dampfung des Schwingkreises?

8. Wie groß ist die Impedanz eines LC-Glieds in Serien- und Parallelschal-tung?

9. Was ist der Unterschied zwischen einer freien und einer erzwungenenSchwingung? Skizzieren Sie den Frequenzgang eines Serienschwingkreisesbei Abgriff uber dem Widerstand, Kondensator und Spule. In welchenFallen tritt eine Resonanzuberhohung auf?

IV Motivation

Elektrische Schaltungen mit Widerstanden (R), Kondensatoren (C) und Spulen(L), sogenannte passive Bauelemente, stellen in der Wissenschaft und Technikein elementares Schaltungskonzept dar. So liefern beispielsweise RLC-Gliederdie Zeitbasis fur viele elektrisch erzeugte Schwingungsablaufe. Ein analogerFunktionsgenerator, mit dem Sie hier im Praktikum haufig arbeiten werden,erhalt seine Zeitinformation letztendlich von einem internen RC-Glied. Eineweitere wichtige Anwendunge von RC-Glieder stellen Filter-Schaltungen dar.Die Spannung, die in einer RC-Schaltung uber dem Kondensator abfallt, hangtvon der Frequenz der eingepragten Spannung ab. Mit anderen Worten: DerWechselstromwiderstand (Impedanz) ist frequenzabhangig. Somit lassen sichSchaltungen aufbauen, die nur Tiefe, nur Hohe oder nur einen bestimmten Fre-quenzbereich durchlassen. Denken Sie beispielsweise an den Verstarker IhrerStereoanlage. Auch hier sind Filterschaltungen auf Basis von RC-Gliedern vor-handen, mit denen Sie die Hohen, Mitten und Tiefen des Audiosignals nach

Ihrem Musikempfinden durch Filterung einstellen konnen (Klangregelung, Fre-quenzweiche des Lautsprechers).Eine in der Physik wichtige Anwendung von passiven Bauelementen, stellt dieSignalformung bzw. die Signalaufbereitung dar. Haufig wird die zu messendephysikalische Große mit Hilfe von Sensoren in eine korrespondierende elektri-sche Große (Strom, Spannung etc.) gewandelt. In vielen Fallen ist diese Großeaber nicht ohne zusatzliche Maßnahmen direkt auswertbar. Der eigentlichen In-formationen konnen erhebliche Storanteile wie beispielsweise frequenzabhangi-ges Rauschen, das 50-Hz Netzbrummen oder elektrisches Ubersprechen bzw.Einkopplung von Hochfrequenz- Signalen uberlagert sein, die das

”direkte Ab-

lesen“ der zu messenden physikalischen Große unmoglich machen. Die Messsi-gnale mussen daher mit Hilfe von RLC- Schaltungen aufbereitet werden, sodass alle Storanteile so weit wie moglich unterdruckt werden.Neben solch technisch sehr wichtigen Anwendungen dient das Studium vonRLC-Gliedern auch zum Erkennen von parasitaren Effekten in der Messtech-nik. Jedes Kabel und jedes Messgerat besitzen ohmsche, induktive und kapa-zitive Eigenschaften, die die Messung einer physikalischen Große beeinflussenund somit verfalschen konnen. Sollen z.B. sehr schnelle und schmale Impulseerzeugt bzw. gemessen werden, so konnen bereits kleinste Kapazitaten (z.B.Kabel, Kapazitat des Oszilloskops etc.) die Flankensteilheit der Impulse be-eintrachtigen. Es ist daher wichtig diese Einflusse schon vor einer Messung zuerkennen und entsprechend zu kompensieren.Es sollte noch erwahnt werden, dass die resonanten Eigenschaften von RLC-Gliedern viele Parallelen zu anderen Bereichen der Physik aufweisen. Die Re-sonanz, sei es in der Optik, der Quantenmechanik oder in irgendeinem anderenGebiet der Physik, stellt ein fundamentales Konzept dar. Das exakte mecha-nische Analogon zum elektrischen RLC-Resonanzkreis haben Sie bereits imPraktikum 1 bei der Durchfuhrung des Versuchs 13, dem Drehpendel, studiert.Auch die Messung der Schallgeschwindigkeit in Versuch 26 mit dem Quincke-schen Rohr basierte auf Resonanzeffekte. Im Bereich der Optik werden Re-sonanzphanomene ausgenutzt um schmalbandige Filter zu realisieren. Damitlassen sich Spektren von Lichtquellen hochauflosend untersuchen (z.B. Fabry-Perot Interferometer) oder außerst monochromatische Lichtquellen, wie es beimLASER der Fall ist, erzeugen1.Dieser Versuch ist in zwei Teile gegliedert. Im ersten Teil werden Sie dieWechselstromeigenschaften passiver Bauelemente experimentell untersuchen

1Die Funktion eines LASERS ist nicht allein auf ein Resonazphanomen zuruckzufuhren.

Allerdings ist ein optischer Resonator Bestandteil jedes Lasersystems.


2


und charakteristische Großen von RC-Filtern bzw. RLC-Schwingkreisen expe-rimentell verifiziern. Der zweite Teil konzentiert sich auf die praktische Anwen-dung von RLC- Schaltungen. Hier werden Sie z.B. erarbeiten, wie aus einem

”gestorten Signal“, das eigentliche Nutzsignal mit Hilfe von Filterschaltungen

extrahiert werden kann. Um dies weiter zu vertiefen, sollen Sie anhand einesselbst aufgebauten Empfangers, ein einfaches Mittelwellen-Radio aufbauen. Dasvon der Antenne empfangene Signal, liefert eine Uberlagerung von mehrerenSendern. Durch ein gezieltes Filtern mit (R)LC- Gliedern der entsprechendenDurchlassfrequenz, konnen Sie den gewunschten Sender von den anderen iso-lieren.

V Grundlagen

Verhalten eines RC- Gliedes im Zeitbereich

Ein Kondensator C und ein Widerstand R werden uber einen Schalter San eine Gleichspannungsquelle UE angeschlossen (Abbildung 2). Wirinteressieren uns fur den zeitlichen Verlauf der Spannung am KondensatorUC : Wird der Schalter geschlossen, so fließt durch den Widerstand ein Stromzum Kondensator. Allerdings konnen die Ladungen nicht durch den Konden-sator fließen, da die beiden Kondensatorelektroden durch ein nichtleitendesDielektrikum getrennt sind. Es kommt daher zu einer Ansammlung vonLadungstragern an den Kondensatorelektroden, wodurch sich uber dem Kon-densator die Spannung UC aufbaut. Man spricht dabei auch vom

”Aufladen

eines Kondensators“. Mit zunehmender Aufladung wird der Ladestrom immergeringer, denn die sich am Kondensator aufbauende Spannung, wirkt derGleichspannungsquelle entgegen, so dass sich pro Zeiteinheit immer wenigerLadungen an den Elektroden ansammeln konnen. Schließlich ist nach einergewissen Zeit die Kondensatorspannung genau so groß wie UE .

Die Spannung am Kondensator erreicht demnach nur allmahlich den Wert derEingangsspannung UE . Der Ladestrom verhalt sich genau umgekehrt. BeimEinschalten fließt ein hoher Ladestrom, der wahrend des Aufladevorgangs im-mer geringer wird und schließlich auf Null zuruckgeht.

Der Ladevorgang eines Kondensators gemaß des Schaltbilds in Abbildung 2lasst sich mathematisch einfach beschreiben. Nach der Kirchhoff’schen Ma-schenregel gilt:

UE = UC + UR = UC + RI. (1)

R

C

UE

UC

S

+

-

UC

I

U, I

t

I

+

-

UE I =U /RE0

t

37 %

63 %

UR

Abbildung 2: Links: Schaltbild. Rechts: Spannungs- und Stromverlauf beim La-den eines Kondensators. I0 = UE/R entspricht dem Ladestrom direkt nachdem Schließen des Schalters und UE ist die Spannung des aufgeladenen Kon-densators, die gerade der Eingangsspannung entspricht. Die Zeitkonstante τentspricht der Zeit, bei der die Kondensatorspannung auf 63% ((e-1)/e) desEndwerts UE angestiegen, bzw. der Ladestrom auf 37% (1/e) des Endwertsabgefallen ist.

Der Strom I lasst sich durch die zeitliche Anderung der Ladung im Kondensatorbeschreiben. Hierfur gilt:

I = Q = CUC . (2)

Einsetzen in (1) liefert eine inhomogene Differentialgleichung erster Ordnung

UE = UC + RC UC ≡ UC + τ UC , (3)

wobei hier die Zeitkonstante τ = RC definiert wurde. Diese Differentialglei-chung ist elementar losbar.

Mit der Anfangsbedingung, dass zum Zeitpunkt t = 0 der Schalter geschlossenwird, ergibt sich fur die Kondensatorspannung

UC(t) = UE(1 − e−t/τ ). (4)

Fur die Spannung am Widerstand UR folgt aus der Kirchhoff’schen Maschen-regel: UR = UE − UC und (4):

UR(t) = UEe−t/τ (5)


3


Fur den Strom gilt nach dem Ohm’schen Gesetz

I(t) = UR(t)/R = I0e−t/τ , (6)

wobei I0 durch UE/R gegeben ist. Direkt nach dem Einschalten fließt im RC-Kreis ein Maximalstrom I0, der den Kondensator aufladt und der mit der Zeit-konstante τ exponentiell auf Null abklingt. Entsprechend steigt die SpannungUC des Kondensators exponentiell mit der Zeitkonstante τ an, bis schließlichder Endwert, die Eingangsspannung UE , erreicht wird.

UC

I

UE

t

t

t

Abbildung 3: Eine rechteckformige Eingangsspannung UE bewirkt ein kontinu-ierliches Laden und Entladen des Kondensators. Beachten Sie, dass sich dieRichtung des Ladestroms I beim Entladen umkehrt.

Das zeitliche Verhalten des Ladevorgangs wird allein durch die Zeitkonstanteτ = RC bestimmt. Je großer τ , desto langer dauert es bis der Kondensatoraufgeladen ist. Dies ist leicht einzusehen, denn ein hochohmiger Widerstand Rbewirkt, dass im Mittel nur ein kleiner Ladestrom fließt. Entsprechend langedauert es bis der Kondensator vollstandig aufgeladen ist. Zudem bedeutet einegroße Kapazitat ein hohes

”Fassungsvermogen“ fur Ladungen. Daher benotigt

eine große Kapazitat bei gegebenem Ladestrom eine langere Ladezeit als einekleine Kapazitat.

Die Zeitkonstante τ kann durch Messung der Halbwertszeit T12 der Kondensa-torspannung experimentell bestimmt werden. Aus Gleichung (4) folgt fur dieHalbwertszeit

UE

2= UE

(

1 − e−T12/τ)

(7)

und damit

τ =T12

ln 2. (8)

Statt einer Gleichspannungsquelle und eines Schalters wird das RC-Glied nunan eine Rechteckspannung mit der Periodendauer T angeschlossen. Steigt dieSpannung von Null auf den Wert UE , so wird der Kondensator - wie zuvordiskutiert - mit der Zeitkonstante τ aufgeladen. Fallt die Spannung dannwieder auf Null zuruck, so wird der Kondensator uber den Widerstand Rentladen. Der Entladevorgang erfolgt mit der gleichen Zeitkonstante τ wieder Ladevorgang. Der zeitliche Verlauf der Kondensatorspannung und desLadestroms ist in Abbildung 3 dargestellt.

Verhalten eines RL- Gliedes im Zeitbereich

Die zuvor durchgefuhrten Uberlegungen, lassen sich auch auf ein RL-Glied anwenden, indem wir den Kondensator durch eine Spule mit derInduktivitat L ersetzen (Abbildung 4). Nach der Kirchhoff’schen Maschenregel

R

L

UE

UL

S

+

-UL

I

U, I

t

I

I =U /REmax

UR

Abbildung 4: Links: Schaltbild. Rechts: Spannungs- und Stromverlauf einer In-duktivitat beim Einschaltvorgang.

gilt:UE = UL + UR. (9)


4


Mit

UR = RI und UL = LI (10)

folgt schließlich

RI + LI − UE = 0. (11)

Die allgemeine Losung dieser inhomogenen Differentialgleichung lautet

I =UE

R+ const. e−

R

Lt, (12)

wobei die Konstante const. durch die Anfangsbedingung festgelegt wird. Wirdder Schalter zum Zeitpunkt t = 0 geschlossen und fließt in diesem Moment derStrom I = 0, so gilt:

I =UE

R

(

1 − e−R

Lt)

. (13)

Fur den zeitlichen Verlauf der Spannung uber der Spule berechnen wir ausUL = LI:

UL = UE e−R

Lt. (14)

Der zeitliche Verlauf der Spannung und des Stromes sind in Abbildung 4 rechtsdargestellt.

Impedanz

Wird ein RC-Glied an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen, so fließt nurfur kurze Zeit ein Ladestrom. Aus (6) lasst sich berechnen, dass nach derZeit t ≈ 7τ der Kondensator bereits zu 99,9% aufgeladen und der Ladestromnahezu auf Null abgesunken ist. Da der Strom nach dem Ladevorgangverschwindet, hat nach dem ohmschen Gesetz ein RC-Glied einen unendlichhohen Gleichstromwiderstand. Anders ist die Situation wenn statt einerGleichspannung eine Wechselspannung an das RC-Glied angeschlossen wird.In diesem Fall andert sich die Eingangsspannung stetig, so dass stets einLaden und Entladen des Kondensators erfolgt. Im Folgenden wollen wir dieSpannungs- und Stromverhaltnisse fur ein einzelnes passives Bauelement(d.h. gesondert fur R, L, C) im Wechselstromkreis berechnen und nach demohmschen Gesetz aus dem Verhaltnis Z = U/I den Wechselstromwiderstandd.h. die Impedanz Z bestimmen (Abbildung 5).Betrachten wir zunachst einen einzelnen ohmschen Widerstand, der an eineWechselspannung UE(t) = U0e

iωt angeschlossen ist. Dabei steht U0 fur die

Amplitude und ω = 2πf fur die Kreisfrequenz der Eingangsspannung. DerStrom I(t) = I0e

iωt ist zu allen Zeiten in Phase mit der Spannung und es gilt:

ZR =U(t)

I(t)=

U0

I0

= R. (15)

Wie bereits erwahnt, steht Z fur den Wechselstromwiderstand, der auch alsImpedanz bezeichnet wird. In diesem Fall besitzt die Impedanz ZR nur einenohmschen Anteil und ist identisch mit dem Gleichstromwiderstand R.

RUE

I

~Z=R

C

I

~Z=

i wC1

L

I

~Z=i wL

U,I

t

U,I

t

U,I

t

U

I

Abbildung 5: Impedanz von Widerstand, Kondensator und Spule.

Bei einer einzelnen Kapazitat im Wechselstromkreis gilt:

UE(t) =Q

C⇒ UE(t) =

I(t)

C⇒ iωUE(t) =

I(t)

C(16)

und somit fur die Impedanz

ZC =UE(t)

I(t)=

1

iωC= − i

ωC. (17)

Die Impedanz eines Kondensators besitzt nur einen Imaginaranteil. Man be-zeichnet solch eine rein imaginare Impedanz auch als Blindwiderstand.


5


Die Bezeichnung”blind“ ruhrt daher, dass dieser, im Gegensatz zu einem ohm-

schen Widerstand, keine elektrische Leistung verbraucht. Da im Nenner ω auf-taucht, ist der Wechselstromwiderstand eines Kondensators frequenzabhangig:Fur ω → 0, d.h. fur Gleichstrom, wird die Impedanz unendlich groß und ver-schwindet fur ω → ∞. Ferner lasst sich aus Gleichung (17) ablesen, dass wegender komplexen Einheit −i im Zahler, zwischen Strom und Spannung eine Pha-senverschiebung besteht: Der Strom eilt der Spannung um π/2 voraus.Die Impedanz einer Spule berechnet sich entsprechend aus

UE(t) = LI(t) = iωLI(t) (18)

und somit

ZL =UE(t)

I(t)= iωL. (19)

Auch hier ist die Impedanz rein imaginar und ebenfalls frequenzabhangig. DieSpannung eilt dem Strom um eine Phasenverschiebung von π/2 voraus.Auf der Frequenzabhangigkeit der Impedanz von Spule und Kondensator,bzw. aus zusammengesetzten Systemen aus Spule Kondensator und auchWiderstanden basieren elementare Filterschaltungen. Auf diese wollen wir inden nachfolgenden Abschnitten ausfuhrlich eingehen. Zudem werden wir derenEigenschaften auch im Zeitbereich studieren und auf typische Oszillations-vorgange eingehen.

Frequenzverhalten von RC-Gliedern

Bisher haben wir nur das Verhalten von RC-Gliedern im Zeitbereich un-tersucht. Um das Verhalten von Kondensatoren in Wechselstromkreisen zuverstehen, soll im Folgenden untersucht werden, wie ein RC-Glied auf einesinusformige Anregung reagiert.Betrachten wir zunachst die Schaltung in Abbildung 6 links. Zwei in Seriegeschaltete Widerstande sind an einer Wechselspannungsquelle UE(t) = U0e

iωt

angeschlossen. Fur die Spannung, die am Widerstand R2 abfallt, folgt nachdem ohmschen Gesetz:

UR2(t) =R2

R1 + R2UE(t). (20)

An R2 fallt demnach eine Spannung ab, die die gleiche Frequenz und Phaseaufweist wie die Eingangsspannung UE(t). Allerdings ist die Amplitude um denFaktor R2/(R1+R2) geringer als U0. Sind beispielsweise die Widerstande gleich

groß, so misst man an R2 nur die Halfte der Amplitude der Eingangsspannung(Spannungsteiler). Die Amplitude hangt aber nicht von der Frequenz ab!

RUE

UR2

R

C

UE

UC

1

R2

UR2

UE

UC

UE

t t

UU

Abbildung 6: Links: Ein- und Ausgangsspannung bei einem rein ohmschenSpannungsteiler. Beide Spannungen sind phasengleich. Die Amplitude der Aus-gangsspannung hangt nur von den beiden Widerstanswerten ab. Rechts: Bei ei-nem kapazitiven Widerstand (Kondensator) kommt es zwischen Eingangs- undAusgangsspannung zu einer Phasenverschiebung. Zudem hangt die Amplitudeder Ausgangsspannung von der Frequenz ab.

Wir ersetzen nun den Widerstand R2 durch einen Kondensator der Kapazitat Cund interessieren uns fur die Spannung UC , die am Kondensator abfallt (Abbil-dung 6 rechts). Fur eine mathematische Behandlung dieses Problems mussenwir lediglich in Gleichung (20) die Impedanz des Widerstands R2 (ZR = R2)durch die Impedanz des Kondensators ersetzen (ZC = −i/ωC):

UC(t) =ZC

R + ZCUE(t) =

−i/ωC

R − i/ωCU0e

iωt (21)

und hieraus den Betrag und die Phase bestimmen:

|UC | =|UE |

√

1 + (ωRC)2, (22)


6


tan ϕ = −ωRC. (23)

Im Gegensatz zu der Schaltung mit den beiden Widerstanden, ist die Amplitudebeim RC-Glied frequenzabhangig. Fur kleine Frequenzen, d.h. ω → 0, nimmtder Nenner in Gleichung (22) den Wert Eins an. Die Amplitude |UC | entsprichtdann gerade der Amplitude |UE | des Eingangssignals. Fur großere Frequenzenwird die Amplitude immer geringer und geht fur ω → ∞ schließlich gegenNull. Das RC-Glied verhalt sich wie ein Tiefpassfilter. Nur tiefe Frequenzenkonnen den Filter passieren, hohere Frequenzen werden entsprechend starkgedampft (Abbildung 7 oben).Bei einem RC-Glied tritt zusatzlich eine Phasenverschiebung ϕ zwischenEingangs- und Ausgangssignal auf, die zudem von der Frequenz abhangt (Ab-bildung 7 oben).Vertauscht man den Kondensator mit dem Widerstand und misst die SpannungUR uber dem Widerstand, so zeigt das RC-Glied ein Hochpassverhalten:

|UR| =|UE |

√

1 + (1/(ωRC))2(24)

tan ϕ = 1/(ωRC) (25)

Entsprechend werden beim Hochpassfilter tiefe Frequenzen stark gedampft,wahrend hohere Frequenzen nicht bzw. nur schwach unterdruckt werden (Ab-bildung 7 unten).Um die Wirkung eines Filters, d.h. dessen Bandbreite zu quantifizieren, defi-niert man die Grenzfrequenz

ωg =1

RC=

1

τ. (26)

Durch Einsetzen von ωg in Gleichung (22) bzw. Gleichung (24) erkennt man,dass bei der Grenzfrequenz die Amplitude auf das 1/

√2-fache abgefallen

(Tiefpass), bzw. angestiegen ist (Hochpass).

RC-Glied als Differenzier- und Integrierglied

Unter gewissen Umstanden entspricht das Ausgangssignal eines RC-Tiefpassesdem Integral des Eingangssignals. Abbildung 9 zeigt den Spannungsverlauf derAusgangsspannung UA fur verschiedene RC-Glieder mit unterschiedlichen Zeit-konstanten bei einer eingepragten Rechteckspannung. Mit großer werdendem

Tiefpass

100 1000 10000 100000 10000000,01

0,1

1

|UC|/|

UE|

Frequenz [Hz]

100 1000 10000 100000 1000000-100

-80

-60

-40

-20

0

f[°

]

Frequenz [Hz]

C UCUE

R

~

Hochpass

100 1000 10000 100000 10000000,01

0,1

1

|UR|/|

UE|

Frequenz [Hz]

100 1000 10000 100000 10000000

20

40

60

80

100

f[°

]

Frequenz [Hz]

C

URUE~ R

Abbildung 7: Frequenzgang und Phasenverlauf eines Tiefpass- bzw. Hochpassfil-ters (Bode- Diagramm). Beachten Sie den logarithmischen Maßstab der ent-sprechenden Achsen.


7


1E-3 0,01 0,1 1 10 1000,01

0,1

1

|UC|/|

UE|

Frequenz [wg]

2

Bandbreite

1

Abbildung 8: Frequenzgang eines Tiefpassfilters. Aufgetragen ist das Verhalt-nis der Amplitude am Kondensator zur Amplitude der Eingangsspannung uberdie Frequenz in Einheiten der Grenzfrequenz ωg. Die Grenzfrequenz ergibt sichin dieser logarithmischen Auftragung aus dem Schnittpunkt der Verlangerung(gepunktete Geraden) der linearen Bereiche bei kleinen und großen Frequenzen.

τ ahnelt das Ausgangssignal immer mehr dem Integral des Eingangssignals. Inunserem Beispiel in Abbildung 9 erfolgt die Integration eines Rechtecksignals,wodurch sich am Ausgang ein dreieckformiges Signal einstellt. Fur τ4 = 2Tscheint dies bereits gut erfullt zu sein. Allgemein gilt: Fur τ ≫ T entspricht

das Ausgangssignal UA dem Integral des Eingangssignals UE .Quantitativ lasst sich dies wie folgt ableiten: Der Strom I berechnet sich ausder zeitlichen Anderung der Kondensatorladung

Q = CUA ⇒ I = CdUA

dt. (27)

Andererseits gilt auch

I =UE − UA

R(28)

und damitdUA

dt=

1

RC(UE − UA). (29)

Fur den Fall UA ≪ UE , wie es bei einem Tiefpass nach (22) fur τ ≫ T der Fallist, ergibt sich die Naherung

C UAUE

R

0,120 0,125 0,130 0,135 0,140 0,145

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

UA

[b.E

.]

Zeit [b.E.]

T

t1

t2

t3

t4

Abbildung 9: Spannungsverlauf UA eines Integrators (Tiefpass) bei einer recht-eckformigen Eingangsspannung (gestrichene Kurve) fur verschiedene Zeitkon-stanten τ . Fur τ ≫ T entspricht UA dem Integral der Eingangsspannung:Die Integration eines Rechtecksignals ergibt ein Dreiecksignal. τ1 = 0, 02T ,τ2 = 0, 5T , τ3 = 1T , τ4 = 2T .

dUA

dt≈ UE

RC, (30)

und somit

UA ≈ 1

RC

∫

UE dt. (31)

Fur τ ≫ T entspricht demnach das Ausgangssignal des RC-Gliedes dem Inte-gral des Eingangssignals.Wird der Kondensator mit dem Widerstand vertauscht und die Spannung UR

uber dem Widerstand gemessen (Hochpass), so stellt das RC-Glied fur τ ≪ Teinen Differentiator dar. In Abbildung 10 ist dies wieder fur ein rechteckformi-ges Eingangssignal dargestellt.


8


CUAUE R

0,120 0,125 0,130 0,135 0,140 0,145

-2,5

-2,0

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5U

A[b

.E.]

Zeit [b.E.]

T

t1t2

t3

t4

UE

Abbildung 10: Spannungsverlauf UA eines Differentiators (Hochpass) bei einerrechteckformigen Eingangsspannung (gestrichene Kurve) fur verschiedene Zeit-konstanten τ . Fur τ ≪ T entspricht UA der Differentation des Eingangssignals.τ1 = 0, 02T , τ2 = 0, 1T , τ3 = 0, 5T , τ4 = 2T .

Die Eingangsspannung entspricht der Summe der Teilspannungen uber R undC:

UE = UC + UR ≡ UC + UA. (32)

Mit UC = Q/C und I = Q ergibt sich

UE =Q

C+ UA =

1

C

∫

Idt + UA (33)

und somit fur den Strom

I = Cd

dt(UE − UA). (34)

Fur den Fall, dass τ ≪ T gilt, d.h. bei einem Hochpass fur Frequenzen die vielkleiner sind als die Grenzfrequenz, ist nach Gleichung (24) UA ≪ UE . Somit

ergibt sich

I ≈ Cd

dtUE . (35)

Die Ausgangsspannung UA wird uber R abgegriffen. Mit UA = RI folgt schließ-lich

UA ≈ RCd

dtUE . (36)

Fur τ ≪ T entspricht demnach das Ausgangssignal des RC-Gliedes der Diffe-rentation des Eingangssignals.

Die Integration bzw. Differentation durch ein RC- Glied gilt naturlich nichtnur fur ein rechteckformiges Eingangssignal, sondern fur beliebige periodischeFunktionen. In Abbildung 11 ist beispielsweise die Integration eines drei-eckformigen Eingangssignals dargestellt.

UA

UE

Abbildung 11: Oszilloskopbild eines RC-Gliedes als Integrator. Ein drei-eckformiges Signal ergibt am Ausgang ein parabelformiges Signal (τ ≈ 10T ).


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VI Anwendungen von LCR-Gliedern: Radio-

empfanger

Um Sie mit den Eigenschaften von LC-Filtern vertraut zu machen, sollen Sie indiesem Versuch ein einfaches Mittelwellen (MW)- Radio aufbauen. Durch ge-eignete Abstimmung eines Bandpassfilters im Empfangskreis, konnen Sie denEmpfanger auf eine bestimmte Tragerfrequenz einstellen und den dazu korre-spondierenden Sender empfangen.Aufgabe eines Senders ist die drahtlose Ubertragung von Informationen mitHilfe elektromagnetischer Wellen. Beispielsweise soll von einem RadiosenderInformation in Form von Musik oder Sprache ubertragen werden, d.h. nieder-frequente Signale (NF-Signale) in einem typischen Frequenzbereich von 20 Hzbis 20 kHz. Nun lassen sich solche NF-Signale nicht sehr effektiv in Form vonelektromagnetischen Wellen abstrahlen. Dies hat mehrere Grunde. Zum Einenmusste die Sendeantenne gigantische Langen aufweisen. Zum Anderen lasst sichzeigen, dass die von einer Antenne abgestrahlte Leistung proportional zur vier-ten Potenz der Frequenz ist (Stichwort Poynting Vektor, Hertz’scher Dipol).Demnach ist eine effektive Abstrahlung nur fur hoherfrequente (HF) Signa-le sinnvoll. Um dennoch niederfrequente Sprachsignale ubertragen zu konnen,mussen diese einem HF-Signal

”aufgepragt“ werden. Dieses Verfahren wird als

Modulation bezeichnet.

NF-Signal (Sprache, Musik)

hochfrequentes Trägersignal

A Mmplituden oduliertesTrägersignal

Abbildung 12: Prinzip der Amplitudenmodulation.

Bei der Rundfunkubertragung werden verschiedene Modulationsverfahren ein-

gesetzt. Die im analogen Bereich wichtigsten Verfahren sind die Amplitudenmo-dulation (AM) und die Frequenzmodulation (FM). Wir wollen hier nur auf dieAmplitudenmodulation eingehen, die z.B. bei Mittelwellen- und Kurzwellen-Sendern eingesetzt wird. Bei diesem Verfahren wird die Amplitude eines hoch-frequenten Tragersignals (HF-Signals) im

”Takt“ des zu ubertragenden NF-

Signals verandert (moduliert). Das Prinzip ist in Abbildung 12 skizziert. Dasresultierende amplitudenmodulierte HF-Signal enthalt die gesamte Informationdes NF-Signals und lasst sich uber eine Antenne abstrahlen.

Antenne

Diode

U

t

Antennensignala) b)

U

t

Lautsprecher

Erde

demoduliertesSignal

C

Abbildung 13: a) Ohne Demodulation lasst sich das empfangene Signal nichtmit Hilfe eines Lautsprechers akustisch umwandeln. b) Demodulation mit Hilfeeiner Diode.

Zum Empfang des von dem Sender abgestrahlten Signals, benotigen wirzunachst nur eine Antenne (Abbildung 13). Das Sendesignal induziert in derEmpfangsantenne eine Spannung, die dem amplitudenmodulierten Signal desSenders entspricht. Allerdings lasst sich mit diesem Signal noch nicht allzu-viel anfangen. Nehmen wir einmal an, das empfangene Signal ware stark ge-nug, einen Lautsprecher anzusteuern (dies ist, wie Sie spater bei der Versuchs-durchfuhrung sehen werden, durchaus moglich). Wir wurden trotzdem nichtshoren! Da das empfangene AM-Signal symmetrisch zur Nulllinie ist und so-mit der Mittelwert verschwindet, wurde die Lautsprechermembran noch nichteinmal zucken. Um das ursprungliche NF-Signal zuruckzugewinnen, muss dasEmpfangssignal demoduliert werden. Wir benotigen ein zusatzliches Element,das uns entweder nur die positiven oder nur die negativen Anteile des Emp-fangssignals liefert (Demodulation). Am einfachsten geschieht dies mit einerDiode. Die Diode sperrt beispielsweise nur die negativen Anteile des empfan-


10


genen AM-Signals, so dass nur die positiven Signalanteile ubrig bleiben (Ab-bildung 13 b). Da der Mittelwert dieses demodulierten Signal ungleich Nullist, kann dieses direkt von einem Lautsprecher wiedergegeben werden. Dernoch vorhandene HF-Anteil der Tragerfrequenz stort dabei nicht. Dies hatzwei Grunde: Zum einen werden diese aufgrund der Tragheit der Lautspre-chermembran uberhaupt nicht wiedergegeben, zum anderen wurden wir diesegar nicht horen, da die Tragerfrequenz außerhalb des menschlichen Horbereichsliegt2. Prinzipiell ließe sich sogar auch noch der vorhandene HF-Anteil aus demSignal herausfiltern: Schließt man hinter der Diode einen Kondensator gegenMasse an, so wird der Hochfrequenzanteil kurzgeschlossen. Dies ergibt sich ausder Impedanz eines Kondensators. Die Impedanz des Kondensators sinkt mitzunehmender Frequenz gemaß 1/(ωC). Fur hohe Frequenzen verhalt sich derKondensator wie ein Kurzschluss, fur sehr kleine Frequenzen dagegen wie einIsolator. Mit einem zusatzlichen Kondensator erhalt man daher

”exakt“ das

ursprungliche NF-Signal zuruck.

Die eben diskutierte Schaltung besitzt keine Trennscharfe. Werden mehrereSender empfangen, die auf unterschiedlichen Tragerfrequenzen senden, wurdeman alle Programme gleichzeitig horen. Wir benotigen daher noch einen Band-passfilter, der nur eine Tragerfrequenz aus dem Antennensignal herausfiltert.Solch ein Filter lasst sich z.B. mit einem Parallelkreis3 realisieren. Zusammenmit der Antennenimpedanz ergibt sich eine Schaltung nach Abbildung ??. Umeinen Bandpassfilter zu erhalten, muss das Ausgangssignal allerdings uber demLC-Glied abgegriffen werden! In Abbildung 14 unten ist die komplette Schal-tung dargestellt.

Jedes Radioprogramm wird von einem Sender auf einer anderen Tragerfrequenzausgestrahlt. Um nur ein Programm zu empfangen, muss die Resonanzfrequenzdes LC-Parallelkreises auf die entsprechende Tragerfrequenz abgestimmt wer-den. Dies lasst sich zum Beispiel realisieren, indem man den Schwingkreis auseiner veranderlichen Kapazitat bzw. Induktivitat aufbaut.

Liegen die Tragerfrequenzen zweier Sender dicht beieinander, so muss derSchwingkreis eine hohe Gute bzw. eine geringe Bandbreite besitzen. Nur in die-sem Fall lassen sich die Sender voneinander trennen. Da der Bandpass in derSchaltung Abbildung 14 relativ stark belastet wird, besitzt dieser eine schlechteGute. Dementsprechend schlecht ist die Trennscharfe.

2Ein Lautsprecher und auch das menschliche Ohr verhalten sich wie ein mechanischer Tief-

passfilter. Bei Fledermausen ist im Vergleich zum Menschen, die Grenzfrequenz zu hoheren

Frequenzen verschoben!3Ein Serienkreis ist naturlich auch moglich.

C

1 2 3

U U U

t t t

1 2 3

NF-Out

Abbildung 14: Einfacher AM-Empfanger. Die Signalverlaufe an den jeweiligenMesspunkten sind im Bild oben skizziert. Wird hinter die Diode noch ein Kon-densator eingebaut, so erhalt man am Ausgang das ursprungliche NF-Signal.An dem Ausgang (NF-Out) kann direkt ein hochohmiger Lautsprecher oder zurWeiterverarbeitung des Empfangssignals, ein Verstarker angeschlossen werden.

VII Messtechnik

Mochte man den Frequenzgang einer Filterschaltung mit einem analogen Os-zilloskop messen, so ist dies in der Regel ein recht zeitraubendes Verfahren:Sie mussen die Frequenz am Funktionsgenerator einstellen und die Amplitudendes Eingangs- und Ausgangssignals mit dem Osziloskop ausmessen. Je nachder gewunschten Genauigkeit, mussen Sie diese Messungen fur verschiedeneFrequenzen viele Male wiederholen.

Um dies zu vereinfachen steht Ihnen bei der Versuchsdurchfuhrung, ein PC-gesteuertes Speicheroszilloskop und ein programmierbarer Funktionsgenera-


11


Abbildung 15: Oben: Zweikanal Speicheroszilloskop. Unten: Spektrumanalysa-tor.

tor zur Verfugung. Die Computersteuerung dieser Gerate bietet den Vorteil,dass Frequenzgangmessungen automatisiert durchgefuhrt werden konnen. DasMesssystem stellt die Frequenzen am Funktionsgenerator automatisch ein,misst gleichzeitig die Amplitude und stellt den Frequenzgang grafisch dar. Inden folgenden Abschnitten soll auf die Eigenschaften dieser Gerate eingegangenwerden. Detaillierte Informationen erhalten Sie vom Assistenten.Die Bedienung des Oszilloskops ist weitgehend selbsterklarend und sollte Ihnenaus dem Praktikum 1 bekannt sein. Das Speicheroszilloskop bietet noch weiterenutzliche Funktionen. Mit Hilfe von Markern konnen Zeiten und Amplitudendes Eingangssignals ausgemessen werden. Zusatzlich berechnet die Software denrms-Wert4 und zeigt diesen kontinuierlich an. Die Daten des Eingangssignalskonnen exportiert werden und z.B. mit der Software Origin weiter bearbeitetwerden.Neben der zeitaufgelosten Darstellung mit dem Oszilloskop, konnen Sie Signaleauch im Frequenzbereich untersuchen (Schalter Spectrum Analyzer). Nach demFouriertheorem lasst sich jedes periodische Signal durch eine Summe von Sinus-schwingungen unterschiedlicher Amplitude und Phase darstellen. Ein Spektru-manalysator stellt die Amplituden dieser Sinusschwingungen grafisch dar. InAbbildung 15 unten ist beispielsweise das Frequenzspektrum des 1,2 kHz Drei-ecksignals aus Abbildung 15 oben zu sehen. Theoretisch erwartet man, dassdas Frequenzspektrum dieses Signals, aus ungeraden Vielfachen der Grund-schwingung (1,2 kHz) besteht. Diese entsprechen den drei starksten

”Linien“ bei

1,2 kHz, 3,6 kHz und 6 kHz. Beachten Sie, dass die Amplitude im logarithmi-schen Maßstab aufgetragen ist! Dies hat den Vorteil, dass sich dadurch eingroßer Dynamikbereich ergibt. Nach der Fouriertheorie sollten die Amplitudender ersten drei Schwingungen im Verhaltnis 1 : 0,11 : 0,04 stehen. Bei einerlinearen Auftragung wurden Sie die 2. Oberwelle bei 6 kHz gar nicht erkennen.Bei einer logarithmischen Darstellung ist dies problemlos moglich. Falls Sie mitder

”logarithmischen Einheit“ dB bzw. dBV nicht vertraut sind, sollten Sie sich

den entsprechenden Abschnitt im Anhang anschauen.Mit dem Frequenzgenerator lassen sich nahezu beliebige Ausgangssignale ge-nerieren. Die wichtigsten, wie Rechteck und Sinus, konnen Sie durch Anklickender entsprechenden Schalter einstellen. Mit dem Schalter MORE FUNCT und LIB

konnen Sie weitere Signalformen aufrufen. Es ist auch moglich beliebige Signaleselbst zu kreieren (Wave Editor im Menu Tools). Dies ist z.B. dann interes-sant, wenn Sie das RC-Glied als Differentiator und Integrator untersuchen. Alleanderen Einstellungen sollten selbsterklarend sein.

4Siehe Anhang.


12


Abbildung 16: Frequenzgenerator.

Messungen von Frequenzgangen lassen sich sehr bequem mit dem Circuit Ana-lyzer durchfuhren. Diese Programm steuert automatisch den Frequenzgeneratoran und liest gleichzeitig das Oszilloskop aus. Es werden nacheinander Sinussi-gnale mit unterschiedlicher Frequenz aber stets konstanter Amplitude gene-riert. Dieses Signal wird der zu untersuchenden Schaltung als Eingangssignalzugefuhrt. Die Amplitude des Ausgangssignals der Schaltung wird bei jeder Fre-quenz automatisch mit dem Oszilloskop bestimmt und grafisch als Funktion derFrequenz dargestellt. Die Start- und Stoppfrequenz sowie die Frequenzschrit-te (Menu: Options/ Frequency Step Size) konnen Sie selbst einstellen. InAbbildung 17 ist beispielsweise der Frequenzgang eines RLC-Bandpassfiltersdargestellt.

VIII Durchfuhrung des Versuchs

Vorbemerkungen:

Alle Bauelemente (Widerstande, Kondensatoren etc.) sind in kleine Gehausemit Bananensteckern eingebaut. Zur Verdrahtung sind zusatzlich noch Ver-bindungsstecker vorhanden. Zum Aufbau einer Schaltung mussen die Bauteilenur auf ein Steckbrett gesteckt werden. Einige Buchsen des Steckbretts sindbereits intern miteinander elektrisch verbunden. Diese Verbindungen sind auf

Abbildung 17: Circuit Analyzer.

der Oberflache des Gehauses durch schwarze Linien zwischen den Buchsenmarkiert.

Der Anschluss der Schaltung an das Oszilloskop bzw. an den Funktionsgenera-tor erfolgt durch BNC/Banane-Kabel. Dabei ist zu beachten, dass das schwarzeKabel mit dem Gehause des BNC-Steckers verbunden ist und somit auf Mas-se liegt. Sie mussen daher das schwarze Kabel immer an Masse anschließen.Andernfalls kommt es zu einem Kurzschluss.

Schließen Sie den Ausgang des Frequenzgenerators nicht direkt an die zuuntersuchende Schaltung an, sondern schalten Sie den Impedanzwandlerdazwischen. Der Impedanzwandler ist ein Verstarker mit der Verstarkung Einsund besitzt einen sehr kleinen Ausgangswiderstand. Dadurch ist gewahrleistet,dass sowohl die Signalhohe als auch die Signalform des Ausgangssignals desFrequenzgenerators auch bei Belastung (d.h. bei hohen Ausgangstromen) stetsstabil bleibt.

1. Bestimmung der Zeitkonstante eines RC-Glieds

Bauen Sie die Schaltung nach Abbildung 18 auf. Die Masseanschlusseder Verkabelung sind in der Zeichnung nicht eingezeichnet. Achten Siedaher darauf, dass alle schwarzen Anschlusse des BNC/Banane-Kabel auf


13


R

C

Masse

Frequenzgenerator

Impedanzwandler

Oszilloskop

Ch 1Ch 2

CU

EU

Abbildung 18: Schaltung zur Bestimmung der Zeitkonstante τ eines RC-Glieds.

Masse liegen (Symbol: ⊥). An Kanal 2 des Oszilloskops liegt dann dieEingangsspannung UE , an Kanal 1 die Ausgangsspannung UC an.

Stellen Sie am Frequenzgenerator die Signalform Rechteck ein und die Amplitu-de auf 1 Vpp. Bestimmen Sie fur folgende RC- Kombinationen die HalbwertszeitT1/2.

C=470 nF, R=1 kΩ

C=4,7 nF, R=10 kΩ

Wahlen Sie die Frequenz des Rechtecksignals fur jede RC-Kombination so,dass Sie den Lade- und Entladevorgang des Kondensators vollstandig auf demOszilloskop erkennen konnen und notieren Sie den Wert der eingestellten Fre-quenz. Benutzen Sie fur die Messung der Halbwertszeit die Cursor-

Funktionen des Oszilloskops und nutzen Sie moglichst den gesamten Bild-schirmbereich des Oszilloskops aus. Die Fehler sind unter Berucksichtigung derAblesegenauigkeit anzugeben. Drucken Sie das Oszilloskopbild fur die letzteRC-Kombination aus.

Messung des Stromverlaufs im RC-Glied: Vertauschen Sie den Kondensatormit dem Widerstand (C=47 nF, R=1 kΩ). An Kanal 1 des Oszilloskops liegtdann die Spannung UR. Wegen UR = RI entspricht UR dem Stromverlauf imRC-Glied. Uberzeugen Sie sich durch Messung der Halbwertszeit von UR, dassder Stromverlauf die gleiche Zeitkonstante aufweist wie der Spannungsverlaufam Kondensator. Drucken Sie das Oszilloskopbild aus.

Messung der Zeitkonstante eines RL-Gliedes fur folgende Kombination:

L=L1, R=47 Ω

Die Zeitkonstante konnen Sie bestimmen, indem Sie die Spannung amWiderstand messen, die proportional zum Strom ist. Wie interpretieren Sieden beobachteten Spannungsverlauf? Nutzen Sie analog zur Messung desRC-Gliedes die Beziehung τ = R/L um die Induktivitat der Spule L1 zubestimmen.

2. RC-Glied als Integrator und Differentiator

Integrator:Stellen Sie am Frequenzgenerator ein Rechtecksignal von 10 kHz mit maxima-ler Amplitude ein. Bauen Sie einen Integrator aus einem 47 nF Kondensatorund einem Potentiometer (5 kΩ) auf (Abgriff uber dem Kondensator wirdan Kanal 1 des Oszilloskops angeschlossen). Beobachten Sie, wie durchErhohung des Widerstands die Ausgangsspannung allmahlich dem Integralder Eingangsspannung entspricht.Schauen Sie sich auch die Integration von anderen Signalen an. Wahlen Sie z.B.aus der Funktionsbibliothek des Funktionsgenerators eine Sagezahnspannungaus (Funktionsgenerator: MORE FUNCT. → LIB → ramp dn.lib). Auch sehrinteressant ist die Darstellung der Integration des Signals saw1.lib. DruckenSie, nachdem sie ein bestimmtes Signal aus der Funktionsbibliothek des Funkti-onsgenerators eingestellt haben, die Taste Filter ON. Dadurch wird das Signaldes Funktionsgenerators geglattet, so dass das eingestellte Signal sauber aus-gegeben wird.Versuchen Sie die Integration in den verschiedenen Signalbereichen nachzuvoll-ziehen. Drucken Sie fur ein Signal das Oszilloskopbild aus und protokollierenSie Ihre Beobachtungen in kurzen Satzen.

Differentiator:Vertauschen Sie den Widerstand mit dem Kondensator und stellen Sieam Funktionsgenerator ein Dreiecksignal (z.B. 1,5 kHz, 4VPP ) ein. DurchVariierung des Widerstands wird das Signal allmahlich differenziert und esentsteht ein Rechtecksignal. Untersuchen Sie zusatzlich die Differentationeines Rechtecksignals und eines gaußformigen Signals (Funktionsbibliothek desFunktionsgenerators: gaussian.lib). Drucken Sie wieder fur ein Signal dasOszilloskopbild aus.


14


3. Frequenz- und Phasengang eines RC-Glied

Vorversuch: Es ist anschaulicher, wenn Sie zunachst eine Messung miteinem analogen Funktionsgenerator durchfuhren. Entfernen Sie dazu dasKabel zum PC-gesteuertem Funktionsgenerator und schließen Sie es an dasAnaloggerat an. Verwenden Sie folgende RC-Kombination:

C=47 nF, R=1 kΩ.

Beobachten Sie gleichzeitig die Eingangsspannung und die Spannung uber demKondensator. Variieren Sie die Frequenz und skizzieren Sie Ihre Beobachtungen.Bestimmen Sie die Grenzfrequenz. Diese entspricht der Frequenz bei welcher dieSpannung uber dem Kondensator auf das 1/

√2- fache der Eingangsspannung

abgefallen ist. Welche Phasenverschiebung messen Sie in diesem Fall? Wie großist die Phasenverschiebung bei Frequenzen die sehr klein bzw. bei sehr großgegenuber der Grenzfrequenz sind?Nehmen Sie nun den Frequenzgang eines Hochpass- und eines Tiefpassfiltersmit dem Circuit Analyzer auf. Falls Ihnen das Messprinzip nicht klar sein sollte,lassen Sie sich es nochmals vom Assistenten erklaren.Damit der Frequenzgang uber den gesamten Bereich gut zu erkennen ist, solltenSie folgende Einstellungen wahlen:

• Funktionsgenerator: Amplitude 2 Vpp Sinus.

• Circuit Analyzer: Vertical Scale: 5 dB/div, V-Range: 1,5 V, FrequencyStart: 100 Hz, Frequency Range: 100 kHz. Stellen Sie fur die Frequenz-schritte 20% ein (Menupunkt Options→ Frequency Step Size). WahlenSie aus dem Menupunkt Options, die Option Automatic Voltage Scale

und folgen Sie den Hinweisen des erscheinenden Fensters. Die Bedeutungdieser Einstellungen wird der Assistent mit Ihnen besprechen.

Nehmen Sie zunachst den Frequenzgang eines Tiefpassfilters(C=47 nF, R=1 kΩ) auf. Beobachten Sie wahrend der Messung am Os-zilloskop, wie mit zunehmender Frequenz die Amplitude am Ausgang desTiefpassfilters immer kleiner wird.Messen Sie mit Hilfe der Cursor (Menupunkt View → Markers f & dV) dieGrenzfrequenz fg und notieren Sie den Wert und den Fehler aus der Able-segenauigkeit. Bei der Grenzfrequenz ist die Amplitude auf das 1/

√2-fache

des Maximalwertes abgefallen. Bei dem von Ihnen logarithmisch eingestellten

Maßstab entspricht dies einer Dampfung von 3 dB (bei Unklarheiten lesen Sienochmals im Anhang nach)!

Drucken Sie den Frequenzgang aus. Leider besitzt das Programm keine direkteDruckfunktion. Sie mussen daher die Messung als Bild speichern und mit einemanderen Programm ausdrucken (z.B. Paint).

Wiederholen Sie die Messung fur einen Hochpassfilter (C=47 nF, R=1 kΩ).4. Anwendung: Unterdruckung von Storsignalen

Verbinden Sie den Eingang des Oszilloskops mit der Langdrahtantenneund beobachten Sie das Signal. Schauen Sie sich mit dem Spektrumanalysatordas entspechende Frequenzspektrum an. In welchem Frequenzbereich liegendie starksten

”Storquellen“? Was konnte deren Ursache sein? Schauen Sie

sich einen Ausschnitt bei kleinen Frequenzen im Bereich 0-600 Hz und beihohen Frequenzen im MHz-Bereich an. Konnen Sie die einzelnen

”Storsi-

gnale“identifizieren? Drucken Sie einige Bilder aus und heften Sie sie in IhrLaborbuch ein.

Verwenden Sie ein Tiefpassfilter um die hochfrequenten Storungen herauszu-filtern. Hierzu gibt es ein RC-Filter in einem BNC-Gehause, die Sie aus demInduktionsversuch kennen. Nehmen Sie das gefilterte Spektrum nochmals aufund drucken Sie es aus. Wie stark wurden die Hochfrequenzanteile unterdruck?Die Amplitudenwerte werden im Spektrumanalysator in der logarithmischenEinheit dB bzw. dBV angegeben. Berechnen Sie hieraus den Unterdruckungs-faktor. Was passiert mit den Netzfrequenzstorungen. Wie lassen sich diesesgegebenenfalls unterdrucken.

5. Aufbau eines einfachen AM-Empfangers

Wir wollen unsere Untersuchungen von Filterschaltungen an einem ein-fachen AM-Empfanger vertiefen. Bauen Sie aus der Spule L2 und demDrehkondensator (500 pF) einen Parallelkreis (Schwingkreis) auf. Solch einLC-Glied stellt ein Bandpassfilter dar. Innerhalb eines Frequenzbereichs wirdein Signal nur schwach gedampft. Fur hohere und tiefere Frequenzen nimmtdagegen die Dampfung stark zu.

Verbinden Sie den Schwingkreis mit der Antennenbuchse und schließen Siedie Schaltung an das Oszilloskop an (Abbildung 19 links). Schauen Sie sichdas Frequenzspektrum an und beobachten Sie die Filterwirkung des Band-passfilters, in dem Sie die Kapazitat und die Induktivitat durch Verschiebendes Spulenkerns, variieren.

Stellen Sie die Mittenfrequenz des Bandpassfilters so ein, dass das Tragersignal


15


bei ungefahr 1 MHz moglichst stark empfangen wird und messen Sie mit demMarker die genaue Frequenz des Tragersignals. Wenn Sie sich nun das Signalmit dem Oszilloskop anschauen, sehen Sie das amplitudenmodulierte Signal.Bestimmen Sie erneut die Tragerfrequenz und vergleichen Sie diese mit derausliegenden Sendertabelle. Um welchen Radiosender handelt es sich?

Oszilloskop

Oszilloskop

Abbildung 19: Prinzip eines AM-Empfangers. Links: Empfangskreis. Rechts:Empfangskreis mit Demodulator-Diode.

Die unmittelbare Nahe des Praktikumsgebaude zu dem Sender in Heidelberg-Wieblingen hat den Vorteil, dass wir die vom Sender abgestrahlte Leistung, di-rekt in ein horbares, akustisches Signal umwandeln konnen. Die dafur benotigteEnergie wird allein dem Sender entnommen. Es wird keine zusatzliche Ener-giequelle benotigt! Um allerdings ein horbares NF-Signal zu erhalten, muss dasempfangene Signal demoduliert werden. Bauen Sie gemaß Abbildung 19 rechts,eine Diode in die Schaltung ein und schließen Sie an den Ausgang den hochoh-migen Kopfhorer an. Durch den Kopfhorer wird der Bandpass ein wenig ver-stimmt. Sie mussen daher unter Zuhilfenahme des Spektrumanalysators, dieMittenfrequenz etwas nachjustieren. Wenn Sie den Bandpass richtig eingestellthaben, sollten Sie nun das Radioprogramm horen.

Schauen Sie sich mit dem Oszilloskop das amplitudenmodulierte Signal vorder Diode und das demodulierte Signal hinter der Diode an. DokumentierenSie Ihre Beobachtungen in Ihr Protokollheft (Oszilloskopbilder ausdrucken).Schatzen Sie die empfangene Leistung ab. Entfernen Sie dazu den Kopfhorerund bestimmen Sie mit dem Oszilloskop die Maximalamplitude des demodu-lierten Signals. Mit diesem Wert und der Eingangsimpedanz des Oszilloskops

konnen Sie die Leistung bestimmen.Mit Hilfe eines Verstarkers konnen Sie unter Umstanden weitere Radioprogram-me empfangen. Entfernen Sie dazu den hochohmigen Kopfhorer und bauen Sieden NF-Verstarker in Ihre Schaltung ein. Am Verstarkerausgang konnen Siezwei der niederohmigen Kopfhorer in Serie schalten. Dadurch konnen Sie undihr Praktikumspartner gleichzeitig das Radioprogramm horen. Wenn Sie dieSpule L2 durch ein langes Kabel ersetzen, sollte es sogar moglich sein, Kurz-welle zu empfangen. Bei ungefahr 6 MHz sollten Sie einen deutschsprachigenSender empfangen konnen. Notieren Sie die Frequenzen der empfangenen Sen-der.

IX Auswertung

1. Bestimmung der Zeitkonstante eines RC-Glieds

Berechnen Sie die Zeitkonstante τ der einzelnen RC-Kombinationen. TragenSie die Ergebnisse in einer zusammenfassende Tabelle ein. Die Tabelle solltefolgende Großen enthalten: C, R, f, τexp, τtheo sowie die entsprechenden Fehler.Fur die Widerstande betragen die Toleranzen 5 %, fur die Kondensatoren10 %. Erklaren Sie, warum die Amplitude von UR doppelt so groß ist wie dieAmplitude der Eingangsspannung.

2. RC-Glied als Integrator und Differentiator

Diskutieren Sie die Eigenschaften eines RC-Gliedes als Integrator undDifferentiator an Hand Ihre Ausdrucke der entsprechenden Oszilloskopbilder.

3. Frequenz- und Phasengang eines RC-Glied

Zeichnen Sie durch die linearen Bereiche der gemessenen Frequenzgangebei kleinen und großen Frequenzen eine Gerade. Der Schnittpunkt dieserbeiden Geraden sollte exakt bei der Grenzfrequenz liegen.Vergleichen Sie die gemessenen Werte der Grenzfrequenz (fur den Hoch-und Tiefpassfilter) mit dem theoretischen Wert unter Berucksichtigung derBauteiltoleranzen und der Messfehler.

5. Aufbau eines einfachen AM-Empfangers


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Welche Sender (Frequenzen) haben Sie mit dem Detektor-Radio empfan-gen. Wie hoch ist die empfangene Leistung des AFN-Senders bei 1,14 MHz(die Eingangsimpedanz des Oszilloskops betragt 1 MΩ)? Diskutieren Sie dasPrinzip der Amplitudenmodulation anhand Ihrer Ausdrucke.

X Anhang

Es gibt mehrere Moglichkeiten die Amplitude einer Wechselspannung zu quan-tifizieren. In Abbildung 20 sind drei Definitionen fur ein sinusformiges Span-nungssignal U(t) skizziert. Der Scheitelwert U , der auch einfach nur als Ampli-tude bezeichnet wird, beschreibt die Spannung im Maximum. Die SpitzeSpitze-Spannung USS (engl.: Upp fur peak to peak) steht fur die Differenz der Span-nung im Maximum und Minimum. Beide Großen sind einander aquivalent undbeschreiben nur einen Momentanwert der Wechselspannung.Haufig ist man jedoch daran interessiert, verschiedene Wechselspannungen(Sinus, Dreieck, Rechteck etc.) miteinander zu vergleichen und daher einenmittleren Spannungswert anzugeben. Allerdings lasst sich mit einer einfachenMittelwertbildung nicht viel anfangen. Bei einer sinusformigen Wechselspan-nung ist der Mittelwert stets Null. Die positive Halbwelle ist genau so großwie die negative! Dies gilt fur alle Wechselspannungen mit symmetrischemNulldurchgang. Um beliebige (periodische) Wechselspannungen miteinanderzu vergleichen, definiert man daher den Effektivwert:

Der Effektivwert einer Wechselspannung erzeugt in einem Ohm-

schen Widerstand die gleiche mittlere Warmemenge wie eine gleich

große Gleichspannung.

Man vergleicht demnach, die von einer Wechselspannung in einem Wi-derstand umgesetzte Leistung, mit der Leistung, die von einer entsprechendenGleichspannung umgesetzt wurde. Nach dem Ohm’schen Gesetz gilt fur dieseLeistung:

P (t) =U2(t)

R. (37)

Der Mittelwert dieser Leistung

P (t) =U2(t)

R=

U2

eff (t)

R(38)

berechnet sich aus dem Mittelwert des Spannungsquadrates.

t

U

USS

U

>

U rms

REUE

Testschaltung(Filter, Verstärker etc.)

RAUA

PE PA

L = 10 logPPA

PE

L = 10 logUUA

UE

Abbildung 20: Links: Scheitelwert, SpitzeSpitze-Spannung und Effektivwert.Rechts: Definition des Dezibels.

Fur den Effektivwert einer Sinusspannung U(t) = U sin ωt folgt z.B.

Ueff =U√2. (39)

Der Effektivwert einer Wechselspannung wird haufig auch als RMS-Wert be-zeichnet (RMS: Root Mean Square).U , USS , Urms stellen Absolutgroßen einer Wechselspannung dar. Haufig ist manaber nur an das Verhaltnis zweier Wechselspannungen interessiert, d.h. an re-lativen Großen. Man mochte z.B. eine Aussage machen um wieviel ein Signalbei Durchgang durch einen Filter gedampft wird.In der Messtechnik verwendet man hierfur haufig ein logarithmisches Maß, dasDezibel (dB).Das Dezibel entspricht dem zehnfachen des logarithmischen Verhaltnis zweierLeistungen PA und PE (Abbildung 20 rechts).

LP [dB] = 10 log

(

PA

PE

)

. (40)

Das Dezibel lasst sich auch auf Spannungen beziehen. Sind der Eingangswider-stand RE und der Lastwiderstand RA gleich groß, so folgt aus

P = U2/R (41)

LU [dB] = 20 log

(

UA

UE

)

. (42)


17


Die Einheit dB ist dimensionslos und druckt nur das Verhaltnis zweier Leistun-gen oder Spannungen aus. Sollen absolute Werte angegeben werden, mussendiese auf ein Referenzwert bezogen werden. Die Einheit dBm bezieht sich auf1 mW. Beispielweise entsprechen 3 dBm 2 mW und 20 dBm 100 mW. DieEinheit dBV bezieht sich auf eine Referenzspannung von 1 Vrms:

LP [dBm] = 10 log

(

P

1mW

)

(43)

LU [dBV ] = 20 log

(

U

1Vrms

)

. (44)


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Wechselstromeigenschaften von RLC-Gliedern · Physikalisches Anf¨angerpraktikum der Universit ¨at...

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