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Graf-Münster-Gymnasium Bayreuth

Mechatronik 1/1

Das 10€ Oszilloskop

10€ Oszilloskop

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Warum ist in der Nähe von manchen LED-Lampen der Handy-Empfang gestört? Um das zu erklären, wollen wir sehen, wie LEDs geregelt werden.

Im Mechatronikkurs des GMG baut jeder Teilnehmer sein eigenes 10€ Oszilloskop, um schnelle Spannungsän-derungen auf dem Bildschirm eines Laptops erkennen zu können.

Das Gerät ist auf dem Bild gezeigt. Wie man es baut, kann man auf dem Arbeitsblatt nachlesen.

Das Mechatronikteam des Graf-Münster-Gymnasiums (Q11)

für GMG-Homepage

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Mechatronik 1/310€ Oszilloskop Zusammenbau

Wozu brauchen wir so etwas?Zum Messen von Gleichspannungen benutzen wir das Vielfachmessgerät. Dazu gibt es ein eigenes Arbeitsblatt. Ändert sich die Spannung aber schnell, kann dieses Messgerät den Spannungsverlauf nicht darstellen. Wir benötigen Gerät, das schnelle Span-nungsänderungen graphisch darstellen kann, ein Oszilloskop.

Was benötigen wir dazu?Wir benutzen einen PC mit Soundkarte und belegen den Mikrofoneingang mit einem festen Anteil der zu messenden Spannung. Die Soundkarte digitalisiert den Spannungswert, und die Software WinOscillo oder Soundcard Scope stellt den Verlauf auf dem Bildschirm dar. Diese Software ist für privaten Ge-brauch kostenlos downloadbar.

Ist das nicht gefährlich für die Soundkarte?Nein, wenn die Spannung am Mikrofoneingang nicht höher als 0,5 V ist. Beachtet man das nicht, kann die Soundkarte Schaden nehmen.

Wie kann man gefährliche Zustände verhindern?Die Spannungsteilerschaltung der Elektronik zer-legt eine Spannung in mehrere kleine. Sie taucht in fast allen Schaltungen auf und hat daher sehr große Bedeutung. Unsere Sorge um den Mikrofoneingang ist der ideale Einstig, sich mit dieser Schaltung zu beschäftigen.

Bild 1: Im Schaltplan ist links die zu messende Spannungsquelle gezeichnet. Rechts ist die Soundkarte durch R(Last) ersetzt.

Wie verwirklichen wir diesen Spannungsteiler?Bild 1 zeigt den zugehörigen Schaltplan. Für die Schaltungsbeschreibung und die rechnerische Bear-beitung gibt es ein eigenes Arbeitsblatt.Die Bauteile aus der Stückliste (Seite 3) stecken wir wie in Bild 2 auf eine Lochrasterplatine 80 x 50 mm (1/4 Eurokarte) auf. Auf der Unterseite werden die

Bauteile mit den dort vorhandenen Kupferstreifen verlötet. Die einzelnen Arbeitsschritte werden auf der nächsten Seite beschrieben. Die Bauteile für den Spannungsteiler kosten ca. 10 €. Das gibt unserem Projekt den Namen 10€ Oszilloskop.

Bild 2: Bestückte Platine. Die Lötstreifen befinden sich auf der Unterseite der Platine.

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Es gibt Sicherheitsvor-schriften beim Bau und bei der Benutzung.Beachte immer das im Unterricht bespro-chenen Arbeitsblatt (siehe rechts) über die allgemeinen Vorschrif-ten beim Umgang mit Elektrizität, wenn du das 10€ Oszilloskop benutzt. Jeder führt dieses Arbeitsblatt als erste Seite in seinen Unterla-gen.Beachte die Warnhinweise beim Zusammenbau des 10€ Oszilloskops auf der Seite 2.

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Mechatronik 2/3

Bearbeitung der Platine1. Kennzeichne im Bild 5 die 3,0 mm Bohrungen grün, die 2,0 mm Bohrungen blau und die 1,3 mm Bohrungen rot.2. Zeichne in das Bild 5 ein Koordinatensystem mit dem Ursprung im ersten voll sichtbaren Loch links unten. Ein Lochabstand ist eine Einheit.3. Zeichne ein Gitter auf die Oberseite deiner Platine im Abstand 5 Löcher.4. Kennzeichne die Lötpunkte mit schwarzer Farbe und die Löcher mit den Farben Grün, Blau und Rot auf der Platinenoberseite.

Stelle die Anschlussdrähte beim Löten senkrecht.8. Zwicke die überstehenden Drahtenden ab.

Vorbereitung:1. Säge den Überstand vom Deckel einer Hülle einer Kompaktkassette ab. Man kann natür-lich auch ein anderes Gehäuse dieser Größe

benutzen.2. Teile eine Europlatine (160 x 100 mm) mit Lochstreifen in vier gleiche Teile (80 x 50 mm).

Fertigstellung1. Schneide die Kabel auf Länge, isoliere sie ab und verzinne die Enden. Die Kabelenden, die verschraubt werden, werden nicht verzinnt.2. Der Steckschuh wird verlötet. Beim Abheben des Lötkolbens wird der Schuh mit dem Kabel nieder-gehalten, sonst bleibt der Steckschuh am Lötkolben kleben.3. Beschrifte die Platine.4. Teste die Schaltung mit einem Vielfachmessgerät unter Gleichspannung.

Bild 5: Vergrößert dargestellte Platine

5. Bohre die Löcher. Die 3 mm Lö-cher werden gleichzeitig durch die Hülle der Kompaktkassette gebohrt. Nach jeder 3-mm-Bohrung wird zur Führung eine Schraube eingesteckt. 6. Setzte die Bauteile von der Oberseite ein und bie-ge die Anschlussdrähte unten leicht nach außen. 7. Verlöte die Teile auf der Unterseite. Beginne mit den flachsten Teilen (Kabelbrücke, Dioden [Polung

beachten], Widerstände, Trimmer, Lötnägel , Sicherungshalter). Dann liegen die Teile jedes Mal beim Löten gut an der Platine an, wenn man die Platine zum Löten umdreht.

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Hier erfährst du, wie du die Platine anfertigst.

10€ Oszilloskop Zusammenbau

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Mechatronik 3/3

Stückliste mit Preisen (Stand 2017):

1 x Widerstand R1 1 kOhm 0,02 €1 x Widerstand R2 43 kOhm 0,02 €1 x Widerstand R3 91 kOhm 0,02 €1 x Widerstand R4 2 kOhm 0,02 €1 x Trimmer P1 2,5 kOhm 0,38 €2 x Diode 4148 0,12 €2 x Sicherungshalter 0,22 €1 x Sicherung 100 mA FF 0,83 € 4 x Lötnagel (versilbert) 0,09 €1 m Doppellitze 0,20 €10 cm Einfachlitze 0,01 €1 x Lötschuh 0,07 €1 x Feinklemme rot 1,61 €1 x Feinklemme schwarz 1,61 €1 x Klinkenstecker 3,6 mm 2,86 €1 x Lochrasterplatine 80 mm x 50 mm mit Kupferstreifen 0,93 €4 x Schraube, 8 x Mutter 0,12 €1 x Hülle für Kompaktkassette 0,00 € Summe 9,13 € 19 % MWSt 1,73 € 10,95 € ======

Was kann das 10€ Oszilloskops?Der Eingangswiderstand des 10€ Oszilloskops be-trägt beim 5V-Messbereich 11 kΩ, beim 20V-Mess-bereich 44 kΩ und beim 40V-Messbereich 92 kΩ. Das ist nicht viel und verändert den zu messenden

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10€ Oszilloskop Zusammenbau

Was ist beim Messen grundsätzlich zu beachten?

Achtung: Stelle zu Beginn jeder Messung den Trim-mer in Nullstellung und beobachte beim Hochdrehen den Bildschirm.

Sollte dabei der Graph beim Hochdrehen des Trim-mers verdächtig ruhig bleiben, drehe nicht weiter, sondern prüfe die Hardware und die Einstellungen der Software. Findet die Software kein Signal, sucht sie alle Eingänge durch. Vielleicht wählt sie genau den Eingang, an den deine Platine nicht angesteckt ist. Dann siehst du natürlich nichts. Man muss dann die Signalquelle per Hand auswählen (Menüpunkt: Einstellungen).Kommen beim Messen mehrere Geräte zum Einsatz (Netzteile, PC, Schaltungen ...), muss man vor dem Einschalten für eine gemeinsame Masse (Bezugspo-tential) sorgen.

Spannungsverlauf mehr oder weniger stark.Soundkarten arbeiten im hörbaren Bereich. Unser 10€ Oszilloskop hat daher nur eine geringe Bandbrei-te von maximal 20 kHz. Man kann unter Windows 10 die Empfindlichkeit des Mikrofoneingangs unterschiedlich einstellen (Ein-stellungen Suchen: Sound). Die Kalibrierung der Spannungswerte muss man beim 10€ Oszilloskop daher von Fall zu Fall selbst vornehmen. Unser Oszilloskop ist ein reines Wechselspan-nungsmessgerät. Der Spannungsverlauf wird so dargestellt, dass die Flächen zwischen Graph und Rechtswertachse oberhalb und unterhalb der Achse im Durchschnitt gleich groß sind. Will man den „wah-ren“ Verlauf der Spannung darstellen, muss man den Gleichspannungsanteil z. B. mit einem Vielfachmess-gerät bestimmen und den Graphen um diesen Wert nach oben bzw. nach unten verschieben. Den Offset kann man auf dem Bildschirm eingeben. Die Eingangsimpedanz eines Mikrofoneingangs liegt im niedrigen Kiloohmbereich. Im Bild 1 ist ein wesentlich höherer Lastwiderstand angenommen. Der Spannungsteiler unserer 10 € Platine wird dadurch belastet und die Ausgangsspannung sinkt mitunter auf fast den halben berechneten Wert. Die Eingangsspannung des 10€ Oszilloskops kann daher die angegebenen Spannungswerte 5 V, 20 V und 40 V etwas überschreiten, ohne dass die Schutzdioden aktiv werden.

Noch ein paar ErfahrungenDen Steckschuh kann man mit Schrumpfschlauch isolieren. Wenn bei einer Messung vergessen wird, den Steckschuh auf einen Nagel zu stecken, kann der Steckschuh sonst im ungünstigsten Fall falschen Kontakt bekommen.Wer Bedenken hat, die Soundkarte seines PC zu zer-stören, kann sich für wenig Geld (< 5 €) eine externe Soundkarte mit USB-Anschluss besorgen.An manchen Mikrofoneingängen wird 2,5 V Gleich-spannung pro Kanal ausgegeben, um die Elektronik von Headsets versorgen zu können. Schließen wir unsere 10 € Platine an, bricht diese Spannung zusam-men, da die Schutzdioden den Ausgang für Span-nungen über 0,7 V kurz schließen. Manche Laptops schalten dann den Mikrofoneingang ab. Man muss dann die Soundkarte passend konfigurieren oder einen anderen Mikrofoneingang wählen. (Einstellun-gen Suchen: Sound)Das Eingangssignal des Mikrofoneingangs kann mit Windows verändert werden. Rauschunterdrückun-gen und andere Veränderungen müssen abgeschaltet sein. (Einstellungen Suchen: Sound)

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Mechatronik 1/4

SicherheitsanweisungenBei den folgenden Versuchen benutzt du zur Span-nungsversorgung der Schaltung eine sinusförmige Wechselspannung. Eine ungefährliche Batterie hilft uns da nicht weiter. Wir benötigen das 230 V Haus-netz. Um uns vor hohen Spannungen zu schützen, verwenden wir immer (!!!) einen kommerziellen Trenntransformator, der mit gekennzeichnet ist und eine Ausgangsspannung liefert, die 24 V nicht übersteigt. Hier ist die Netzspannung (230 V) galva-nisch von unserer Arbeitsspannung (<= 24 V) sicher und mechanisch stabil getrennt. In unserer Schule sind solche Wechselspannungsnetzgeräte ausrei-chend vorhanden.

Unsere Versuche aus der Mechatronik kann man auch zu Hause durchführen.Wer zu Haus die Schulversuche nachprüfen will, kann z.B. Transformatoren benutzen, die für Lichterketten im Außenbereich eingesetzt werden. Besitzen diese Trafos das Zeichen , so ist die Ausgangsspan-nung 24 V ~ bzw. 12 V ~ ungefährlich.

Achtung: Nehme die Anweisung, einen Trenntrafo zu benutzen, nicht auf die leichte Schulter. Du weißt: Elektrizität kann tödlich sein. Gerade des-wegen ist es notwendig, in der Schule zu lernen, wie man sich vor den Gefahren schützen kann.

Bei den Schulgeräten ist die Ausgangsspannung einstellbar, zu Hause muss man sich mit Spannungs-teilern für 24 V bzw. 12 V behelfen. Beachte dabei, dass die Ausgangsleistung des Trenntrafos P = U · I nicht überschritten wird. Er wird sonst zu heiß. Auch für den Spannungsteiler muss man sich überlegen, welche Leistungsklasse die Widerstände haben müs-sen, um die Wärme ausreichend abführen zu können. Bei zwei 100 Ohm Widerständen an 24 V müssen die Bauteile ganz schön dick sein. Es werden hier an ei-nem Widerstand 1,5 Watt frei. Wir bleiben daher im kOhm-Bereich. Auch hier werden die Widerstände bei einer Leistung von ca. 1/8 Watt warm, jedoch ist die Temperatur erträglich.

Was ist eine Wechselspannung?Eine sinusförmige Wechselspannung hat einen zeit-lichen Verlauf, wie er in Bild 2 auf der Seite 2 abge-bildet ist. Für Spannungen und Ströme, die zeitlich veränderlich sind, verwenden wir kleine Buchstaben u, i. Sie stehen für den Momentanwert. Sinusförmige Wechselspannungen haben den zeitlichen Verlauf u = Û · sin(ωt + φu). Û ist der Scheitelwert, ω ist die Kreisfrequenz mit ω = 2π·f, wobei f die Frequenz der Wechslespannung ist. φu ist die Phasenverschiebung.Der Effektivwert der Wechselspannung wird mit Ueff bezeichnet, die Spannung von Spitze zu Spitze mit Uss

= 2Û. Bei sinusförmigem Verlauf gilt: Û = ---√2 · Ueff.

Was ist der Effektivwert?Eine Wechselspannung gibt auch Wärme an einen ohmschen Widerstand ab, weil sich Ladungen be-wegen. Ist eine Gleichspannung so groß wie der Effektivwert der Wechselspannung, erwärmt sich der ohmsche Widerstand bei beiden gleich stark. Spre-chen wir von der Spannung einer Wechselspannung meinen wir den Effektivwert.

- Zeichne beide Spannungen Û, Ueff und Uss in das Bild 2.

Knotenregel, MaschenregelIn der Elektronik gilt der Ladungserhaltungssatz und der Energieerhaltungssatz. Übertragen auf eine elektrische Schaltung bedeutet das, dass Strom nicht verloren geht und dass die Summe aller Spannun-gen (Spannung ist Arbeit pro Ladung) entlang eines geschlossenen Weges 0 V beträgt.

Notwendige Bauteile- Trenntrafo ** Ohne dieses Gerät: Finger weg von den Versuchen! **- zwei 10€ Oszilloskop-Platinen

Die beiden Platinen werden an einen Mikrofonste-cker angeschlossen. Der Masseanschluss wird von beiden gleichzeitig benutzt. Die eine Platine wird mit dem linken, die andere Platine mit dem rech-ten Kanal des Mikrofonanschlusses verbunden.

- ein Steckbrett mit Drähten, ein 1 kOhm Wider-stand, ein 10 kOhm Widerstand, ein 1 μF Kondensa-tor

1. Versuch Ohmscher Spannungsteiler- Stecke die Schaltung aus Bild 1 auf dein Steckbrett auf.

Bild 1: Ohmscher Spannungsteiler

- Stelle die zeitlichen Verläufe der Spannungen V1 und V2 mit dem 10€ Oszilloskop dar.

10€ Oszilloskop Messen am Kondensator

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Mechatronik 2/4

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- Speichere deine Anzeige und drucke sie aus (Stop-Taste betätigen). Notiere die Einstellungen des 10€ Oszilloskops und der Soundkarte des Laptops.

Das Messprotokoll, das mit dem Schuloszilloskop erstellt worden ist, ist in Bild 2 zu sehen.

Bild 2: Die Spannungen V1 und V2 werden mit Kanal 1 (CH1) und mit Kanal 2 (CH2) dargestellt.

Auswertungen:

weiter Rückseite

2. Versuch Ohmscher Spannungsteiler mit geändertem Bezugspotenzial

- Ändere den Aufbau vom 1. Versuch entsprechend Bild 3. - Führe die Messung durch wie im Versuch 1 und drucke das Ergebnis aus.

Bi ld 3: Ohmscher Spannungs-teiler mit geändertem Bezugs-potenzial

In Bild 4 ist das Messprotokoll, das mit dem Schulos-zilloskop erstellt worden ist, zu sehen.


Wenn wir mit V1 vom Bezugspunkt aus zu einem Zeitpunkt in Stromrichtung messen, messen wir gleichzeitig mit V2 vom Bezugspunkt aus gegen die Stromrichtung. Invertieren wir jetzt den Messwert V2, so erhalten wir die Spannung am unteren Bauteil ebenfalls in Stromrichtung. Leider gibt es bei der Software des 10€ Oszilloskop keinen Funktion, einen Graphen zu invertiert. Wir sind durch die Schaltung nach Bild 3 nach der Invertierung von V2 in der Lage, gleichzeitig den Strom durch das untere Bauteil und die Spannung am unteren Bauteil auf dem Schirm des Oszillos-kops darzustellen. - Begründe die beiden Aussagen: ① Der Messwert von V1 ist proportional zum Strom durch den Stromkreis. Die Spannung 1 V entspricht dem Strom 0,12 mA durch den Stromkreis. ② Bild 4 zeigt die Spannungsverlauf von V1 und von V2 um 180° zueinander verschoben. Befinden sich in einem Stromkreis nur ohmsche Widerstände, ist der Strom durch einen Widerstand aber immer mit der Spannung an einem Widerstand in Phase (Phasen-verschiebung 0°). Es gilt das ohmsche Gesetz U ~ I zu jedem Zeitpunkt t. Wieso ist das kein Widerspruch?

Auswertungen und Antworten:

weiter Rückseite

3. Versuch Messen von Strom und Spannung an einem Kondensator

- Ersetze den 1 kOhm-Widerstand durch einen Kon-densator 1,0 uF (Bild 5). Arbeite wie in Versuch 2.


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Mechatronik 3/4

Bi ld 5: Spannungsteiler mit Kon-densator

Die Anzeige sollte aussehen wie in Bild 6.

Bild 6: Die Spannungen V1 und V2 be-schreiben den Strom durch und die Span-nung am Kondensator bei mittlerem Bezugs-punkt.

Den gleichen Zusammenhang beschreibt Bild 7. Es ist aus de.wikipedia.org entnommen. Im Bild 6 ist die Spannung V2 noch nicht invertiert wie in Bild 7.

Bild 7: Spannungs- und Stromverlauf am Kondensator aus de.wikipedia.org

Auswertungen:

weiter Rückseite

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4. Versuch: Messen von Wechselspannun-gen mit dem Vielfachmessgerät

Stecke bei der Messung das 10€ Oszilloskop von der Schaltung ab, da der Eingangswiderstand der Platine die Stöme und Spannungen im Stromkreis messbar ändert. - Messe die Spannungen U, V1 und V2 in der Schal-tung von Bild 5 mit dem Vielfachmessgerät. Messe beide Spannungen in der Einstellung DCV (Gleich-spannung) und ACV (Wechselspannung). Ergebnisse:U(DCV) = U(ACV) =V1(DCV) = V1(ACV) =V2(DCV) = V2(ACV) =

Auswertungen:- Addiere die Spannungen V1(ACV) und V2 ACV). Die Summe ist größer als die Spannung U(ACV). Begrün-de, dass das kein Widerspruch zur Maschenregel ist.- Bestimme den Strom Ieff im Stromkreis aus V1(ACV) und R1.

- Bestimme den Widerstand XC des Kondensators.

- Bestimme den Strom Ieff im Stromkreis aus XC und V2(ACV).

Achtung: Diese Rechnung ist so nur an einem Bauteil selbst möglich. Bei der Berechnung von Ersatzwider-ständen von mehreren Bauteilen im Wechselstrom-kreis muss man die Phasenverschiebung berücksich-tigen, die die einzelnen Bauteile verursachen. Diese Phasenverschiebung kann man geometrisch mit der Vektorrechnung, die aus der Physik bei der Additi-on von Kräften bekannt ist, behandeln. Sobald man jedoch phasenverschobene Größen multiplizieren muss, wird diese Vektorrechnung sehr umfangreich. Ein algebraisch abgeschlossener Lösungsansatz ist die Beschreibung von phasenverschobenen Größen durch komplexe Zahlen. Komplexe Zahlen sind am Gymnasium aus dem Lehrplan gestrichen.

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Mechatronik 4/4

Aufgabe 1: Die Platten eines Kondensators sind voneinander isoliert. Der Stromkreis wird durch ihn unterbrochen. Nehme Stellung zu der Aussage, es fließt kein Strom.

weiter RückseiteAufgabe 2: Über den Kondensator fließt ein Strom Ieff = 0,48 mA. Am Kondensator messen wir die Span-nung Ueff = 1,5 V. Aus der Physik wissen wir, dass sich die Leistung, mit der an einem ohmschen Wi-derstand Wärme frei wird, nach der Formel P = U · I berechnet. Wie groß ist die Leistung, mit der Energie am beschriebenen Kondensator frei wird?

weiter RückseiteAufgabe 3: Warum überträgt man große elektrische Leistungen im 21. Jahrhundert mit Gleichstrom und nicht wie vorher mit Wechselstrom?

weiter Rückseite


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Mechatronik 1/2

1. Versuch Ohmscher SpannungsteilerDas Ergebnis des Schülerversuchs mit dem 10€ Oszilloskop wird in Bild 1 gezeigt. Benutzt man den 20V-Messbereich ändert der Eingangswiderstand des 10€ Oszilloskops den Messwert von R1 auf 8,1 kΩ.

Bild 1: Zeitlicher Verlauf der Spannungen V1 und V2 aufge-nommen mit den 10€ Oszilloskop. Beide Spannungen zeigen in Stromrichtung

Auswertungen:Die Amplituden von V1 und V2 verhalten sich wie 8 : 1. Der zeitliche Verlauf von V1 und V2 ist gleichpha-sig.

2. Versuch Ohmscher Spannungsteiler mit geändertem Bezugspotenzial

In Bild 2 wird das Ergebnis des Schülerversuchs mit dem 10€ Oszilloskop gezeigt.

Bild 2: Zeitlicher Verlauf der Spannungen V1 und V2 aufgenom-men mit den 10€ Oszilloskop. Eine Spannungen zeigt gegen die Stromrichtung

Auswertungen und Antworten:Der Graph von V1 und V2 ist um 180° phasenver-schoben.

zu ①: Nach Ohm gilt U = R · I, als ist V1 ~ I. Es gilt

weiter I = U---R ; I =

1V-----------8,1 k Ω = 0,12 mA.

zu ②: Die Phasenverschiebung ist das Ergebnis der Meßmethode. V1 und V2 werden unterschiedlich zur Stromrichtung gemessen. Invertiert man V2, wird die Physik richtig angezeigt.

3. Versuch Messen von Strom und Spannung an einem Kondensator

Das Ergebnis, das das 10€ Oszilloskop zeigt, ist in Bild 3 abgebildet.

Bild 3: Zeitlicher Verlauf der Spannungen V1 und V2 aufgenom-men mit den 10€ Oszilloskop. Eine Spannungen zeigt gegen die Stromrichtung.

Auswertungen:Strom und Spannung von um 90° phasenverschoben. 1 Der Kondensator ist voll geladen, kein Stromfluss, da Übrergang vom Laden zum Entladen.2 Der Kondensator ist entladen, maximaler Entlade- bzw. Ladestrom.3 Der Kondensator ist voll umgeladen, kein Strom-fluß.4 Wie 2.

4. Versuch: Messen von Wechselspannun-gen mit dem Vielfachmessgerät

Ergebnisse:U(DCV) = 0,0 V U(ACV) = 5,0 VV1(DCV) = 0,0 V V1(ACV) = 4,8 VV2(DCV) = - 0,0 V V2(ACV) = 1,5 V

Auswertungen:V1 und V2 sind um 90° phasenverschoben. Mit dem Oszilloskop (Invertierung beachten) erkennt man,

10€ Oszilloskop Messen am Kondensator -Lehrer-

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1V-----------8,1 k Ω 1V-----------8,1 k Ω

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Mechatronik 2/2

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dass für jeden Zeitpunkt V1 + V2 = U ist. Der Energie-erhaltungssatz gilt. Effektivwerte sind Durchschnitts-werte, unabhängig von der Phasenlage. Sie können die zur Rechnung nötigen Momentanwerte nicht beschreiben.

4,8 VIeff = ---------- = 0,48 mA 104 Ω

1XC = ---------------------------- = 3,2 kΩ 2 π 50 Hz 1,0 μF

1,5 VIeff = ------------ = 0,47 mA 3,2 kΩ

Antwort zu Aufgabe 1: Für Gleichspannung ist der Widerstand eines Kondensators extrem hoch. Für Wechselspannung gilt das nicht. Wechselstrom fließt.

Antwort zu Aufgabe 2: Die Leistung beträgt 0 W, es wird keine Wärme frei.Begründung: Wir multiplizieren zu verschiedenen Zeitpunkten das Produkt der jeweiligen Spannungs- und Stromwerte, die wir den Graphen entnehmen. So erkennen wir, dass die Ergebnisse positiv und negativ sind und sich zeitlich sinusförmig verändern. Der zeitliche Durchschnitt eines Sinus ist aber Null. Durch den Strom (Blindstrom) werden zwar die Zulei-tungen warm, nicht aber der Kondensator.

Antwort zu Aufgabe 3: Die Drähte einer Hochspan-nungsleitung stellen einen Kondensator dar, der bei Wechselstromtransport 50 Mal in der Sekunde umgeladen wird. Am Kondensator wird keine Wärme frei (siehe Aufgabe 2), wohl aber in den Zuleitungen. Bei Gleichspannungsbetrieb fließ dieser Blindstrom nicht. Diesen Übertragungsverlust konnte man frü-her nicht vermeiden, da es ein Problem war, Gleich-spannungen zu transformieren. Transformatoren arbeiten nur mit Wechselstrom.

10€ Oszilloskop Messen am Kondensator -Lehrer-

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Mechatronik 1/2

Getrennt messen, vereint anzeigen! In der Physik geht man häufig so vor: Man sucht z. B. die Wirkung einer Kraft, hat aber für den allgemeinen Fall keine Methode, die Antwort zu finden. In der Not zerlegt man die Kraft in spezielle Komponenten (senkrecht, parallel), für die man die Wirkung be-stimmen kann. Das Schöne an der Physik ist, dass die Summe der so bestimmten Wirkungen die gleiche ist, wie die der vorgegebenen Kraft. Bei allgemeinen elektrischen Spannungen geht man genauso vor. Man zerlegt sie in einen reinen Gleichspannungsanteil und einen reinen Wechsel-spannungsanteil. Für jeden kann man einzeln z. B. die Ströme bestimmen. Zusammengefügt ergibt sich dann der Strom der allgemeinen gegebenen Span-nung. In einem ohmschen Leiter werden Ladungsträger durch eine reine Wechselspannung nur um eine Ruhelage hin und her bewegt. Auf lange Sicht ändert sich die Position im Leiter nicht. Eine reine Gleich-spannung schiebt die Ladungsträger ohne Wackeln durch den Leiter.

Was hat das für unser 10€ Oszilloskop für Konse-quenzen?Unser 10€ Oszilloskop misst nur reine Wechselspan-nungen. Die Gleichspannungskomponente muss gesondert mit einem Vielfachmessgerät bestimmt werden und als Offset per Hand eingegeben werden. Zusammen erhält man dann den tatsächlichen Ver-lauf der gemessenen Spannung angezeigt.

Notwendige Bauteile- Trenntrafo ** Ohne dieses Gerät: Finger weg von den Versuchen! **- zwei 10€ Oszilloskop-Platinen

Die beiden Platinen werden an einen Mikrofonste-cker angeschlossen. Der Masseanschluss wird von beiden gleichzeitig benutzt. Die eine Platine wird mit dem linken, die andere Platine mit dem rech-ten Kanal des Mikrofonanschlusses verbunden.

- ein Steckbrett mit Drähten, ein 10 kOhm Wider-stand, eine Gleichrichterdiode

1. Versuch Kalibrieren des 10€ OszilloskopsDie Empfindlichkeit des Oszilloskops wird so ein-gestellt, dass eine Stricheinteilung (Division) einer Spannungsdifferenz von 5 V entspricht. - Messe mit einem Kanal die Versorgungsspannung 3,5 V und stelle die Amplitude so ein, dass die Ampli-tude eine Stricheinteilung beträgt (3,5 · ---√2 = 5).

10€ Oszilloskop Messen an der Diode, Diodenkennlinie

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2. Versuch Spannungsteiler mit DiodeWir untersuchen die Schaltung aus Bild 1.

Bild 1: Spannungsteiler mit Diode

- Stecke die Schaltung auf dein Steckbrett auf. - Stelle die zeitlichen Verläufe der Spannungen V1 und V2 mit dem 10€ Oszilloskop dar. - Speichere die Anzeige und drucke sie aus (Stop-Taste betätigen). Das Messprotokoll, das mit dem Schuloszilloskop erstellt worden ist, ist in Bild 2 zu sehen.

Bild 2: Die Spannungen V1 und V2 zeigen den Wechselstrom durch die Diode und die Wechselspannung an der Diode.

3. Versuch: Gleichspannungskomponenten- Messe die Gleichspannungskomponenten am Widerstand und an der Diode mit dem Vielfachmess-gerät.

Ergebnisse:V1=(R1) = V2=(Diode) =- Verschiebe den Graphen aus Versuch 2 um diese Werte. - Dein Ergebnis sollte dem Messprotokoll des Schul-oszilloskops in Bild 3 entsprechen. Speichere die Anzeige und drucke sie aus (Stop-Taste betätigen)

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Mechatronik 2/2

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Bild 3: Kanal 1 und 2 zeigen den wahren Verlauf von Strom und Spannung.

Nehme Stellung: - Wird die Diode in Sperrrichtung betrieben, fließt ein Strom von bis zu 0,1 mA.- Wird die Diode in Durchlassrichtung betrieben, fällt an ihr auch bei unterschiedlichem Stromfluss immer eine konstante Spannung von 0,7 V ab.Auswertungen:

weiter Rückseite

4. Versuch Kennlinie der DiodeWir benutzen die Schaltung aus Bild 1 und als Dar-stellungsform der beiden Spannungen auf dem Bild-schirm die Einstellung x-y-Graph aus dem Menü. - Stelle die xy-Darstellung dar. - Ändere die Empfindlichkeit, bis eine brauchbare Figur entsteht.- Speichere die Anzeige und drucke sie aus (Stop-Taste betätigen). Das Messprotokoll, das mit dem Schuloszilloskop erstellt worden ist, ist in Bild 4 zu sehen. Im Bild 5 ist die Kennlinie einer idealen Siliziumdiode gezeichnet. Die Maßstäbe sind hier auf allen vier Achsen ver-schieden.


Bild 5: Kennlinie einer idealen Siliziumdiode

Auswertungen:Erkläre die Funktion der Dioden in der Schaltung des 10€ Oszilloskops

weiter Rückseite

Was ist die Kennlinie eines Bauteils?Messen wir den Strom I durch ein Bauteil, während wir eine Spannung U anlegen, so erhalten wir einen Punkt mit den Koordinaten (U/I) in einem U-I-Koordi-natensystem. Verändern wir die angelegte Spannung und bestimmen jeweils den zugehörigen Strom, erhalten wir einen Graphen in diesem Koordinaten-system, den wir die Kennlinie des Bauteils nennen.

Dass 10€ Oszilloskop kann diese Kennlinie gespie-gelt anzeigen.Wählen wir im Menü den Reiter x-y-Graph, so erkennen wir auf dem Bildschirm ein Koordinatensys-tem mit dem Ursprung im Zentrum des Bildschirms. Legen wir an den Kanal 1 eine Spannung V2 und an den Kanal 2 des Oszilloskopes eine Spannung V1, so werden die Punkte (V2/V1) in das Koordinatensys-tem gezeichnet. Da V1 proportional zum Strom ist, erhalten wir einen Graphen, der der Kennlinie der Diode entspricht. Um die Kennlinie zu erhalten, muss der Kanal 1 invertiert werden. Leider gibt es dafür bei unserem 10€ Oszilloskop keine Funktion.Die Hauptanwendung der Darstellung von Spannun-gen im x-y-System ist, geringe Phasenverschiebungen zweier Wechselspannungen zu messen.

10€ Oszilloskop Messen an der Diode, Diodenkennlinie

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Mechatronik 1/1

2. Versuch Spannungsteiler mit DiodeMit dem 10€ Oszilloskop erhält man die Anzeige aus Bild 1.

Bild 1: Die Spannungen V1 und V2 zeigen den Wechselstrom durch die Diode und die Wechselspannung an der Diode.

3. Versuch: GleichspannungskomponentenErgebnisse:V1=(R1) = 1,6 V V2=(Diode) = - 1,6 VDie Anzeige des 10€ Oszilloskops ist in Bild 2 zu sehen.

Bild 2: Kanal 1 und 2 zeigen den wahren Verlauf von Strom und Spannung.

Auswertungen:Durchlassrichtung: V2 wird mit dem 10€ Oszilloskop gemessen. Der Eingangswiderstand 42 kΩ (beim 20V-Messbereich) liegt parallel zur Diode. Der Gleich-strom über diesen Widerstand wir in V1 angezeigt. Der Strom über die Diode selbst ist verschwindend klein.Sperrichtung: Die Schleusenspannung entsteht beim Abbau der Sperrschicht der Diode. Sie ist materialab-hängig und immer größer als 0 V.

10€ Oszilloskop Messen an der Diode, Kennlinie -Lehrer-

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4. Versuch Kennlinie der DiodeIn Bild 3 ist die Anzeige des 10€ Oszilloskops zu se-hen. Kanal 1 ist nicht invertiert.


Auswertungen:In Bild 3 muss Kanal 1 invertiert werden, damit die Spannungen in gleicher Richtung zum Stromfluss angezeigt werden. Die Abweichung der gemessenen Kennlinie von der idealen Kennlinie in Bild 5 des Schülerarbeitsblat-tes ist durch den Stromfluss über die 10€ Platine zu erklären, wenn die Diode sperrt.Parallel zum Ausgang des 10€ Oszilloskop sind die beiden Dioden D1 und D2 geschaltet. Übersteigt die Ausgangsspannung den Wert 0,7 V, dann fließt Strom über eine der beiden Dioden und die Ausgangsspan-nung wird dadurch auf maximal 0,7 V begrenzt.

das 10€ oszilloskop - gmg-bayreuth.de · s graf-münster-gymasium ayreth mechatronik 1/1 das...

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