21. April 2015 Elektronik 1 Martin Weisenhorn Laborübung zu Gleichrichterschaltungen Aufgabe 1. Leistungsgleichrichter: Dimensionierung des Glättungskondensators Gegeben ist die Gleichrichterschaltung in Abb. 1 die häufig in Netzteilen von Kleingeräten vorkommt. Die Spannung u2 (t) ist eine sinusförmige Wechselspannung mit 50 Hz und einer Scheitelspannung von 14 V, der Lastwiderstand sei RL = 500 Ω. Die Kapazität C muss ausreichend gross sein, sodass der Laststrom iL (t) den Kondensator zwischen zwei Ladevorgängen nicht zu stark entlädt. Das angestrebte Ziel ist, dass die Welligkeit der Spannung ua (t) höchstens 0.5 Vpp beträgt. Die folgenden Punkte geben eine grobe Anleitung zur Herleitung einer Formel für die Dimensionierung der Kapazität C der Glättungskapazität C. 1N4007 iL (t) 1N4007 ∼ 220 V 50 Hz u2 (t) C 1N4007 ua (t) RL 1N4007 Abbildung 1: Brückenschaltung. a) Wie lange ist die Zeit zwischen zwei Aufladevorgängen? b) Auf welche Spannung wird der Kondensator aufgeladen? c) Wie gross ist der Strom IL der durch den Widerstand RL fliesst, unter der Annahme, dass die Ladespannung zwischen zwei Aufladevorgängen näherungsweise konstant bleibt? d) Um welche Spannung entlädt sich der Kondensator zwischen zwei Ladevorgangen, wenn durch den Lastwiderstand RL der näherungsweise konstante Strom iL fliesst. Leiten Sie eine Formel als Funktion von C her. Hinweis: Verwenden Sie die Bauteilgleichung der Kapazität in differenzieller Form: duc (t)/dt = ic (t)/C e) Geben Sie nun den Vpp Wert des AC-Anteils von ua (t) als Funktion von C an. Man nennt diesen Wert die Welligkeit der Ausgangsspannung. f) Die Welligkeit soll nicht mehr als 0.5 V betragen. Bestimmen Sie den kleinstmöglichen Kapazitätswert C. g) Bauen Sie die Schaltung auf und untersuchen Sie sie auf Ihre Funktion. Den Transformator finden Sie im Bauteilkasten. Laborübung zu Gleichrichterschaltungen, Elektronik 1 2 h) Ist die Welligkeit, so wie Sie es erwartet hatten? i) * Wenn Sie Zeit haben, überlegen Sie sich eine Methode zur Messung des Ladestromes in den Kondensator und probieren Sie sie aus. Wie hängt der Ladestrom von der Last RL ab? Aufgabe 2. Signalgleichrichter: Superdiode Messen Sie die Eingangsspannung ue (t), die Ausgangsspannung des OPVs, und ua (t) für sinus“Superdiode“ Vcc+ µA741 ue (t) 1N4148 Vcc− ua (t) R Abbildung 2: Schaltung mit „Superdiode“. förmige Eingangsspannung mit 4 Vpp für die Frequenzen f = 0, 100, 1 000, 10 000 Hz. Wählen Sie R = 33 kΩ. Vcc = ±12 V, Diode 1N4148, µA741. a) Was stellen Sie fest? b) Woher kommt dieser Effekt? Aufgabe 3. Signalgleichrichter: Verbesserte Superdiode Die Schaltung 3 zeigt eine Verbesserung gegenüber der Schaltung in Abb. 3. Dank der weiteren Diode D2 , muss die Ausgangsspannung des OPV nicht über derart grosse Spannungswerte springen. Dadurch reagiert die Schaltung schneller. R R ue (t) ua (t) 1N4148 1N4148 D1 D2 µA741 Abbildung 3: Verbesserte Superdiode. a) Erklären Sie sich die Funktion der Schaltung und beschreiben Sie diese in wenigen Sätzen. b) Bauen Sie die Schaltung auf und überzeugen Sie sich von deren korrekter Funktion. c) Entfernen Sie die Diode D2 und überprüfen Sie, ob die Schaltung dadurch wieder die schlechteren Reaktionsgeschwindigkeit der Schaltung aus Abb. 3 aufweist. d) Erweitern Sie nun die Schaltung so, dass ein Vollwellengleichrichter entsteht, der wie die Superdiode, kleinste Spannungssignale korrekt gleichrichtet. Hinweis: Schalten Sie einen Laborübung zu Gleichrichterschaltungen, Elektronik 1 3 Subtrahierer in geeigneter Weise hinzu. Die Verstärkungen für den invertierenden und den nicht-invertierenden Eingang müssen jeweils geeignet festlegt werden. e) Testen Sie ob die Schaltung die gewünschte Funktion ausführt.