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| circuit_design:uebung_2.1.1 [2021/09/21 04:56] – Externe Bearbeitung 127.0.0.1 | circuit_design:uebung_2.1.1 [2023/07/17 15:06] (aktuell) – mexleadmin |
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| <WRAP pagebreak></WRAP> | <wrap anchor #exercise_2_1_1 /> |
| <panel type="info" title="Aufgabe 2.1.1 Diode bei höheren Frequenzen"> <WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%> | <panel type="info" title="Exercise 2.1.1 Diode at higher frequencies"> <WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%> |
| {{ elektronische_schaltungstechnik:eintaktgleichrichter_mit_sensor_und_oszi_skizze.png?300}} | {{ elektronische_schaltungstechnik:eintaktgleichrichter_mit_sensor_und_oszi_skizze.png?300}} |
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| In Ihrer Firma „HHN Mechatronics & Robotics“ haben Sie einen Eintaktgleichrichter aufgebaut, um ein sinusförmiges Messsignal von ($f=200kHz$, Amplitude $\hat{U} = 5,0V$, Ausgangswiderstand des Sensors $R_q = 10k$) gleichzurichten. Dazu haben Sie eine einfacher Schaltung mit der "Si-Gleichrichterdiode" $D=1N5400$ und einen Glättungskondensator mit $C=10pF$ aufgebaut. Als Messgerät nutzten Sie ein Oszilloskop (Rigol DS1000E). Die Schaltung ist in nebenstehender Skizze gezeichnet. | In your company "HHN Mechatronics & Robotics" you have built a single-ended rectifier to rectify a sinusoidal measuring signal of ($f=200~\rm kHz$, amplitude $\hat{U} = 5.0~\rm V$, output resistance of the sensor $R_{\rm q} = 10~\rm k\Omega$). For this purpose, you built a simple circuit with the "Si rectifier diode" $D=\rm 1N5400$ and a smoothing capacitor with $C=10~\rm pF$. As a measuring instrument, you used an oscilloscope (Rigol DS1000E). The circuit is drawn in the adjacent sketch. |
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| Ihr Kollege hat Sie bereits darauf hingewiesen, dass bei hohen Frequenzen manche Dioden ein Problem mit dem Gleichrichten bekommen. Das haben Sie beim Durchmessen des Aufbaus und Blick auf das Oszilloskop auch gemerkt... | Your colleague has already pointed out to you that at high frequencies some diodes get a problem with rectification. You also noticed this when measuring the setup and looking at the oscilloscope... |
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| Schreiben Sie den erwarteten Signalverlauf vor der jeweiligen Simulation auf. Beachten Sie, dass Sie in der Simulation ein eingeschwungenes System betrachten müssen! | Write down the expected signal curve before the respective simulation. Note that you must consider a steady-state system in the simulation! |
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| - Suchen Sie in der {{::ds1000de_anleitung_de.pdf|Anleitung des Oszilloskops}} die Werte der Eingangsimpedanz, welche in der Schaltung für den Eingangswiderstand $R_E$ und die Eingangskapazität $C_E$ benötigt werden. \\ Bilden Sie die Schaltung in mit den Angaben von oben TINA TI nach (**Schaltung 1**). Dabei ist - wie in der Skizze dargestellt - die Eingangsimpedanz des Oszilloskops zu berücksichtigen. \\ Simulieren Sie die Schaltung 1 mit dem angegebenen Signal. Beschreiben Sie kurz den erwarteten und gemessenen Signalverlauf.<WRAP onlyprint> \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ </WRAP> | - Find in the {{https://cdn-shop.adafruit.com/datasheets/Users+Guide+DS1000E.pdf|Instruction of the oscilloscope}} the values of the input impedance, which are needed in the circuit for the input resistance $R_\rm E$ and the input capacitance $C_\rm E$. \\ Replicate the circuit in using the information from TINA TI above (**Circuit 1**). Take into account the input impedance of the oscilloscope, as shown in the sketch. \\ Simulate circuit 1 with the specified signal. Briefly describe the expected and measured signal waveforms. |
| - Versuchen Sie die Kapazität des Kondensator $C$ so abzustimmen, dass sich der erwartete, gleichgerichtete Wert einstellt. Was stellen Sie fest? <WRAP onlyprint> \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ </WRAP> | - Try tuning the capacitance of capacitor $C$ to get the expected rectified value. What do you find? |
| - Da irgendwas komisch zu sein scheint, wollen Sie die Schaltung debuggen, also den Fehler ermitteln. Sie nutzen dazu einen [[elektronik_labor:tipps_fuer_die_fehlersuche#allgemein|generischen Ansatz für die Fehlersuche]] und wollen das unklare System auf ein Minimum herunterbrechen. Konkret heißt das: Sie bauen eine geänderte Schaltung auf (**Schaltung 2**): | - Since something seems to be funny, you want to debug the circuit, that is, determine the error. To do this, you could use the [[elektronik_labor:tipps_fuer_die_fehlersuche#allgemein|generic approach to debugging (in German)]]. Or you break down the unclear system to a minimum. Specifically, you build a modified circuit (**Circuit 2**): |
| - der Sensor wird durch einen Funktionsgenerator (gleiche Frequenz und Amplitude, aber $R_q = 50 \Omega$) ersetzt, | - the sensor is replaced by a function generator (same frequency and amplitude, but $R_{\rm q} = 50 ~\Omega$), |
| - der Glättungskondensator $C$ wird durch eine offene Leitung ersetzt (ist also nicht mehr vorhanden) | - the smoothing capacitor $C$ is replaced by an open lead (so it is no longer present) |
| - Simulieren Sie die Schaltung 2 mit dem bisherig angegebenen Signal. Beschreiben Sie kurz den erwarteten und gemessenen Signalverlauf. <WRAP onlyprint> \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ </WRAP> | - Simulate circuit 2 with the signal given so far. Briefly describe the expected and measured signal characteristics. |
| - Gehen Sie nun noch einen Schritt zurück und versuchen etwas mehr Strom über die Diode fließen zu lassen. In Schaltung 2 war der Strom durch $R_E$ begrenzt und die Diode damit noch nicht über $U_S=0,7V$ betrieben. Die Idee ist nun in **Schaltung 3** auch den Eingangswiderstand auf $R_E = 50 \Omega$ zu schalten (dies ist bei einigen Oszilloskopen möglich). Der Rest der Schaltung 3 gleicht Schaltung 2. \\ Simulieren Sie die Schaltung 3 mit dem bisherig angegebenen Signal. Beschreiben Sie kurz den erwarteten und gemessenen Signalverlauf.<WRAP onlyprint> \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ </WRAP> | - Now take another step back and try to get a little more current flowing across the diode. In circuit 2, the current was limited by $R_\rm E$ and thus the diode was not yet operating above $U_\rm S=0.7~\rm V$. The idea now in **Circuit 3** is to also switch the input resistor to $R_\rm E = 50 ~\Omega$ (this is possible on some oscilloscopes). The rest of circuit 3 is the same as circuit 2. Simulate circuit 3 with the signal given so far. |
| - Nun scheinen Sie dem Problem näher zu kommen. Sie variieren Eingangswiderstand auf $R_E = 500 \Omega$ (**Schaltung 4**) \\ Simulieren Sie die Schaltung 4 mit dem angegebenen Signal. Beschreiben Sie kurz den erwarteten und gemessenen Signalverlauf.<WRAP onlyprint> \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ </WRAP> | - Now you seem to be getting closer to the problem. You vary input resistance to $R_\rm E = 500 ~\Omega$ (**Circuit 4**) \\ Simulate circuit 4 with the given signal. Briefly describe the expected and measured signal waveforms. |
| - Ihr Kollege gibt Ihnen den Tipp, dass der Verlauf (siehe Diagramm rechts) typisch sei für <wrap right>{{elektronische_schaltungstechnik:aufgabe_2.1.1._schaltung4_diagramm.png?300}}</wrap> | - Your colleague tips you that the progression (see diagram on the right) is typical of <wrap right>{{elektronische_schaltungstechnik:aufgabe_2.1.1._schaltung4_diagramm.png?300}}</wrap> |
| - einen zu großen Sperrverzug / eine zu große Sperrverzugszeit (reverse recovery time $t_{rr}$). Diese ist in Tina über die Transitzeit (Transit Time $TT$) nachgebildet | - A reverse recovery time $t_{\rm rr}$ that is too large. This is reproduced in Tina via the transit time $\rm TT$. |
| - eine zu große Sperrschichtkapazität (junction capacity $C_j$ oder diode capacity $C_D$). | - an excessive junction capacity (junction capacity $C_\rm j$ or diode capacity $C_\rm D$). |
| - Diese Werte sind in Tina TI über folgendes Vorgehen veränderbar: Doppeklick auf die Diode >> Klick auf ''...'' bei Type >> Suchen der genannten Größen. \\ Sie wollen nun analysieren wie jeweils der Sperrverzug und die Sperrschichtkapazität auf den Spannungsverlauf (bei Schaltung 4) bewirkt. \\ Simulieren und __beschreiben Sie dafür den Spannungsverlauf__ wenn | - These values can be changed in Tina TI by the following procedure: Double-click on the diode >> click on ''...'' at Type >> search for the mentioned values. \\ You now want to analyze how the reverse bias and the junction capacitance affect the voltage curve (for circuit 4). \\ Simulate and __describe the voltage curve__ if |
| - einerseits den Sperrverzug auf $0s$ zurückgesetzt oder | - on the one hand, the reverse bias is reset to $0~\rm s$ or |
| - andererseits die Sperrschichtkapazität auf $0F$ zurückgesetzt wird. <WRAP onlyprint> \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ </WRAP> | - on the other hand, the junction capacitance is reset to $0~\rm F$. \\ __describe the voltage waveform__. |
| - Wählen Sie statt der Diode $D=1N5400$ die Diode $D=1N4148$ und simulieren Sie nochmals die Schaltung 3 und Schaltung 1. \\ Wie verhält sich nun der Spannungsverlauf und warum? <WRAP onlyprint> \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ \\ </WRAP> | - Instead of diode $D=\rm 1N5400$, choose diode $D=\rm 1N4148$ and simulate again circuit 3 and circuit 1. \\ Now how does the voltage waveform behave and why? |
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