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Messgleichrichter
1 Aufgabenstellung
· Aufbau eines Vollweggleichrichters, Messungen mit verzogenem Gleichrichter, Tiefpassfilterung auf DC-Signal, Rechteckansteuerung.
· Aufbau eines Spitzenweggleichrichters (Abtast-Halte-Schaltung, Sample-Hold Circuit)
2 Allgemeines
Die Schaltungen wurden auf einer Lötleiste aufgebaut, als Operationsverstärker wurde ein Typ mA741 verwendet.
Alle Masseverbindungen wurden an einem zentralen Punkt angeschlossen, um Spannungsabfälle zu vermeiden. Als Dioden wurden 1N4148-Typen eingesetzt (Gleichrichterdioden wie 1N400x wären zu langsam).
Betriebsspannung UB = ±15V (genau +15,18/-15,02V).
3 Vollweggleichrichter
3.1 Schaltung
3.2 Dimensionierung
Der Faktor K wurde mit 1 gewählt.
Für die Widerstände wurden folgende Werte gewählt (geringe OPV-Belastung):
R1 = R2 = 10kW (mit Präzisions-Multimeter P4: R1 = 10,0182kW; R2 = 10,0186kW)
R3 = R4 = R1 || R2 bzw. R || R = 10kW || 10kW » 4,7kW (mit P2: R3 = 4,69kW; R4 = 4,70kW)
R = R5 = R7 = 10kW (mit Präzisions-Multimeter P4: R5 = 10,0270kW; R7 = 10,0120kW)
R/2 = R6 = 10kW || 10kW + 270W = 5,2682kW (gemessen).
Für R1, R2 und R5, R7 wurden ähnliche Werte mittels mehrerer Messungen gesucht.
R6 sollte eigentlich 5kW betragen; der Wert wurde jedoch um 5% erhöht, um Unterschiede im Ausgangssignal erkennen zu können.
R3 und R4 dienen nur zur Biasstromkompensation.
3.3 Messungen
Es wurden Signaldiagramme bei verschiedenen Frequenzen bei Dreieck- und Rechteckspeisung aufgenommen.
3.3.1 Dreieckansteuerung
Dreieck mit f = 1kHz
voll 1khz
Es wurden folgende Werte abgelesen:
ûe+ = 4,0V û e- = -3,9V
ûa+1 = 3,7V û a+2 = 3,9V
Dreieck mit f = 10kHz
voll 10khz
Es wurden folgende Werte abgelesen:
ûe+ = 4,0V û e- = -3,9V
ûa+1 = 3,5V û a+2 = 3,9V
Außerdem wurde die Einweggleichrichterspannung an der Verbindungsstelle R2-R6 abgegriffen:
ûEW = -3,85V
Unter 200Hz war ein gute Signaltreue vorhanden, über 1kHz traten geringe, ab 2kHz starke Signalverzerrungen auf (vgl. Signaldiagramme).
Die Abweichungen durch die ungleich gewählten Widerstände R und R/2 sind deutlich zu erkennen.
3.3.2 Rechteckansteuerung
Rechteck mit f = 1kHz
reckt 1khz
Die Schaltung sollte eigentlich einen DC-Wert liefern, durch den Schaltvorgang entstehen jedoch große Signalspitzen.
4 Vollweggleichrichter mit Tiefpassfilter
4.1 Schaltung
Der Vollweggleichrichter wurde um einen Kondensator C ergänzt, dadurch entsteht in Verbindung mit N2 ein aktiver Tiefpass.
4.2 Dimensionierung des Kondensators
Als Eingangsspannung wurde ein Dreieck verwendet.
Der Kondensator soll nun so dimensioniert werden, dass die Grenzfrequenz des aktiven Tiefpasses so liegt, dass die Grundwelle des Dreiecksignals (Fourieranalyse!) bereits auf 5% ihrer ursprünglichen Höhe gedämpft ist.
Graphische Veranschaulichung:
Die Frequenz der Grundwelle beträgt bereits 2kHz, da es sich am Ausgang um ein gleichgerichtetes Dreieck handelt (vgl. Fourier).
fR = A0 · f0 = 2kHz · 0,05 = 100Hz (Kevin-Bandbreite-Produkt)
Somit erhält man für C:
aus wR
= 
ergibt sich C =
= 159nF
Es wurde C = 220nF verwendet.
Am Ausgang der Schaltung wurde folgendes Signal gemessen:
Signal mit f = 1kHz
TP
Dem Ausgangssignal mit einem DC-Offset von ca. 2,5V war nebenstehendes Sinus-Halbkreis -Signal überlagert.
Die Höhe des Ausgangssignals sollte folgenden Wert besitzen:
UaBrss = ¼ p · Uess · 5% = p /4 · 4V · 5% = 157mV
Dies stimmt sehr gut mit den gemessenen 100mV überein, da der Kondensator größer gewählt wurde (somit sinkt wR und das Signal wird stärker gedämpft).
Der Faktor ¼ p entsteht durch das erste Glied der Fourieranalyse (die Amplitude der Grundwelle beträgt ¼ p · Uess).
5 Spitzenweggleichrichter
5.1 Schaltung
Die Schaltung wurde mit einer DC-Spannung angesteuert. Bei einer Erhöhung von Ue folgte Ua sofort, bei einer Senkung von Ue folgte Ua mit einer Verzögerung von einigen Sekunden.
Als der Minuseingang von N1 zwischen die Dioden und den 1kW - Widerstand geschaltet wurde, verringerte sich das Potential von Ua um die Flussspannung der Diode.
6 Interpretation der Messergebnisse
Messgleichrichter eignen sich sehr gut für Anwendungen, bei denen eine genaue, signalgetreue Gleichrichtung erforderlich ist. Über Frequenzen von 1kHz ist jedoch nur mehr eine eingeschränkter Verwendung möglich (oder eine Wahl schnellerer Bauelemente).
Die Ungleichheit durch die unterschiedlichen Widerstände am Summationspunkt des Vollweggleichrichters waren gut zu erkennen ,genauso wie die Spannungsspitzen beim Umschalten bei der Rechteckansteuerung.
Der Tiefpass funktionierte ebenfalls wie erwartet, genauso wie der Spitzenweggleichrichter
