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Themen: Oszilloskop

Wie funktioniert ein Oszilloskop?

Aufbau: Oszilloskop
Bild 1: Grundlegender Aufbau des Oszilloskops.

Zuerst wird mittels einer Glühkathode eine Elektronenwolke erzeugt und anschließend mit einem Wehneltzylinder zu einem Strahl fokussiert. Zwischen der Glühkathode und einer Lochblende (Anode) wird eine Beschleunigungsspannung angelegt, sodass Elektronen zur positiv geladenen Anode beschleunigt werden und der Strahl durch das Loch tritt. Auf dem Weg dahin wird er noch zusätzlich durch eine zylinderförmige Fokussiertelektrode geschickt. Sie ist negativ geladen, weshalb die ebenfalls negativ geladenen Elektronen noch stärker zu einem noch feineren Strahl von allen Seiten zusammengedrückt werden.

Nach dem die Elektronen die Anode passiert haben, gelangen sie zwischen zwei übereinander liegende Platten, die für y-Ablenkung auf dem Oszilloskopschirm zuständig sind. An diese Platten wird die zu messende Spannung angelegt (Anschluss: CHANNEL 1). Dadurch wird eine der Platten positiv und die andere negativ aufgeladen. Da die Elektronen negativ geladen sind, werden sie zur positiven Platte hingezogen und von der negativen abgestoßen. Wird die Spannung umgepolt (z.B. bei Wechselspannung), ändert der Strahl seine Richtung. Auf diese Weise entsteht die y-Ablenkung.

Als nächstes durchlaufen die Elektronen zwei weitere Platten, die diesmal jedoch senkrecht stehen und daher für x-Ablenkung verantwortlich sind. Bei Einkanalbetrieb wird hier eine Sägezahnspannung angelegt. Ihr gleichmäßiger Spannungsanstieg sorgt für eine gleichmäßige Ablenkung des Strahls in x-Richtung. Hat der Strahl seine maximale Auslenkung nach rechts erreicht, wird die Spannung plötzlich umgepolt, sodass der Strahl von der gegenüberliegenden Platte angezogen und somit ganz nach links ausgelenkt wird.

Nach dem die Elektronen diesen Bereich verlassen haben, bewegen sie sich geradlinig weiter bis zum Bildschirm des Oszilloskops. Dieser ist mit einer fluoreszierenden Material beschichtet, welches dafür sorgt, dass dort wo die Elektronen auftreffen ein Lichtpunkt erzeugt wird. Bewegt sich dieser Lichtpunkt immer wieder ausreichend schnell auf dem selben Weg über den Bildschirm, so erscheint uns diese Bewegung als stehendes Bild.

Gleichspannung am Oszilloskop

Bei Gleichspannung erscheint auf dem Bildschirm ein waagerechter Strich. Was passiert bei Veränderung...

  • ...der Gleichspannung am Netzgerät?
    Bei Erhöhung der Spannung entfernt sich der Strich weiter von der Grundlinie, bei Erniedrigung der Spannung kommt der Strich der Grundlinie näher. Bei 0 Volt befindet er sich auf der Grundlinie.
  • ...der Zeitablenkung?
    Stellt man eine geringere Zeitablenkung ein, so verwandelt sich der Strich in einen Punkt, der bei weiterer Verringerung der Zeitablenkung immer langsamer von links nach rechts über den Bildschirm wandert. Stellt man gar keine Zeitablenkung ein, dann bleibt der Punkt in der Mitte des Bildschirms stehen. Bei Veränderung der Zeitablenkung verändert sich also die Geschwindigkeit mit der sich der Lichtpunkt über den Bildschirm bewegt.
  • ...der y-Verstärkung?
    Bei Veränderung des Reglers für y-Verstärkung wird die Ablenkung in y-Richtung anders skaliert.

Die eingestellte Spannung kann man dann am Oszilloskop folgendermaßen ablesen: U = DIV · \( \frac{VOLT}{DIV} \) wobei DIV die Anzahl der Kästchen und VOLT/DIV die eingestellte Skalierung in y-Richtung ist.

Die Taste GND bringt den Strahl auf die Grundlinie, d.h. es entspricht einer Verschiebung in y-Richtung. AC-Taste unterdrückt den Gleichspannungsanteil der eingehenden Spannung, sodass nur der Wechselspannungsanteil angezeigt wird. Der Lichtpunkt wird also so verschoben, dass er sich um die Grundlinie bewegt.

Foto: Gleichspannung am Oszilloskop
Gleichspannung dargestellt am Oszilloskop.

Wechselspannung am Oszilloskop

Grundeinstellung: Funktionsgenerator im Sinusbetrieb mit 100 Hz Frequenz.

Foto: Gleichspannung am Oszilloskop
Wechselspannung dargestellt am Oszilloskop.

Bei Veränderung der Amplitude wird die Kurve auf dem Bildschirm in y-Richtung gestreckt oder gestaucht. Und bei Veränderung der Frequenz passiert das Gleiche mit der x-Richtung. Um die Amplitude zu bestimmen, misst man den Wert zwischen Nulldurchgang und Maximum.

Folgendermaßen kann man die Frequenz bestimmen: f = 1/T (mit T als Periodendauer). t = DIV · TIME/DIV, wobei dieses Mal "DIV" die Anzahl der Kästchen in x-Richtung ist und "TIME/DIV" die eingestellte Zeitablenkung. Für t muss man nur noch einsetzen, von wie vielen Perioden man die Kästchen gezählt hat, z.B. t=2T oder t=T/2. Für eine Schwingungsdauer T muss man die Kästchen zwischen Maximum und Maximum zählen. Beispiel aus den Kontrollfragen: Der Schalter "TIME/DIV" steht auf 50mys, die Schwingungsdauer des Signals beträgt 3,4 große Teilstriche auf dem Schirm. Wie groß ist die Frequenz des Signals? Die Periodendauer ist: T=3,4DIV · \( \frac{50\,ms}{DIV} \) = 170ms Daraus ergibt sich Frequenz: f = \( \frac{1}{T} \) = 5,88kHz

Um zu überprüfen, ob der Wert des Funktionsgenerators mit dem Wert auf der Skala des Oszilloskops übereinstimmt, hat eine Person beim Funktionsgenerator einen beliebigen Frequenzwert eingestellt, während die andere Person, ohne davon zu wissen, die Frequenz mit der obigen Formel auf dem Oszilloskop abgelesen hat. Dabei nahm 1/4 der Periode 3 Kästchen ein bei einer Zeitablenkung von 10 ms pro Kästchen: T/4 = 3DIV · 10 ms/DIV = 30 ms. Damit ist Periodendauer einer Schwingung T=120ms und somit die Frequenz: f=1/120ms ~ 8,3 Hz. Am Funktionsgenerator war eine Frequenz von ungefähr 9,9 Hz eingestellt, was einer Abweichung von ca. 16% entspricht.

Im Rechteck- und Dreieck-Betrieb hat die Veränderung der Amplitude bzw. Frequenz genau dieselben Auswirkungen wie im Sinusbetrieb.

Foto: Dreieck-und Rechteckspannung
Rechteck- und Dreieckspannung dargestellt am Oszilloskop.

Je nach dem, was man ins Mikrophon spricht/singt entsteht auf dem Oszilloskop eine unregelmäßige, zitternde Kurve, bis hin zu einem einigermaßen erkennbaren Sinusverlauf. Ein tiefer Ton ergab folgende Messungen: T = 1,4DIV · \( \frac{5\,ms}{DIV} \) = 7ms Und Frequenz f = 1/7ms ~ 143kHz. Ein hoher Ton ergab: 3T/2 = 2,8DIV · \( \frac{2\,ms}{DIV} \) = 5,6ms Und eine Frequenz f = 2/3 · 1/(5,6)ms = 268kHz.

Beim Anschließen eines Kopfhörerausgangs an das Oszilloskop bei laufender Musik entsteht ein Muster, wie man es aus Audacity etc. kennt.

Triggerung

Triggervorgang ist dafür zuständig, dass der Lichtpunkt sich immer wieder auf dem selben Weg über den Bildschirm bewegt. Sie sorgt also für ein stehendes Bild. Dazu startet Sägezahnspannung der x-Ablenkung immer genau dann, wenn die Spannung in y-Richtung wieder einen festgelegten Wert (Triggerlevel) erreicht hat. Triggerlevel ist also ein Wert der Messspannung, bei dem die Spannung an der zweiten Elektrode (die für x-Ablenkung zuständig ist) umgepolt wird.

Wenn der Triggerlevel über dem Maximum der Messspannung liegt, verschwindet das Bild auf dem Oszilloskop, da dieser Wert nie erreicht wird und somit die x-Ablenkung nicht neustartet.

Zweikanalbetrieb

In CHANNEL1 ist der Funktionsgenerator angeschlossen, in CHANNEL2 der Transformator. Die Taste TRIG I/II ändert den Kanal, dessen Spannung getriggert wird. Beim Transformator wurde folgende Periodendauer gemessen: T = 2DIV · \( \frac{10\,ms}{DIV} \) = 20ms Frequenz ist dann: f=1/T=50Hz. Sowie Amplitude (also Spannung): U = 1,2DIV · \( \frac{5\,Volt}{DIV} \) = 6V

Die gemessene Frequenz stimmt mit der Angabe des Transofrmators überein. Für die Amplitude wurde 4V angegeben, dies ist jedoch nur der Effektivwert der Spannung. Die maximale Amplitude, die gemessen wurde liegt höher.

Lissajous-Figuren

Eine Lissajous-Figur ist eine geschlossene Figur auf dem Oszilloskopbildschirm, die bei besonderen Frequenzverhältnissen der Spannungen im Zweikanalbetrieb entsteht. Dafür muss in beiden Kanälen (CH1 und CH2) eine sinusförmige Wechselspannung angeschlossen sein. Um eine formatfüllende Lissajous-Figur zu erhalten sollten x- und y-Skalierungen so eingestellt sein, dass die Amplituden beider Spannungen gleich groß dargestellt werden, bevor man in den x-y-Betrieb umschaltet.

Der Transformator liefert eine Wechselspannung mit einer Frequenz von \( 50\,Hz \). Du erhälst dann stehende Lissajous-Figuren, wenn der Funktionsgenerator auf 100Hz oder 75 Hz eingestellt war. Also bei Frequenzverhältnissen von 1:2 und 2:3. Die Schwierigkeit dabei war mit dem Funktionsgenerator genau die richtige Frequenz zu treffen. Schon eine kleine Abweichung führte zu einer Bewegung der Figur. Legst Du exakt das gleiche Sinussignal an CH1 und CH2 an und wählst den x-y-Betrieb, so sieht man eine Gerade mit der Steigung 1 auf dem Bildschirm des Oszilloskops.

Foto: Lissajous-Figuren
Abfotografierte Lissajous-Figure am Oszilloskop.

Kennlinien einer Gleichrichterdiode

Die Kennlinie einer Gleichrichterdiode beschreibt den Strom, der bei einer bestimmten angelegten Spannung durch die Diode fließt. Man kann sie auf unterschiedliche Weise ermitteln:

Messung der Kennlinie mit dem Multimeter

Bei dieser Methode misst man die Stromstärke I für verschiedene Spannungswerte. Dabei wurden folgende Messwerte aufgenommen:

Tabelle 1: Diodenkennlinie
U in V I(U) in mA
0,2742,63
0,2904,22
0,3066,21
0,3188,06
0,33210,71
0,34212,54
0,35114,56
0,35916,26

Bei Umpolung der Diode gibt es keinen Stromfluss. Damit ergibt sich folgende Kennlinie:

Kennlinie: Gleichrichterdiode
Diagramm 1: Kennlinie einer Gleichrichterdiode

Messung der Kennlinie mit dem Oszilloskop (x-y-Betrieb)

Eine einfachere Methode um die Kennlinie zu ermitteln ist der Zweikanalbetrieb des Oszilloskops. Auf der y-Achse (CH2) wird die Spannung über einen Widerstand gemessen, der vor einer Diode geschaltet ist. Auf der x-Achse (CH1) ist die Spannung über der Diode dargestellt. Indirekt misst Du auf der y-Achse die Stromstärke, da am Widerstand Ohmsches Gesetz gilt. Bei folgenden Einstellungen am Oszilloskop ergibt sich die Kennlinie auf dem Foto 1: CH1, Diode, 0,5V/DIV und CH2 - Widerstand - 0,5V/DIV.

Foto:Kennlinie einer Gleichrichterdiode
Foto 1: Abfotografierte Kennlinie einer Gleichrichterdiode am Oszilloskop.

Vergleich mit der Kennlinie aus 6.1: der Verlauf ist gleich. Zunächst lässt die Diode keinen Strom durch. Erst ab einer bestimmten Spannung (Grenzspannung) steigt die Stromstärke bei weiterer Erhöhung der Spannung steil an. In der Gegenrichtung fließt kein Strom.

Messung der Kennlinie mit dem Oszilloskop-Komponententester

Der Komponententester ergibt das gleiche Bild, wie die Messung im Zweikanalbetrieb. Mit dem Komponententester kann man auch Kennlinien anderer Bauteile messen und vergleichen. In diesem Fall haben wir einen Widerstand mit 470 Ohm und ein Glühlämpchen angeschlossen. Beide erzeugen eine Gerade auf dem Oszilloskopschirm, d.h. der Widerstand beider Bauteile ist konstant. Die Gerade des Glühlämpchens ist steiler, d.h. ihr Widerstand ist geringer als 470 Ohm. Allgemein gilt: Die Steigung der Kurve ist: \( \frac{I(U)}{U} = \frac{1}{R(U)} \) Sie gibt sozusagen die Leitfähigkeit des Bauteils bei einer bestimmten Spannung an.

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