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Study Notes

Oszilloskop und seine Grundlagen

Das Oszilloskop dient zur Darstellung und Messung zeitabhängiger elektrischer Größen.
Nahezu alle physikalischen Größen, die sich in elektrische Signale umwandeln lassen, können mit einem Oszilloskop dargestellt werden.
Die Zeitauflösung reicht von einigen Nanosekunden bis zu mehreren Minuten.
Mit Messverstärkern oder Untersetzern können Spannungen vom mV- bis zum kV-Bereich dargestellt werden.
Der Elektronenstrahl im Oszilloskop kann periodische Vorgänge bis zum GHz-Frequenzbereich darstellen.
Ein Speicheroszilloskop kann nichtperiodische Vorgänge aufzeichnen und auswertbar machen.
Ein Elektronenstrahl-Oszilloskop besteht aus einer Kathode, Anode, Wehnelt-Zylinder, Fokussierelektrode und einer Floureszenzschicht.
Die Helligkeit des Leuchtflecks kann durch die Beschleunigungsspannung und den Wehnelt-Zylinder eingestellt werden.
Die x- und y-Ablenkeinheiten bestehen aus zwei Metallplatten, die senkrecht zueinander angeordnet sind.
Durch eine Steuerspannung an den Ablenkplatten ist eine vertikale und horizontale Verschiebung des Leuchtpunkts möglich.
Das Ablenksystem wird durch zwei Plattenkondensatoren gebildet, deren Felder senkrecht aufeinander stehen.
Es besteht ein linearer Zusammenhang zwischen der Ablenkung des Elektronenstrahls und der Spannung, die am Ablenkkondensator anliegt.Funktionsweise eines Oszilloskops
Ein Oszilloskop zeigt elektrische Signale als Funktion der Zeit an.
Es gibt zwei Arten von Ablenkungen: die y-Ablenkung für die Spannung und die x-Ablenkung für die Zeit.
Das Signal wird auf die y-Ablenkplatten gelegt und die Sägezahnspannung wird an der x-Ablenkeinheit erzeugt.
Die Sägezahnspannung ermöglicht eine zeitlich lineare Ablenkung des Leuchtpunkts in horizontaler Richtung.
Die langsame Anstiegsflanke des Sägezahns bestimmt den Vorlauf des Elektronenstrahls und die steile Abfallflanke den Rücklauf.
Die Nachleuchtdauer des Schirms kann durch die Wahl der Floureszenzschicht eingestellt werden.
Die Dunkeltastung verhindert eine störende Leuchtspur beim Rücklauf des Elektronenstrahls.
Der Elektronenstrahl ist vergleichbar mit einem mechanischen Linienschreiber.
Im Triggerbetrieb wird die Sägezahnspannung erst gestartet, wenn die Eingangsspannung einen bestimmten Wert (Triggerschwelle) überschreitet.
Die Triggerelektronik vergleicht die Eingangsspannung mit der Triggerschwelle und schaltet den Elektronenstrahl aus, wenn sie nicht übereinstimmen.
Durch die Triggerung erhält man stets ein stehendes Oszilloskopbild.
Der Triggerlevel und die Triggerung zwischen steigender und fallender Flanke können eingestellt werden.Instationäre elektrische Strömung und Bedienung des Oszilloskops
Das Oszilloskop ist ein wichtiges Messinstrument für elektrische Ströme.
Periodische Signale können mit Hilfe des Oszilloskops gemessen werden.
Wichtige Kenngrößen periodischer Signale sind Amplitude, Frequenz und Phasenverschiebung.
Nicht-periodische Signale erfordern ein Speicheroszilloskop.
Ströme können nur indirekt über einen Messwiderstand gemessen werden.
Die Zeitbasis und Spannungsbasis können am Oszilloskop eingestellt werden.
Durch die Triggerung des Oszilloskops kann der Messstartpunkt definiert werden.
Ein Kondensator kann elektrische Energie speichern.
Beim Laden und Entladen eines Kondensators ergibt sich eine zeitlich veränderliche Größe.
Die elektrische Zeitkonstante ist eine wichtige Kenngröße beim Aufladen und Entladen eines Kondensators.
Eine Spule verhält sich ähnlich wie ein Kondensator beim Einschalten.
Der Strom in einer Spule steigt auf einen stationären Endwert an.Versuch zur Induktivität und Kapazität
Eine Spule ist ein Energiespeicher, der elektrische Arbeit in magnetische Feldenergie umwandelt.
Die Energiebilanz für die in der Spule gespeicherte Energie ergibt sich aus der Leistung der Quelle, Verlusten im Widerstand und der Spulenenergie.
Die in der Spule gespeicherte Energie ergibt sich aus der Differenz zwischen der magnetischen Energie zum Zeitpunkt t und t=0.
Der Strom in einer Spule kann aufgrund der Induktivität nicht sprunghaft ändern, was im Schaltaugenblick zu einem konstanten Strom führt.
Beim Öffnen eines Schalters ohne Kurzschlussbügel würde eine hohe induzierte Spannung entstehen, die zu Abreißfunken führen kann.
Im zweiten Teil des Versuchs wird ein Kondensator über einen ohmschen Widerstand geladen und entladen.
Die Lade- und Entladekennlinien des Kondensators werden mit einem 2-Kanal-Speicheroszilloskop angezeigt und skizziert.
Die Zeitkonstante 𝜏, die die Lade- und Entladekennlinien bestimmt, kann aus Widerstand und Kapazität berechnet werden.
Eine Änderung des Widerstands führt zu einer Veränderung der Zeitkonstante und damit der Lade- und Entladekennlinien.
Die unbekannte Kapazität kann aus dem Oszillogramm der Lade- und Entladekennlinien und der berechneten Zeitkonstante bestimmt werden.
Für Messungen mit dem Oszilloskop wird ein Bezugspotential benötigt, das durch Erdung des Verbindungspunkts zwischen Widerstand und Kapazität hergestellt wird.
Die Spannung am Kondensator wird direkt an Kanal 2 des Oszilloskops gelegt, während der Strom durch den Kondensator indirekt über die Spannung am Widerstand auf Kanal 1 gegeben wird.