Das E-Pool unterscheidet sich von den Versuchen, die Sie bisher im PhysikPraktikum kennengelernt haben. Statt einer ausführlichen Anleitung für einem bestimmten Versuch erhalten Sie hier sehr kurz gefasste Aufgaben, die eher ein Thema umreißen. Aus diesen Themen wählen Sie sich eines aus, das Sie während eines Experimentier-Nachmittag selbständig bearbeiten. Dabei gilt die Randbedingung, dass jedes Thema am jeweiligen Nachmittag von maximal einer Gruppe bearbeitet wird.

Vor Ort haben Sie dafür Zugriff auf alle Komponenten und Geräte, die bei Elektronik-Versuchen im Physikpraktikum üblicherweise zum Einsatz kommen. Welche dieser Geräte Sie nutzen, entscheiden Sie.

Am Ende dieser Seite finden Sie Links zu Formularen, auf denen Sie ein Thema für sich auswählen.

Ewas weiter unten auf dieser Seite finden Sie einen Katalog mit möglichen Themen. Wählen Sie sich das Thema aus, das Sie am Praktikumsnachmittag bearbeiten möchten. Für die Auswahl finden Sie unten auf dieser Seite einen Link zu einem an Doodle angelehnten Formular. Dabei gilt die Randbedingung, dass jedes Thema an einem Termin nur von maximal einer Gruppe bearbeitet wird.

Damit wir Versuchsleiter sicher stellen können, dass es zu keinen Engpässen beim Material kommt, muss die Auswahl bis spätestens drei Tage vor Beginn des E-Pools erfolgen.

Formulieren Sie zu ihrem Thema eine Frage, die sie während des Praktikumsnachmittags beantworten. Die Messfrage sollte so gestellt sein, dass die Antwort der Wert einer quantitativen physikalischen Größe ist. Dabei soll sich Ihre Frage von denen unterscheiden, die in diesem Semester andere Gruppen vor Ihnen bearbeitet haben.

Ihre Messfrage sollte die folgenden drei Komponenten enthalten:

1. eine ausformulierte Frage, die typischerweise mit einem Fragezeichen endet,
2. eine physikalische Größe, deren Wert die Antwort auf die ausformulierte Frage liefert,
3. die Einheit der physikalischen Größe.

Überlegen Sie sich ein Messprogramm für die physikalische Größe, die ihre Messfrage beantwortet. Schätzen Sie ab, in welcher Größenordnung sich der Wert wahrscheinlich bewegen wird.

Beispiele:

• “Wie groß ist die maximale Frequenz, mit der die Schaltung zufriedenstellend funktioniert?”, Physikalische Größe: $f_\text{max}$, Einheit: Hz
• “Wie groß ist die Abweichung zwischen berechneter und tatsächlich gemessener Ausgangsspannung?”, Physikalische Größe: $V = U_\text{rech} / U_\text{mess}$, Einheit: einheitenloses Verhältnis von Spannungen“
• “Wie groß ist der Proportionalitätsfaktor, mit dem der Wert des Widerstands R3 in die Verstärkung eingeht?”, Physikalische Größe: $V_\text{R}$, Einheit: $1/\Omega$

Skizzieren Sie einen Schaltplan, mit dem Sie das gewählte Thema angehen möchten. Welche Komponenten benötigen Sie? Wie wirken die Komponenten in der Schaltung zusammen? Machen Sie sich bei Widerständen und Kondensatoren Gedanken zu sinnvollen Größenordnungen des Werts. Zum Beispiel: Benötigen Sie an Stelle X einen Widerstand von 1 Ω oder einen 10 kΩ ?

Nutzen Sie Kurzeinführung LTspice, um sich von der Funktion Ihrer Schaltung zu überzeugen.

Am Praktikumsnachmittag, ab 14:00 Uhr stellen Sie Ihren Kommilitonen Ihre Messfrage in einer kurzen Präsentation vor. Für Skizzen und Stichworte steht Ihnen ein Smartboard zur Verfügung.

• Notieren Sie auf der Tafel ihre Gruppennummer und ihre Themenwahl.
• Erklären Sie, wie die von Ihnen eingeplante Schaltung funktioniert.¹⁾
• Schreiben Sie Ihre Messfrage ausformuliert an die Tafel.
• Geben Sie an, welche physikalische Größe Sie messen werden.
• Geben Sie an, welche Einheit die physikalische Größe hat.
• Geben Sie einen Wertebereich an, in dem Sie das Ergebnis ihrer Messung erwarten.

Die Präsentation sollte nicht länger als etwa 4 Minuten sein – also wirklich kurz.

Zwischen etwa 14:45 Uhr und 18:00 Uhr haben Sie Gelegenheit, zu ihrem Thema Schaltungen aufzubauen und Messungen durchzuführen.

Eine Woche nach dem Versuchsnachmittag geben Sie in ILIAS einen Versuchsbericht ab. Dabei ist es noch wichtiger als bei Berichten zu “normalen” Versuchen, dass der Text für sich stehend verständlich ist. Denn beim E-Pool sind die Themen so offen formuliert, dass sich die Inhalte von Gruppe zu Gruppe deutlich unterscheiden.

• Elektrische Schaltungen brauchen üblicherweise eine gemeinsame Masse, auf das sich Signale beziehen. Ein Bereich, der ausdrücklich für die Masse reserviert ist, macht Ihren Aufbau übersichtlich (“Masseschiene”).
• Messgeräte messen in Bezug auf ein Referenzpotential. Wenn ihr Eingang eine Schirmung hat, dann dient das Potential der Schirmung als Bezug. Es ist fast immer sinnvoll, die Schirmung mit der Masse der Schaltung zusammenzulegen.
• In gleicher Weise bezieht sich der Ausgang von Spannungsquellen auf ein Referenzpotential. Das gilt für Funktionsgeneratoren genauso wie für Netzgeräte.
• Bei unseren BNC-zu-Banane-Adaptern ist der Anschluss mit dem Fähnchen und der schwarzen Buchse verbunden mit der Schirmung.
• Eingänge von integrierten Schaltungen (Opamps, Logik-Gatter) brauchen für korrekte Funktion jederzeit ein klar definiertes Spannungsniveau.
• Für Signale, die von der Zeit abhängen, ist meist ein Oszilloskop das beste Messgerät.
• Für Signale, die sich nicht schnell wiederholen, ist ein Speicheroszilloskop überlegen gegenüber einem Analog-Oszilloskop.
• Unsere Speicheroszilloskope können Ergebnisse auf USB-Stick speichern. Als Format für die Speicherung empfiehlt sich “CSV”, nicht die Standardeinstellung “Waveform”. Es gibt Leih-USB-Sticks. Die Rückgabe erfolgt mit der Abgabe des Versuchsberichts.

Bauen Sie einen Dreiecksgenerator aus zwei Operationsverstärkern auf.

• Zur Vorbereitung: Simulieren Sie ihre Schaltung mit Kurzeinführung LTspice ²⁾
• Erklären Sie das Schaltungsprinzip
• Woraus ergibt sich die Frequenz des erzeugten Signals?

• Wie scharf sind die “Ecken” des des Dreiecks? Größe: Zeit, Einheit: s
• Wie symmetrisch ist das Dreieck? Größe: Zeit:Zeit, Einheit: einheitenlos
• Wie linear hängt die Frequenz von der Größe des Kondensators in der Integration ab?

Mit Hilfe von Operationsverstärkern kann man analog Rechnen. Überprüfen, demonstrieren, erklären Sie die Funktion solcher Schaltungen. Nutzen Sie dazu Funktionsgeneratoren und Oszilloskope.

• Vorbereitung: Simulieren Sie Ihre Schaltungen mit Kurzeinführung LTspice
• Zum Aufwärmen: Bauen Sie eine Multiplikation mit dem festen Faktor 11.
• Pflicht
  • a(t) + b(t)
  • a(t) - b(t)
• Kür (Wählen Sie mindestens drei der folgenden Funktionen)
  • Stammfunktion von a(t)
  • Ableitung von a(t)
  • Exponentialfunktion → exp(a(t))
  • Logarithmus → log(a(t))
  • Multiplikation → a(t) * b(t)
  • Division → a(t) / b(t)

Bei allen Messfragen: Gibt es Unterschiede für die beiden Operationsverstärker-Modelle, die im Praktikum vorhanden sind? (OP07, TL081)

• Wie stark weicht das Signal nach einer Folge von Ableitung und Stammfunktion vom Original ab? Einheitenloses Verhältnis
• Wie schnell ist die Summierung / Mit welcher Verzögerung erscheint das Ergebnis? Größe: Zeit, Einheit: s
• Wie “scharf” ist das Ergebnis der analogen Rechnung? Wie groß ist die Varianz? Größe: Spannung, Einheit: V

Demonstrieren Sie eine optische Signalübertragung. Nutzen Sie hierzu:

• Funktionsgenerator
• LED
• Photodiode
• Photodiodenverstärker aus Operationsverstärkern aufgebaut (Empfehlung: OP07)
• Digitales Oszilloskop

Eignet sich Ihr Aufbau für die Übertragung digitaler Signale? Wie sieht es mit analogen Signalen aus?

• Welche Strecke lässt sich mit Ihrem Aufbau maximal überbrücken? Größe: Strecke, Einheit: m
• Welche Verzögerung ergibt sich aus der Übertragung? Größe: Zeit, Einheit: s
• Wie “unscharf” ist das Ergebnis der Übertragung? Größe: Spannung, Einheit: V

Bauen Sie verschiedene Typen von Flip-Flops aus NAND-Gattern auf.

• Vorbereitung: Simulieren Sie Ihre NAND-Schaltungen mit LTspice.
• Nutzen Sie das im E-Pool vorhandene Material wie Schalter, LEDs, Funktionsgeneratoren und Oszilloskope, um die Funktion Ihrer Schaltungen nachzuweisen.
• Nehmen Sie eine Ihrer Schaltungen genauer unter die Lupe

• Wie lange braucht das Flip-Flop zur Signalverarbeitung? Größe: Zeit, Einheit: s
• Mit welcher (Takt-) Frequenz kann das Flip-Flop maximal betrieben werden? Größe: Frequenz, Einheit: Hz

Bauen Sie einen digitalen Taktgenerator

• Vorbereitung: Entscheiden Sie sich für eine Schaltung aus NANDs, Kondensatoren und Widerständen.
• Vorbereitung: Simulieren Sie die Schaltung in LTspice.
• Bauen Sie die Schaltung mit den im Praktikum verfügbaren Komponenten auf
• Vergleichen Sie die Eigenschaften Ihres Taktgenerators mit dem Rechteck-Signal eines der im Praktikum vorhandenen Funktionsgeneratoren
• Bauen Sie einen weiteren Taktgenerator mit nominell den gleichen Bauteilen. Untersuchen Sie, wie identisch dessen Funktion ist.

• …

Spule und Kondensator bilden einen Schwingkreis. Untersuchen Sie das Verhalten des Schwingkreises beim Schalten.

• Zur Vorbereitung: Simulieren Sie die Schaltung in Kurzeinführung LTspice. Auf der Seite dieser Seite finden Sie ein Beispiel für die Umsetzung von (idealen) Schaltern in einer LTspice-Simulation.
• Zum Aufwärmen: Nehmen Sie eine Entladungskurve des Kondensators auf.
• Aufgewärmt: Nutzen Sie einen Schalter, um die im Kondensator gespeicherte Ladung schlagartig durch die Spule fließen zu lassen.
• Auf Touren: Ziehen Sie ihr Messprogramm durch.

Im E-Pool vorhandenes Material:

• Kondensatoren mit Werten zwischen 10 pF und 1000 µF
• Widerstände mit Werten zwischen 1 Ω und 1 MΩ
• zwei große Luftspulen mit etwa 1 m Durchmesser
• "Didaktische" Spulen mit einer Induktivität von 15 mH und einem Innenwiderstand von 3 Ω, die auch beim Versuch zum Hall-Effekt zum Einsatz kommen.
• Joche aus Weicheisen für die “didaktischen” Spulen, die deren Induktivität erhöhen
• eine Sammlung von Induktivitäten aus dem Elektronik-Bedarf.

Tipps:

• Beachten Sie, dass ein Umschalter zwischen den Schaltstellungen kurzzeitig keinen Anschluss verbindet.
• Schätzen Sie die zu erwartende Schwingfrequenz ab, um “passende” Parameter für das Oszilloskop zu finden.

• …

Mit Hilfe von Dioden und Kondensatoren kann man aus einer Wechselspannung eine Gleichspannung erhalten. Mit einer geeigneten Kombination der Bauteile kann dabei die Gleichspannung größer als der Mittelwert der Wechselspannung ausfallen. Bauen Sie eine Schaltung auf, bei der die Ausgangsspannung deutlich oberhalb der Eingansspannung liegt.

• Zur Vorbereitung: Simulieren Sie die Verdoppler-Schaltung mit Kurzeinführung LTspice.
• Zum Aufwärmen: Einen Brückengleichrichter aus einzelnen Dioden aufbauen und ausprobieren.
• Aufgewärmt: Eine Schaltung, an deren Ausgang die doppelte Spannung anliegt wie beim Gleichrichter.
• Auf Touren: Lässt sich ihre Schaltung zu noch höheren Spannungen erweitern? (Beachten Sie, dass Sie dabei im Bereich berührsicherer Gleichspannung von < 60 V bleiben)
• Erklären Sie die Funktionsweise ihrer Schaltung.

Bauen Sie eine Schaltung auf, die beim Druck auf einen Taster einen einzelnen Lichtpuls abgibt. Gemeint ist hier wirklich ein einzelner Lichtpuls, also keine Folge von Pulsen, kein Blinklicht.

Entwurf Ihrer Schaltung:

• Nutzen Sie für Ihre Schaltung die NAND-Gatter unserer Logik-Steckbretter.
• Verzögern und invertieren Sie ein digitales Signal.
• Kombinieren Sie das verzögerte, digitale Signal mit dem Original-Signal, so dass sich ein kurzer Puls ergibt.
• Nutzen Sie einen MOSFET, um mit dem Puls eine LED aufleuchten zu lassen.
• Simulieren Sie Ihre Schaltung mit LTspice. Auf dieser Seite finden Sie ein Beispiel für die Umsetzung von Schaltern in einer LTspice-Simulation.

Konkrete Durchführung:

• Zerlegen Sie ihre Schaltung in getrennte Module mit klar definierter Funktion. Testen Sie die Module einzeln mit Hilfe von Funktionsgenerator und Oszilloskop.
• Erzeugen Sie unterschiedliche Pulslängen.
• Erklären und dokumentieren Sie in der Auswertung die Funktionsweise ihrer Schaltung.

Bestimmen Sie die Schallgeschwindigkeit in den Tischen des Praktikums oder in geeigneten anderen Objekten Ihrer Wahl. Nutzen Sie dazu

• Körperschall-Mikrofone zur Signalaufnahme,
• Aus Operationsverstärkern aufgebaute Komparatoren zur Signal-Erkennung,
• Logik-Bausteine zur Erzeugung eines Puls, dessen Länge proportional zur Schallgeschwindigkeit ist.

• …

Kurz nachdem mit einem mechanischen Schalter ein elektrische Stromkreis erstmalig geschlossen wurde, geht der elektrische Kontakt kurzzeitig wieder verloren. Dieses Prellen des Schalters kann sich mehrfach wiederholen, bevor der Stromkreis stabil geschlossen bleibt.

• Charakterisieren Sie das Prellen von im Praktikum vorhandenen Schaltern.
• Ergänzen Sie den Schalter um eine Kombination aus Tiefpass und NAND-Gatter, hinter der das Prellen nicht mehr sichtbar ist.

RC-Tiefpass, genau hingeschaut.

• Vorbereitung: Simulieren Sie einen RC-Tiefpass erster Ordnung mit Kurzeinführung LTspice. Wählen Sie dafür die Werte von Widerstand und Kondensator als “glatte” Zehnerpotenzen.³⁾ Der Widerstand sollte dabei nicht kleiner als 1 kΩ und nicht größer als 1 MΩ ausfallen. Der Wert des Kondensators sollte zwischen 1 nF und 1 µF liegen.

• Bauen Sie einen Tiefpass erster Ordnung aus Kondensator und Widerstand.
• Bestimmen Sie die Frequenz, bei der am Ausgang des Tiefpass nur die Hälfte des Eingangssignals zu sehen ist
• Pflicht: Nehmen Sie den Phasengang und den Amplitudengang des Tiefpass auf. Nutzen Sie dafür ein Speicheroszilloskop und die Möglichkeit des Signalgenerators automatisch die Frequenz zu verfahren. Erstellen Sie im Versuchsbericht daraus ein Bode-Diagramm. Gibt es Abweichungen zwischen analytischen Formeln, Simulation und Messung?
• Kür: Passen Sie die Werte von Widerstand und Kondensator durch Parallel- und Reehenschaltung so an, dass die charakteristische Frequenz des Tiefpass der letzten Ziffer ihrer Gruppennummer in kHz entspricht.
• Kür2: Schalten Sie zwei oder mehr gleiche Tiefpässe hintereinander und nehmen erneut den Phasen- und Amplitudengang auf. Entspricht das gemessene Ergebnis Ihrer Erwartung?

Dioden eignen sich, um aus einer das Vorzeichen wechselnden Wechselspannung eine ständig positive Spannung zu machen.

• Vorbereitung: Simulieren Sie Ihre Schaltungen mit LTspice.
• zum Aufwärmen: Gleichrichtung eines Signals mit einer einzelnen Diode.
• aufgewärmt: Gleichrichtung eines Signals mit einem Brückengleichrichter
• voll in Schwung: aktiver Gleichrichter mit zwei Opamps (siehe Seite 17 des Datenblatts von MCP6271)

• …

Sie haben eine Idee für einen Aufbau, der sich mit den Mitteln des E-Pools umsetzen lässt?

• PID-Regler. Messfrage: Wie klein ist das kleinste erreichbare Verhältnis $V_\text{min}$ von geregelter Stellgröße $A_\text{reg}$ zu ungeregelter Stellgröße $A_\text{unreg}$ unter dem Einfluss einer Störung? Physikalische Größe: $V_\text{min} = A_\text{reg} / A_\text{unreg}$. Einheit: einheitenloses Verhältnis von Spannungen
• Zusammengeschaltete Widerstände. Messfrage: Wie gut stimmt der gemessene Gesamtwiderstand bei Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen mit den Werten überein, die sich aus dem Ohmschen Gesetz und den Kirchhoffschen Regeln ergeben? Physikalische Größe: $R_\text{Mess} / R_\text{Formel}$ Einheit: einheitenloses Verhältnis.⁴⁾

Hintergründe