1. Merjenje toka in napetosti z AVO metrom

Transcript

1 1. Merjenje toka in napetosti z AVO metrom Cilj: Nariši karakteristiko Zenerjeve diode in določi njene parametre, pri delu uporabi AVO metre za merjenje napetosti in toka ter vir spremenljive napetosti Elektronsko gledano je Zenerjeva dioda podobna navadni silicijevi diodi. Sestavljena je iz dveh slojev polprevodnika različnih tipov p in n, slika 1.1. V elektronskih shemah jo predstavimo s simbolom na isti sliki. n p U D I D ZD Ko nanjo pritisnemo napetost, steče skoznjo tok. Za pozitivne napetosti govorimo o prepustnem delu karakteritike diode, takrat je tok podan z enačbo, enako tisti za tok skozi navadno diodo, ki se glasi: Slika 1.1: Zenerjeva dioda shematsko in elektronski simbol zanjo 1 ; 25 pri 20 Za negativne napetosti govorimo o zapornem delu karakteristike, takrat je tok za majhne napetosti minimalen in enak (tipično 10 9 A, močno odvisno od temperature). Pri zaporni napetosti, ki jo imenujemo Zenerjeva napetost, tok hitro naraste. Karakteristika Zenerjeve diode je narisana na sliki 1.2. Zaradi strmega dela karakteristike v zapornem delu jo uporabljamo kot vir konstantne napetosti tako, da zaporedno z njo vežemo upornik R, slika 1.3. Upornik omejuje tok skozi Zenerjevo diodo in je enak: T Tok (1mA) Napetost (V) Slika 1.2: Tipična karakteristika Zenerjeve diode za 5,6V U V R U ZD Poskrbeti moramo le, da je vhodna napetost večja od Zenerjeve napetosti uporabljene diode in že imamo vir konstantne napetosti, ki je neodvisna od vhodne napetosti. Zenerjeve diode izdelujejo za različne Zenerjeve napetosti tako, da čistemu polprevodniku primešajo ravno prave količine nečistoč. Tipične vrednosti so enake standardnim številom za vrednosti elementov v elektroniki Slika 1.3: Tako zvežemo Zenerjevo diodo za stabilizacijo napetosti (na primer 3,3V, 3,9V, 4,7V, 5,6V, 6,2V, 8,2V, 10V, 12V, 15V,...). Temperaturno najbolj stabilne so tiste Zenerjeve diode, ki so delane za napetosti okrog 5,6V, s tako bomo tudi opravili poskus. Tistim z manjšimi Zenerjevimi napetostmi se vrednost s temperaturo manjša, tistim z večjimi pa veča. I ZD ZD 1

2 Na vsakem elementu se električna energija pretvarja v toploto, moč je produkt napetosti na elementu in toka skozenj. Za Zenerjevo diodo zapišemo: Tok skozi diodo greje polprevodniški spoj; če je temperatura preveč naraste, smo ob Zenerjevo diodo. Glede na sposobnosti odvajanja toplote so Zenerjeve diode izdelane za določeno moč, naša na primer za moč 0,5W. To torej pomeni, da sme skoznjo teči največ 90mA, zato pri 12 izberemo upornik R 100Ω. S takim upornikom omejimo tok na 64mA. Ko vzporedno k Zenerjevi diodi priključimo breme, del toka Zenerjeve diode prevzeme breme. Dokler teče tok tudi skozi Zenerjevo diodo, je napetost na bremenu enaka Zenerjevi napetosti. Če je upornost bremena premajhna, ves tok namesto skozi diodo steče skozi breme in napetost na bremenu pade pod Zenerjevo napetost. Takrat nimamo več opravka s konstantno napetostjo. Merilo za odvisnost izhodne napetosti od toka skozi Zenerjevo diodo podaja strmina karakteristike v zapornem delu. Bolj, ko je karakteristika strma, manj je napetost na diodi odvisna od toka skozi diodo. Strmino ovrednotimo kot kvocient Δ Δ. Dioda z manjšo upornostjo bolje stabilizira napetost, tipične vrednosti pa so do nekaj sto Ω. Naloga: Shema testnega vezja je na sliki 1.4. Uporabi dva AVO metra za merjenje napetosti na Zenerjevi diodi ZD1 in toka skozi diodo. Opravi niz meritev pri različnih vrednostih vhodne napetosti. Nariši U I karakteristiko Zenerjeve diode. Določi vrednost in. Izračunaj največji tok skozi breme, ki še dopušča napetost na Zenerjevi diodi. U V R 100E U ZD VCC VCC ZD 5V6 ZD- ZD+ GND Slika 1.4: Shema testnega vezja in razpored elementov na ploščici tiskanega vezja 2

3 2. Napajalnik za Geigerjevo cev Cilj: Tvorjenje visoke napetosti, merjenje visoke napetosti s sondo Napetosti, ki jih običajno uporabljamo za napajanje elektronskih vezij, ne zadoščajo za napajanje detektorjev ionizirajočega sevanja. Za take so tipične napajalne napetosti 500V ali več. Na srečo ti detektorji potrebujejo le malo električnega toka, zato lahko visoko napajalno napetost zanje tvorimo s posebno vrsto transformacije, ki je opisana v nadaljevanju. Za transformacijo izrabimo lastnost tuljave. Ko na tuljavo l priključimo napetost, steče skoznjo tok, ki s časom enakomerno narašča, saj veljata formuli: Iz tega lahko izračunamo, kako se spreminja energija shranjena v obliki magnetnega polja tuljave: 2 2 Če na tuljavo 40 priključimo napetost 12 tako, da za 5 sklenemo stikalo S na sliki 2.1, se tuljavi nakopiči energija 45, skozi tuljavo pa teče tok 1,5. Ko tok skozi tuljavo l prekinemo, se magnetno polje v trenutku sesuje in povzroči inducirano napetost nasprotne polaritete, ki ima bistveno večjo vrednost od prej priključene napetosti, saj sesuvanje magnetnega polja traja bistveno krajši čas. To inducirano napetost i njeno energijo prestrežemo s kondenzatorjem C, z diodo D pa poskrbimo, da v kondenzator teče tok le takrat, ko se v tuljavi zaradi Ul prekinitve toka skoznjo inducira napetost, iz kondenzatorja pa naboj ne more uhajati nazaj proti tuljavi, slika 2.1. Z vsakim sesutjem magnetnega polja v L D tuljavi energijo prenesemo v kondenzator. Zaradi UC narave sesipanja magnetnega polja in uporabljenih elementov se okoli 50% energije iz tuljave prenese v S kondenzator. C 1 2 Pri kondenzatorju 22 in prej navedeni vrednostih energije v tuljavi se torej zaradi enega sesipanja magnetnega polja kondenzator nabije za : Slika 2.1: Shema vezja za povečanje napetosti Postopek lahko ponavimo in kondenzator se nabije za dodatnih. Pri višjih napetostih na kondenzatorju prihaja do večjih izgub pri prenosu energije, zato se prenos prej ali slej konča, za naše vezje pri približno 500V, čeprav prekinjamo tok v enakomernih časovnih intervalih

4 Ko na kondenzator priključimo breme (detektor), teče tok iz kondenzatorja skozi breme. Ta tok prazni kondenzator, zato se takrat vzpostavi ravnotežje, kjer je pritok energije zaradi prekinjanja toka skozi tuljavo enak odtoku energije zaradi bremena. Na našem vezju kondenzator obremenimo z upornikom 20 Ω, ravnotežje se vzpostavi pri približno 500V, če le dovolj pogosto prekinjamo tok skozi tuljavo. Napetosti do 1000V lahko merimo z običajnim AVO metrom. Priporočljivo je, da merilno veličino in merilno območje izberemo pred priključitvijo inštrumenta v vezje, sicer lahko visoka napetost poškoduje vezje. Notranja upornost običajnega digitalnega AVO metra znaša 10 Ω, kar predstavlja dodatno breme k, zato napetost na bremenu med odčitavanjem ni enaka tisti, ki je na bremenu takrat, ko AVO meter ni priključen. Zdi se smiselno, da merimo visoke napetosti v tem primeru s posebno sondo za merjenje visoke napetosti, katere notranja upornost je vsaj za velikostni red večja od notranje upornosti običajnega AVO metra. Tako merjenje ne bo bistveno vplivalo na merjeno vrednost, odčitek bo bolj pravi. Naloga: Shema testnega vezja je na sliki 2.2, prejšnji shemi je dodan univibrator, ki definira trajanje odprtja stikala S, mehansko stikalo pa je nadomeščeno s hitrim MOSFET tranzistorjem Q8. Priključi vir pravokotnega signala na vhod vezja X, signal naj ima amplitudo vsaj 5Vpp. Frekvenco nastavljaj na funkcijskem generatorju v območju od 100Hz do 100kHz. S spreminjanjem frekvence vhodnega signala nastavi izhodno napetost vezja na 400V, kar je tipična napetost za poganjanje Geigerjevega detektorja. Izhodno napetost pri isti frekvenci vhodnega signala pomeri z običajnim AVO metrom in z istim AVO metrom, opremljenim s sondo za merjenje visokih napetosti. Kolikšna je razlika? Zakaj? Z osciloskopom opazuj napetost na tuljavi in razloži obliko ter velikost pri različnih frekvencah vhodnega signala. Z osciloskopom opazuj naraščanje toka skozi tuljavo medtem, ko je na tuljavo priključena napetost. Naraščanje toka lahko opazuješ posredno preko naraščanja napetosti Ui na uporniku R8. Skiciraj obliko in izmeri velikost tega toka. +12V X C1 100n +12V 12k U6A 3 2 5k8 C3 1n R3 6k8 5 4 U6B 7 6 U6C 9 10 U6D U6E U6F L8 40uH Q8 MOSFET N R8 1E Ui C4 10u/25V C3 100n D8 UF4001 C8 22n/2kV R9A 10M R9B 10M U C Slika 2.2: Shema testnega vezja 4

5 Še nekaj pojasnil k vezju: Vhodni signal X najprej oblikujemo v pravokotne sunke s trajanjem okrog 10ms, to počno elementi do R3, kondenzatorja C1 in C3 ter prva dva negatorja. Štirje vzporedno vezani negatorji zagotavljajo dovolj velik tok za krmiljenje stikala Q8, ostali elementi pa so bili uporabljeni že na prejšnji sliki. Slika 2.3: Razpored elementov na vezju 5

6 3. Filter za izločanje signala ene frekvence Cilj: spoznati enostavno vezje za izločanje signala ene frekvence, ročno risanje frekvenčne karakteristike Meritve v elektroniki pogosto zmoti prisotnost velikega signala znane frekvence, na primer 50Hz iz omrežja. Kadar X C C Y tak motilni signal ovira merjenje in se ga ne moremo R R znebiti s pazljivo zasnovo meritve (ozemljevanjem, oklepanjem, diferencialnim zajemanjem signala,...), ga poskusimo odstraniti s pomočjo filtra. V ta namen je zelo učinkovit dvojni T mostič, njegova shema je na sliki 3.1. Izbrati moramo le štiri enake kondenzatorje in štiri enake R/2 2C upornike pa že lahko sestavimo vezje, ki ima frekvenčno Slika 3.1: Shema dvojnega T mostiča karakteristiko s slike 3.2. Pri frekvenci je amplituda izhodne napetosti enaka nič. Če torej na primer izberemo 470 Ω in 6,8, bomo dovolj dobro zadeli frekvenco 50Hz (49.8Hz). Če na tako vezje priključimo breme, se lastnosti bistveno spremenijo. Zato bomo vezje dopolnili z enim operacijskim ojačevalnikom, slika 3.2, ki samo ponovi izhodno napetost mostiča, potem breme ne bo več pomembno vplivalo na delovanje mostiča. Naloga a): Priključi na vhod mostiča sinusno napetost amplitude do nekaj voltov in skleni jahač J1, za podrobnosti vezja poglej končno shemo na sliki 3.4. Spreminjaj frekvenco vhodnega signala in opazuj amplitudo ter fazo izhodnega signala. Kako se le ta spreminja? Opravi niz meritev amplitude in faze za različne frekvence vhodnega signala, nariši diagram, ki povezuje amplitudo izhodnega signala s frekvenco vhodnega signala. V amplitudni karakteristiki je izrazita ničla pri frekvenci 50Hz. Amplitudna karakteristika kaže, da filter prizadene tudi amplitudo signalov stran od željene frekvence 50Hz. Če res želimo izločati le signal ene frekvence, lahko dvojni T filter ostrimo s pomočjo povratne vezave, slika 3.3. Od deleža nazaj privedene napetosti je odvisna stopnja X C1 Slika 3.2: Shema dvojnega T mostiča z operacijskim ojačevalnikom ostrenja filtra. Na vezju so na razpolago trije jahači. Z jahačema J2 izberemo delež 90%, z jahačem J3 pa izberemo trimer P3, s katerim delež poljubno nastavljamo od 0% do 100%. Naloga b): Priključi na vhod mostiča sinusno napetost amplitude nekaj voltov in opazuj izhodno napetost vezja. Pomeri amplitudo izhodne napetosti pri nekaj frekvencah in nariši amplitudno karakteristiko za jahač v položaju J2. Nato prestavi jahač v položaj J3 in preveri obliko amplitudne karakteristike v različnih položajih drsnika trimerja P3. Primerjaj karakteristike, kaj opaziš? 6n8 R4 R3 C4 C3 6n8 6n8 C2 6n8 2 3 U1 TL081 6 Y 6

7 Naloga c): Skleni jahač J2 in priključi na vhod vezja pravokotno napetost z amplitudo nekaj voltov in frekvenco 50Hz. Opazuj napetost na izhodu iz vezja in razloži njeno obliko. X C1 6n8 C2 6n8 2 3 U1 TL081 6 R6 1k1 Y J1 J2 R7 10k P3 10k R4 R3 C4 C3 6n8 6n8 J3 Slika 3.3: Shema vezja Nasvet: Opazovanje amplitudne karakteristike bo lažje, če uporabiš funkcijski generator, ki zna sam spreminjati frekvenco harmonskega signala. Vključiti bo treba»sweep«funkcijo ter nastaviti območje frekvenc, preko katerih naj generator daje signal. Pro vseh funkcijskih generatorjih je ta funkcija na razpolago, pri digitalnih pa je še posebej pripravna. Tam lahko natančno nastavimo spodnjo in zgornjo frekvenco, prav tako lahko nastavimo sinhronizacijski izhod, ki daje časovne značke ob najmanjši frekvenci ter od v naprej nastavljeni frekvenci. Če ne gre, vprašaj asistenta za nasvet. Slika 3.4: Razpored elementov na plošči 7

8 4. Stabilizirani vir napetosti z omejitvijo toka Cilj: Elektronska vezja potrebujejo konstantno napajalno napetost, ki jo zagotovijo posebna vezja napajalniki. Običajno so napajalniki opremljeni z zaščito, ki prepreči prevelik tok skozi breme. Pri vaji študenti spoznajo vezje in opravijo nekaj meritev z AVO metrom. Elektronsko vezje običajno potrebuje napajanje, ki ga predstavlja vir konstantne napetosti primerne vrednosti. Ta mora biti sposoben vezje preskrbeti z zadostno količino toka. Same od sebe se ponujajo baterije, ki pa še zdaleč niso vir konstantne napetosti, saj se napetost spreminja z izrabljenostjo baterij in temperaturo. Poleg tega je velikost napetosti z baterij»kvantizirana«, napetost lahko povečujemo le z nizanjem baterij v serijo in draga. Potrebujemo torej vezje, ki bo preveliko napetost baterije ali še bolje primerno predelano omrežno napetost zmanjšalo na primerno vrednost, hkrati pa bo obdržalo izhodno napetost konstantno. Vezje lahko sestavlimo okrog Zenerjeve diode, slika 4.1. Pri vaji 1 smo spoznali delovanje Zenerjeve diode. Vemo, da je napetost na njej konstantna in enaka Zenerjevi napetosti (to je napetost, za katero je dioda izdelana), če le skoznjo teče tok v reverzni smeri. Pri tem tok ne sme biti prevelik, zato ga omejimo z zaporedno vezanim upornikom. Ker breme potrebuje velik izhodni tok, uporabimo tokovni ojačevalnik tranzistor Q3. Dodamo ga k Zenerjevi diodi. Največji tok skozi breme je. Pri tem je ojačevalni faktor tranzistorja, ki je tipično med 5 za tranzistorje velikih moči do 500 za šibkejše tranzistorje. Izhodna napetost vezja je za en padec napetosti med bazo in emitorjem tranzistorja manjša od Zenerjeve napetosti in je zato odvisna od temperature. Težavam se ognemo, če Izhodno napetost vezja primerjamo z napetostjo zenerjeve diode s pomočjo diferenčnega para tranzistorjev, z enim od obeh pa krmilimo prej omenjeni ojačevalnik toka, slika 4.2. Če je izhodna napetost manjša od napetosti Zenerjeve diode, prevaja tok levi od para tranzistorjev. Zato lahko skozi upornik teče tok v bazni priključek tranzistorja Q3 in leta se bolj odpre, zaradi česar se poveča izhodna napetost. Če postane izhodna napetost večja od Zenerjeve napetosti, prevaja tok desni od para tranzistorjev. Ta krade tok, ki sicer teče v bazni priključek tranzistorja Q3, zato se ta tranzistor zapira in izhodna napetost se zmanjša. Slika 4.1: Enostavno vezje za stabilizacijo napetosti s tranzistorjem Naloga 1: Preveri izhodno napetost vezja za različne vrednosti upora bremena brez vezja za omejitev izhodnega toka. Breme predstavlja žični upornik z vrednostjo do 100E RB, ki je že na plošči. Zaporedno z njim poveži merilnik toka ter vzporedno z njim merilnik napetosti. Spreminjaj vrednost upornika RB, odčitavaj vrednosti napetosti in toka ter nariši diagram, ki kaže odvisnost izhodne Uv 2k2 ZD1 5V6 Uv 2k2 ZD1 5V6 R3 1k Q1 Q3 BD139 Slika 4.2: Boljše vezje za stabilizacijo napetosti Q3 1k BD139 Q2 Uizh Uizh 8

9 napetosti od toka skozi breme. Pred meritvijo preveri, če je jahač J6 za izbiro omejitve izhodnega toka v pravem položaju. Če po pomoti pride do kratkega stika na izhodu napajalnika, teče skozi tranzistor Q3 velik tok, na njem pa je vsa napetost vira. Na tranzistorju se električna energija pretvarja v toploto, ki lahko uniči tranzistor. V ta namen vezje elektronsko zaščitimo tako, da lahko izhodni tok naraste le do v naprej nastavljene vrednosti, nato pa se izhodna napetost zmanjša. Enostavno vezje, ki opravlja to nalogo, je narisano na sliki 4.3. Ko teče iz napajalnika skozi upornik R6 tok, je na tem uporniku padec napetosti. Če je ta padec dovolj velik, da odpre tranzistor Q6, ta tranzistor krade tok, ki bi sicer tekel v bazo Q3, zato se Q3 zapre in omeji izhodni tok. Največji izhodni tok je izražen kot 0,6 6, pri napetosti 0,6V se namreč tranzistor Q6 odpre. Uv 2k2 ZD1 5V6 Uizh Slika 4.3: Stabilizacija napetosti in omejitev izhodnega toka Naloga 2: Podobno kot v prejšnjem primeru pomeri izhodno napetost vezja za različne upornosti bremena z vklopljenim vezjem za omejitev izhodnega toka. Spreminjaj vrednost upornika RB, odčitavaj vrednosti napetosti in toka ter nariši diagram, ki kaže odvisnost izhodne napetosti od toka skozi breme. R3 Q1 1k Q3 1k BD139 Q6 Q2 R6 2E +12V Q3 BD139 J6 R6 2E Uizh RB J9 R9a 330 R9b 330 R9c 330 R3 1k 2k2 ZD1 5V6 Q1 1k Q6 Q2 RB 100E R7 2E GND Slika 4.4: Končna verzija vezja na ploščici eksperimenta 9

10 Slika 4.5: Razpored elementov na ploščici 10