Εργαστηριακή άσκηση 1

Transcript

1 Εργαστηριακή άσκηση 1 Α. Εισαγωγή στα ηλεκτρικά όργανα και μετρήσεις ΣΚΟΠΟΣ Η απόκτηση βασικών γνώσεων γύρω από τα διάφορα όργανα των ηλεκτρικών μετρήσεων (εξαρτήματα οργάνων, διάκριση οργάνων, συμβολισμοί οργάνων, σφάλματα οργάνων, προστασία οργάνων, κ.λ.π.). ΓΕΝΙΚΑ Οι ηλεκτρικές μετρήσεις, ασχολούνται με τον έλεγχο των ηλεκτρικών εγκαταστάσεων, των ηλεκτρικών εξαρτημάτων και συσκευών και των ηλεκτρικών μηχανών, με σκοπό τη σωστή και αποδοτική λειτουργία. Με τις ηλεκτρικές μετρήσεις, προσδιορίζουμε τα διάφορα ηλεκτρικά μεγέθη, χρησιμοποιώντας κατάλληλες μεθόδους και όργανα. Για να μπορέσει ένα όργανο να μετρήσει μια ποσότητα κάποιου φυσικού μεγέθους, θα πρέπει να γίνουν αγώγιμες συνδέσεις, ανάμεσα στο όργανο και στο ηλεκτρικό κύκλωμα, στο οποίο έχουμε το μέγεθος που θέλουμε να μετρήσουμε. Μέσα από τις συνδέσεις που κάνουμε, επενεργούν στο όργανο κάποια φυσικά μεγέθη, με αποτέλεσμα να έχουμε ένδειξη. Επομένως, ένα όργανο είναι μια, διάταξη, στην οποία συντελείται ένα φυσικό φαινόμενο, το οποίο έχει σχέση με το φυσικό μέγεθος, που θέλουμε να μετρήσουμε. Γενικά οι ηλεκτρικές μετρήσεις, έχουν σκοπό, να δώσουν στους σπουδαστές τις απαιτούμενες γνώσεις και εμπειρίες, συνδυάζοντας σωστά την θεωρία με την πράξη, ώστε να είναι σε θέση να πραγματοποιήσουν με ακρίβεια μια μέτρηση, αντιμετωπίζοντας σωστά την κάθε περίπτωση που θα συναντήσουν. ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ 1. Εξαρτήματα οργάνων. Τα απλά όργανα κατά κύριο λόγο έχουν σταθερό και περιστρεφόμενο (κινητό) μέρος. Το κινητό μέρος του οργάνου συνήθως αποτελείται από ένα πλαίσιο, ένα πηνίο και ένα δείκτη που μπορεί να περιστρέφεται γύρω από έναν άξονα όπως φαίνεται στο Σκαρίφημα 1-1. Το κινητό τμήμα, ανάλογα με τον τύπο του οργάνου, μπορεί να αποτελείται από πηνία ή από κομμάτια μαλακού σιδήρου ή από κομμάτια μόνιμων μαγνητών ή από μεταλλικές πλάκες που χρησιμεύουν σαν οπλισμοί πυκνωτών. Το σταθερό τμήμα τον οργάνου μπορεί να είναι ένας μόνιμος μαγνήτης, ένας ηλεκτρομαγνήτης, ένα πηνίο ή οπλισμοί πυκνωτών.

2 Στο σκαρίφημα 1-2 φαίνεται ένας μόνιμος μαγνήτης, διαμορφωμένος κατάλληλα, ώστε να αποτελεί το σταθερό μέρος ενός οργάνου. Ανάμεσα στο κινητό και το σταθερό μέρος του οργάνου υπάρχει αλληλεπίδραση. Αποτέλεσμα αυτής της επίδρασης είναι η δημιουργία ροπής στρέψης που παρασύρει σε κίνηση την βελόνα του οργάνου μπροστά σε μία βαθμολογημένη κλίμακα. 2. Διάκριση των οργάνων. Τα όργανα τα διακρίνομε, ανάλογα με την αρχή λειτουργίας και τη χρήση τους και ανάλογα με το σύστημα μέτρησης που χρησιμοποιούν. Ανάλογα με την αρχή λειτουργίας και τη χρήση τους, τα διακρίνουμε: Σε Θερμικά Σε ηλεκτροστατικά Σε ηλεκτρομαγνητικά Σε ηλεκτροχημικά Σε ηλεκτρονικά (αμπερόμετρα & βολτόμετρα A.C & D.C) (βολτόμετρα & βαττόμετρα A.C & D.C) (αμπερόμετρα, βολτόμετρα, ωμόμετρα, βαττόμετρα, συχνόμετρα, μετρητές συντελεστή ισχύος, μετρητές ενέργειας και άεργης ισχύος) για A.C & D.C (αμπερόμετρα για D.C) (αμπερόμετρα & βολτόμετρα A.C & D.C & Ωμόμετρα) Ανάλογα με το σύστημα μέτρησης τα διακρίνουμε: Σε παλμογράφους Είναι όργανα ηλεκτρονικά, τα οποία μπορούν πάνω σε μια φθορίζουσα οθόνη να παρουσιάζουν σε κλίμακα το μέγεθος και τη μορφή τον μεγέθους που μετράμε. Στα

3 όργανα αυτά έχουμε μια οπτική παράσταση ενός ηλεκτρικού ή ηλεκτρονικού σήματος που εφαρμόζουμε στην είσοδο τους. Είναι τα πιο σημαντικά όργανα, για οπτικούς ελέγχους και μετρήσεις, σε πάρα πολλούς τομείς. Ο παλμογράφος αναλύεται στην συνέχεια (Παρ Γ). Σε ενδεικτικά όργανα Στα όργανα αυτά η τιμή του μεγέθους που μετράμε μας δείχνεται: α. Με φωτεινή κηλίδα πάνω σε κλίμακα. Τα όργανα αυτά, έχουν ένα μικρό κάτοπτρο και, μια φωτεινή κηλίδα που μετακινείται πάνω σε μία κλίμακα. β. Ψηφιακά - Ηλεκτρονικά. Τα όργανα αυτά, έχουν μια μικρή οθόνη, πάνω στην οποία μας δίνεται αριθμητικά το αποτέλεσμα της μέτρησης. γ. Με μία βελόνα που αποκλίνει. Τα όργανα αυτά έχουν κινητό σύστημα, πάνω στο οποίο βρίσκεται τοποθετημένη η βελόνα του οργάνου. δ. Με ελάσματα που πάλλονται. Τα όργανα αυτά, έχουν διατάσεις που μετατρέπουν τις ηλεκτρικές ταλαντώσεις σε μηχανικές.

4 Σε καταγραφικά όργανα. Αποτελούνται από μία γραφίδα και από ένα κύλινδρο που περιστρέφεται με ωρολογιακό μηχανισμό. Πάνω στον περιστρεφόμενο κύλινδρο τοποθετούμε ειδικό χαρτί για να αποτυπώνονται οι μεταβολές τον μεγέθους που θέλουμε,να μετρήσουμε. Σε αθροιστικά όργανα. Στα όργανα αυτά κάθε καινούργια ένδειξη προστίθεται στην προηγούμενη (αθροιστικά). Τέτοια όργανα είναι οι μετρητές ηλεκτρικής ενέργειας. 3. Προστασiα οργάνων. Τα όργανα των ηλεκτρικών μετρήσεων, πρέπει να προστατεύονται από περιπτώσεις υπέρβασης τον ορίου μέτρησης ενός μεγέθους, με τη βοήθεια ειδικών ηλεκτρικών ασφαλειών. Επίσης, τα όργανα θα πρέπει να προστατεύονται από μαγνητικά πεδία, από υψηλές θερμοκρασίες εξωτερικού χώρου και από υπερβολική υγρασία του περιβάλλοντος. θα πρέπει να τηρούνται με ακρίβεια οι οδηγίες χρήσης και το προς μέτρηση μέγεθος, να βρίσκεται περίπου στο μέσον της κλίμακας τον οργάνου. Σε περίπτωση μέτρησης άγνωστου μεγέθους, θα πρέπει το όργανο να τίθεται στη μεγαλύτερη περιοχή μέτρησης. Μεγάλη προσοχή πρέπει να δίνεται για περιπτώσεις οργάνων (ωμόμετρα), που δεν πρέπει να συνδέονται σε κυκλώματα που βρίσκονται υπό τάση. 4. Ανάγνωση ενδείξεων & καταγραφή. Η ανάγνωση και η καταγραφή των ενδείξεων, θα πρέπει να γίνεται με μεγάλη προσοχή. Ιδιαίτερη προσοχή, θα πρέπει να δίνεται για την αποφυγή σφάλματος από παράλλαξη, λόγω κακής τοποθέτησης του οφθαλμού του παρατηρητή, σε σχέση με τη βελόνα του οργάνου. Η άκρη της βελόνας, η υποδιαίρεση της κλίμακας και ο οφθαλμός τον παρατηρητή, θα πρέπει να βρίσκονται στην ίδια κατακόρυφη ευθεία. Σε πολλά όργανα, η κλίση της βελόνας δεν είναι ανάλογη με το μέγεθος που μετράμε, με αποτέλεσμα να μην έχουμε σωστές ενδείξεις, σε όλες τις περιοχές της κλίμακας του οργάνου. Αυτό το πρόβλημα μπορεί να αντιμετωπισθεί, αν χρησιμοποιήσουμε όργανα, με κατάλληλες περιοχές μέτρησης.

5 5. Σύμβολα οργάνων ηλεκτρικών μετρήσεων. Τα όργανα έχουν στην μπροστινή τους όψη χαρακτηριστικά σύμβολα, που μας δίνουν πληροφορίες, για τον τύπο του οργάνου και τη σωστή του χρήση. Όταν χρησιμοποιούμε τα όργανα πρέπει να ακολουθούμε πιστά τις οδηγίες τον κατασκευαστή. Ιδιαίτερη προσοχή χρειάζεται στην τοποθέτηση των οργάνων. Υπάρχουν όργανα που πρέπει να τοποθετούνται κατακόρυφα, όργανα που πρέπει να τοποθετούνται οριζόντια και όργανα που πρέπει να τοποθετούνται με κάποια γωνία. Αν ένα όργανο που πρέπει να τοποθετηθεί κατακόρυφα το τοποθετήσουμε οριζόντια ή σε γωνία, η ένδειξη που θα πάρουμε θα είναι λανθασμένη. 6. Σφάλματα οργάνων και μετρήσεων. Τα σφάλματα που κάνουμε στις ηλεrτρικές μετρήσεις οφείλονται, τόσο στα όργανα που χρησιμοποιούμε, όσο και στις μεθόδους μέτρησης Σφάλματα οργάνων. Όταν με ένα όργανο πραγματοποιούμε μία μέτρηση, το αποτέλεσμα που έχουμε δεν απεικονίζει την πραγματική τιμή του μετρούμενου φυσικού μεγέθους. Αυτό μπορούμε να το διαπιστώσουμε αν επαναλάβουμε την ίδια μέτρηση πολλές φορές, είτε με το ίδιο όργανο, είτε με διαφορετικό. Επομένως, σε κάθε μέτρηση, κάνουμε σφάλματα, που σημαίνει ότι το αποτέλεσμα της μέτρησης, δεν είναι η πραγματική τιμή της ποσότητας που μετράμε. Τα σφάλματα των οργάνων μέτρησης, οφείλονται σε διάφορες αιτίες που μπορούμε να τις διακρίνουμε σε: α. Εσωτερικές αιτίες (σφάλματα μηχανικά, σφάλματα βαθμολογίας του οργάνου). β. Εξωτερικές αιτίες (σφάλματα από επίδραση της θερμοκρασίας, από την επίδραση μαγνητικών πεδίων κ.λ.π.). γ. Υποκειμενικές αιτίες (σφάλματα λόγω περιοχής δύσκολης ανάγνωσης, σφάλματα από τη μέθοδο μέτρησης κ.λ.π.). 6.2 Σφάλματα μετρήσεων. Συνήθως το αποτέλεσμα που έχουμε από μία μέτρηση δεν συμπίπτει ακριβώς με την πραγματική τιμή του μεγέθους που μετράμε. Αυτό μπορούμε να το διαπιστώσουμε κάνοντας πολλές μετρήσεις, είτε με το ίδιο όργανο, είτε με διαφορετικό όργανο είτε με διαφορετικές μεθόδους μετρήσεων. Σε κάθε περίπτωση εκτός των τυχαίων συμπτώσεων, έχουμε και διαφορετικό αποτέλεσμα. Τα σφάλματα ανάλογα με την προέλευσή τους, μπορούν βασικά να διακριθούν σε συστηματικά σφάλματα και σε τυχαία σφάλματα.τα συστηματικά σφάλματα οφείλονται κυρίως σε ατέλειες των οργάνων μέτρησης ή άλλες γνωστές αιτίες (ατέλειες οργάνων, κακή ρύθμιση μηδενός κ.λ.π.) Τα τυχαία σφάλματα, οφείλονται σε άγνωστες αιτίες, δηλαδή, έχουν προέλευση τυχαία. Δεν μπορούμε να εκτιμήσουμε ακριβώς τη θέση της βελόνας σε ένα ωμόμετρο, όποτε τη στιγμή που γίνεται ανάγνωση της ένδειξης, έχουμε ένα τυχαίο σφάλμα.

6

7 B. Μέτρηση ηλεκτρικών μεγεθών (τάση, ένταση, αντίσταση) με πολύμετρο ψηφιακό και με πολύμετρο αναλογικό 1. Γενικά για τα ψηφιακά πολύμετρα. Τα ψηφιακά πολύμετρα έχουν τη δυνατότητα να μετατρέπουν το προς μέτρηση μέγεθος σε ψηφιακή τιμή, που γίνεται σε μας ορατή με ψηφία. Αποτελούνται κατά κύριο λόγο, από έναν ενισχυτή και από έναν αναλογικό -ψηφιακό μετατροπέα, που επεξεργάζεται το συνεχές ρεύμα. Επειδή ο μετατροπέας έχει συνήθως μόνο μία περιοχή μέτρησης, για μετρήσεις μεγαλύτερου μεγέθους κάνει υποδιαίρεση, ενώ για μικρότερου μεγέθους ενίσχυση. Το μέγεθος που θέλουμε να μετρήσουμε, μετατρέπεται σε ψηφιακό σήμα, με τη βοήθεια ενός ολοκληρωμένου κυκλώματος. Το όργανο μετράει το συνεχές ρεύμα σαν πτώση τάσης πάνω σε μία αντίσταση ακριβείας μικρότερη του 1 Ω. Όταν Θέλουμε να μετρήσουμε εναλλασσόμενο ρεύμα, θα πρέπει να μετατραπεί αυτό σε συνεχές με μία ανορθωτική διάταξη. Η χρήση των ψηφιακών πολυμερών αυξάνει συνεχώς, επειδή έχουν μικρό κόστος και πραγματοποιούν μετρήσεις με πολύ μικρά σφάλματα. Πλεονεκτούν από τα αναλογικά πολυμετρα, επειδή δεν έχουν μηχανικά σφάλματα, έχουν τη δυνατότητα αύξησης της ακρίβειας μέτρησης με την προσθήκη αριθμού ψηφίων, και αποφεύγεται σ'αυτά το σφάλμα από λάθος ανάγνωση. 2. Σκαρίφημα ψηφιακού πολύμετρο. 3. Οδηγίες για τη χρήση ψηφιακού πολυμέτρου. α) Μέτρηση τάσης A.C. 1. Τοποθετούμε τους ακροδέκτες τον οργάνου, τον έναν στη θέση COM και τον άλλον στη Θέση V/Ω. 2. Φέρουμε τον επιλογέα τον οργάνου στην περιοχή μέτρησης A.C. τάσης ( m) και τον τοποθετούμε στη θέση μεγαλύτερης περιοχής μέτρησης. Σε περίπτωση που το μέγεθος της τάσης που μετράμε καλύπτεται από μικρότερη περιοχή μέτρησης, μεταφέρουμε τον επιλογέα σ'αυτή τη θέση για μεγαλύτερη ακρίβεια.

8 β) Μέτρηση τάσης D.C. 1. Τοποθετούμε τους ακροδέκτες του οργάνου, τον έναν στη Θέση COM και τον συνδέουμε προς την πλευρά του κυκλώματος που είναι το (-) της πηγής, και τον άλλον στη Θέση V/Ω και τον συνδέουμε προς την πλευρά του κυκλώματος που είναι το (+) της πηγής. 2. Φέρουμε τον επιλογέα του οργάνου στην περιοχή μέτρησης D.C.τάσης ( m) και τον τοποθετούμε στη θέση μεγαλύτερης περιοχής μέτρησης. Σε περίπτωση που το μέγεθος της τάσης που μετράμε καλύπτεται από μικρότερη περιοχή μέτρησης, μεταφέρουμε τον επιλογέα σ'αυτή τη θέση για μεγαλύτερη ακρίβεια. Σημείωση Στη μέτρηση θα έχουμε την ένδειξη (-) αν τοποθετήσουμε τους ακροδέκτες του οργάνου αντίθετα με την πολικότητα τον κυκλώματος. γ) Μέτρηση έντασης A.C. 1. Τοποθετούμε τον έναν ακροδέκτη τον οργάνου στη θέση COM και τον άλλον στη θέση 20Α. 2. Φέρουμε τον επιλογέα του οργάνου στην περιοχή μέτρησης A.C. έντασης και τον τοποθετούμε στη θέση 20Α. Σε περίπτωση που το μέγεθος της έντασης που μετρήσαμε καλύπτεται από μικρότερη περιοχή μέτρησης, διακόπτουμε το κύκλωμα και τοποθετούμε τον ακροδέκτη του οργάνου από τα 20 στα 10 ή στα 2Α και τον επιλογέα στη θέση 10 ή 2Α και επαναλαμβάνουμε τη μέτρηση για μεγαλύτερη ακρίβεια. δ) Μέτρηση έντασης D.C. 1. Τοποθετούμε τον έναν ακροδέκτη του οργάνου στη Θέση COM και τον συνδέουμε προς την πλευρά του κυκλώματος που είναι το (-) της πηγής. Τοποθετούμε τον άλλο ακροδέκτη του οργάνου στη θέση 20Α και τον συνδέουμε προς την πλευρά του κυκλώματος που είναι το (+) της πηγής. 2. Φέρουμε τον επιλογέα τον οργάνου στην περιοχή μέτρησης D.C. έντασης και τον τοποθετούμε στην θέση 20Α. Σε περίπτωση που το μέγεθος της έντασης που μετρήσατε καλύπτεται από μικρότερη περιοχή μέτρησης, διακόπτουμε το κύκλωμα, και τοποθετούμε τον ακροδέκτη του οργάνου από τα 20 στα 10 ή στα 2Α και τον επιλογέα στη θέση 10 ή 2Α και επαναλαμβάνουμε την μέτρηση για μεγαλύτερη ακρίβεια. ε) Μέτρηση αντίστασης 1. Τοποθετούμε τους ακροδέκτες τον οργάνου, τον έναν στη θέση COM και τον άλλον στη θέση V/Ω. 2. Φέρουμε τον επιλογέα τον οργάνου στην περιοχή μέτρησης αντίστασης και ανάλογα με το μέγεθος της αντίστασης που μετράμε, μεταφέρουμε τον επιλογέα στη θέση που έχουμε την μεγαλύτερη ακρίβεια. Τα πολυμετρα σ'αυτή τη περιοχή του επιλογέα (συνήθως στην πρώτη θέση) ελέγχουν τη συνέχεια κυκλωμάτων. Το όργανο στη θέση αυτή μας δίνει έναν χαρακτηριστικό βόμβο σε περίπτωση συνέχειας. Προσοχή! Δεν πρέπει σε καμία περίπτωση να συνδέουμε το όργανο σ'αυτή τη θέση λειτουργίας, σε κύκλωμα που βρίσκεται υπό τάση. Σημείωση Μετά από κάθε χρήση θα πρέπει να φέρουμε τον επιλογέα στη θέση OFF. Σε περίπτωση που το όργανο έχει ξεχωριστή θέση ΟΝ-OFF, μετά το τέλος της μέτρησης να θέτουμε τον διακόπτη στη θέση OFF.

9 Σε περίπτωση που στην οθόνη του οργάνου εμφανιστεί η ένδειξη - ΒΑΤ, θα πρέπει να αλλάξουμε την πηγή του οργάνου. Με τα ψηφιακά πολυμετρα μπορούμε να ελέγχουμε σε ειδική θέση του οργάνου, τρανζίστορ ΡΝΡ και ΝΡΝ. 4. Γενικά για τα αναλογικά πολυμετρα. Τα αναλογικά πολυμετρα, είναι σύνθετα όργανα με τα οποία μπορούμε να κάνουμε μετρήσεις πολλών χαρακτηριστικών μεγεθών (Α.C.τάσης-D.C.τάσης-D.C.έντασηςαντίστασης κ.λ.π.). Αποτελούνται από ένα βασικό όργανο, συνήθως κινητού πηνίου και από διάφορα κυκλώματα (αμπερομέτρου, βολτομέτρου, ωμομέτρου. Επειδή το όργανο κινητού πηνίου χρησιμοποιείται για τη μέτρηση μεγεθών συνεχούς ρεύματος, όταν χρησιμοποιούμε το πολύμετρο για τη μέτρηση μεγεθών εναλλασσομένου ρεύματος, γίνεται χρήση ανορθωτικής διάταξης. 5. Σκαρίφημα αναλογικού πολυμέτρου. 6. Οδηγίες για τη χρήση αναλογικού πολυμέτρου. α) Μέτρηση A.C τάσης-d.c τάσης. Τοποθετούμε τους ακροδέκτες του οργάνου τον έναν στη θέση -COM και τον άλλο στη θέση (+). Όταν μετράμε συνεχές ρεύμα, θα πρέπει να συνδέσουμε τον ακροδέκτη -COM προς την πλευρά του κυκλώματος που είναι ο αρνητικός πόλος της πηγής. Γυρίζομε τον επιλογέα στη θέση A.C τάσης ή D.C. τάσης, ανάλογα με το είδος της τάσης που θέλουμε να μετρήσουμε. Ο επιλογέας θα πρέπει να τοποθετείται στη θέση μεγαλύτερης περιοχής μέτρησης. Σε περίπτωση που το μέγεθος που μετρήσαμε καλύπτεται από μικρότερη περιοχή, μεταφέρουμε τον επιλογέα σε αυτή τη θέση, για μέτρηση μεγαλύτερης ακρίβειας. Ι) Μετά το τέλος οποιασδήποτε μέτρησης με το πολυμετρο, θα πρέπει να τοποθετούμε τον επιλογέα τον οργάνου στην περιοχή A.C. τάσης και στη θέση με τη μεγαλύτερη κλίμακα. Στη θέση αυτή το όργανο κινδυνεύει λιγότερο, σε περίπτωση λανθασμένης σύνδεσης σε κύκλωμα. ΙΙ) Η βελόνα του οργάνου θα κινηθεί αντίθετα στην περίπτωση που μετρήσουμε συνεχές ρεύμα και συνδέσουμε αντίθετα τους ακροδέκτες τον οργάνου με τους ακροδέκτες της πηγής. β) Μέτρηση D.C. έντασης. Με το αναλογικό πολυμετρο μπορούμε να μετρήσουμε μόνο μικρές εντάσεις συνεχούς ρεύματος. Τοποθετούμε τον ακροδέκτη -COM προς την πλευρά τον κυκλώματος που είναι το (-) της πηγής και τον ακροδέκτη (+) προς την πλευρά τον

10 κυκλώματος που είναι το (+) της πηγής. Γυρίζουμε τον επιλογέα στην περιοχή D.C. έντασης και τον τοποθετούμε στη θέση με την μεγαλύτερη περιοχή μέτρησης. Σε περίπτωση που το μέγεθος που μετρήσαμε καλύπτεται από μικρότερη περιοχή, μεταφέρουμε τον επιλογέα σε αυτή τη θέση, για μέτρηση μεγαλύτερης ακρίβειας. γ) Μέτρηση αντίστασης. Τοποθετούμε τους ακροδέκτες τον οργάνου στις θέσεις που προαναφέραμε και γυρίζουμε τον επιλογέα στην περιοχή μέτρησης αντίστασης. Επιλέγουμε την κλίμακα στην οποία έχουμε την μεγαλύτερη ακρίβεια. Σημείωση: α) Κάθε φορά παν αλλάζουμε κλίμακα στη μέτρηση των αντιστάσεων, θα πρέπει να ρυθμίζουμε το όργανο. Η ρύθμιση του οργάνου γίνεται με τον παρακάτω τρόπο: Ενώνουμε τους ακροδέκτες του οργάνου και με τη βοήθεια του περιστροφικού κομβίου (Ω) φέρουμε την βελόνα τον οργάνου στο μηδέν της κλίμακας. β) Στα αναλογικά πολύμετρα θα πρέπει να γίνεται συχνά έλεγχος και αλλαγή, της πηγής του οργάνου. Προσοχή! Δεν πρέπει σε καμία περίπτωση να συνδέσουμε το όργανο σ'αυτή τη θέση λειτουργίας, σε κύκλωμα που βρίσκεται υπό τάση.

11 Γ. ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΜΕ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟ ΠΑΛΜΟΓΡΑΦΟ Ο παλμογράφος παρέχει μια οπτική παράσταση ενός ηλεκτρικού ή ηλεκτρονικού σήματος που εφαρμόζεται στην είσοδο του, ως προς ένα άλλο σήμα ή ως προς το χρόνο. Είναι το πιο σημαντικό όργανο οπτικού έλεγχου και μετρήσεων σε παρά πολλούς τομείς. Ένας κοινός παλμογράφος αποτελείται από πέντε βασικά μέρη: (σχήμα 1.1) 1) Τον καθοδικό σωλήνα. 2) Το σύστημα κατακόρυφης απόκλισης. 3) Το σύστημα οριζόντιας απόκλισης. 4) Τη γεννήτρια πριονωτής τάσης και το συγχρονισμό. 5) το τροφοδοτικό. Σχήμα 1.1 Ο καθοδικός σωλήνας αποτελείται από το ηλεκτρονικό πυροβόλο, το σύστημα των πλακιδίων απόκλισης και την οθόνη. Στο σχήμα 1.2 φαίνεται ένας καθοδικός σωλήνας παλμογράφου. Σχήμα 1.2 Οι αριθμοί 1,2,3 και 4 δείχνουν το ηλεκτρονικό πυροβόλο (1= κάθοδος 2= πλέγμα 3= πρώτη άνοδος 4= δεύτερη άνοδος).εκεί παράγεται, εστιάζεται και επιταχύνεται η δέσμη των ηλεκτρόνιων (7).Η ρύθμιση ορισμένων τάσεων στο ηλεκτρονικό πυροβόλο προκαλεί αλλαγές στη δέσμη των ηλεκτρονίων με οπτικά αποτελέσματα στην οθόνη. Με αυξομείωση της τάσης του οδηγού πλέγματος αλλάζει η φωτεινότητα στην οθόνη [INTENSITY σχήμα 1.3 (2)]. Με τη ρύθμιση της τάσης της πρώτης ανόδου επιτυγχάνεται η εστίαση της δέσμης [FOCUS σχήμα 1.3 (4)].

12 Σχήμα 1.3 Μετά το ηλεκτρονικό πυροβόλο υπάρχουν τα πλακίδια κατακόρυφης [σχήμα 1.2 (6)] και οριζόντιας [σχήμα 1.2 (5)] απόκλισης. Είναι ένα σύστημα από δυο ζευγάρια πλακιδίων που είναι μεταξύ τους κάθετα. Ανάμεσα από αυτά περνά η δέσμη των ηλεκτρονίων [σχήμα 1.2 (7)] και συνεχίζει προς την οθόνη [σχήμα 1.2 (8)]. Εάν εφαρμόσουμε συνεχή τάση στα οριζόντια πλακίδια η δέσμη θα αποκλίνει πάλι προς το πλακίδιο με το +, ανάλογα με το μέγεθος, και η δέσμη μπορεί να κινηθεί οριζόντια [POSISION σχήμα 1.3 (6)]. Η οθόνη είναι καλυμμένη με μια φθορίζουσα χημική επάλειψη, ώστε να μετατρέπει την ενέργεια της ηλεκτρονικής δέσμης σε φωτεινή. Εξωτερικά καλύπτεται με διαφανές συνήθως πλαστικό διαιρεμένο σε τετραγωνικά εκατοστά με την βοήθεια των οποίων γίνονται οι μετρήσεις (ILLUMINATION). Τα συστήματα κατακόρυφης και οριζόντιας απόκλισης αποτελούνται, κύρια, από τους αντιστοίχους ενισχυτές. Ο ενισχυτής κατακόρυφης απόκλισης είναι ευρείας ζώνης,(έχει την ικανότητα να ενισχύει σήματα από DC μέχρι GHz με μεγάλη ευαισθησία). Ο ενισχυτής οριζόντιας απόκλισης εκτός τον άλλων, θα πρέπει να είναι ισοσταθμισμένος. Στην είσοδο κάθε ενισχυτή υπάρχει ένας εξασθενητής για υποβιβασμό της τάσης εισόδου [VOLT/DIV σχήμα 1.3 (24/30)]. Η γεννήτρια πριονωτών ταλαντώσεων παράγει μια τάση πριονωτής μορφής η οποία εφαρμόζεται μέσα από τον ενισχυτή οριζόντιας απόκλισης στα πλακίδια οριζόντιας απόκλισης με αποτέλεσμα να μετακινεί τη δέσμη από αριστερά προς τα δεξιά στην οθόνη. Όταν η δέσμη φτάσει στο δεξιό άκρο, η τάση αυτή πέφτει απότομα στο μηδέν και η δέσμη επανέρχεται στην αρχική της θέση. Αυτή η διαδικασία λέγεται σάρωση της οθόνης. Για να φαίνεται όμως ακίνητη η προς παρατήρηση κυματομορφή, θα πρέπει η συχνότητα της πριονωτής τάσης να είναι πολλαπλάσιο της συχνότητας αυτής, δηλαδή να υπάρχει συγχρονισμός. Ο συγχρονισμός αυτός επιτυγχάνεται με τρεις τρόπους: α) ο εσωτερικός συγχρονισμός (INTERNAL) ένα μέρος της προς παρατήρησης κυματομορφής ρυθμίζει την γεννήτρια πριονωτής τάσης. β) ο εξωτερικός συγχρονισμός [EXTERNAL σχήμα 1.3 (14/15)] η γεννήτρια συγχρονίζεται από το σήμα που θα εφαρμόσει ο χειριστής. και γ) ο συγχρονισμός γραμμής [LINE σχήμα 1.3 (10)] στη γεννήτρια εφαρμόζεται η συχνότητα δικτύου. Για τη ρύθμιση της συχνότητας της σάρωσης υπάρχει ο διακόπτης TIME/DIV [σχήμα 1.3 (12)] με τον οποίο αυξομειώνεται η συχνότητα της γεννήτριας πριονωτής τάσης.

13 Επεξήγηση του σχήματος 1.3 (Παλμογράφος HAMEG HM-203-7) 1) POWER ON/OFF Είναι ο διακόπτης τροφοδοσίας του. 2) INTENSITY Ρυθμιστής φωτεινότητας. 3) FOCUS Ρυθμιστής εστίασης της δέσμης. 4) TR Περιστρέφει την δέσμη ως προς το κέντρο της οθόνης, για την οριζοντίωση της. 5) X-Y Αποσυνδέει την γεννήτρια πριονωτών τάσεων και το CH.II το συνδέει στην είσοδο του ενισχυτή Χ 6) X-POSISION Ρυθμίζει την οριζόντια θέση της δέσμης στην οθόνη 7) HOLD-OFF Ρυθμίζει το νεκρό χρόνο μεταξύ δυο σαρώσεων της βάσης χρόνου. 8) TRIGGER Ενδεικτική LED που μας δείχνει πότε η γεννήτρια πριονωτής τάσης παρέχει τάση για συγχρονισμό. 9) TV SEP. Ενεργός διαχωρισμός σήματος ΤV. 10) TRIG. AC-DC- Επιλέγει τον τρόπο συζεύξεις του σκανδαλισμού. HF-LF-LINE 11) +/- Επιλέγει την κλίση του σήματος σκανδαλισμού ALT. Επιλέγει εσωτ. σκανδαλισμό από το CH. I και το CH. II εναλλάξ. 12) TIME/DIV Επιλογή της βάσης χρόνου. 13) TIME/DIV Μεταβλητό control για μεταβολή της βάσης χρόνου. 14) EXTERNAL Επιλέγει λειτουργίες εξωτερικού σκανδαλισμού. 15) TRIG. INP. BNC για σύνδεση με εξωτερικό σκανδαλισμό. 16) AT/NORM Επιλογή διέγερσης (Auto/Norm). 17) LEVEL Σε Norm διέγερση ρυθμίζει σε ποιο ύψος της κυμ/φής θα αρχίσει η διέγερση. 18) X-MAG.x10 Μεγεθύνει τον άξονα Χ x10. 19) CAL. 0.2V-2V Παράγει παλμό για την ρύθμιση του παλμογράφου. 20) COMPONENT Ελέγχει εξαρτήματα. TESTER 21) 36)Y-POS. I/II Ρύθμιση της κατακόρυφης θέσης της δέσμης. 22) 35)CH.I/II Σύζευξη εισόδου. AC-DC-GRN 23) 34)CH.I/II BNC για σύνδεση εισόδου. 24)30)VOLT/DIV Επιλογέας για την ευαισθησία των ενισχυτών κατ/φων.. 25)31) Μεταβλητό control ενισχύσεως. 26)32)Y-MAG.x5 Μεγεθύνει τον άξονα του Υ Χ5. 27)CH.I/II-TRIG.I/II Επιλέγει το CH λειτουργίας Ι ή ΙΙ. 28)DUAL Επιλέγει την λειτουργία ή ενός ή και τον δυο CH. 29)ADD-CHOP Δίνει το άθροισμα τον δυο κυματομορφών. 33)INVERT CH. II Αναστρέφει την απεικόνιση του σήματος CH. II Μέτρηση τάσης με τον παλμογράφο: Εφαρμόζουμε την κυματομορφή που θέλουμε να μετρήσουμε στην είσοδο του παλμογράφου [σχήμα 1.3 (23/34)]. Στην οθόνη βλέπουμε την κυματομορφή. Στην περίπτωση που η κυματομορφή τρεμοπαίζει ρυθμίζουμε τον διακόπτη TIME/DIV [σχήμα 1.3 (12)], επίσης αν το πλάτος της κυματομορφής είναι μεγάλο ή μικρό πάνω στην οθόνη τότε ρυθμίζουμε τον διακόπτη VOLT/DIV [σχήμα 1.3 (24/30)]. Αν έχουμε AC σήμα, τότε τοποθετούμε τον διακόπτη AC-GRN-DC [σχήμα 1.3 (22/35)] στην θέση AC. Μετράμε τα τετραγωνάκια της οθόνης από κορυφή σε

14 κορυφή (180 ), κατά την κάθετη κατεύθυνση και τα πολλαπλα-σιάζουμε με την ένδειξη του διακόπτη VOLT/DIV [σχήμα 1.3 (24/30)]. Στην περίπτωση που μετράμε DC τάση τοποθετούμε τον διακόπτη AC-GRN-DC [σχήμα 1.3 (22/35)]στην θέση GRN, και φέρνουμε την δέσμη [σχήμα 1.3 (21/36)] σε ένα σημείο στην οθόνη, που θα το χρησιμοποιήσουμε ως σημείο αναφοράς. Τοποθετούμε τον διακόπτη AC-GRN-DC στην θέση DC. Στην συνεχεία μετράμε τα τετραγωνάκια πάνω ή κάτω από το σημείο αναφοράς και τα πολλαπλασιάζουμε με την ένδειξη του διακόπτη VOLT/DIV [σχήμα 1.3 (24/30)], έτσι έχουμε την τιμή της τάσης που θέλουμε να μετρήσουμε. Μέτρηση συχνότητας με τον παλμογράφο: Εφαρμόζουμε την κυματομορφή στην είσοδο [σχήμα 1.3 (23/34)] του παλμογράφου. Σταθεροποιούμε την κυματομορφή [σχήμα 1.3 (12)], και μετράμε τον αριθμό των τετραγώνων από την αρχή ως το τέλος μιας περιόδου του σήματος, κατά την οριζόντια κατεύθυνση. Πολλαπλασιάζουμε τον αριθμό των τετραγώνων με την ένδειξη του διακόπτη TIME/DIV [σχήμα 1.3 (12)], και έτσι έχουμε την περίοδο της κυματομορφής. Η συχνότητα δίδετε από τον τύπο F=1/T [Hz=1/Sec]. Μέτρηση της συχνότητας με τα σχήματα LISSAJOUS: Εφαρμόζουμε ένα σήμα γνωστής συχνότητας στην είσοδο κατακόρυφων Υ [σχήμα 1.3 (23)]και ένα άγνωστης συχνότητας στην είσοδο οριζόντιων Χ [σχήμα 1.3 (34)]του παλμογράφου. Θέτουμε σε λειτουργία τον διακόπτη Χ-Υ [σχήμα 1.3 (5)], ρυθμίζουμε τους διακόπτες VOLT/DIV [σχήμα 1.3 (24/30)], ώστε στην οθόνη να φαίνεται όλο το σχήμα. Το σχήμα αυτό θα είναι είτε κύκλος, είτε σχήματα με οριζόντιους και κατακόρυφους κύκλους.τα σχήματα αυτά είναι η συνισταμένη των τάσεων στα πλακίδια κατακόρυφης και οριζόντιας απόκλισης η οποία κινεί την δέσμη. Μετρώντας τον αριθμό των οριζοντίων και τον αριθμό των κατακόρυφων κύκλων (κορυφών), υπολογίζετε η συχνότητα από τον τύπο Fy/Fx=A/B, όπου Fy η άγνωστη συχνότητα, Fx η γνωστή συχνότητα, Α ο αριθμός των οριζόντιων κορυφών και Β ο αριθμός των κατακόρυφων κορυφών. Σύνδεση παλμογράφου στο κύκλωμα: Ο παλμογράφος συνδέετε στο κύκλωμα μέσο ενός ομοαξονικού καλώδιο με υποδοχή BNC στο ένα άκρο και στο άλλο δυο ακροδέκτες. Η υποδοχή BNC από το καλώδιο τοποθετείτε στην είσοδο του παλμογράφου [σχήμα 1.3 (23/34)]. Το εξωτερικό σύρμα του ομοαξονικού καλωδίου συνδέετε στο κοινό σημείο του κυκλώματος. Ο παλμογράφος συνδέετε πάντα παράλληλα με το κύκλωμα. Το σφάλμα ανάγνωσης του παλμογράφου είναι το μισό της ελάχιστης υποδιαίρεσης της κλίμακας του. Ερωτήσεις 1. Δημιουργείστε παλμικό σήμα με περίοδο 1 khz και πλάτος 10 V. 2. Αλλάξτε την περίοδο στα 100 khz με το ίδιο πλάτος. 3. Αλλάξτε το πλάτος στα 15 V. 4. Δημιουργείστε ημιτονοειδές σήμα με περίοδο 1 khz και πλάτος 5 V. 5. Αλλάξτε την περίοδο στα 300 khz με πλάτος 0.5 V. 6. Αλλάξτε το πλάτος στα 1.5 V. 7. Δημιουργείστε τριγωνικό σήμα με περίοδο 10 khz και πλάτος 50 mv. 8. Αλλάξτε την περίοδο στα 50 khz με πλάτος 5 V. 9. Αλλάξτε το πλάτος στα 15 V.

15 Εφαρμογή στον νόμο του Ohm ΣΚΟΠΟΣ Εξοικείωση με τις πηγές τάσης (τροφοδοτικά), τις αντιστάσεις, τα αναλογικά και ψηφιακά πολύμετρα (βολτόμετρα, αμπερόμετρα, ωμόμετρα). Επαλήθευση του νόμου του Ohm. ΘΕΩΡΙΑ Σύμφωνα με τον νόμο του Ohm, η τάση V στα άκρα ενός αγωγού με αντίσταση R που τον διαρρέει ρεύμα I δίνεται από τη σχέση: V I R Ισοδύναμα ο νόμος του Ohm μπορεί να διατυπωθεί και ως: ή V I R V R I Σύμφωνα με την τελευταία σχέση, η αντίσταση R ενός αγωγού είναι η σταθερά αναλογίας ανάμεσα στην τάση V στα άκρα του αγωγού και στην ένταση του ρεύματος Ι που τον διαρρέει. Συμπερασματικά, η αντίσταση είναι ευθέως ανάλογη της τάσης ανάλογη της έντασης I. V και αντιστρόφως Εναλλακτικές διατυπώσεις του νόμου του Ohm Η αντίσταση R ενός αγωγού είναι το αντίστροφο της αγωγιμότητάς του G: Συνεπώς: 1 R. G I V G V I G G I V

16 Ισχύς Η ισχύς P που καταναλώνει μια αντίσταση R την οποία διαρρέει ρεύμα Ι είναι: P I 2 R ή ισοδύναμα (χρησιμοποιώντας το νόμο του Ohm), 2 V P V I και P R όπου V είναι η τάση στα άκρα της αντίστασης. Σχετικά με τα όργανα μετρήσεων Η τάση V μετριέται με βολτόμετρα. Τάση ονομάζεται η διαφορά δυναμικού μεταξύ των άκρων μιας αντίστασης. Συνεπώς το βολτόμετρο συνδέεται στα άκρα της αντίστασης και άρα παράλληλα με αυτήν. Τα βολτόμετρα έχουν μεγάλη εσωτερική αντίσταση (γιατί;). Η ένταση I του ρεύματος μετριέται με αμπερόμετρα. Το ρεύμα διαρρέει μια αντίσταση. Για να μετρήσουμε λοιπόν την ένταση του ρεύματος που περνάει μέσα από μια αντίσταση πρέπει το αμπερόμετρο να συνδεθεί έτσι ώστε το ίδιο ρεύμα να περάσει και μέσα από αυτό: συνεπώς, το αμπερόμετρο συνδέεται σε σειρά με την αντίσταση. Τα αμπερόμετρα έχουν μικρή εσωτερική αντίσταση (γιατί;) Η αντίσταση μετριέται με ωμόμετρα. Το ωμόμετρο συνδέεται στα άκρα μιας αντίστασης ΕΚΤΟΣ κυκλώματος. Πριν από κάθε μέτρηση απαιτείται μηδενισμός του οργάνου. Μην ξεχνάτε ότι: Όλα τα όργανα μετρήσεων και τα τροφοδοτικά έχουν εσωτερική αντίσταση. Αντίσταση έχουν επίσης οι ακροδέκτες (καλώδια).

17 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Α. ΚΥΚΛΩΜΑ A R Vs V Β. ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΑ ΟΡΓΑΝΑ Τροφοδοτικό σύστημα συνεχούς ρεύματος (DC) μεταβλητής τάσης Βολτόμετρο DC Αμπερόμετρο DC Ωμικές αντιστάσεις 1Κ έως 10Κ Ακροδέκτες Γ. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ 1. Επιλέξτε με τη βοήθεια ενός ωμομέτρου μια αντίσταση 1Κ. 2. Ρυθμίστε το τροφοδοτικό Vs (με τη βοήθεια ενός βολτομέτρου) στα 5V. 3. Καταγράψτε τις ενδείξεις του αμπερομέτρου (Α) και του βολτομέτρου (V). 4. Επαναλάβετε για 10 τουλάχιστον διαφορετικές τιμές αντίστασης R. Δ. ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ και ΣΧΟΛΙΑΣΜΟΣ 1. Υπολογίστε τις θεωρητικές τιμές ρεύματος, I θ, για κάθε R σύμφωνα με το νόμο του Ohm: I θ =Vs/R. (Τι αποτελέσματα θα πάρουμε αν υπολογίσουμε το I θ σύμφωνα με τον τύπο: I θ =V R /R; Τι σχέση έχουν τα Vs και V R ;) 2. Υπολογίστε το ποσοστιαίο σφάλμα ΔΙ/Ι θ, όπου ΔΙ= I π I θ. (Πού οφείλονται οι αποκλίσεις μεταξύ πειράματος και θεωρίας;) 3. Συμπληρώστε τον παρακάτω πίνακα: R (ΚΩ) V R (V) I π (ma) I θ =Vs/R (ma) ΔΙ/Ι θ (%)

18 4. Δώστε τη γραφική παράσταση του I π ως προς R. Τι παρατηρείτε; 5. Δώστε τη γραφική παράσταση του I π ως προς G=1/R. Τι παρατηρείτε; 6. Βρείτε εκφράσεις για την ισχύ που καταναλώνει ένας αγωγός σαν συνάρτηση της αγωγιμότητάς του G (αντί της αντίστασης R).