UTILIZAREA APARATELOR DE LABORATOR

Transcript

1 U.T. Gh. Asachi Iaşi Facultatea de Electronică şi Telecomunicaţii Componente şi Circuite Pasive UTILIZAREA APARATELOR DE LABORATOR Scopul lucrării : cunoaşterea principalelor aparate de măsură şi a surselor de tensiune continuă din laborator. În laboratoarele facultăţii noastre se folosesc aparate de măsură electrice. Dintre ele, cele mai utilizate vor fi voltmetrul, ohmmetrul şi ampermetrul. În general, voltmetrul şi ampermetrul pot fi de curent continuu sau alternativ şi nu necesită sursă de tensiune auxiliară. Ohmmetrul este destinat măsurării rezistenţelor doar in curent continuu şi necesită alimentare exterioară (de obicei baterie ) Voltmetrul se conectează întotdeauna în paralel la bornele la care se doreşte măsurarea tensiunii, având grijă să se conecteze borna "+" a aparatului la potenţialul cel mai ridicat. Când nu se cunoaşte polaritatea tensiunii continue ce urmează a fi măsurată, se recomandă alegerea unei game mai mari şi conectarea pentru un timp foarte scurt a voltmetrului, simultan cu sesizarea tendinţei de deplasare a acului instrumentului. Voltmetrul de curent alternativ se va conecta întotdeauna în paralel la bornele la care se doreşte măsurarea tensiunii, polaritatea la conectare neavând nici o importanţă. Ampermetrul se conectează întotdeauna în serie cu porţiunea (componenta) de circuit prin care dorim să măsuram curentul, având grijă ca bornele să fie conectate aşa încât curentul continuu să "intre" în borna "+". Dacă nu se cunoaşte gama în care se poate afla curentul măsurat, se recomandă alegerea unei game maxime, determinarea sensului prin măsurare rapidă şi sensibilizarea ulterioară a ampermetrului. Ampermetrul de curent alternativ se montează în serie cu porţiunea de circuit al cărui curent dorim să îl măsurăm, necontând polaritatea bornelor. Pentru măsurarea curentului alternativ, în schema de măsură a multimetrului este prevăzut un redresor care permite instrumentului să măsoare valoarea medie a curentului, iar reperele scării gradate comune corespund etalonării pentru valoarea efectivă a curentului. Deci indicaţia instrumentului reprezintă valoarea medie înmulţită cu factorul de forma 1,11 pentru un curent sinusoidal. Din acest motiv, precizia măsurării este garantată numai pentru curenţii sinusoidali având un factor de distorsiuni de maxim 2%. 1

2 Măsurarea nivelului semnalului de audiofrecvenţă este necesară adesea în sistemele de comunicaţie. Pentru uşurarea calculelor referitoare la valoarea amplificării şi (sau) atenuării se utilizează o unitate adimensională numita decibel [db]. Valoarea în decibeli a amplificării (atenuării) în tensiune sau curent se calculează cu : iar valoare amplificării în putere se calculează cu : A u = 20 lg(u 2 /U 1 ) [db] A i = 20 lg(i 2 /I 1 ) [db] A p = 10 lg(p 2 /P 1 ) [db] În aceste expresii indicii "1" se referă la mărimea de intrare iar indicii "2" se referă la mărimea de ieşire. Exemplu : pentru o amplificare în tensiune de 1.000, valoarea în decibeli este : Au = 20lg(1.000) [db] = 60 [db]. Nivelul de referinţă de 0 [db] a fost stabilit pentru tensiunea de 0,775 [V] la bornele unei rezistenţe de 600 Ω, puterea debitată fiind de 1 mw. Scara marcată în db pe aparat ( cu comutatorul plasat pe scala de 2,5 V c.a. ) s-a trasat pe baza calculelor, luând în considerare această valoare standard, din acest motiv numindu-se scara absolută. Nivelul absolut de tensiune (db) se obţine calculând : Au = 20lg(U 2 /0,775) (db) iar cel absolut de putere calculând : Ap = 10lg(P 2 /0,001) (db) Dacă nivelul de intrare nu corespunde valorii de referinţă, atunci rezultatul calculului nivelului se numeşte nivel relativ. În acest caz se fac corecţii. Multimetrul care măsoară nivelul semnalului de AF, măsoară de fapt o tensiune alternativă. Singura diferenţa este că scara gradată nu este etalonată în volţi ci în db, corespunzător nivelului absolut pentru tensiune. Măsurarea rezistenţei electrice se face cu ohmmetrul. Schema electrică de principiu a unui ohmmetru este prezentată în figura alăturată. Instrumentul de măsură indică valoarea curentului din circuit care depinde de valoarea rezistenţei ce se măsoară prin relaţia : I = E /( Rp + Rx ) Dependenţa I(R x ) fiind de inversă proporţionalitate, rezultă două proprietăţi ale scalei ohmmetrului : - neliniaritatea şi - plasarea zeroului în dreapta. Cu ajutorul potenţiometrului Rp se reglează curentul maxim pentru gama respectivă, realizându-se operaţia de calibrare a ohmmetrului. Calibrarea se realizează prin scurtcircuitarea bornelor ( testerelor ) aparatului si ajustarea valorii Rp până când acul instrumentului ajunge la zero. ( pentru Rx = 0, Imax = E/Rp ). În acest mod este posibilă utilizarea aceleiaşi scări pentru toate gamele. Într-adevăr, dacă două game au Imax 2 = n Imax 1, unde Imax 1 = E/Rp 1 şi Imax 2 = E/Rp 2, atunci Rp 1 = n Rp 2 şi cele două rezistoare Rx 1 şi Rx 2 care dau aceeaşi deviaţie pe cele doua game ( I 2 = n I 1 ) vor fi în raportul Rx 1 / Rx 2 = n. Deci înaintea efectuării unei măsurători cu ohmmetrul trebuie reglat " zeroul " aparatului prin scurtcircuitarea bornelor de măsură ( Rx = 0) şi ajustarea valorii lui Rp. În general gamele de măsură alăturate sunt în raport de 10 una faţă de cealaltă. 2

3 Obs. 1 Schema desenată este cea a unui ohmmetru serie. Există şi ohmmetre paralel (scala DΩ la MAVO 35 ), la care zeroul este în partea stângă a scalei. Şi aici este necesară etalonarea capătului de scală. 2. În general, totuşi, din cauza impreciziei componentelor şi a inegalităţilor curenţilor consumaţi pe diversele game, precum şi din cauza consumării bateriei, reglajul zeroului nu mai este independent de scala aleasă pentru măsură. De aceea, el trebuie refăcut odată cu alegerea noii scale de măsură. SURSE DE ALIMENTARE CU TENSIUNE CONTINUĂ Pentru alimentarea circuitelor de laborator cu tensiune continuă se utilizează surse de alimentare stabilizate, care menţin constantă valoarea tensiunii continue dorite, indiferent de valoarea curentului continuu absorbit de sarcină ( dacă valoarea curentului consumat este în limitele pentru care a fost construită sursa ; în caz contrar intră în funcţiune protecţia de limitare a curentului, lucru semnalizat de obicei optic). În figura 1 se prezintă un circuit simplu în care rezistenţa de sarcină Rs este alimentată de la o sursă de tensiune ideală. Sursa ideală de tensiune asigură sarcinii o tensiune constantă, indiferent de curentul consumat de ea. U s = Is R s = E oricare ar fi Is În figura 2, aceeaşi rezistenţă de sarcină este alimentată de o sursă reală de tensiune ( care are o rezistenţă internă nenulă) În afara prezenţei rezistenţei interne, sursa reală prezintă şi fluctuaţii ale valorii tensiunii electromotoare E, datorate fluctuaţiilor tensiunii reţelei, a temperaturii şi a curentului de sarcină. Schema bloc a unei surse de tensiune continue utilizate în laborator este prezentată în figura 3. În aceasta figură au fost făcute notaţiile : T = transformator de reţea (are rolul de a coborâ valoarea tensiunii alternative a reţelei până la valoarea necesară gamei sale de funcţionare), R = redresor realizat cu diode semiconductoare ( transformă tensiunea alternativă sinusoidală 3

4 din secundarul T în tensiune continuă pulsatorie ), F = filtru ( reduce ondulaţiile tensiunii redresate cu ajutorul unor condensatoare şi, uneori, bobine), S = stabilizator de tensiune ( realizează stabilizarea valorii tensiunii de ieşire la variaţia tensiunii reţelei, a sarcinii şi a temperaturii, permiţând în acelaşi timp reglarea tensiunii la ieşire pentru a obţine valoarea dorită ), P = circuit de protecţie ( asigură limitarea curentului absorbit de sarcină până la o valoare ce poate fi reglată de utilizator ; la tendinţa de depăşire a curentului absorbit de către sarcină, circuitul de protecţie reduce valoarea tensiunii de ieşire până când curentul consumat de sarcină revine la valoarea stabilită). Circuitul de protecţie asigură în plus şi posibilitatea reglării limitei de curent. Majoritatea surselor revin la tensiunea fixată dacă valoarea curentului consumat revine în limitele normale. Există unele surse la care circuitul de protecţie poate realiza şi limitarea valorii tensiunii la o valoare prestabilită, pentru a evita eventuale acţionari greşite ale utilizatorului care ar putea conduce la distrugerea circuitului alimentat de la sursa reglabilă. În general sursele de tensiune au trei borne " + ", "- " şi borna conectată la carcasa metalică sau la un ecran metalic ( masă ). Uzual, într-un circuit se face convenţia că masa este şi borna -, dar aceasta nu este o regulă. Situaţia concretă depinde punctual de circuitul în cauză. Reglajele obligatorii pentru o sursă de tensiune sunt : - reglaj de tensiune, în trepte şi continuu - reglajul curentului limită ( în general reglaj continuu) Cit timp curentul consumat de la sursă este sub valoarea limitată stabilită prin reglaj, sursa lucrează normal, asigurând la ieşire tensiunea dorită. Dacă sarcina tinde să consume un curent mai mare decât cel limitat, sursa de tensiune intră in regim de sursă de curent. MODUL DE LUCRU 1. Se identifică la MAVO : bornele de acces, poziţiile comutatorului, scările gradate. 2. Se notează semnificaţia simbolurilor din partea de jos a scalei, din stânga şi dreapta axului instrumentului indicator. 3. Se fac măsurători de rezistenţe pentru rezistoarele disponibile, notându-se algoritmul de măsură şi rezultatele pe caiete, sub formă de tabel. 4. Se identifică la sursa de tensiune disponibilă : bornele, potenţiometrele de reglaj şi eventualele aparatele indicatoare. 5. Se realizează măsurători de tensiuni continue şi curenţi continui utilizând aparatele şi rezistoarele disponibile. Se notează pe caiete rezultatele obţinute 6 Se completează tabelul următor, făcând măsurători pe un rezistor care dă rezultate semnificative U[V] I[mA] P d [W] OBSERVAŢII: ATENTIE! Calculaţi în prealabil puterea disipată de rezistorul ales! 4

5 Rezistorul folosit va fi circuitul din figura de mai jos. Ampermetrul se conectează între borna + a sursei E de alimentare şi borna 1 a circuitului. Se reglează tensiunea generată de sursa E din volt în volt şi se măsoară curentul I. Se calculează rezistenţa echivalentă a circuitului între bornele 1 şi 0, notată R Se vor observa erorile de măsură pentru scala de tensiune, datorate rezistenţei finite a voltmetrului, folosind circuitul de mai jos Rezistoarele R 1 şi R 2 sunt egale şi de valoare mare, de ex. 100kΩ, iar R 3 şi R 4 sunt de valoare mică,100 Ω. Borna 0 este de referinţă şi o alegem ca fiind masa circuitului. Se alimentează circuitul cu 1 V sau 10V tensiune continuă. Se va măsura această tensiune, notată U 10. Cum R 1 =R 2 şi R 3 =R 4, aplicând teorema KII, rezultă că U 12 =U 20 =U 13 =U 30, iar U 23 =0. Se vor măsura cele 5 tensiuni, explicându-se diferenţele faţă de valorile calculate. Concluzii. 6. Se trasează pe hârtie milimetrică sau caiet de matematică graficul rezultat din tabel ( se trasează I(U), adică curentul I pe ordonată şi tensiunea U pe abscisă). 7. Graficul rezultat trebuie să fie o dreaptă. Se calculează panta dreptei între două puncte arbitrar alese ale acesteia dar, suficient de distanţate, cu relaţia tgα = I[A] U[V] 8. Între tg α şi R 10 trebuie să fie următoarea legătură: 1 tg α = R 10 Această egalitate trebuie să fie satisfăcută în limitele unei erori de ±5%, în cazul cel mai defavorabil. Dacă nu se obţine egalitatea în limita erorii precizate, măsurătorile nu au fost corect efectuate. 5