ELEKTRONSKE KOMPONENTE

Transcript

1 ELEKTRONSKE KOMPONENTE Navodila za laboratorijske vaje Andrej Levstek oktober 2001

2

3 ELEKTRONSKE KOMPONENTE Šolsko leto: Skupina : Ime in priimek: Datum: VAJA 1 : LASTNOSTI ELEKTROMAGNETNIH RELEJEV Izmerite naslednje lastnosti navadnega in releja s hermetičnim kontaktnikom (reed rele): a) enosmerne: upornost navitja, napetost vklopa, napetost izklopa, največja dopustna napetost b) dinamične: čas vklopa, čas odskakovanja kontaktov, čas izklopa c) izračunajte in izmerite upor R x, s katerim skrajšamo zakasnitve releja ob izklopu in največjo frekvenco preklopov f max Navadni elektromagnetni rele Elektromagnetni rele ali rele s kotvo je najpogostejši stikalni element za preklapljanje enosmernih in izmeničnih tokokrogov, kjer se zahteva galvanska izolacija. Rele s kotvo deluje Φ na osnovi pomične kotve, ki jo pritegne elektromagnet. Mehanska sila na kotvo je odvisna od magnetnega pretoka v magnetnem krogu, ki ga sestavlja mehkomagnetno jedro zbujevalnega navitja, jarem in pomična kotva. Ko je kotva pritegnjena na magnet, je magnetna upornost bistveno manjša, magnetni fluks pa mnogo večji, kot v mirovnem položaju, ko je med kotvo in Slika 1.1: Prerez releja s kotvo magnetom zračna reža. Posledica tega je histereza, oziroma razlika med izklopnim in vklopnim tokom. Kot podatek pri relejih podajamo tudi vklopno in izklopno napetost, ki je z vzbujevalnim tokom povezana prek ohmske upornosti bakrenega navitja. Pomik kotve se prek izolacijskih dročnikov prenese na preklopni kontakt, ki je v mnogih izvedbah hkrati tudi vzmet. Najpogostejša izvedba takih relejev ima dva izmenična kontakta. Takšni releji so lahko montirani na klasičen način s kontakti, ki jih vstavimo v izvrtane luknje ali pa površinsko na predvidena kontaktna mesta na površini tiskanega vezja. Releji, ki so predvideni za preklapljanje večjih tokov, so ponavadi montirani klasično. S tem zagotovimo dovolj močno mehansko pritrditev na tiskano vezje. Pri miniaturnih relejih je površinska montaža čedalje bolj pogosta. Poleg monostabilnih relejev (brez vzbujanja je v mirovnem položaju) poznamo tudi bistabilne izvedbe. Pri teh drži prožna vzmet kontakte releja v enem ali drugem stabilnem položaju. Preklop izvršimo z impulznim vzbujanjem enega izmed dveh navitij (magnetov). Ko se kotva pomakne čez mrtvo točko, jo vzmet znova potegne v drugi stabilni položaj. Take releje uporabljamo tam, kjer želimo zmanjšati porabo na minimum, saj razen med preklopom ne trošijo električne energije.

4 2/4 Elektronske komponente Vaja 1 Rele s hermetičnim kontaktnikom Pogosto jih imenujemo tudi z angleškim izrazom reed rele (reed = jeziček pri piščali). Hermetični kontaktnik je sestavljen iz steklene cevke v katero sta vstavljena kontakta v obliki jezičkov. Cevka je na obeh koncih hermetično zataljena. Kontaktna jezička sta izdelana iz prožne feromagnetne kovine, ki je ponavadi jeklo. Kontaktna površina je prevlečena s kovino, ki dobro prevaja električni tok in ne oksidira (npr. zlato, srebro). V notranjosti cevke je vakuum ali pa inertni plin (npr. argon). Ko skozi navitje tuljave, v katero je vstavljen kontaktnik, teče enosmerni tok, magnetna sila zlepi jezička. Magnetna sila na deluje telesa iz feromagnetnih materialov tako, da se skuša magnetna upornost znižati, oz. da se dolžine magnetnih silnic skrajšajo. Zaradi majhne mase in majhnega pomika jezičkov je delovanje teh relejev bistveno hitrejše v primerjavi z navadnimi. Hermetične kontaktnike uporabljamo tudi Φ kot stikala, ki jih aktiviramo z magnetnim poljem permanentnega magneta, oziroma kot senzor magnetnega polja. Tipičen primer uporabe je kolesarski merilnik hitrosti. Kontaktnik, ki je pritrjen na vilice, da impulz števcu ob vsakem obratu kolesa, ko se mu približa permanentni magnet, ki je pritrjen na napero (špico). Slika 1.2: Rele s hermetičnim kontaktnikom Opis meritve: a) Z multimetrom izmerite ohmsko upornost navitja R. Napetost vklopa U vk merite s postopnim večanjem +12V napetosti navitja releja. U vk je tista a b najnižja napetost, pri kateri kotva (gibljivi del magneta) sklene magnetni krog in delovni kontakt. Pri releju s hermetičnim kontaktnikom je potrebno stanje kontaktov električno meriti, ker kontaktov ne vidimo. Za preklop releja GND je značilno, da magnetna sila narašča s približevanjem kotve, zato je potrebni vzbujevalni tok sklenjenega releja manjši od toka, ki potreben za premik Slika 1.4: Razpored priključkov na merilnem vezju kotve, ko je le-ta odmaknjena. To se odraža v napetosti histereze U H. Napetost izklopa U iz je za U H nižja od napetosti vklopa U vk. Izmerimo jo z nižanjem napetosti, ko je rele že sklenjen. Največjo dopustno napetost releja U max določimo iz maksimalne dopustne izgubne moči in upornosti navitja: navadni rele P max = 1,5 W reed rele P max = 0,2 W Izračunajte tudi nominalno porabo moči pri nazivni krmilni napetosti U N = 12 V!

5 Vaja 1 Elektronske komponente 3/4 R X +12V u g ( t ) [v] +2,5 1kΩ t u g (t) u BE u CE u K -2,5 Slika 1.3: Meritev dinamičnih karakteristik releja b) Rele povežite v merilno vezje za meritev dinamičnih lastnosti, kot je prikazano na sliki 1.3. S funkcijskim generatorjem krmilimo tranzistor v orientaciji s skupnim emitorjem. En priključek navitja releja je vezan na kolektor drugi pa preko vezne žice na napajanje. S povezavo napajanja na priključek a izberemo rele s kotvo, s povezavo na b pa reed-rele(sl. 1.2). Bazni tok tranzistorja je omejen z upornostjo 1 kω. Izhodno napetost generatorja u g nastavite tako, kot jo kaže graf na sliki 1.3 (U PP = 5 V, U OFSET = 0 V). Za meritev navadnega releja nastavite frekvenco funkcijskega generatorja na 10 Hz, da lahko opazujete zakasnitve releja. Za rele s hermetičnim kontaktnikom, ki je hitrejši, je frekvenca precej višja, okoli 300 Hz. Pozitivna bazna napetost odpre tranzistor in preko navitja releja steče kolektorski tok. Produkt β.i B je večji od maksimalnega možnega toka, ki je določen z upornostjo navitja, zato pride tranzistor v nasičenje (U CE < 0,5 V). Preklopne čase izmerite z osciloskopom, ki ga z vezjem povežete z merilnimi sondami. Kaveljček sonde priključite na kolektor, oziroma na upor, ki je povezan s kontaktom releja. Pri meritvah uporabite naslednje nastavitve osciloskopa: u BE t u CE U CE max u K t od t t vk t iz t Slika 1.5: Preklopni časi releja t vk - čas vklopa - od priklopa napajalne napetost do zanesljivega stika t od - čas odskakovanja kontaktov ob vklopu releja t iz - čas izklopa - od odklopa napajalne napetosti do prekinitve stika

6 4/4 Elektronske komponente Vaja 1 1. Napetost u CE priključite na prvi kanal (1), napetost kontakta na drugi kanal (2) 2. Oba kanala sta nastavljena na enosmerni sklop (DC) 3. Proženje-Trigger: a. Izvor-Source: 1. knanal b. Način-Mode: Normal c. Sklop in nagib proženja- Coupling/Slope: DC,, Referenčni položaj časovne baze nastavite s tipko nad gumbom časovne baze na levo (LFT). Nivo prožilne napetosti nastavite z gumbom level na +6 V. Za meritev vklopnega časa uporabite nagib proženja s programsko tipko pod zaslonom na. S tem prožimo časovno bazo na zadnji bok napetosti u CE, ko postane navitje releja priključeno na napetost U CC. Za meritev odpustnega časa spremenimo nagib proženja. Ne uporabljajte tipke Auto Scale,! Med meritvijo preklopnih časov releja mora biti med sponkama R x na merilnem vezju kratek stik. S tem priključimo vzporedno k navitju releja diodo, ki preprečuje napetostno konico na kolektorju, ki bi jo ob izklopu povzročil induktivni tok navitja. Zaradi zaključitve toka skozi diodo, je upadanje magnetno polja releja upočasnjeno. To pa podaljša tudi čas izklopa. Ta čas lahko skrajšamo, če zaporedno z diodo vežemo upor. Z večanjem upornosti R x se viša tudi napetostna konica U CEmax ob izklopu. Velikost upora lahko izračunamo iz poenostavljene enačbe U U = U + IR = U + R, (1.1) CC CE max CC x CC x RRe kjer smo predpostavili, da je tok navitja releja, po izklopu tranzistorja ne spremeni. Za uporabljeni tranzistor velja U CEmax = 60 V, U CC pa je napajalna napetost. Izračunano upornost R x nastavite na uporovni dekadi in opazujte potek u CE. V (1.1) je zanemarjena kapacitivnost in upornost navitja, zato je izračunani R x nekoliko premajhen. Eksperimentalno določite novo vrednost R x-m, da U CEmax doseže 60 V in izmerite novo vrednost izklopnega časa t iz. Pri meritvi maksimalne napetosti na kolektorju tranzistorja morate uporabiti sondo preklopiti na 10 in nastaviti na ustreznem kanalu uporabljeno vrsto sonde (1:10), sicer ne bo občutljivost kanala prikazana pravilno. Pri opazovanju napetostne konice morate časovno bazo nastaviti na dovolj kratek čas, da zaradi premajhnega števila vzorcev ne zgrešimo maksimalne vrednosti napetosti na kolektorju. Za meritev najmanjšega izklopnega časa morate časovno bazo spet ustrezno spremeniti, da na ekranu zopet opazite izklop kontakta releja. Maksimalno frekvenco releja izmerite tako, da je kontakt zanesljivo sklenjen vsaj toliko, kolikor znaša čas odskakovanja. Rezultati: Tabela rezultatov - statični parametri in dinamični brez R x Parameter R U vk U iz U H U max t vk t iz t od Rele Reed rele Tabela rezultatov - R x in minimalni odpustni čas Parameter R x - izračun R x meritev t iz -min f max Rele Reed rele

7 ELEKTRONSKE KOMPONENTE Šolsko leto: Skupina : Ime in priimek: Datum: VAJA 2 : MERITEV PARAMETROV VAROVALNEGA UPORA Določite izklopno moč P izk, termično upornost R th, linearni temperaturni koeficient upornosti TK R in temperaturno karakteristiko ( C) R(T) varovalnega upora! A U B T V Opis meritve: Za meritev temperaturne karakteristike upora bi potrebovali termostatirano komoro, ki bi zagotavljala ustrezno temperaturo upora in merilnik upornosti. Ker take komore nimamo na voljo, si lahko pomagamo z lastnim gretjem upora, zaradi dovedene električne moči. Temperatura upora je odvisna od temperature okolice, trošene električne moči in termične upornosti. Določena je z enačbo 2 U T Ta RthP Ta RthUI Ta Rth R = + = + = + (2.1) Če želimo upornost izmeriti v enakomernih temperaturnih korakih T, potem moramo tudi električno moč večati v enakomernih korakih P. Ker zveza med napetostjo in močjo na uporu ni linearna, moramo določiti pri katerih napetostih na uporu moramo meriti tok in potem izračunati njegovo upornost. Podano temperaturno področje razdelimo v n = 8 intervalov ( T 20 C). Napetosti posameznih meritev U i v tabeli izračunajte s pomočjo izhodiščne vrednosti termične upornosti merjenega varovalnega upora R th = 22,5 K/W in spodnjih enačb. T = T + i T = T + i PR i = 0 n n= 8 i a a th Tmax T Tmax = Ta + n PRth P= nr 2 i U Pi = i P = Ui = i PR R th a (2.2)

8 2/4 Elektronske komponente Vaja 2 V (2.2) upoštevajte T a = 20 C, T max = 180 C, R pa je upornost pri sobni temperaturi, ki jo izmerite z napetostjo U 0 = 1 V, ki je dovolj majhna, da lahko lastno segrevanje zanemarimo. Izračunane napetosti U i zaokrožite na volt in jih vpišite v podano tabelo. Z napajalnikom nastavljamo izračunane vrednosti napetosti in merimo tok. Pred vsakim odčitkom toka je potrebno nekoliko počakati ( t 1 min), da se tok, in s tem tudi temperatura upora ustali. Upornost in električno moč lahko računamo sproti na podlagi napetosti in izmerjenega toka, temperaturo upora pa šele potem, ko bomo določili dejansko vrednost termične upornosti R th na podlagi izklopne moči. Varovalni upor ima vgrajeno termično varovalko, ki ob preobremenitvi razklene tokokrog. Varovalko sestavlja prožen kontakt, ki je prispajkan na enega od obeh uporovih priključkov. Pri preobremenitvi se upor toliko segreje, da se spajka zmehča in se kontakt razklene. Iz dovedene električne moči tik pred izklopom lahko izračunamo termično upornost R th, saj poznamo temperaturo upora, ki je določena s tališčem spajke T max = 180 C. Pri večini merjenih uporov je ocenjena vrednost termične upornosti nekoliko prevelika, zato pri zadnji meritvi varovalka še ne izklopi. Izklop varovalke dosežete s postopnim dvigom napetosti na uporu. Pri tem naj koraki ne bodo preveliki ( 3 V). Po vsakem povečanju počakajte, da se termične razmere ustalijo. Z izračunano vrednostjo R th sedaj izračunajte še dejanske temperature posamezne meritve (2.1). Po končanih meritvah izračunajte in narišite diagram R(T) Iz diagrama določite tudi linearni temperaturni koeficient upornosti TK R, na temperaturnem intervalu T = 20 C 80 C. TK R R R 1 R = = T R T (2.3) Spremembe upornosti so majhne, zato je treba meriti pazljivo. Merilna metoda zahteva natančno meritev toka, zato ga merimo z multimetrom HP 34401A, napetost pa z drugim voltmetrom npr. HP 3435A neposredno na uporu. Pri meritvi uporabite laboratorijski napajalnik HP E3631A. Uporabite zaporedno vezavo dveh napajalnikov dosegom do 25 V. Z daljšim pritiskom na gumb Track dosežemo, da sta napetosti obeh napajalnikov enaki. Izhodna napetost je tedaj dvakratnik napetosti, ki jo kaže voltmeter na samem napajalniku. Napetost nastavljate tako, da voltmeter kaže želeno napetost. Voltmeter v napajalniku ni dovolj točen in ne upošteva padcev napetosti v priključnih žicah. Pri zadnjih meritvah, ki zahtevajo napetosti nad 50 V, morate zaporedno vezati še tretji neodvisni izvor napajalnika HP E3631A. Če v grafu R(T) opazite večje nezveznosti, morate meritev v ekstremnih točkah ponoviti, zato je koristno, da sproti računate vrednost upornosti. V primeru, da je dobljena vrednost točna, izmerite še upornost pri temperaturah, ki se razlikujeta za polovico temperaturnega intervala. V večini primerov se izkaže, da nenadnim skokom, konicam in drugim nezveznostim, botrujejo prehitro odčitavanje toka, sprememba merilnega območja instrumenta ali pa močnejše odvajanje toplote zaradi zračnega toka. Laboratorijski napajalniki so hlajeni z ventilatorjem, zato upora med meritvijo ne postavljajte v tok hladilnega zraka, ki izhaja iz rež na stranicah. Izmerjena temperaturna odvisnost upornosti ni popolnoma zanesljiva zaradi posrednega nastavljanja temperature, vendar v zadostni meri odraža njen značaj. Zaradi relativno velikega temperaturnega intervala je odvisnost precej nelinearna. Svoje dodaja tudi upornost spajkanega kontakta termične varovalke, posebno pri višjih temperaturah blizu izklopa.

9 Vaja 2 Elektronske komponente 3/4 Rezultati: i U i [V] I[mA] P [W] R [Ω] T [ C] R(T) [Ω] Temperaturna odvisnost upornosti varovalnega upora T [ C] R th P izk TK R

10 4/4 Elektronske komponente Vaja 2

11 ELEKTRONSKE KOMPONENTE Šolsko leto: Skupina : Ime in priimek: Datum: VAJA 3 : KARAKTERISTIKA NTC TERMISTORJEV Določite temperaturno odvisnost upornosti NTC termistorja R(T ) in jo narišite za območje od 20 C 100 C. Na osnovi izmerjenih vrednosti R 20 in R 80 določite konstanti termistorja A in B in temperaturni koeficient TK R pri 20 C in 80 C. 220Ω A NTC V 10V BZX5V6 Opis meritve: Upornost in temperaturo merimo posredno z meritvijo toka in napetosti. Temperaturo termistorja izračunamo iz moči, ki se na njem troši in znane termične upornosti R th, ki znaša za merjeni termistor 100 C/W. Termistor je napajan s tokovim generatorjem, ki je realiziran z NPN tranzistorjem. Izhodna sponka generatorja je kolektor. Kolektorski tok je skoraj enak emitorskemu, ta pa je določen z emitorskim uporom. Tok nastavljamo z uporovno dekado, ki je vezana kot spremenljiv emitorski upor, na zahtevane vrednosti podane v tabeli. Po vsaki spremembi toka počakajte, da se temperatura ustali, nakar odčitajte napetost termistorja. Pazite, da ne povzročate nepotrebnega kroženja zraka okoli termistorja, ki lahko hitro vpliva na merilni rezultat. Temperaturna odvisnost termistorja je podana z enačbo: B RT ( ) = Ae T (3.1) Na podlagi rezultatov meritve pri 20 C, oz. sobni temperaturi, in pri 80 C, oz. tej temperaturi najbližji meritvi izračunajte konstanti A in B ter temperaturni koeficient TK R za omenjeni temperaturi. TK R je definiran z izrazom: 1 dr( T ) TK = R RT ( ) dt (3.2)

12 2/2 Elektronske komponente Vaja 3 V enačbo (3.2) vstavite izraz za R ( T ) iz (1) in izračunajte odvisnost temperaturnega koeficienta izraženega s konstantama A in B. Upoštevajte, da je T v gornjih dveh enačbah absolutna temperatura merjena v K! Rezultati: I [ma] U [V] P [mw] R [ Ω ] T [ C] 0, R(T) [Ω] T [ C] A T 20 C 80 C B TK R

13 ELEKTRONSKE KOMPONENTE Šolsko leto: Skupina : Ime in priimek: Datum: VAJA 4 : KARAKTERISTIKA VARISTORJA Za ZnO diskasti varistor izmerite in izračunajte: a) nazivno napetost U N pri I N = 1 ma (za obe polariteti) b) U N med absolutnima vrednostima U N pri nasprotnih polaritetah c) diferencialno upornost r v podanih točkah d) indeks nelinearnosti α (za obe polariteti) e) maksimalno dopustno napetost U C impulza dolžine t = 20 µs A U V 100 Ω Slika 4.1: Shema meritve statične karakteristike varistorja Opis meritve: Varistor je nelinearen rezistiven element s karakteristiko, ki je podobna zaporedni vezavi dveh nasprotno usmerjenih zenerjevih diod. Uporabljamo ga kot zaščitni element in kot stabilizator napetosti. Ker za meritev U(I) karakteristike varistorja rabimo napetosti do 50 V, moramo vezati zaporedno oba 25-voltna napajalnika (HP E3631A) tako, da uporabimo plus in minus sponki. Sočasno spreminjanje obeh napetosti, dosežemo z vklopom sledenja, kar dosežemo z dovolj dolgim (> 1 s) pritiskom tipke Track. Napetost na varistorju merimo z digitalnim voltmetrom pri vrednostih toka, ki so podane v merilni tabeli. Tok varistorja merimo z zaporedno vezanim ampermetrom. Odvisnost toka od napetosti varistorja opisujemo z enačbo: I = ku α, (4.1) kjer sta I in U absolutni vrednosti. Enačba (4.1) vsebuje snovno-geometrijski parameter k, ki nima tehničnega pomena, saj se kot parameter v katalogih podaja predvsem nazivna napetost U N izmerjena pri nazivnem toku I N = 1mA. I N = ku α (4.2) Z deljenjem (4.1) z (4.2) izločimo parameter k in izrazimo tok v tehnično bolj primerni obliki. N

14 2/4 Elektronske komponente Vaja 4 I α U = I N U N Iz izmerjene napetosti pri nazivnem in desetkratnem nazivnem toku (1 ma in 10 ma) in enačbe (4.3) izračunamo indeks nelinearnosti α. α U U 1 10IN = I N l log U = α α = N UN U log U Z odvajanjem (4.1) dobimo diferencialno prevodnost g, ki je tudi obratna vrednost upornosti r. 1 di α 1 α α I = g = = ku α = ku = α (4.5) r du U U Z namenom, da preverimo ujemanje analitične odvisnosti z izmerjeno, narišemo v graf preračunane vrednosti meritev. Iz (4.3) namreč sledi 1 I U I α = (4.6) N UN V podani graf vrišite preračunane vrednosti za obe polariteti. Merjeni varistor lahko v impulzu absorbira energijo 0,7 J. Iz tega podatka lahko določite maksimalno trenutno moč v časovnem intervalu t = 12 µs, nato pa z izmerjenim indeksom nelinearnosti α izračunate maksimalno impulzno napetost U C. Moč varistorja je dana z izrazom: N (4.3) (4.4) in od tod α α α+ 1 U U U U P = IU = IN U = UNIN = UNIN UN UN UN UN 1 PC α + 1 UC = U N U N I N (4.7) (4.8) Pri tem izračunu je upoštevana standardna oblika toka prikazana na sliki 4.2. V poenostavljenem izračunu nadomestite krivuljo toka z ravnim tokovnim impulzom v trajanju 12 µs. Z odvajanjem izraza za tok varistorja (4.1) po napetosti dobimo diferencialno prevodnost. V merilni tabeli zahtevana diferencialna upornost r je njena inverzna vrednost. I [%] µs 20 µs t Slika 4.2: Impuzna obremenitev varistorja I max

15 Vaja 4 Elektronske komponente 3/4 Rezultati: polariteta + I U [V] r [Ω] U [V] r [Ω] 5 µa 10 µa 50 µa 100 µa 0,5 ma 1 ma 5 ma 10 ma Polariteta + - U N α Razlika nazivnih napetosti Maksimalna impulzna napetost U N U c 10 1 I[mA] U[V]

16 4/4 Elektronske komponente Vaja 4

17 u 1 u 1 e -1 ELEKTRONSKE KOMPONENTE Šolsko leto: Skupina : Ime in priimek: Datum: VAJA 5 : MERITEV KAPACITIVNOSTI KONDENZATORJA Kapacitivnost kondenzatorja izmerite na tri načine: a) z meritvijo impedance pri frekvenci 1 khz b) z meritvijo časovne konstante praznjenja preko znane upornosti, c) z univerzalnim merilnim mostičem. Opis meritve: a) Na funkcijskem generatorju nastavite sinusni signal efektivno napetostjo 1 V in frekvenco 1 khz. Z instrumentoma izmerite napetost in tok kondenzatorja. Za meritev toka na sl. 5.1 uporabite starejši, za napetost pa novejši univerzalni instrument. Na osnovi izmerjene reaktance in znane frekvence izračunajte neznano kapacitivnost. u g (t) ~ A C X u C Slika 5.1: Meritev s sinusno napetostjo u g ( t ) [v] t u c ( t ) u c (0) = U m - U k τ = RC Slika 5.2: Napetost u g in u c t b) Kapacitivnost merimo z meritvijo časovne konstante praznjenja kondenzatorja prek znane upornosti. Kondenzator nabijemo prek diode s funkcijskim generatorjem na pozitivno napetost 3 V. Vezje je prikazano na sliki 5.3. Generator nastavite na pravokotne impulze 8 V pp s frekvenco 100 Hz, ki jo po potrebi prilagodite vrednosti C X tako, da bo napetost na kondenzatorju

18 2/3 Elektronske komponente Vaja 5 približno taka, kot je na sliki 5.2. Ko postane napetost na generatorju negativna, se dioda zapre in kondenzator se prazni prek znane upornosti 1 kω. Z osciloskopom izmerite časovno konstanto eksponentnega upadanja napetosti u C ( t ). Zaradi lastnosti eksponentne funkcije je popolnoma vseeno v katerem času merimo. Osciloskop nastavite tako, da boste na zaslonu dobili potek, kot ga kaže slika 5.3 (1. kanal, DC, Proženje-Trigger: Source:1.kanal, Način-Mode: Normal, Nagib- Slope: ) Časovno konstanto izmerite kot čas, v katerem upade napetost na zaslonu osciloskopa z 8 raz. na 8/e raz. Potek u c (t) opazujte čim bolj natančno. Pred meritvijo nastavite položaj referenčnega nivoja (GND) na dno zaslona (slika 5.3). Proženje osciloskopa (gumb Level) nastavite na napetost, ki ustreza približno sedmim razdelkom. Z nastavitvijo časovne baze raztegnite sliko in odčitajte ustrezni čas. Vrednost kapacitivnosti primerjajte z rezultatom prve metode. Za večjo natančnost izmerite tudi pravo vrednost praznilne upornosti in jo upoštevajte v izračunu. 8 raz u g (t) C X u C 1 kω 3 raz Slika 5.3: Vezje in slika na osciloskopu za meritev časovne konstante τ GND c) Z univerzalnim mostičem izmerite kapacitivnost in izgubni faktor kondenzatorja! Merilni mostič je potrebno nastaviti za merjenje kapacitivnosti z majhnim izgubnim faktorjem tgδ (LOW D). Kot izhodišče za iskanje ravnotežja upoštevajte rezultate prejšnjih meritev. Merjenje z mostičem temelji na iskanju ravnotežja, kar pomeni, da mora biti indikatorski signal čim manjši. Občutljivost, oziroma nivo signala, naj bo najprej majhen, da lahko opazimo povečanje, oziroma zmanjšanje, odklona indikatorja in s tem premikanje v pravo smer. Ko smo blizu prave nastavitve, povečamo nivo oscilatorja, in s tem tudi zanesljivost meritve. Na koncu iščemo ničlo indikatorja še z nastavljanjem izgubnega kota. Končni vrednosti določimo s postopnim popravljanjem vrednosti kapacitivnosti in izgubnega faktorja. Izračunajte tudi relativni napaki meritev pod a) in b) glede na meritev c), ki je najbolj točna. Rezultati: Zunanji izgled kondenzatorja Meritev C tgδ a) f = 1 khz U I Z b) impulz τ R c) merilni mostič C a /C C b /C

19 ELEKTRONSKE KOMPONENTE Šolsko leto: Skupina : Ime in priimek: Datum: VAJA 6 : LASTNOSTI ELEKTROLITISKEGA KONDENZATORJA Izmerite serijsko upornost R S in izgubni faktor tgδ elektrolitskega kondenzatorja. 27Ω 27Ω u g (t) C u C u g (t) R S C u C Slika 6.1 : Merilno vezje za meritev upornosti R S in njegov nadomestni model Opis meritve: Serijsko upornost kondenzatorja merimo posredno z meritvijo napetostnih skokov na kondenzatorju ob hitri spremembi toka kondenzatorja. Generator nastavite na pravokotno napetost s frekvenco 1 khz. Amplitudo na generatorju nastavite na 15 V PP z enosmerno prednapetostjo +2 V (offset voltage). Pri priključenem kondenzatorju (slika 6.1) izmerite vršno napetost na izhodu generatorja, ki se zaradi notranje upornosti (50 Ω) razlikuje od nastavljene vrednosti. Nastavitve osciloskopa in sond so podane na sliki 6.2. Ker ima napetost tudi enosmerno komponento, morate uporabiti izmenični (AC) sklop. Iz nadomestnega vezja (slika 6.1) je razvidno, da se napetost na notranjem kondenzatorju ne more v trenutku spremeniti, zato je napetostni skok na priključkih kondenzatorja posledica serijske upornosti R s (slika 6.2). u g (t) u c (t) U m u t t CH 1 AC BW Lim: OFF 1:1 CH 2 AC BW Lim: ON 1:1 Slika 6.2: Meritev serijske upornosti elektrolitskega kondenzatorja in nastavitve osciloskopa V trenutku, ko se spremeni napetost na generatorju velja : u U m U m u = R R R R R U R S = S + S m Ob skoku napetosti na kondenzatorju opazimo tudi ozko napetostno konico, ki se naglo izniha. Ta konica nastane zaradi serijske induktivnosti elektrolitskega kondenzatorja. Proženje osciloskopa nastavite na napetost u g (CH 1).

20 2/2 Elektronske komponente Vaja 6 b) Izgubni faktor tgδ pri frekvencah 100 Hz, 500 Hz in 1 khz določite iz faznega premika med trenutnim tokom in napetostjo. Tok opazujemo preko napetosti generatorja, saj je napetost na kondenzatorju majhna v primerjavi z u g (t), ker je Z c R. Za to meritev nastavite generator na sinusno napetost, z amplitudo 8 V(16 V PP ) in prednapetostjo +2 V (offset voltage). Nastavitve osciloskopa in sond so enake kot pri meritvi serijske upornosti. Izgubni kot δ določite iz faznega kota med maksimalnim tokom I(t) in prehodom napetosti u c (t) skozi ničlo. Sliko po času raztegnite, da lahko zanesljivo izmerite časovni premik prehoda skozi ničlo. Trenutek maksimuma toka (napetosti u g (t) CH1)določite, kot točko na sredi med dvema prehodoma skozi ničlo. Z gumbom za nastavitev nivoja proženja izenačite napetost generatorja na levem in desnem robu zaslona, kot je prikazano na sliki 6.3. Tedaj je tok i C maksimalen na sredini zaslona. Iz časovnega premika t izračunate izgubni kot : δ = t ω. i C 27Ω u C 0 ωt u g (t) ~ C u C 2π δ ωt Im ^ R S I C Re ^ I C CH 1 - u g =R i C CH 2 - u C GND1,2 ^ I C jωc δ ^ U C t Slika 6.3: Meritev izgubnega kota δ Rezultati: R s f [Hz] δ tgδ

21 ELEKTRONSKE KOMPONENTE Šolsko leto: Skupina : Ime in priimek: Datum: VAJA 7 : MERITEV INDUKTIVNOSTI IN KVALITETE TULJAVE Z ŽELEZNIM JEDROM Tuljavi z železnim jedrom določite sledeče parametre: a) induktivnost L in kvaliteto Q tuljave z meritvijo absolutne vrednosti impedance Z L in izgubnega kota δ pri vzbujanju s sinusno napetostjo b) z merjenjem toka i L (t) pri stopničnih spremembah napetosti u L (t) c) z univerzalnim mostičem. Za meritvi pod a) in b) izračunajte tudi relativni napaki za izmerjeni induktivnosti glede na meritev z merilnim mostičem. u L - CH 1 i L -CH 2 u g (t) ~ i L A L u L u g (t) ~ L 10Ω a) b) Slika 7.1: a)meritev absolutne vrednosti impedance; b) Izgubnega kota δ Opis meritve: a) Z univerzalnim instrumentom (multimeter) pomerite upornost bakrenega navitja tuljave. To vrednost uporabite za primerjavo z vrednostmi, ki jih izračunate na podlagi meritev izgubnega kota δ. Z meritvijo efektivnega toka in napetosti izmerite absolutno vrednost impedance Z L pri frekvencah 50, 200 in 1000 Hz (slika 7.1a). Na funkcijskem generatorju nastavite sinusni signal U ef = 5 V in izklopite enosmerni pomik (U off = 0). Pri računanju Z L morate upoštevati, da ampermeter kaže efektivno vrednost sinusnega toka. Iz izmerjenih podatkov izračunajte induktivnost tuljave pri vsaki od zahtevanih frekvenc. Za meritev izgubnega kota δ povečajte napetost generatorja na 20 V pp in uporabite vezje, ki ga kaže slika 7.1b. Upor, s katerim merimo fazo toka i L, ima vrednost 10 Ω, zato je ta upornost zanemarljiva v primerjavi z lastno upornostjo navitja R Cu in Z L. Na sliki 7.2 sta prikazana kazalčni diagram, časovni potek in slika signalov, kot jo vidimo na zaslonu osciloskopa. Za oba kanala uporabite izmenični sklop (AC). Pri vsaki od zahtevanih frekvenc nastavite sliko tako, da lahko izmerite zakasnitev t med prehodom toka skozi nič in maksimumom napetosti. Ker je maksimum sinusne napetosti neizrazit, določimo ta trenutek s pomočjo središča med dvema prehodoma skozi ničlo. Če zaradi velike raztegnitve časovne skale prehodov napetosti u L skozi ničlo ne vidimo, potem s horizontalnim pomikom izenačimo napetost na levem in desnem robu

22 2/4 Elektronske komponente Vaja 7 zaslona; tedaj je maksimum napetosti u L na sredi zaslona (slika 7.2). Iz te zakasnitve lahko izračunate kot δ, kvaliteto Q in serijsko upornost R S nadomestnega vezja. Dobljene vrednosti za serijsko upornost primerjajte z R Cu. Upornost R S se z naraščajočo frekvenco veča, ker rastejo izgube v železnem jedru. t δ t R 1 = δ = 2π in tgδ = S Q = (7.1) T 2π T ωl tgδ U Z L cosδ L ZL = RS = ZL sinδ in L= (7.2) I ω L V primeru, da je izmerjeni izgubni kot majhen (δ je v radianih), lahko uporabimo sledečo poenostavitev 1 δ 1 tgδ δ Q= in RS = ωlδ = ZL δ (7.3) δ u L Im jω LI ˆL δ U ˆ L 0 ωt 2π i L RI ˆ S L I ˆL Re δ ωt CH 1 - u L CH 2 - R m i L GND1,2 t Slika 7.2: Kazalčni diagram, časovni potek in slika na osciloskopu za meritev izgubnega kota b) Na tuljavo priključite pravokotne simetrične napetostne impulze s frekvenco 50, 200 in 1000 Hz in amplitudo 10 V (20 V PP, slika 7.3). Tok skozi tuljavo merimo prek napetosti na uporu R m =10 Ω, ki je zaporedno vezan s tuljavo. Napetost tuljave u L je praktično enaka generatorjevi, saj je napetost na merilnem uporu majhna, ker velja R Z L. Pri konstantni napetosti na tuljavi tok i L s časom linearno raste, oziroma pada, odvisno od predznaka napetosti: dil il ul() t = L in za ul = konst UL = L (7.4) dt t Napetost U L v gornji enačbi je trenutna vrednost napetosti na tuljavi, torej 10 V, oziroma -10 V. Spremembo i preračunate iz izmerjene napetosti na uporu vrednosti R m.

23 Vaja 7 Elektronske komponente 3/4 u L u L i L 10V u g (t) L R m 0-10V t i L i L t Slika 7.3: Pravokotni napetostni impulzi na tuljavi c) Z univerzalnim mostičem izmerite induktivnost L in kvaliteto Q pri frekvenci 1 khz. Na mostiču nastavite vrednost dobljeno z meritvami pod a) in b). Notranji oscilator mostiča ima frekvenco 1 khz, zato dobljeni rezultati veljajo za to frekvenco. Z nastavljanjem vrednosti in kvalitete manjšajte odklon indikatorja. V primeru, da indikator kaže polni odklon in se ne odziva na spremembe drugih nastavitev, je potrebno zmanjšati napetost oscilatorja ( OSC LEVEL ). Rezultati: Ohmska upornost navitja R Cu = a) Meritev s sinusnim signalom f [Hz] L [H] δ R s [Ω] L/L Q b) Meritev odziva na pravokotne impulze f [Hz] L [H] dl/l c) Meritev z univerzalnim mostičem f = 1 khz L = Q =

24 4/4 Elektronske komponente Vaja 7

25 ELEKTRONSKE KOMPONENTE Šolsko leto: Skupina : Ime in priimek: Datum: VAJA 8 : LASTNOSTI FERITNEGA LONČKA Za tuljavo s feritnim lončkom določite: a) faktor induktivnosti A L in kvaliteto izdelane tuljave z meritvijo resonance nihajnega kroga. b) vrednosti enosmernega toka tuljave I L pri katerem je L(I L ) enaka 90%, 50% in 10% induktivnosti L 0. Določite tudi magnetno poljsko jakost H pri teh tokovih. 330 kω u g (t) ~ 3400pF u k L Slika 8.1: Vezje za resonančno meritev induktivnosti Opis meritve: a) Feritni lonček FL na merilni ploščici ima na tuljavniku 150 ovojev bakrene žice. Ta lonček nima zračne reže, zato je občutljiv na enosmerne tokove, ki znižujejo efektivno induktivnost tuljave. Kondenzator in tuljavo morate povezati z vezno žico, ker na merilni ploščici nista spojena, da lahko pomerimo induktivnost lončka tudi z merilnim mostičem. Na merilni ploščici se poleg nihajnega kroga nahaja tudi tokov generator, s katerim nastavljamo enosmerni magnetilni tok skozi tuljavo. Celotna merilna shema vključno s tokovnim generatorjem je prikazana na sliki 8.4. Pri merjenju induktivnosti brez enosmernega predtoka, tega generatorja ne uporabljamo. Resonančno frekvenco lahko odčitamo z generatorja, ko je nihajni krog resonanci. Resonanco lahko najbolj zanesljivo ugotovimo, ko sta napetosti na krogu in generatorju v fazi. Oba kanala osciloskopa nastavimo na izmenični sklop AC, referenčna nivoja GND pa nastavimo na sredino zaslona osciloskopa. V resonanci ni faznega zamika med napetostjo u g in u k, zato morata sovpadati prehoda obeh napetosti čez referenčno nivo (0 V). Že pri manjših odstopanjih od resonančne frekvence lahko opazimo fazni zamik napetosti na krogu u k glede na napetost generatorja u g. Za proženje časovne baze osciloskopa uporabite napetost generatorja u g, ki je priključena na prvi kanal. Z drugim kanalom opazujte napetost na krogu u k (slika 8.1). Nastavitve osciloskopa in merilnih sond Signal Kanal Sklop Sonda Izvor-Source 1. kanal - u g u g 1 AC 1:10 Proženje Trigger Način-Mode auto u k 2 AC 1:10 Naklon-Slope

26 2/4 Elektronske komponente Vaja 8 V resonanci postane impedanca kroga realna zato, ni nobene fazne razlike med napetostjo generatorja in nihajnega kroga. Kvaliteta tuljave je dovolj visoka, da lahko pri izračunu induktivnosti zanemarite vpliv serijskih izgub na resonančno frekvenco f 0. Induktivnost izračunate iz znanega izraza za resonanco nihajnega kroga: ω = (2 π f) = L= (8.1) 2 LC LC C(2 π f) V gornji enačbi je f frekvenca signala v resonanci. Faktor induktivnosti za dani feritni lonček izračunamo iz izmerjene induktivnosti in števila ovojev. 2 L = ALn (8.2) Iz meritve maksimalne napetosti nihajnega kroga v resonanci določimo tudi kvaliteto tuljave oziroma serijsko upornost R S v nadomestnem vezju. Na sliki 8.2 sta narisani ekvivalentni nadomestni vezji tuljave z izgubami. V paralelnem nihajnem krogu raje uporabljamo za tuljavo model s paralelno upornostjo R P, ki se sicer uporablja za tuljave z visokimi izgubami. Za eno frekvenco lahko vedno poiščemo ekvivalentno serijsko upornost R S, s katero natančneje modeliramo feritno tuljavo na širšem frekvenčnem področju. jωlî L ^ U L Î L Î L L R S ^ U L L' R P ^ U L R P R S Î L Î L Slika 8.2: Kazalčni diagram pretvorbe serijskih izgub v paralelne ^ U L jωl' Pretvorba temelji na ekvivalenci impedanc pri določeni frekvenci. Uporabljena je tudi poenostavitev, ki velja za dovolj visoke kvalitete RS + jωl = + RS ωl L L RP jω L R S ( ωl ) ωl RP = QL = = R R ωl P Slika 8.3 kaže nadomestno vezje, ki velja v resonanci. V merilnem nihajnem krogu je uporabljen zelo kvaliteten kondenzator (ISKRA KSP- polistiren, tgδ < ), zato je celotna paralelna ohmska upornost nihajnega kroga R k enaka vzporedni vezavi ekvivalentne izgubne upornosti tuljave R P in vhodne upornosti osciloskopa R vh = 10 MΩ. V resonanci sta reaktanci X L in X C po absolutni vrednosti enaki. Frekvenco generatorja nastavite tako, da sta ˆ g U in ˆk U v fazi (prehod čez ničlo). Nato nastavite še amplitudo generatorja, da je vršna napetost na nihajnem krogu U k pp = 1 V (CH 2). Tedaj odčitajte z osciloskopom tudi vršno napetost generatorja U g pp (CH 1). Iz napetosti U g pp in U k pp najprej izračunamo R k, nato R P in dalje kvaliteto Q P ter R S. S (8.3)

27 Vaja 8 Elektronske komponente 3/4 R R u g (t) ~ C L R p u k R vh f = f 0 u g (t) ~ R k u k Slika 8.3: Nadomestno vezje paralelnega nihajnega kroga v resonanci R k Ukpp = R = U U R R R gpp kpp P k vh Iz dobljenih rezultatov izračunate R p. Rezultate preverite tudi z meritvijo z merilnim mostičem. (8.4) 330 kω 82 Ω u g (t) ~ 3400pF L 1 kω 10 V 680 Ω Slika 8.4: Vezje za meritev induktivnosti v odvisnosti od enosmernega predtoka b) Feritni lonček brez reže je zelo občutljiv za enosmerni magnetilni tok, ki premakne delovno točko feritnega materiala iz ničelne točke na magnetilni krivulji B(H), kar povzroči zmanjšanje diferencialne permeabilnosti µ (glej sliko 8.5). Pri meritvah induktivnosti z majhnimi signali se spreminjanje µ odraža kot spreminjanje induktivnosti v odvisnosti od enosmernega magnetilnega toka. Tok skozi tuljavo s pošiljamo s tokovnim generatorjem, ki je sestavljen iz pnp tranzistorja, emitorskega upora in napetostnega delilnika. S potenciometrom v delilniku nastavljamo napetost na bazi tranzistorja, in s tem emitorski in kolektorski tok. Zaradi visoke notranje upornosti tokovnega generatorja je sprememba kvalitete paralelnega nihajnega kroga zanemarljiva. B α H tgα = µ Slika 8.5: Magnetilna krivulja mehkomagnetnega materiala - ferita

28 4/4 Elektronske komponente Vaja 8 Za zahtevane relativne vrednosti induktivnosti izračunajte nove resonančne frekvence. Na generatorju nastavite novo frekvenco, nato pa večajte s potenciometrom tok tokovega generatorja, dokler ne dosežete resonance nihajnega kroga. Tok merite z ampermetrom. Magnetno poljsko jakost v feritu izračunate z upoštevanjem efektivne dolžine magnetne silnice v feritu, ki jo za uporabljeni feritni lonček podaja proizvajalec: l e = 26mm. Rezultati: a) Induktivnost in kvaliteta f 0 U g pp R k R P R S Resonanca Merilni mostič L A L Q b) Odvisnost induktivnosti od enosmernega magnetilnega toka L [mh] f 0 [Hz] I L [ma] H [A/m] 0,9L 0,5L 0,1L