Εργαστήριο Κυκλωµάτων και Μετρήσεων

ΗΜΥ203 Εργαστήριο Κυκλωµάτων και Μετρήσεων Εισαγωγή στο Εργαστήριο (Εργαστηριακός Εξοπλισμός, Διαιρέτης Τάσης και Ρεύματος) ιδάσκων: ρ. Γιώργος Ζάγγουλος Πανεπιστήµιο Κύπρου Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών

Ατζέντα 1. Συζήτηση συμβολαίου 2. Εισαγωγή στον Εργαστηριακό Εξοπλισμό 3. Μονάδες Μέτρησης και Τάξη Μεγέθους 4. Ηλεκτρικά στοιχεία R, Lκαι C 5. Εργαστήριο 1 6. Εργαστήριο 2 Σεπτέµβριος 14 Εργαστήριο Κυκλωµάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 2

1. Συζήτηση συμβολαίου Ώρες Διαλέξεων: Τετάρτη, 09:00-10:30, ΜΑΜ 10174, (ΧΩΔ01 108) Ώρες Εργαστηρίων: Τετάρτη, 13:30-17:00, ΜΑΜ 12950 (ΛΑ 132) ή Τετάρτη, 17:00-20:30, ΜΑΜ 10422, (ΛΑ 132) ή Πέμπτη, 16:30-20:00, ΜΑΜ 10423, (ΛΑ 132) ή Παρασκευή, 13:30-17:00, ΜΑΜ 10679, (ΛΑ 132) Διδάσκων: Δρ. Γεώργιος Ζάγγουλος Ώρες Γραφείου: Με ραντεβού (καθημερινά) Email: zaggoulos.george@ucy.ac.cy, Τηλ. Εργαστηρίου ΛΑ132 :22892219 Τηλεσυναντήσεις: ece_labs_ucy (skype) Youtube tutorials: ece labs ucy Βοηθοί Μαθήματος: Γιάννης Τζωρτζής Λουίζα Σοφοκλέους Νικόλας Μανιταράς itzort01@ucy.ac.cy (Διδακτορικός Φοιτητής) lsofok01@ucy.ac.cy(διδακτορική Φοιτήτρια) nmanit01@ucy.ac.cy(διδακτορικός Φοιτητής) Σεπτέµβριος 14 Εργαστήριο Κυκλωµάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 3

Στόχοι ΗΜΥ203 Το ΗΜΥ203 έχει ως κύριο στόχο την εμπέδωση της ύλης που έχει διδαχθεί στο μάθημα ΗΜΥ102 του 2ου εξαμήνου. Για την επίτευξή του πιο πάνω στόχου, τα θεωρήματα και οι μέθοδοι που διδάχθηκαν στο ΗΜΥ102 μπαίνουν σε εφαρμογή στο ΗΜΥ 203 μέσω 10 εργαστηριακών εργασιών. Επιπλέον, στόχοι του μαθήματος είναι οι φοιτητές να: Εξοικειωθούν με τη χρήση των βασικών οργάνων του εργαστηρίου, όπως ο παλμογράφος, το πολύμετρο και η γεννήτρια συναρτήσεων. Να εμπεδώσουν τον τρόπο μετρήσεως σημάτων σε ένα κύκλωμα και την εφαρμογή των βασικών θεωρημάτων, όπως π.χ. νόμοι του Kirchoff, θεώρημα Thevenin, θεώρημα της επαλληλίας κλπ. Να γνωρίσουν στην πράξη τις πηγές σφαλμάτων σε μετρήσεις και να κατανοήσουν τη διαφορά μεταξύ θεωρητικών και πειραματικών τιμών. Να εφαρμόσουν τη θεωρία των εναλλασσόμενων κυκλωμάτων σε πρακτικά κυκλώματα. Να εξοικειωθούν με το λογισμικό PSPICEτο οποίο υποστηρίζει τον σχεδιασμό και προσομοίωση κυκλωμάτων σε ηλεκτρονικό υπολογιστή. Σεπτέµβριος 14 Εργαστήριο Κυκλωµάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 4

Περιεχόμενο Μαθήματος Τα δέκα εργαστηριακά πειράματα περιλαμβάνουν βασικά κυκλώματα (κυρίως με στοιχεία R, L και C) και μετρήσεις με τη χρήση των βασικών οργάνων (κυρίως ψηφιακό πολύμετροκαι παλμογράφο). Επιπρόσθετα στο μάθημα δίνεται ιδιαίτερη σημασία στην κατανόηση του τρόπου μετρήσεως σημάτων σε ένα κύκλωμα (με πηγές DC και AC), κατανόηση των πηγών σφαλμάτων σε μετρήσεις και της διαφοράς μεταξύ θεωρητικών και πειραματικών τιμών και εφαρμογή των βασικών θεωρημάτων για ηλεκτρικά κυκλώματα (που διδαχθήκατε στο ΗΜΥ102). Η εξοικείωση σας με το λογισμικό PSPICEαποτελεί ένα από τους στόχους αυτού του μαθήματος. Το πρόγραμμα αυτό θα χρησιμοποιηθεί για να εξοικειωθείτε με το σχεδιασμό και προσομοίωση διαφόρων ηλεκτρικών κυκλωμάτων που θα υλοποιήσετε μέσα από τις 10 εργαστηριακές ασκήσεις (πειράματα). Σεπτέµβριος 14 Εργαστήριο Κυκλωµάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 5

Χρονοδιάγραμμα Εβδοµάδα & Ηµεροµηνία 1 08-12/09/14 2 15-19/09/14 3 22-26/09/14 4 29/09-3/10/14 5 06-10/10/14 6 13-17/10/14 ιαλέξεις, Εργαστηριακές Ασκήσεις και Υποχρεώσεις ανά Εβδοµάδα 1: Παρουσίαση Συµβολαίου ΗΜΥ203 και Εργαστηρίων [1-2] και ηµιουργία Οµάδων Ε1: Εξοικείωση µε τον Εργαστηριακό Εξοπλισµό 2: Παρουσίαση Εργαστηριακής Άσκησης [3] Ε2: Εισαγωγή στις Μετρήσεις Σηµάτων και Επίδραση Οργάνου στις Μετρήσεις 3: Παρουσίαση Εργαστηριακής Άσκησης [4] Ε3: Ορθότητα, Ακρίβεια και σωστός αριθµός δεκαδικών ψηφίων 4: Παρουσίαση Εργαστηριακής Άσκησης [5] Ε4: Νόµος του Ohm, Κυκλώµατα σε Σειρά και Παράλληλα 5: Παρουσίαση Εργαστηριακής Άσκησης [6] Ε5: ιαίρεση τάσης και ρεύµατος, Κανόνες Kirchhoff -:ΘεωρητικήΕξέταση (Εργ. 1-5) Ε6: Γραµµικότητα, Αναλογικότητα και Επαλληλία Σεπτέµβριος 14 Εργαστήριο Κυκλωµάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 6

Αξιολόγηση Κατασκευή (δικής σας επιλογής) 10% + µπόνους Γραπτή (θεωρητική) Εξέταση (Εργ. 1-5) 20% Πειραµατική Εξέταση (Εργ. 1-8) 20% Τελική Εξέταση (Εργ. 1-10) 50% (θεωρητική και πειραµατική) Εργασίες Βελτίωσης Βαθµού * Παρουσίαση Κατασκευής (µε ppt / video) 10% ή Δηµιουργία εκπαιδευτικού βίντεο (5-12 λεπτά) 10% Σεπτέµβριος 14 Εργαστήριο Κυκλωµάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 7

Προϋποθέσεις επιτυχίας στο μάθημα Απαραίτητες προϋποθέσεις επιτυχίας στο μάθημα είναι: η ολοκλήρωση όλων των εργαστηριακών ασκήσεων και του τελικού πρότζεκτ και η εξασφάλιση συνολικού βαθμού >= 50% χωρίς να υπολογίζεται ο βαθμός από οποιαδήποτε εργασία βελτίωσης βαθμού. *Οι αντίστοιχες μονάδες από την εργασία βελτίωσης βαθμού θα δίνονται ΜΟΝΟ σε φοιτητές που έχουν εξασφαλίσει συνολικά το 50% στο μάθημα χωρίς να υπολογίζεται η βαθμολογία από την εργασία βελτίωσης βαθμού. Φοιτητές που ενδιαφέρονται να κάνουν εργασία θα πρέπει να επιλέξουν θέμα και να το δηλώσουν στον διδάσκοντα για έγκριση μέχρι τις 24/10/2014. Η εργασία μπορεί να είναι ατομική ή ομαδική και πρέπει να ολοκληρωθεί και να παραδοθεί μέχρι τις 08/12/2014. Οι παρουσιάσεις και τα βίντεο θα αναρτώνται στο διαδίκτυο (youtube channel: ece labs ucy). Ο διδάσκων διατηρεί το δικαίωμα οριακής αύξησης της βαθμολογίας με βάση την ενεργό συμμετοχή στο μάθημα. Σεπτέµβριος 14 Εργαστήριο Κυκλωµάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 8

Διαχείριση Χρόνου Κατά τη φοιτητική σας ζωή υπάρχει χρόνος για όλα Ύπνος Μελέτη Διασκέδαση.. αρκεί να τον κατανέμετε σωστά, ανάλογα βέβαια με τους στόχους και τις υποχρεώσεις σας. Σεπτέµβριος 14 Εργαστήριο Κυκλωµάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 9

Κανόνες Δεοντολογίας Όλοι οι φοιτητές του Πανεπιστημίου Κύπρου οφείλουν να γνωρίζουν και τηρούν τους Νόμους, Κανονισμούς, Κανόνες και επίσημες οδηγίες και ανακοινώσεις που τους αφορούν. Μια σύντομη περίληψη υπάρχει στο Εγχειρίδιο του Εργαστηρίου. Για να επιτραπεί η είσοδος στο εργαστήριο πρέπει να υπογραφεί η δήλωση κατανόησης των κανόνων δεοντολογίας και να παραδοθεί στον διδάσκοντα. Εργασίες οι οποίες έχουν σημαντική αλληλοεπικάλυψη συνιστούν παραβίαση της ακαδημαϊκής δεοντολογίας και θα αναφέρονται στο Συμβούλιο του Τμήματος και στην Σύγκλητο του Πανεπιστημίου. Ο διδάσκων δύναται να χρησιμοποιήσει κατάλληλα εργαλεία λογισμικού για να ελέγχει ενδεχόμενη λογοκλοπία ή και αντιγραφή από συμφοιτητές ή και φοιτητές από προηγούμενα έτη. Σεπτέµβριος 14 Εργαστήριο Κυκλωµάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 10

Πολιτική Κανόνες Μαθήματος Εξοπλισμός Κατασκευής:Ο κάθε φοιτητής υποχρεούται να προμηθευτεί τα υλικά για το τελευταίο πείραμα (κατασκευή) το οποίο και θα παραμένει στην κατοχή του μετά το πέρας του μαθήματος. Ο διδάσκων μπορεί να βοηθήσει όσους φοιτητές δεν μπορούν ή δεν ξέρουν πώς να προμηθευτούν τον εξοπλισμό. Η κατασκευή εντάσσεται μέσα στα ΥΠΟΧΡΕΩΤΙΚΑ εργαστήρια. Αν για οποιονδήποτε λόγο δεν μπορέσετε, από δική σας αμέλεια, να συμπληρώσετε την κατασκευή θα αποτύχετε στο μάθημα. Εξοπλισμός Εργαστηρίου:Η κάθε ομάδα είναι υπεύθυνη για τον εξοπλισμό του εργαστηρίου. Οι φοιτητές που χρησιμοποιούν τον κάθε σταθμό είναι υπεύθυνοι για τον εξοπλισμό και τα υλικά. Αν οτιδήποτε χαθεί ή καταστραφεί λόγω αμέλειας, οι φοιτητές του σταθμού θα θεωρούνται υπεύθυνοι. Για να επιτραπεί η είσοδος στο εργαστήριο πρέπει να υπογραφεί η δήλωση χρέωσης εξοπλισμού και να παραδοθεί στον διδάσκοντα. Ασφάλεια Εργαστηρίου:Η ασφάλεια σας βασίζεται κυρίως σε ΕΣΑΣ. Στο Εγχειρίδιο υπάρχουν οι κανόνες ασφαλείας. Για να επιτραπεί η είσοδος στο εργαστήριο πρέπει να υπογραφεί η δήλωση κατανόησης των κανόνων ασφαλείας και να παραδοθεί στον διδάσκοντα. Σεπτέµβριος 14 Εργαστήριο Κυκλωµάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 11

2. Εισαγωγή στο Εργαστήριο Στόχος του 1 ου εργαστηρίου είναι να εφοδιάσει το φοιτητή με τις βασικές γνώσεις για τον εξοπλισμό που χρησιμοποιείται σε ένα εργαστήριο ηλεκτρονικών. Ο βασικός εξοπλισμός αποτελείται από: τον παλμογράφο (oscilloscope), το πολύμετρο(multimeter), τη γεννήτρια συναρτήσεων (function generator), το τροφοδοτικό συνεχούς τάσης και την εκπαιδευτική πλακέτα (breadboard) μαζί με τη βάση της. Με την ολοκλήρωση του 1 ου εργαστηρίου, ο φοιτητής/φοιτήτρια θα πρέπει να είναι σε θέση να μπορεί να ρυθμίζει κατάλληλα τα πιο πάνω όργανα και να μετρά το πλάτος και την συχνότητα διαφόρων σημάτων. Ο φοιτητής/φοιτήτρια θα πρέπει επίσης να μπορεί να διαβάζει την τιμή των αντιστάσεων και των πυκνωτών καθώς και να μετρά Ωμικές αντιστάσεις χρησιμοποιώντας το πολύμετρο. Σεπτέµβριος 14 Εργαστήριο Κυκλωµάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 12

Πολύμετρο Το Πολύμετρο αποτελεί ένα συνδυασμό οργάνων κυρίως για μετρήσεις συνεχούς και εναλλασσόμενης (rms)τάσης και ρεύματος και Ωμικής αντίστασης. https://www.youtube.com/watch?v=uhmppgcz5tw https://www.youtube.com/watch?v=shwpdtpf94s Σεπτέµβριος 14 Εργαστήριο Κυκλωµάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 13

Παλμογράφος Ο παλμογράφος είναι η συσκευή που μας επιτρέπει να βλέπουμε γραφικάτα σήματα εισόδου αλλά και κάποιες μαθηματικές πράξεις μεταξύ τους. https://www.youtube.com/watch?v=hhgezhp8_wc https://www.youtube.com/watch?v=3ztoitgnjbw Σεπτέµβριος 14 Εργαστήριο Κυκλωµάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 14

Ρυθμίσεις Παλμογράφου Σεπτέµβριος 14 Εργαστήριο Κυκλωµάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 15

Οθόνη Παλμογράφου Σεπτέµβριος 14 Εργαστήριο Κυκλωµάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 16

Πηγή Συνεχούς Τάσης (Τροφοδοτικό) Παρέχει 2 μεταβλητές εξόδους για τάσεις από -15Vμέχρι +15V και μια ρυθμιζόμενη έξοδο για τάση από 2.8 μέχρι 5.5V. Οι δύο μεταβλητές έξοδοι παρέχουν προστασία στον χρήστη αλλά και στο κύκλωμα μέσω κυκλωματος ελέγχου του ρεύματος εξόδου. https://www.youtube.com/watch?v=3hjkz3gc7ui Σεπτέµβριος 14 Εργαστήριο Κυκλωµάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 17

Γεννήτρια Συναρτήσεων Η έξοδος της (τύπου BNC) παρέχει όλα τα εναλλασσόμενα σήματα ελέγχου που χρειάζονται για τον έλεγχο/λειτουργία ενός κυκλώματος. https://www.youtube.com/watch?v=tj8t9yjwfps https://www.youtube.com/watch?v=ukknmdmerwg https://www.youtube.com/watch?v=_sx34lgd-cq Σεπτέµβριος 14 Εργαστήριο Κυκλωµάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 18

Πλακέτα Κατασκευής Κυκλωμάτων https://www.youtube.com/watch?v=nk8gkpauen4 https://www.youtube.com/watch?v=eomaiy2tn6a Σεπτέµβριος 14 Εργαστήριο Κυκλωµάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 19

Είδη Καλωδίων Καλώδια BNC Καλώδια µπανάνα Συνδέσεις και µετατροπείς BNC banana Καλώδιο BNC - κροκοδειλάκι Probe Παλµογράφου BNC Απλή Σύνδεση και τύπου Τ Σεπτέµβριος 14 Εργαστήριο Κυκλωµάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 20

3. Μονάδες Μέτρησης και Τάξη Μεγέθους Τάση: Ρεύμα: Αντίσταση: Χωρητικότητα: Επαγωγικότητα: V (V) I (A) R (Ω) C (F) L (H) 1. Πώς µετράµε τα πιο πάνω χαρακτηριστικά; 2. Ποια η διαφορά µεταξύ: Vp, Vp-p και Vrms; Tera (Τ) = 10 12 Giga (G) = 10 9 Mega (M) = 10 6 kilo (k) = 10 3 milli (m) = 10-3 micro (µ)ή(u) = 10-6 nano (n) = 10-9 pico (p) = 10-12 Σεπτέµβριος 14 Εργαστήριο Κυκλωµάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 21

4. Ηλεκτρικά στοιχεία R, Lκαι C Χρωματικός Κώδικας Αντιστάσεων 0 Μαυρο, 1 Καφέ, 2 Κόκκινο, 3 Πορτοκαλί, 4 Κίτρινο, 5 Πράσινο, 6 Μπλε, 7 Μωβ, 8 Γκρίζο, 9 Άσπρο Ανοχή: [5% Χρυσό, 10% Ασημί] = 1 0 0000 +/- 5% = 100κΩ +/- 5% Κωδικοποίηση Τιμής Πυκνωτών και Πηνίων (3 ψηφία) 1 ο και 2 ο Ψηφίο είναι αριθμοί ενώ το 3 ο Ψηφίο είναι το πλήθος μηδενικών. Η κωδικοποιημένη τιμή του πυκνωτή αναφέρεται σε pf, ενώ του πηνίου σε nh Π.χ.: Πυκνωτής (σε pf) με ένδειξη: 474 = 470000pF= 470nF= 0.47μF. Π.χ.: Πηνίο (σε nh) με ένδειξη 476= 47000000 nη = 47 mη Σεπτέµβριος 14 Εργαστήριο Κυκλωµάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 22

5. Περιεχόμενο 1 ου Εργαστηρίου Αναγνώριση εργαστηριακού εξοπλισμού και ρύθμιση τροφοδοτικού, γεννήτριας σημάτων, πολυμέτρου και παλμογράφου για μετρήσεις τάσης και ρεύματος. Υλοποίηση και επαλήθευση ενός κυκλώματος Διαιρέτη Τάσης (DC και AC). Σεπτέµβριος 14 Εργαστήριο Κυκλωµάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 23

6. Περιεχόμενο2 ου Εργαστηρίου Κατασκευή κυκλωμάτων στην εκπαιδευτική πλακέτα και σύνδεση εξωτερικών συσκευών/οργάνων Μελέτη και επαλήθευση του διαιρέτη τάσης Μελέτη και επαλήθευση του διαιρέτη ρεύματος Μετατροπή μεταξύ Vrms, Vp, και Vp-p Υπολογισμός Ισχύς και διάρκειας λειτουργίας Επηρεασμός μέτρησης λόγω της αντίστασης οργάνου Επηρεασμός μέτρησης λόγω ανθρώπινου σώματος Σεπτέµβριος 14 Εργαστήριο Κυκλωµάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 24

Τοποθετήσεις Αντιστάσεων στη Πλακέτα Βραχυκύκλωµα Σειράς Παράλληλα Σεπτέµβριος 14 Εργαστήριο Κυκλωµάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 25

Διαιρέτης Τάσης R 1 + V R1 - upper terminal 3 5V R 2 + V R2 - R TOTAL R 1 R 2 2 center or "wiper" terminal 1 lower terminal VR1= (R1/R1+R2) x Vs VRi= (Ri/Rtotal) x Vs Με τη σύνδεση του βολτοµέτρου σε 2 σηµεία του κυκλώµατος, η συνολική αντίσταση σε αυτά τα 2 σηµεία θα µειωθεί! Σεπτέµβριος 14 Εργαστήριο Κυκλωµάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 26

Διαιρέτης Ρεύματος R 1 I R1 10V R 2 I R2 R 3 I R3 IR2= (R3/R2+R3) x IR1 Αµπερόµετρο Με τη σύνδεση του αµπεροµέτρου σε κάποιο κλάδο του κυκλώµατος, η αντίσταση του κλάδου αλλά και η συνολική αντίσταση θα αυξηθεί! Σεπτέµβριος 14 Εργαστήριο Κυκλωµάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 27

Μαθησιακοί Στόχοι Εργαστήρια 0 και 1 Υλοποίηση κυκλωµάτων στην πλακέτα και µετρήσεις µε πολύµετρο και Ρύθµιση και συνδεσµολογία πηγών (τροφοδοτικό (DC) και γεννήτρια σηµάτων (AC)). ιάβασµα τιµής R, L και C (κώδικας χρωµάτων (R) και ψηφίων (L και C)) Χρησιµοποίηση των ορθών µονάδων µέτρησης και τάξης µεγέθους. Κατανόηση του κυκλώµατος διαίρεσης τάσης και διαίρεσης ρεύµατος. Υπολογισµός ισχύος σε κυκλώµατα DC Σεπτέµβριος 14 Εργαστήριο Κυκλωµάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 28