Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων

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

Ατζέντα 1. Η ασφάλειά μας πάνω απ όλα 2. Συζήτηση συμβολαίου 3. Εισαγωγή στον Εργαστηριακό Εξοπλισμό 4. Μονάδες Μέτρησης και Τάξη Μεγέθους 5. Ηλεκτρικά στοιχεία R, L και C 6. Εργαστήριο 1 7. Εργαστήριο 2 Ιούνιος 16 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 2

Η ασφάλειά μας πάνω απ όλα Η ασφάλεια βρίσκεται σε ένα κύκλωμα για να διακόπτει τη ροή ηλεκτρονίων όταν ο αριθμός τους ξεπεράσει μια επιθυμητή τιμή! Στην ουσία, το εσωτερικό μέρος της ασφάλειας θα υπερθερμανθεί με αποτέλεσμα να καταστραφεί (λιώσει) ανοίγοντας έτσι το κύκλωμα. Η τιμή της ασφάλειας πρέπει να είναι όσο το δυνατό πιο κοντά στην τιμή του ρεύματος που χρειάζεται για να λειτουργήσει το κύκλωμα/συσκευή. Ι = P/V Ιούνιος 16 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 3

Η ασφάλειά μας πάνω απ όλα Main Circuit Breaker, Residual Current Device και RCBO Ιούνιος 16 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 4

Η ασφάλειά μας πάνω απ όλα Γείωση Ηλεκτρικής Εγκατάστασης και συσκευών Πολύπριζα Προστασία από κεραυνό Μπαλαντέζες Ιούνιος 16 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 5

Η ασφάλειά μας πάνω απ όλα Χαλαρές επαφές Φθαρμένα καλώδια Εξοπλισμός Ηλεκτρολόγου Φορτιστές μπαταριών Προστασία από λάθη άλλων ανθρώπων Ποτέ!!! Ιούνιος 16 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 6

Όταν κάτι πάει λάθος Ιούνιος 16 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 7

1. Συζήτηση συμβολαίου Ώρες Διαλέξεων: Ώρες Εργαστηρίων: Δευτέρα και Πέμπτη 09:30-11:00, ΛΑ130 Δευτέρα και Πέμπτη 11:30-15:00, ΛΑ132 Διδάσκων: Δρ. Γεώργιος Ζάγγουλος Ώρες Γραφείου: Με ραντεβού (Δευτέρα, Τετάρτη και Πέμπτη) Email: zaggoulos.george@ucy.ac.cy, Τηλέφωνο Εργαστηρίου: 22892219 Youtube tutorials: ece labs ucy Ιούνιος 16 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 8

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 9 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 PSPICE το οποίο υποστηρίζει τον σχεδιασμό και προσομοίωση κυκλωμάτων σε ηλεκτρονικό υπολογιστή. Ιούνιος 16 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 9

Περιεχόμενο Μαθήματος Τα 9 εργαστηριακά πειράματα περιλαμβάνουν βασικά κυκλώματα (κυρίως με στοιχεία R, L και C) και μετρήσεις με τη χρήση των βασικών οργάνων (κυρίως ψηφιακό πολύμετρο και 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 καθώς και της διαφοράς μεταξύ θεωρητικών και πειραματικών τιμών. Τέλος, γίνεται εφαρμογή των βασικών θεωρημάτων για ηλεκτρικά κυκλώματα (που διδαχθήκατε στο ΗΜΥ102). Η εξοικείωση σας με το λογισμικό PSPICE αποτελεί 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 9 εργαστηριακές ασκήσεις (πειράματα). Ιούνιος 16 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 10

Χρονοδιάγραμμα Εβδομάδα & Ημερομηνία 06/06/16 09/06/16 Διαλέξεις, Εργαστηριακές Ασκήσεις και Υποχρεώσεις ανά Εβδομάδα Δ1: Παρουσίαση Συμβολαίου ΗΜΥ203 και Εργαστηρίων 1-2 Ε1: Εξοικείωση με τον Εργαστηριακό Εξοπλισμό [1] Δ2: Παρουσίαση Εργαστηριακής Άσκησης 3 Ε2: Εισαγωγή στις Μετρήσεις Σημάτων και Επίδραση Οργάνου στις Μετρήσεις [2] 13/06/16 Δ3: Παρουσίαση Εργαστηριακής Άσκησης 4 Ε3: Ορθότητα, Ακρίβεια και σωστός αριθμός δεκαδικών ψηφίων [3] 16/06/16 Δ4: Παρουσίαση Εργαστηριακής Άσκησης 5 Ε4: Παράλληλες Αντιστάσεις και Διαίρεση τάσης και ρεύματος [4] 20/06/16 23/06/16 27/06/16 30/06/16 Αργία Δ5: Παρουσίαση Εργαστηριακής Άσκησης 6 Ε5: Γραμμικότητα, Αναλογικότητα και Επαλληλία [5] Δ6: Επανάληψη Εργαστηρίων 1-6 - Επίλυση Ασκήσεων Ε6: Θεώρημα Thevenin [6] Δ7: Παρουσίαση Εργαστηριακής Άσκησης 7 Ε7: Πρακτική Εξάσκηση Εργαστηρίων 1-6 Ιούνιος 16 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 11

Χρονοδιάγραμμα εβδομάδα & ημερομηνία 04/07/16 07/07/16 Διαλέξεις, εργαστηριακές ασκήσεις και υποχρεώσεις ανά εβδομάδα Δ8: Ενδιάμεση εξέταση Ε8: Ενδιάμεση εξέταση Δ9: Παρουσίαση εργαστηριακής άσκησης 8 Ε9: Εκθετικά κύματα και σύνθετη αντίσταση [7] 11/07/16 Δ10: παρουσίαση εργαστηριακής άσκησης 9 Ε10: κυκλώματα rlc και σταθερή ημιτονοειδής κατάστασης [8] 14/07/16 Δ11: επίλυση ασκήσεων - επανάληψη εργαστηρίων 7-9 Ε11: διόρθωση συντελεστή ισχύος [9] 18/07/16 21/07/16 Δ12: επίλυση ασκήσεων - επανάληψη εργαστηρίων 7-9 Ε12: πρακτική εξάσκηση εργαστηρίων 1-6 Δ13: τελική εξέταση, απαιτούνται οι υπογραφές όλων, Ε13: τελική εξέταση, διαφορετικά όπως θα οριστεί από την ΥΣΦΜ. Ιούνιος 16 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 12

Αξιολόγηση Ενδιάμεση Εξέταση (Εργ. 1-6) 50% Τελική Εξέταση (Εργ. 1-9) 50% Εργασίες Βελτίωσης Βαθμού* Δημιουργία εκπαιδευτικού βίντεο (5-12 λεπτά) 10% * Απαιτείται τουλάχιστο 40% στις εξετάσεις για να προστεθεί ο βαθμός από το βίντεο Ιούνιος 16 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 13

Προϋποθέσεις επιτυχίας στο μάθημα Απαραίτητες προϋποθέσεις επιτυχίας στο μάθημα είναι: η ολοκλήρωση όλων των εργαστηριακών ασκήσεων και η εξασφάλιση συνολικού βαθμού 50%. Οι αντίστοιχες μονάδες από την εργασία βελτίωσης βαθμού θα δίνονται ΜΟΝΟ σε φοιτητές που έχουν εξασφαλίσει συνολικά το 40% 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 30/06/2016. Η εργασία μπορεί να είναι ατομική ή ομαδική και πρέπει να ολοκληρωθεί και να παραδοθεί μέχρι τις 20/07/2016. ΔΕΝ θα δοθεί καμία παράταση! Ο διδάσκων διατηρεί το δικαίωμα οριακής αύξησης της βαθμολογίας με βάση την ενεργό συμμετοχή στο μάθημα. Ιούνιος 16 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 14

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. Ιούνιος 16 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 15

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. Ιούνιος 16 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 16

Πολιτική Κανόνες Μαθήματος 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. Ιούνιος 16 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 17

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. Ιούνιος 16 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 18

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 Ιούνιος 16 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 19

Παλμογράφος Ο παλμογράφος είναι η συσκευή που μας επιτρέπει να βλέπουμε γραφικά τα σήματα εισόδου αλλά και κάποιες μαθηματικές πράξεις μεταξύ τους. https://www.youtube.com/watch?v=hhgezhp8_wc https://www.youtube.com/watch?v=3ztoitgnjbw Ιούνιος 16 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 20

Ρυθμίσεις Παλμογράφου Ιούνιος 16 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 21

Οθόνη Παλμογράφου Ιούνιος 16 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 22

Πηγή Συνεχούς Τάσης (Τροφοδοτικό) Παρέχει 2 μεταβλητές εξόδους για τάσεις από -15V μέχρι +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 Ιούνιος 16 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 23

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 Ιούνιος 16 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 24

Πλακέτα Κατασκευής Κυκλωμάτων https://www.youtube.com/watch?v=nk8gkpauen4 https://www.youtube.com/watch?v=eomaiy2tn6a Ιούνιος 16 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 25

Είδη Καλωδίων Καλώδια BNC Καλώδια μπανάνα Συνδέσεις και μετατροπείς BNC banana Καλώδιο BNC - κροκοδειλάκι Probe Παλμογράφου BNC Απλή Σύνδεση και τύπου Τ Ιούνιος 16 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 26

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 Ιούνιος 16 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 27

4. Ηλεκτρικά στοιχεία R, L και 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 Ιούνιος 16 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 28

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). Ιούνιος 16 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 29

6. Περιεχόμενο 2 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 Ιούνιος 16 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 30

Τοποθετήσεις Αντιστάσεων στη Πλακέτα Βραχυκύκλωμα Σειράς Παράλληλα Ιούνιος 16 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 31

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 μεταξύ αυτών των 2 σημείων θα μειωθεί! Ιούνιος 16 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 32

Διαιρέτης Ρεύματος R 1 I R1 IR2 = (R3/R2+R3) x IR1 10V R 2 I R2 R 3 I R3 Αμπερόμετρο IR3 = (R2/R2+R3) x IR1 Με τη σύνδεση του αμπερομέτρου σε κάποιο κλάδο του κυκλώματος, η αντίσταση του κλάδου αλλά και η συνολική αντίσταση θα αυξηθεί! Ιούνιος 16 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 33

Μαθησιακοί Στόχοι Εργαστήρια 1 και 2 Υλοποίηση κυκλωμάτων στην πλακέτα και μετρήσεις με πολύμετρο και Ρύθμιση και συνδεσμολογία πηγών (τροφοδοτικό (DC) και γεννήτρια σημάτων (AC)). Διάβασμα 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 Ιούνιος 16 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 34