APARATE UTILIZATE CURENT ÎN LABORATOR (funcţionare şi utilizare)

LUCRAREA NR. 1 APARATE UTILIZATE CURENT ÎN LABORATOR (funcţionare şi utilizare) 1. Multimetrul clasic Acest aparat permite măsurarea curenţilor şi tensiunilor în curent continuu şi în curent alternativ şi a rezistenţelor în curent continuu. În practică este cunoscut sub denumirea AVO-metru după iniţialele unităţilor de măsură ale mărimilor măsurate (ampe r, volt, ohm). La bază se află un instrument magnetoelectric cu ac indicator care asigură deviaţia de cap scală la 50 μa (tipic). Pentru a măsura tensiuni continue instrumentul este înseriat cu diferite rezistoare adiţionale care îi determină gama de lucru.(de obicei 1V,10V,100V,1000V). Prin absorbţia unui curent din circuitul măsurat, voltmetrul astfel realizat îl perturbă. De regulă, rezistenţa internă a unui multimetru clasic mediu este de 20KΩ/V (dată de curentul absorbit în instrumentul propriu-zis). Majoritatea circuitelor electronice nu sunt perturbate de rezistenţa internă a voltmetrului, mai puţin circuitele de bază ale tranzistoarelor sau alte puncte unde curenţii sunt slabi iar impedanţele ridicate. În acest caz multimetrul poate fi echipat cu un etaj amplificator realizat cu tranzistoare cu efect de câmp care îi ridică rezistenţa internă la 10MΩ/V. Pentru a măsura curenţi, instrumentul de bază este introdus în paralel cu diferite rezistenţe de şunt în funcţie de domeniul măsurat (1mA,10mA,100mA,1A,10A). Aceste rezistoare trebuie să fie dimensionate corect din punct de vedere al puterii disipate. Măsurarea rezistenţei se face prin aplicarea unui curent cunoscut rezistorului studiat şi determinarea tensiunii la bornele acestuia. Se comută de fapt voltmetrul pe diferite scări la bornele rezistorului parcurs de curent. (10Ω,1KΩ,10KΩ, 100KΩ, 1MΩ) Multimetrul permite şi măsurarea tensiunilor şi a curenţilor alternativi sinusoidali de frecvenţe cuprinse între 50Hz şi cca 5 KHz prin intercalarea unui grup redresor cu diode. Multimetrul are de 7

FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ LUCRĂRI PRACTICE obicei două borne de intrare şi un comutator rotativ care alege funcţia măsurată şi domeniul de evoluţie al mărimilor de intrare. În fig.1 se prezintă panoul frontal al unui multimetru clasic. Fig.1. Multimetrul clasic Modul de lucru cu multimetrul Pentru măsurarea tensiunilor se alege la început scara cea mai mare după care se comută pe scara la care instrumentul să devieze în a doua jumătate a scalei (pentru precizia citirii). Măsurarea curenţilor se face numai după o estimare teoretică a acestora. Se alege scara cea mai mare şi după aceea se comută pe o scară la care instrumentul să devieze în a doua jumătate a scalei. Măsurarea directă a curenţilor este periculoasă pentru multimetru dacă este depăşit domeniul de lucru admis. Se poate arde atât bobina instrumentului cât şi rezistenţa de şunt. Rezistenţele electrice se pot măsura numai extrase din 8

LUCRAREA NR. 1 Aparate utilizate curent în laborator circuit sau măcar dezlipite cu un capăt din circuit, circuitul fiind obligatoriu scos de sub tensiune. În curent alternativ multimetrul este etalonat doar pentru curenţi sinusoidali aşa încât o altă formă de semnal conduce la rezultate eronate. 2. Multimetrul numeric este o variantă modernă a multimetrului clasic care realizează o impedanţă de intrare foarte ridicată pe scala tensiunilor (Z i >10MΩ/V) folosind amplificatoare de curent continuu performante, urmată de o conversie analog-numerică a semnalelor măsurate şi o afişare a rezultatului pe minimum trei cifre însoţite şi de semn (+,-). De obicei sunt prevăzute cu auto-scalare (alegere automată a domeniului de lucru), ceea ce le conferă o mare uşurinţă în urmărirea tensiunilor lent variabile. Precizia de citire a valorilor ajunge curent la 1 0 / 00. Alimentarea acestor multimetre se face de regulă la un acumulator de 9V încorporat. Afişajul este cu cristale lichide şi indică mărimea măsurată precum şi unităţile de măsură. Multimetrele numerice de ultimă generaţie pot fi conectate cu calculatorul transmiţând rezultatele măsurătorilor. 3. Osciloscopul catodic clasic OCC este cel mai utilizat aparat de măsură în electronică şi în fizică. Permite vizualizarea variaţiilor de tensiune (de obicei semnale periodice) sub forma unei oscilograme. Se pot determina valorile frecvenţei şi fazei. Pentru semnale de tip treaptă se pot măsura: timpul de creştere, de stabilizare, de cădere ş.a.. La semnale modulate se pot măsura indicii de modulaţie. Se pot estima în amplificatoare coeficienţii de distorsiune. OCC se foloseşte în analiza funcţionării circuitelor numerice. Pentru foarte multe procese fizice şi electrice OCC permite efectuarea de măsurări în timp real fiind cel mai rapid aparat de măsurat analogic. 9

FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ LUCRĂRI PRACTICE Fig.2 Fotografia unui osciloscop catodic Fig.3. Schema bloc a osciloscopului catodic clasic.elementele tubului catodic: 1-catod; 2-grila de comandă; 3-anod de focalizare; 4-electrod de accelerare; 5-plăci de deflexie verticală; 6-plăci de deflexie orizontală; 7-electrod de ecranare; 8- ecran cu luminofor 10

LUCRAREA NR. 1 Aparate utilizate curent în laborator Când nu se aplică tensiune plăcilor de deflexie, fascicolul electronic emis de catodul incandescent al tubului este astfel focalizat încât să cadă în centrul ecranului. La aplicarea unor tensiuni pe plăcile de deflexie orizontală şi respectiv verticală fascicolul va fi deplasat iar pe ecran va apărea o deviaţie a spotului proporţională cu tensiunile aplicate. Ecranul tubului este prevăzut cu o reţea reticulară transparentă care constituie scara osciloscopului. retea C a BLOC DE ALIMENTARE Y SINCR. EXT. b c PA PA a K1 b L Y Y Y BT A Y PA X a b K2 A X X X Fig.4 Schema bloc a osciloscopului cu un canal Circuitul de măsură pe Y are în componenţă comutatorul de semnal K 1, preamplificatorul PA Y, linia de întârziere L şi amplificatorul final A Y. Comutatorul K 1 permite în poziţia a, măsurarea tensiunilor alternative (cu blocarea nivelului continuu), în poziţia c, măsurarea tensiunilor absolute (inclusiv cu componenta continuă) şi în poziţia b de scurtcircuit a intrării de semnal la masă să se facă o reglare a poziţiei iniţiale a spotului. Preamplificatorul de semnal PA este format dintr-un divizor de semnal de tip RC, compensat în frecvenţă care permite alegerea domeniilor pentru tensiunea de intrare (0,1;0,2;0,5; 1;2;5;10)V/div şi un amplificator care amplifică tipic de la 50mV la 10V pentru a putea ataca A Y. 11

FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ LUCRĂRI PRACTICE Amplificatorul A Y are două ieşiri simetrice şi în antifază şi realizează amplificarea tensiunii furnizate de PA Y până la 100-200 V necesari pentru comanda spotului. Prin intermediul lui A Y se face şi axarea spotului pe verticală. Linia de întârziere L realizează o întârziere cuprinsă de regulă între 50-200 ns pentru U Y ca această tensiune să ajungă pe plăcile Y simultan cu tensiunea de baleiaj pe plăcile X, aceasta din urmă fiind întârziată de către baza de timp în procesul de generare. Baza de timp BT produce o tensiune liniar variabilă ( în dinte de fierăstrău ) necesară deplasării spotului pe orizontală. Această tensiune este amplificată de către A X care realizează la ieşire 100-200V necesari devierii spotului pe ecran. A Y şi A X sunt practic identice. Frecvenţa tensiunii liniar variabile generate de BT poate fi selectată prin intermediul unui comutator gradat în timp/div ecran. Ex: (10ms/div; 3ms/div; 1ms/div; 300μs/div; 100μs/div; 30μs/div; 10μs/div; 3μs/div).OCC asigură vizualizarea în mod curent a unor semnale cu frecvenţa cuprinsă între 1Hz şi 10MHz. Amplificatorul A X poate fi cuplat cu BT asigurând fucţionarea osciloscopului ca înregistrator Y-t sau direct cu intrarea X (comutatorul în partea b, caz în care funcţionează ca înregistrator X-Y. La unele osciloscoape pe intrarea X se află un preamplificator identic cu PA Y, ceea ce conferă osciloscopului performanţe ridicate ca înregistrator X-Y. Blocul de calibrare. Pentru a verifica rapid fucţionarea OCC şi pentru a realiza etalonarea pe verticală şi pe orizontală, acesta este prevăzut cu un generator etalon cu frecvenţa de 1KHz şi cu amplitudinea de 1V sau 10V. Prin aplicarea pe intrări a acestui semnal se realizează calibrarea, acţionând asupra unor potenţiometre de reglaj. (Nu este figurat pe schema bloc ) Funcţionarea OCC La funcţionarea numai pe Y (semnalul aplicat la intrarea Y iar BT deconectată) spotul este activat numai pe verticală, pe ecran apărând o linie verticală cu o lungime proporţională cu tensiunea aplicată: 12

LUCRAREA NR. 1 Aparate utilizate curent în laborator Y = KAU Y = S Y U Y (1) y deviaţia spotului pe ecran k-constantă de aparat (dată de caracteristicile tubului catodic) A-amplificarea aleasă a canalului U Y tensiunea măsurată S Y sensibilitatea pe Y (se alege din comutatorul de intrare Y) La funcţionarea în t (lucrează numai BT) spotul este deviat numai pe orizontală,ceea ce conduce la apariţia unei linii orizontale (numită trasă) ce umple complet ecranul. La funcţionarea în regim Y-t spotul este acţionat de ambele perechi de plăci de deviaţie ceea ce face ca acesta să descrie pe ecran o curbă Y(t) care reprezintă evoluţia în timp a mărimii de interes U Y (t).acest regim de funcţionare este cel mai utilizat şi permite măsurarea directă a amplitudinii şi a frecvenţei semnalelor sinusoidale,dreptunghiulare sau de orice altă formă precum şi analiza unor regimuri tranzitorii.pentru măsurarea timpului t pe axa X(t) se foloseşte ecuaţia: t = K b X (2) unde: K b constanta de baleiaj(mărime aleasă din BT) exprimată în timp/diviziune(s/div) X-lungimea segmentului măsurat pe orizontală. Sincronizarea semnalului. Obţinerea unei imagini stabile şi clare pe ecran se realizează prin sincronizare, adică prin redarea repetată a semnalului periodic începând din acelaşi loc a formei de undă. Acest punct se poate alege dintr-un potenţiometru de nivel. Pentru sincronizare se foloseşte de obicei un semnal generat intern şi comandat de semnalul vizualizat sau se poate aplica un 13

FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ LUCRĂRI PRACTICE semnal extern pentru sincronizare dacă există o relaţie de fază constantă între ele. Impedanţa de intrare Impedanţa de intrare tipică a OCC este de 1MHz 30pF, fiind suficient de mare pentru a nu perturba circuitul măsurat. Se pot folosi sonde cu divizor 10 1 care cresc impedanţa la 10MHz 7 10pF; acestea asigură o influenţă minimă a circuitului studiat şi extinderea domeniului de măsură pentru tensiuni la cca 500V ca. Intrarea semnalului în osciloscop se face printr-un cablu ecranat special cu impedanţa de 50 Ω, cuplat printr-un conector standard numit BNC. Osciloscopul cu două canale Pentru a se putea vizualiza simultan două forme de undă,majoritatea OCC au două canale de amplificare pe verticală.soluţia practică constă în utilizarea unui comutator electronic care permite vizualizarea separată a celor două semnale.practic fascicolul electronic este comandat pe rând de fiecare semnal în parte.există două moduri de vizualizare a celor două semnale: (1) în mod alternativ -se realizează redarea succesivă a fiecăruia din semnale pe o cursă completă a trasei (pe X) şi (2) în mod segmentat (choppat) prin comutarea rapidă(cca 1MHz) între cele două semnale şi redarea succesivă a unor segmente din fiecare. Utilizarea practică a osciloscopului la măsurarea unui semnal sinusoidal. Se alimentează osciloscopul din comutatorul de reţea. Comutatorul de intrare al semnalului pe Y să fie în poziţia (intrarea la masă), comutatorul de intrare pe Y în mijlocul domeniului (ex. 1V/div), comutatorul bazei de timp în mijlocul domeniului (ex. 1ms/div). După aproximativ 30 secunde de la alimentare (timp necesar încălzirii filamentului şi intrării tubului în regim de funcţionare) pe ecran apare trasa orizontală. 14

LUCRAREA NR. 1 Aparate utilizate curent în laborator Se reglează potenţiometrele FOCALIZARE şi LUMINOZITATE pentru a obţine o trasă clară. Se aduce trasa în mijlocul ecranului pe verticală prin acţionarea potenţiometrului REGLARE VERTICALĂ. Se fixează comutatorul de intrare pe Y în poziţia C.A. Cu ajutorul cablului ecranat se aplică semnalul de calibrare de 1000Hz şi 1V VV la intrarea Y. Se citeşte numărul de diviziuni pe Y şi se verifică corectitudinea indicaţiei. Pentru o citire precisă este bine ca semnalul să acopere cât mai mult din ecran. Se poate trece pe o scară cu sensibilitate mai mare (ex. pe 0,2V/div caz în care semnalul va acoperi pe verticală 5 div). Dacă semnalul are o altă dimensiune el trebuie adus în valoarea corectă prin ajustarea potenţiometrului de calibrare pe Y. Notă: Unele osciloscoape au diviziunea egală cu 1 cm, astfel încât sensibiliatea este dată în V/cm. Calibrarea pe X se verifică ştiind că perioada semnalului de calibrare este de 1ms. Se alege o scară corespunzătoare din comutatorul BAZĂ DE TIMP pentru a vizualiza semnalul cât mai bine şi se determină numărul de diviziuni pe X conţinute într-o perioadă. Se face produsul cu constanta de baleiaj K b aflându-se perioada indicată (ex X=3,3 div K b =0,3msec/div, rezultă T 0,99 msec adică f = 1010Hz). Se constată o bună citire a frecvenţei în acest exemplu, cu o eroare de cca 1%. Dacă se obţin diferenţe în citirea valorii X, se ajustează potenţiometrul CALIBRARE t. După finalizarea procedurilor de calibrare se trece la efectuarea unei măsurători pentru un semnal oarecare sinusoidal. Se încadrează semnalul cât mai corect pe ecran asigurându-i sincronizarea şi acţionarea potenţiometrului NIVEL. 15

FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ LUCRĂRI PRACTICE Y(t) U vv U 0 T Fig.5 Aprecierea caracteristicilor unui semnal prin pe ecranul osciloscopului. vizualizarea Se citeşte valoarea vârf la vârf a semnalului U vv (care reprezintă dublul amplitudinii ) prin înmulţirea numărului de diviziuni măsurate cu sensibilitatea aleasă prin comutatorul AMPLIFICARE Y. Se apreciază în diviziuni pe orizontală perioada semnalului după care se face produsul cu constanta de baleiaj K b (timp/diviziune).se calculează frecvenţa semnalului cu formula f = 1/T. Osciloscopul poate fi folosit la multe tipuri de măsurători asupra semnalelor electrice. Analiza funcţionării corecte a unui montaj electronic se face prin vizualizarea semnalelor în diferite locuri din acesta; forma şi nivelul lor indică modul în care lucrează. In unele cazuri osciloscopul este folosit pentru reglarea unor parametri la punerea în funcţiune a echipamentelor electronice complexe. Există osciloscoape speciale care posedă circuite pentru citirea numerică directă a nivelului de tensiune si duratei semnalelor afişate pe ecran. 16

LUCRAREA NR. 1 Aparate utilizate curent în laborator 4.Generatorul de semnal Pentru a putea aprecia funcţionarea diferitelor circuite electronice, acestora li se aplică semnale cu caracteristici cunoscute pentru a vedea cum răspund. Un generator uzual pentru lucrul în laborator, la analiza circuitelor de joasă frecvenţă trebuie să furnizeze tensiuni sinusoidale şi dreptunghiulare în domeniul 1Hz -10 MHz cu valori de ieşire reglabile în gama 10mV-10V, pe o impedanţă standardizată de 50Ω. Reglajul frecvenţelor se face brut, în trepte, printr-un comutator, iar apoi fin în interiorul fiecărei trepte cu ajutorul unui potenţiometru(ex.10 100Hz,100Hz 1KHz,1KHz 10KHz,10KHz 100KHz,100KHZ 1MHz, 1MHZ 10MHz). Generatoarele moderne sunt prevăzute cu afişaj numeric al frecvenţei semnalului generat.tensiunea de ieşire se poate modifica de asemenea în trepte (prin comutator) şi continuu printr-un potenţiometru.valorile de ieşire sunt afişate de un voltmetru numeric. Generatoarele de calitate sunt prevăzute cu bucle de reacţie care asigură un nivel constant al tensiunii de ieşire la variaţia frecvenţei generate. Pentru siguranţa măsurătorilor este bine să se verifice acest lucru. Dacă generatorul nu are stabilizare automată a amplitudinii, atunci tensiunea de ieşire trebuie reglată la fiecare frecvenţă în parte. Ieşirea generatorului este accesibilă printr-un conector tip BNC sau prin borne. Forma tensiunilor produse poate fi aleasă prin intermediul unui comutator de mod. Există generatoare care au mai multe ieşiri producând simultan atât tensiuni sinusoidale cât şi dreptunghiulare sau liniar variabile.trebuie să se prevină scurtcircuitarea bornelor de ieşire a generatorului.(nu toate generatoarele au protecţie la scurtcircuit şi la supracurent) 5. Sursa de tensiune Pentru a funcţiona toate circuitele electronice trebuie alimentate electric. Ele necesită diferite tensiuni continue şi curenţi după funcţiile pe care le au şi componentele cu care sunt echipate. Pentru a asigura o funcţionare corectă, sursa de tensiune este 17

FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ LUCRĂRI PRACTICE stabilizată. Aceasta înseamnă că pentru un anumit domeniu de variaţie al tensiunii de reţea, al modificării consumului în circuitul alimentat şi schimbarea temperaturii ambiante, tensiunea furnizată este practic constantă. Performanţele sursei sunt definite de coeficientul de stabilizare care apreciază comportarea sursei la variaţiile mărimilor menţionate anterior. Fig.6 Fotografia unei surse de tensiune stabilizată cu instrumente indicatoare analogice. Sursa de tensiune stabilizată este caracterizată prin domeniul de variaţie al tensiunii de ieşire, de obicei între 0 30V şi al curentului maxim debitat 1 5A. Pentru studiul celor mai multe componente şi circuite este suficient un curent de până la 1A. Sursa de tensiune are de regulă protecţii la ieşire pentru cazurile: 1) curentul depăşeşte valoarea maximă- apare limitarea curentului; 2) puterea debitată pe sursă depăşeşte valoarea maximă admisă se reduce curentul debitat (protecţie termică) 3) ieşirea este în scurtcircuit sursa se blochează şi tensiunea la ieşire devine zero. De obicei sursa de tensiune funcţionează în regim flotant, adică bornele de ieşire sunt izolate faţă de carcasă şi de nulul de protecţie. Aceasta permite conectarea sursei într-un punct al circuitului măsurat aflat deja la o anumită tensiune. De asemenea polaritatea poate fi aleasă în orice mod prin conectarea adecvată a bornelor (+) şi ( ). Trebuie totuşi ca la funcţionarea în regim flotant să se ţină seama de tensiunea de izolaţie a sursei (max. 500V în mod obişnuit). 18

LUCRAREA NR. 1 Aparate utilizate curent în laborator Pentru a folosi corect sursa de tensiune trebuie să se urmărească: Verificarea tensiunii de alimentare la reţeaua de 220V ca şi existenţa siguranţei fuzibile prevăzută pe sursă.. Ştecherul de alimentare să aibă nul de protecţie. Se verifică ca circuitul de ieşire să fie corect conectat, de regulă este bine să existe un întrerupător pe circuitul alimentat pentru a putea regla tensiunea la ieşirea sursei şi apoi să se alimenteze circuitul studiat. Se alege tensiunea de ieşire prin reglarea comutatorului sursei sau a potenţiometrului de reglaj urmărindu-se voltmetrul propriu sau un voltmetru exterior aplicat la borne. După alimentarea montajului studiat se observă curentul debitat, urmărindu-se înscrierea în domeniul admis. Dacă se observă o creştere importantă a curentului sau scăderea tensiunii de ieşire fixate, înseamnă că funcţionarea nu este corectă şi trebuie să se deconecteze sursa, după care se va identifica cauza. 6. Frecvenţmetrul In multe aplicaţii este necesară cunoaşterea cu precizie a frecvenţei semnalelor utilizate. Acest lucru se face cu ajutorul frecvenţmetrului. Acest aparat dispune de un etalon intern realizat cu cristal de cuarţ, iar frecvenţa semnalelor studiate este comparată cu cea a etalonului. Pentru afişarea rezultatului se foloseşte un indicator Fig.7 Fotografia unui frecvenţmetru 19

FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ LUCRĂRI PRACTICE numeric cu leduri sau cristale lichide. Sensibilitatea în nivel a frecvenţmetrului porneşte de la cca.1v vv. Domeniul frecvenţelor măsurate de frecvenţmetrele uzuale este cuprins între 1Hz şi 30MHz. La unele tipuri există un comutator acţionat manual pentru alegerea domeniului de frecvenţă studiat în scopul asigurării unei precizii ridicate. 7. Montaje de probă şi conexiuni realizate in laborator Componentele şi circuitele studiate în cadrul laboratorului sunt montate pe plăci speciale care au bucşe şi borne pentru efectuarea legăturilor la surse şi la aparatele de măsură. Lucrându-se la tensiuni continue de alimentare sub 30V şi circuitele generând tensiuni alternative sub 10V VV în scop didactic s-au realizat montaje la vedere cu conexiuni accesibile modificărilor şi măsurărilor. Pentru o funcţionare corectă şi stabilă trebuie realizate legături ferme în punctele de conexiune. Între placa de test şi surse se vor folosi conductoare flexibile izolate în plastic, prevăzute cu banane sau cu papuci la capete. Pentru semnalul de la generator şi semnalul spre osciloscop se vor folosi cabluri ecranate în scopul reducerii zgomotelor induse din exterior. Atenţie la cuplarea cablului la aparate prin intermediul conectorului tip BNC. Acesta are un pin central prin care circulă semnalul, iar ecranul este conectat la partea exterioară. Cuplarea şi blocarea este de tip baionetă. Este important ca la aceste cabluri să nu se execute tracţiuni care le pot deteriora. In timpul realizării conexiunilor electrice montajele vor fi scoase de sub tensiune! Se recomandă lasarea tuturor aparatelor conectate cu ştecherul la reţeaua electrică şi utilizarea întrerupătoarelor cu care sunt prevăzute fiecare în parte pentru conectare şi deconectare. Acest mod de lucru previne distrugerea prizelor. 20