ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι (ΕΡ) Άσκηση 1 Όργανα εργαστηρίου, πηγές συνεχούς τάσης και μετρήσεις Στόχος Η άσκηση είναι εισαγωγική και προσφέρει γνωριμία και εξοικείωση με τα όργανα του εργαστηρίου και τον τρόπο μέτρησης διαφόρων ηλεκτρικών μεγεθών. Ο στόχος της εργαστηριακής άσκησης είναι η αναγνώριση του συνεχούς και του εναλλασσόμενου ρεύματος και η μέτρησή τους. Εισαγωγή Στο Εργαστήριο Ηλεκτρονικών χρησιμοποιούνται συσκευές παραγωγής και όργανα μέτρησης ηλεκτρικών τάσεων και σημάτων. Χρησιμοποιούνται τροφοδοτικά συνεχούς και εναλλασσόμενης τάσης, γεννήτριες συχνοτήτων, πολύμετρα και παλμογράφος. Τα τροφοδοτικά (συνεχούς) τάσης παράγουν τις αναγκαίες τάσεις για να δουλέψουν τα κυκλώματα. Οι γεννήτριες συχνοτήτων παράγουν εναλλασσόμενες τάσεις διαφόρων μορφών και συχνοτήτων και συνήθως η παραγόμενη τάση χρησιμοποιείται ως είσοδος στα υπό εξέταση κυκλώματα. Τα πολύμετρα είναι όργανα μέτρησης που επιτρέπουν την μέτρηση τάσεων, ρευμάτων και αντιστάσεων. Τέλος, ο παλμογράφος είναι ένα από τα πιο χρήσιμα όργανα μέτρησης, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη λεπτομερή μελέτη και αποτύπωση της ηλεκτρικής τάσης. 1. Μορφές τάσης/ρεύματος Η τάση και το ρεύμα ανάλογα με τη μορφή που έχουν ως προς χρόνο, μπορεί να χαρακτηριστεί σε DC (συνεχές ρεύμα) και AC (εναλλασσόμενο), όπως περιγράφεται στη συνέχεια. DC (direct current - συνεχές ρεύμα) είναι το ηλεκτρικό ρεύμα που δημιουργείται από τη σταθερή ροή ή κίνηση των φορέων ηλεκτρικού φορτίου (που είναι συνήθως ηλεκτρόνια) προς μία κατεύθυνση. Η τιμή του συνεχούς ρεύματος είναι σταθερή ως προς το χρόνο. Ο όρος DC χρησιμοποιείται και για τάση με πολικότητα που δεν αντιστρέφεται ποτέ. ΑC (alternating current εναλλασσόμενο ρεύμα) είναι το ρεύμα που δημιουργείται από τη ροή ή κίνηση των ηλεκτρικών φορέων φορτίου που περιοδικά αλλάζει κατεύθυνση. Οι μορφές του εναλλασσόμενου ρεύματος μπορεί να είναι ημιτονοειδής, τριγωνική, ή τετραγωνική. Ο όρος ΑC χρησιμοποιείται και για τάση με πολικότητα που εναλλάσσεται περιοδικά. Τα εναλλασσόμενα σήματα έχουν ως χαρακτηριστικό τις ίσες περιοχές πάνω και κάτω από το 0. Πολύ συχνά μέσα από έναν αγωγό ρέει ρεύμα προς μία κατεύθυνση αλλά η στιγμαία του τιμή δεν είναι εντελώς σταθερή. Τότε λέμε ότι το ρεύμα αυτό είναι κυμαινόμενο DC, καθώς 1
πρόκειται για ένα DC ρεύμα πάνω στο οποίο βρίσκεται και μία εναλλασσόμενη συνιστώσα. Η DC συνιστώσα δίνει επίσης τη μέση τιμή του ρεύματος. Το σύμβολο της τάσης (Voltage) είναι το γράμμα V και η μονάδα μέτρησης το 1 Volt (V). Το σύμβολο του ρεύματος (Current) είναι το γράμμα Ι και μονάδα μέτρησης το 1 Ampere (A). Τα σήματα που αποτελούνται από επαναλαμβανόμενα σχήματα ονομάζονται κυματομορφές. V DC V AC 0 time (ms) 0 time (ms) (α) (β) V κυμαινόμενο DC Μέση τιμή ή DC συνιστώσα 0 time (ms) (γ) Σχήμα 1: α) τάση DC β) AC και γ) κυμαινόμενο DC 2. Τροφοδοτικά συνεχούς τάσης Τροφοδοτικά είναι οι συσκευές που παράγουν τάσεις. Διακρίνονται σε τροφοδοτικά συνεχούς τάσης και σε τροφοδοτικά εναλλασσόμενης τάσης. Τα τροφοδοτικά συνεχούς τάσης συνήθως είναι σταθεροποιημένα (regulated) που σημαίνει ότι η τάση που εμφανίζουν στην έξοδό τους είναι ανεξάρτητη από το φορτίο. Διακρίνονται σε σταθερά ή ρυθμιζόμενα. Στο Σχήμα 2 φαίνεται ένα σταθεροποιημένο τροφοδοτικό συνεχούς τάσης, με πολλαπλή έξοδο. Παρέχει ταυτόχρονα διάφορες τάσεις, όπως 15 V, 8 V, 5 V κλπ. Στο Σχήμα 2 παρουσιάζονται δύο ρυθμιζόμενα τροφοδοτικά συνεχούς τάσης. Με τα τροφοδοτικά αυτά είναι δυνατή η παροχή οποιασδήποτε τιμής τάσης από 0 V έως μιας μέγιστης τιμής. Για την παραγωγή της τάσης απαιτούνται πάντα δύο ακροδέκτες, ο θετικός (+) και ο αρνητικός (-). Έτσι, στο τροφοδοτικό του Σχήματος 1, όλες οι τάσεις έχουν ονομαστική τιμή σε σχέση με την τάση αναφοράς που παρέχεται από τους μαύρους ακροδέκτες. 2
Σχήμα 2: Σταθεροποιημένο τροφοδοτικό πολλαπλής εξόδου Σχήμα 3: Ρυθμιζόμενα σταθεροποιημένα τροφοδοτικά Στα τροφοδοτικά του Σχήματος 3 παράγεται μια τάση θετική στον κόκκινο ακροδέκτη (+) ως προς τον μαύρο ακροδέκτη (-). Ο μεσαίος ακροδέκτης αν και δείχνει το σύμβολο της γείωσης, δεν συμμετέχει στην παραγωγή της επιθυμητής τάσης και για το λόγο αυτό συνήθως δεν χρησιμοποιείται στις ασκήσεις του εργαστηρίου. Αν πρέπει ο αρνητικός ακροδέκτης να είναι γειωμένος, τότε πρέπει να συνδεθεί στον αντίστοιχο ακροδέκτη. 3. Αντίσταση Η αντίσταση είναι το μέτρο της δυσκολίας της ροής του ηλεκτρικού ρεύματος που εμφανίζει ένα υλικό. Συμβολίζεται με το γράμμα R και η μονάδα μέτρησης είναι το ohm (Ω). Ως αγωγοί χαρακτηρίζονται τα υλικά που έχουν πολύ μικρή αντίσταση σε σχέση με τα υλικά που χαρακτηρίζονται ως μονωτές. Ημιαγωγοί ονομάζονται τα υλικά τα οποία κάτω από ορισμένες συνθήκες συμπεριφέρονται σαν αγωγοί και κάτω από άλλες συνθήκες συμπεριφέρονται σαν μονωτές. Διηλεκτρικά ονομάζονται όλα τα μη μέταλλα. Αγωγιμότητα G είναι το αντίστροφο της Αντίστασης και μετριέται σε S ή mho, (1) Οι αγωγοί έχουν μεγάλη αγωγιμότητα σε σχέση με τους Μονωτές. 3
Ο Νόμος του Ohm Η τάση V (διαφορά δυναμικού) στα άκρα ενός αγωγού είναι ανάλογη με το ρεύμα Ι που τον διαρρέει. Η σταθερά αναλογίας ονομάζεται αντίσταση R. (2) Άρα η αντίσταση R ισούται με (3) 4. Μέτρηση τάσης, ρεύματος και αντίστασης Το πολύμετρο επιτρέπει τη μέτρηση τάσης, ρεύματος και αντίστασης. Ορισμένα πολυμέτρα, επιτρέπουν τη μέτρηση και άλλων μεγεθών όπως χωρητικότητας, συχνότητας κλπ. Ανάλογα με το μετρούμενο μέγεθος πρέπει να γίνει η κατάλληλη επιλογή στους διακόπτες του πολυμέτρου. Πρέπει να επιλεγεί αν η μέτρηση αφορά τάση, ρεύμα ή αντίσταση, αν πρόκειται για DC ή AC και πρέπει να επιλεγεί η κατάλληλη κλίμακα. Όταν η τιμή του υπό μέτρηση μεγέθους είναι εντελώς άγνωστη, τότε πρέπει να γίνει επιλογή της μεγαλύτερης κλίμακας και σταδιακά να επιλέγεται η χαμηλότερη δυνατή. Η αρχική επιλογή της μεγαλύτερης κλίμακας γίνεται για να μην καταστραφεί το πολύμετρο και η απαραίτητη σταδιακή μείωση κλίμακας, γίνεται για να εμφανιστεί η μέτρηση με την καλύτερη δυνατή ακρίβεια αλλά και αξιοπιστία. COM Είδος μέτρησης Κλίμακα COM Είδος μέτρησης Κλίμακα Σχήμα 4: Πολύμετρα Το βολτόμετρο συνδέεται παράλληλα με το στοιχείο, την τάση του οποίου, μετράμε, ενώ το αμπερόμετρο σε σειρά, όπως φαίνεται στο Σχήμα 5. A + 0 20 Vdc - R V Σχήμα 5: Σύνδεση βολτομέτρου και αμπερομέτρου 4
Το βολτόμετρο παρουσιάζει μεγάλη αντίσταση και για το λόγο αυτό γενικά δεν διατρέχει μεγάλο κίνδυνο από την επιλογή λάθους κλίμακας. Αντίθετα, το αμπερόμετρο εμφανίζει πολύ μικρή αντίσταση και για το λόγο αυτό ένα μεγάλο ρεύμα μπορεί πολύ εύκολα να το διαρρεύσει χωρίς περιορισμό. Έτσι, η επιλογή της κατάλληλης κλίμακας στο αμπερόμετρο είναι πολύ σημαντική για να μην καταστραφεί. Για να μετρηθεί μία αντίσταση πρέπει να βρίσκεται εκτός κυκλώματος. Δεν αρκεί να μην υπάρχει τάση στο κύκλωμα, αλλά πρέπει η αντίσταση να είναι απομονωνόμενη, ώστε να μην υπάρχει τρόπος δημιουργίας κλειστού κυκλώματος κατά τη διάρκεια της μέτρησης. Επειδή είναι δύσκολο να απομονωθεί και να μετρηθεί μια αντίσταση που βρίσκεται πάνω σε ένα κύκλωμα, οι αντιστάσεις περιγράφουν την τιμή τους με έναν χρωματικό κώδικα. που αποτυπώνεται πάνω στην αντίσταση, με τον τρόπου που απεικονίζεται στο Σχήμα 6. Στο Πίνακα 1 εμφανίζεται η αντιστοιχία των χρωμάτων με αριθμούς. 1ο ψηφίο 2ο πολ/στής ανοχή ψηφίο 10 Χ Σχήμα 6: Χρωματικός κώδικας αντίστασης Πίνακας 1: Κωδικοί χρωμάτων αντίστασης Χρώμα Αριθμός Ανοχή Μαύρο 0 Καφέ 1 1 % Κόκκινο 2 2 % Πορτοκαλί 3 Κίτρινο 4 Πράσινο 5 0.5 % Μπλέ 6 0.25 % Μωβ 7 0.1 % Γκρι 8 0.05 % Λευκό 9 Χρυσαφί 5 % Ασημί 10 % Παράδειγμα Η διπλανή αντίσταση έχει τα εξής χρώματα: καφέ, μαύρο, πορτοκαλί, χρυσό Άρα η τιμές είναι: 1, 0, 3, 5 Άρα η τιμή βρίσκεται ως: 10 x 10 3 ±5 (%) Ω άρα R = 10ΚΩ ±5 (%) 5
5. Σχέσεις ισχύος Ισχύς P είναι η ενέργεια ως προς τη μονάδα του χρόνου. (4) και μονάδα είναι το 1 Watt (W). Ισχύει ότι (5) Επίσης (6) Έτσι προκύπτει, (7) 6. Γραφικές παραστάσεις Πολλές φορές οι μαθηματικές σχέσεις που περιγράφουν τη λειτουργία κάποιων εξαρτημάτων ή οι μετρήσεις που λαμβάνονται σε κάποιο εργαστήριο πρέπει να αποδοθούν με τη μορφή χαρακτηριστικών καμπυλών ή άλλων γραφημάτων. Οι γραφικές παραστάσεις αποτυπώνονται κυρίως σε τρία είδη χαρτιών με διάφορους τύπους κλίμακας και αυτά είναι το μιλλιμετρέ χαρτί, το λογαρισθμικό χαρτί και το ημιλογαριθμικό χαρτί. Το μιλλιμετρέ χαρτί έχει υποδιαιρέσεις σε γραμμική κλίμακα και στους δύο άξονες. Το λογαριθμικό χαρτί έχει υποδιαιρέσεις σε λογαριθμική κλίμακα και στους δύο άξονες. Οι υποδιαιρέσεις γίνονται με ισαπέχουσες αποστάσεις για τις δυνάμεις του 10. Έτσι, για παράδειγμα, από το 10 (10 1 ) μέχρι το 100 (10 2 ) ισαπέχει από το 100 (10 2 ) έως το 1000 (10 3 ) κ.ο.κ. Το ημιλογαριθμικό χαρτί έχει γραμμική κλίμακα στον κατακόρυφο άξονα και λογαριθμική κλίμακα στον οριζόντιο άξονα. Μιλιμετρέ χαρτί Λογαριθμικό χαρτί 6
Ημιλογαριθμικό χαρτί 7. Πολλαπλάσια Υποπολλαπλάσια Μονάδων Για την καλύτερη απεικόνιση των πολύ μεγάλων (πολλαπλάσια) και πολύ μικρών αριθμών (υποπολλαπλάσια) χρησιμοποιούνται σύμβολα που αντιστοιχούν σε δυνάμεις του 10. Οι αντιστοιχίσεις απεικονίζονται στον Πίνακα 2. Πίνακας 2: Σύμβολα πολλαπλασίων και υποπολλαπλασίων Δύναμη Ονομασία Σύμβολο 10 12 Tera T 10 9 Giga G 10 6 Mega Μ 10 3 Kilo Κ 10 0 10-3 mili m 10-6 micro μ 10-9 nano n 10-12 pico P 10-15 femto f 7
8
ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι (ΕΡ) Άσκηση 1 Όργανα και μετρήσεις συνεχούς ρεύματος ΕΠΩΝΥΜΟ ΟΝΟΜΑ Α.Μ. ΤΜΗΜΑ ΗΜ/ΝΙΑ ΔΙΕΞΑΓΩΓΗΣ:.... /..../ 20.. ΗΜ/ΝΙΑ ΠΑΡΑΔΟΣΗΣ:.... /..../ 20.. 9
Πρακτική Άσκηση 1) Μέτρηση Τάσης Ανοίξτε το τροφοδοτικό και συνδέστε το βολτόμετρο στην έξοδο ώστε να μετρήσετε την τάση του. Να θέσετε και να μετρήσετε τις παρακάτω τάσεις, επιλέγοντας την κατάλληλη κλίμακα στο πολύμετρο. Τάσεις: 0.5V, 1V, 2V, 5V, 10V. + - 2) Μέτρηση αντιστάσεων με ωμόμετρο Να θέσετε στο κιβώτιο αντιστάσεων τις παρακάτω τιμές αντίστασης και να τις μετρήσετε με το ωμόμετρο. Αντίσταση: 5Ω, 150Ω, 47ΚΩ, 250ΚΩ. 3) Ερωτήσεις I) Να συμπληρώσετε τους παρακάτω πίνακες Ι(A) Ι(mA) Ι(μA) 0.15 1.5 1.5 x 10-3 1.5 x 10-6 V I R(KΩ) 10V 10mA 30mV 15μΑ 0.5V 10mA 500mV 10mA 400mV 200μΑ A V R 10
II) Να κάνετε τις γραφικές παραστάσεις για τις παρακάτω μετρήσεις A B Vdc (V) I (ma) Vdc (V) I (ma) 3.0 0 0 0 2.8 20 0.5 4 2.6 40 0.55 8 2.4 60 0.58 20 2.2 80 0.6 56 2.0 100 (A) V dc (V) 3 2 1 0 I(mA) (B) Ι(mA) 60 40 20 0 Vdc (V) 11
12