DCE Lucrarea nr. 1 Aparatura de laborator Măsurarea diferitelor componente, realizarea de montaje

DCE Lucrarea nr. 1 Aparatura de laborator Măsurarea diferitelor componente, realizarea de montaje I. OBIECTIVE a) Deprinderea utilizării aparatelor de laborator (sursă de tensiune, multimetru digital, generator de semnale, osciloscop catodic) necesare studiului experimental a unor dispozitive şi circuite electronice. b) Înţelegerea principiului de funcţionare al osciloscopului catodic. II. SUPORT TEORETIC Deoarece cărţile tehnice şi manualele de utilizare pentru aparatele de laborator nu sunt tocmai uşor de găsit, în continuare se prezintă succint modul de utilizare al fiecărui aparat şi principiul de funcţionare al osciloscopului catodic. Multimetrul digital 1. Noţiuni generale Multimetru digital este un aparat electronic cu ajutorul căruia putem măsura rezistenţe, tensiuni şi curenţi (de c.c. şi c.a.). Pentru semnalele de curent alternativ sinusoidal este măsurată valoarea efectivă. Prelucrarea semnalelor şi afisarea rezultatelor este digitală. 2. Elemente de comandă, semnalizare şi acces a multimetrului digital DM302 Multimetrul digital DM302 are afişaj de 3 1/2 digiţi, valoare maximă afişată fiind 1999. Pentru fiecare mărime aparatul este prevăzut cu mai multe domenii de măsurare. O precizie de citire cât mai bună se obţine folosind domeniul cu capătul de scală cel mai mic, fără a avea depăşire de scală ( 1 aprins pe prima poziţie, celelalte poziţii fiind stinse). Panoul frontal al multimetrului este prezentat în Fig. 1.2. 1 DM302 DC V AC V DC A 2 5 Fig. 1.1. Panoul frontal al multimetrului digital OHM 4 DM-302 3 Descrierea elementelor de pe panoul frontal al multimetrului digital DM302 este prezentată in tabelul 1.1. 1

NUME NR. FUNCŢIE ELEMENT ELEMENT ELEMENT Afişaj 1 afişaj LCD ( cu cristale lichide ) 3 1/2 digiţi Comutator mod de lucru Borne de măsură Osciloscopul catodic 2 3 2 Tabelul 1.1 OFF: aparatul este oprit DCV: 5 domenii pentru măsurarea tensiunii continue (max. 1000V) OHM: 5 domenii pentru măsurarea rezistenţei (max 2MΩ) : se poate verifica o joncţiune pn; este afişată căderea de tensiune pe diodă. : este generat un semnal dreptunghiular axat pe 0V, cu amplitudine de 5V şi frecvenţa de KHz. 10A: domeniu pentru măsurarea valorilor mari a intensitaţii curentului continuu (max. 10A) DCA: 5 domenii pentru măsurarea intensitaţii curentului continuu (max. 2A) ACV: 2 domenii pentru măsurarea valorii efective a tensiunii alternative (max 750V) COM: borna de referinţă (fir rece, masă, - ) faţă de care se fac toate măsurătorile; de obicei firul care se aplică acestei borne are culoarea neagră 4 VΩmA:borna de măsură (fir cald, + ); de obicei firul ce se aplică acestei borne este de culoarea roşie pentru toate mărimile de măsurat cu excepţia curentului continuu cu intensitate mai mare de 2A 5 10A: borna de măsură (fir cald, + ) numai pentru măsurarea valorilor mari a intensităţii curentului continuu (max. 10A) 1. Noţiuni generale Osciloscopul este un aparat electronic ce permite vizualizarea pe ecranul unui tub catodic a curbelor ce reprezintă variaţia în timp a diferitelor mărimi sau a curbelor ce reprezintă dependenţa dintre două mărimi. Imaginile obţinute pe ecran se numesc oscilograme. Osciloscopul poate fi utlizat pentru: -vizualizarea variaţiei în timp a tensiunilor electrice, precum şi măsurarea parametrilor acestora: valoare vărf la vărf, amplitudine, valoarea componentei continue, perioada (frecvenţa); -vizualizarea relaţiei dintre două tensiuni variabile în timp, putând determina raportul frecvenţelor tensiunilor şi defazajul dintre ele. -trasarea curbelor caracteristice ale unor dispozitive sau materiale (caracteristici statice ale unor dispozitive sau circuite electronice, ciclu de histerezis al materialelor feromagnetice, etc.) 2 Principiul de funcţionare Schema bloc a unui osciloscop catodic este prezentată în Fig. 1.4. At X,At Y - atenuatoare pentru semnale v x,v y ; micşorează semnalele prea mari înainte de a fi aplicate amplificatoarelor Ax, Ay Ax, Ay- amplificatoare pentru semnalele v x, v y ; amplifică semnalul de studiat prea mici înainte de a fi aplicate păcilor de deflexie Px, Py

GBT - generatorul bazei de timp (generatorul de baleaj); generează tensiunea liniară variabilă în timp (dinte de fierăstrău) ce se aplică plăcilor de deflexie Px pentru lucrul în modul Y-t CSi- circuitul de sincronizare, sincronizează baza de timp fie cu semnalul de vizualizat, fie cu un alt semnal din exterior CSt-circuitul de stingere; asigură stingerea spotului pe durata cursei de întoarcere Px, Py- placile de deflexie pe orizontală, respectiv pe verticală TC- tub catodic E- ecranul fluorescent al tubului catodic K- catod termoemisiv Vy At Ay Py Vy P Y CS GB K TC X Vx At 1 2 C A CSt Vx 0 Fig. 1.2. Schema bloc a osciloscopului catodic Partea esenţială a osciloscopului catodic este tubul catodic TC, reprezentat simplificat în Fig. 1.4. Acesta este un tub cu vid în care se formează prin emisie termoelectronică un fascicul de electroni orientat axial. Electronii emişi de catodul K bombardează ecranul fluorescent E, care transformă energia lor cinetică în energie luminoasă, astfel încăt în punctul de impact apare o pată luminoasă numită spot. După încetarea bombardării unui punct al ecranului luminozitatea lui mai persistă un anumit timp, numit remanenţa ecranului. La tuburile catodice uzuale, remanenţa ecranului este foarte mică, de ordinul fracţiunilor de secundă. În drumul lor de la catodul K la ecranul E, electronii trec printre două placi metalice Py şi printre două plăci metalice Px, cele două perechi de plăci fiind dispuse perpendicular una pe alta (Fig. 1.4). Cu ajutorul plăcilor se poate comanda traectoria electronilor, deviindu-i de la direcţia axială; astfel se comandă poziţia spotului pe ecran. Pentru devierea spotului după direcţia orizontală OX se aplică o tensiune Vx plăcilor Px, creându-se între ele un câmp electric orizontal. Pentru devierea spotului după direcţia verticală OY se aplică o tensiune Vy plăcilor Py, creându-se între ele un câmp electric vertical. Deoarece timpul în care ajung electronii de la plăci la ecran este neglijabil de mic, deviaţiile x şi y ale spotului pe ecran sunt în fiecare moment proporţionale cu valorile instantanee ale tensiunilor Vx, respectiv Vy: xt () = SxVxt () yt () = SyVyt () (Sx şi Sy sunt constante şi reprezintă sensibilitatea tubului catodic pe orizontală, respectiv pe verticală; ele se exprimă în cm/v). Relaţiile de mai sus reflectă propietatea fundamentală pe care se bazează funcţionarea osciloscopului catodic. Ca urmare spotul se va deplasa după direcţiile OX şi OY în acelaşi ritm în care variază tensiunile Vx şi Vy. Osciloscopul poate funcţiona în două moduri: - modul Y-t : pe ecran apare curba y(t) 3

- modul Y-X : pe ecran apare o curbă ce reprezintă relaţia y(x), prin eliminarea timpului între cele două variaţii x(t) şi y(t). Modul Y-t Pentru ca traiectoria ce apare pe ecran să reprezinte curba y(t), este necesar ca plăcilor Px să li se aplice o tensiune proporţională cu timpul: Vx = k X t Tensiunea Vx este o tensiune periodică liniar variabilă (dinte de fierăstrău) (Fig. 1.5.) obţinută de la generatorul bazei de timp cu comutatorul C pe poziţia 1 (Fig. 1.4.) V x t t1 t2 Fig. 1.3 Tensiune liniar variabilă În intervalul [t1,t2] spotul se deplasează de la stânga spre dreapta, pe ecranul osciloscopului. Dacă la intrarea Y a oscilocopului se aplică o tensiune variabilă, spotul va avea o deplasare şi pe verticală, descriind curba y(t). În intervalul [t2,t3] are loc revenirea spotului în partea stângă a ecranului. Pentru ca traiectoria de revenire să fie invizibilă pe ecran se foloseşte un circuit de stingere ce reduce la zero intensitatea fasciculului de electroni în intervalul [t2,t3]. Imaginea pe ecran va fi stabilă şi clară dacă perioada semnalului de vizualizat va fi un submultiplu întreg al perioadei bazei de timp: 1 T k T k N VY = VX ; Pentru realizarea acestei condiţii, generatorul bazei de timp are frecvenţa reglabilă şi există posibilitatea sincronizării ( momentul începerii pantei crescătoare a fiecărui dinte de fierăstrău) ei prin circuitul de sincronizare, fie cu semnalul de vizualizat, fie cu un semnal din exterior (Fig. 1.4). Pentru semnalele Vx şi Vy din Fig. 1.6. se obţine oscilograma din Fig. 1.7. Generatorul bazei de timp poate funcţiona (la alegere ) fie în mod continuu (automat), fie în mod declanşat. La funcţionarea în mod continuu se generează semnal liniar variabil (dinte de fierăstrău) tot timpul, indiferent dacă există sau nu semnal de intrare, pe când în mod declanşat semnalul de studiat va declanşa generarea fiecărui dinte de fierestrău (şi deci a baleajului ) atunci când el atinge un anumit nivel - nivel ce se poate regla cu ajutorul unui potenţiometru. În modul declanşat pot fi vizualizate şi semnale neperiodice. Vy V t t Fig. 1.4. Tensiunile pe plăcile Py şi Px Fig. 1.5. Oscilogramă 4

Observaţie: În modul de lucru cu baza de timp declanşată, dacă la intrare nu se aplică semnal, spotul nu baleiază ecranul (baza de timp nu generează dinte de fierestrău ), deci pe ecranul osciloscopului nu apare trasa (linie luminoasă orizontală de culoare verde). Modul X-Y În acest mod de lucru baza de timp se decuplează (comutator C în poziţia 2, Fig. 1.4.) şi pe plăcile Px se aplică un semnal din exterior. Pe ecran se obţine o curbă y(x) care nu depinde de timp. Acest mod de lucru se foloseşte pentru ridicarea caracteristicilor statice ale unor dispozitive sau circuite electronice. 3. Elemente de comandă, semnalizare şi acces ale osciloscoapelor E-0103 şi XJ-4245 Panourile frontale ale celor două osciloscoape sunt prezentate în Fig. 1.8, respectiv Fig. 1.9. În tabelul 1.4. sunt descrise elemente de comandă, semnalizare şi acces pentru osciloscopul de producţie chinezească XJ-4245 şi pentru osciloscopul de producţie românească E-0103. 1 2 3 5 4 OSCILLOSCOPE E 0103-A 15 8 6 9 PWR EXT 10 7 11 47 48 50 49 46 45 44 42 43 41 40 39 Y A Y B V/DIV V/DIV TIMP/DIV 12 13 14 19 21 18 20 22 23 17 24 28 29 25 38 37 35 32 34 33 36 51 52 31 30 27 26 Fig.1.6. Panoul frontal al osciloscopului E - 0103 5

15 8 9 16 17 14 13 18 24 25 XJ-4245 OSCILLOSCOPE DC 10MHz POS POS LEVEL Y1 VOLTS/div Y2 VOLTS/div X TIME/div 23 22 27 INTEN FOCUS POS Y1 Y2 EXT TRIG 31 2 1 3 4 6 7 19(a-g) 10 20 11 21 12 28 26 29 30 Tabelul 1.2. NUME NUMĂR ELEMENT FUNCŢIE ELEMENT ELEMENT XJ-4245 E-0103 1 2 3 4 Comutator pornit-oprit Indicator optic al funcţionării Luminozitate Focalizare Astigmatism Semnalizare poziţie spot Iluminare scală ecran Deplasarea pe orizontală Fig.1.7. Panoul frontal al osciloscopului XJ - 4245 1 PULL POWER ON POWER 14 6 Prin tragerea comutatorului osciloscopul este alimentat cu tensiune de 220V c.a. 2 14 LED-ul (becul) se aprinde când osciloscopul este pus sub tensiune INTEN INTENSITY prin rotirea potenţiometrului se 1 4 controlează intensitatea trasei FOCUS FOCUS prin rotirea potenţiometrului se 3 3 controlează focalizarea spotului ASTIIG ASTIGMA- se foloseşte în conjuncţie cu focalizarea (pe panoul TIZM pentru a obţine un spot bine definit din spate) 2 _ 1 semnalizează poziţia spotului faţă de ecran (sus, jos, dreapta, stânga) SCALE reglarea continuă a iluminării caroiajului _ LIGHT de pe ecranul osciloscopului 5 POS 7 POSITION 8,15 deplasarea oscilogramei spre dreapta sau stânga 1 2 3 4 Deplasarea 16,18 52,34 deplasarea oscilogramei pe verticală pe

pe verticală POS POSITION canalul Y1(YA),respectiv Y2(YB) 7 PULL5MAG oscilograma se dilată pe orizontlă dacă butonul este tras Extindere 9,13 PULL5MAG cu butonul tras oscilograma se dilată pe verticală pentru canalul Y1, respectiv Y2 9 MAGNIFIER oscilogrma se dilată de 10 ori atât pe orizontală cât şi pe verticală Echilibrare 15,17 BAL 45,43 DC BAL se reglează echilibrarea amplificatoarelor pe verticală pe fiecare din cele 2 canale Atenuator pe VOLTS/DIV 8,14 V/DIV 50,38 reglaj în trepte al coeficientului de deviaţie verticală pe fiecare din cele două canale verticală 9,13* VAR VARIABLE 49,37* reglaj fin al coeficientului de deviaţie pe verticală pe fiecare din cele două canale Polaritate _ POLARITY 51,33 semnalul de intrare pe cele 2 canale este afişat deasupra liniei de referinţă: +UP, Baza de timp Selectarea unităţii de timp Declanşarea bazei de timp Modul de cuplare al semnalului de intrare Mod de lucru TIME/DIV 22,23* VAR μs 27 ms LEVEL 25 HF AC AC 19 a b f g DC DC NORM 20 Y-X TIME/DIV 29 VARIABLE 28* _ AUTO DECL 31 MONO 47 AC 39 GND DC TIME BASE 10 1V/DIV 10V/DIV sau sub linia de referinţă -UP alegerea în trepte a coeficienţilor de deviaţie pe orizontală pentru ambele canale reglaj fin al coeficienţilor de deviaţie pe orizontală selectează unitatea de măsură a timpului: apăsat: μs relaxat : ms AUTO : baza de timp lucrează automat: generează continuu tensiune liniar variabilă; apare trasa şi în absesnţa semnalului de intrare DECL: baza de timp lucrează declanşat: generarea dintelui de fierăstrău este declanşată de semnalul de studiat sau de un semnal extern de sincronizare MONO: baza de timp este declanşată o singură dată comutatorul în pozitie normală: baza de timp lucrează declanşat (vezi mai sus) comutatorul tras: baza de timp lucrează automat (vezi mai sus) pe fiecare canal, amplificatorului pe verticală i se aplică : DC: direct semnal de intrare AC: semnalul de intrare trece printr-un condensator ce taie componenta continuă, (GND): un potenţial egal cu potenţialul de referinţă (masă) al osciloscopului modul de lucru Y-t: NORM, (TIME BASE) modul de lucru Y-X: Y-X, (1V/DIV sau 10V/DIV) 1 2 3 4 DUAL SINGLE: afişează semnalul de pe un canal 7

Lucrul în modul Y-t: se vizualizează variaţia tensiunii în funcţie de timp Lucrul în modul Y-X (se vizualizează caracteristici statice sau Figuri Lisssajous Sincronizare (TRIGGER) 9e SINGLE Y1 ALT 9c 9d Y2 CHOP NORM 21 XALT NORM 20 Y-X 31 EXT TRIG EXT 26 INT + 28 - A B 35 (ALT,CHOP, A+B) ALT CHOP A+B 32 TIME BASE 10 1V/DIV 10V/DIV în funcţie de poziţia butonului 9c: Y1 sau Y2 DUAL: semnalele de pe ambele canale sunt afişate simultan prin două procedee: ALT: afişarea este comutată de la un canal la celălalt la începutul fiecărei pante crescătoare a tensiunii liniar variabile CHOP: afişarea este comutată de la un canal la altul cu o frecvenţă fixă A: afişează semnalul aplicat la YA B: afişează semnalul aplicat la YB A+B: afişează suma semnalelor aplicate la intrările YA şi YB (ALT,CHOP,A+B): semnalele aplicate la YA şi YB sunt afişate alternat sau comutat sau adunat (în funcţie de poziţia comutatorului 32) cele două semnale aplicate la intrările Y1 şi Y2 sunt afişate în jumătatea stângă, respectiv dreaptă a ecranului pe poziţia Y-X -la intrarea amplificatorului pe X este cuplat unul din semnalele de intrare Y1 sau Y2 în funcţie de poziţia butonului 19c, celălalt semnal fiind aplicat amplificatorului pe verticală pe poziţia 1V/DIV sau 10V/DIV -intrarea amplificatorului pe X este cuplată la borna EXT 11 EXT mufă BNC pentru aplicarea semnalului extern în mod de lucru X-Y 19 mufa BNC la care se aplică semnal de sincronizare extern ca şi semnal de sincronizare se foloseşte: EXT: semnal aplicat la mufa EXT TRIG EXT INT: unul din semnalele aplicate la 21 intrarea celor 2 canale în funcţie de poziţia INT comutatoarelor: 9c -osciloscopul XJ-4245 36 -osciloscopul E-0103 AB COMP 36 TRIGGER TRIGGER, + 17 - sincronizare cu semnalul aplicat la canalul A sau B sau cu un semnal compus (compunere algebrică) alegerea pantei pozitive sau negative a semnalului de sincronizare 8

DCE Lab1 Nicolae Patache 2006 2007 1 2 3 4 AC 29 DC (AC) Cuplarea semnalului de sincronizare Nivel de sincronizare Aplicare semnal intrare LINE 30 NORM LEVEL 25 HF Y1 Y2 10 12 DC 18 LF HF LEVEL 25 semnalul extern de sincronizare este cuplat direct (DC) sau printr-un condensator LINE: sincronizarea se face cu frecvenţa sursei de alimentare a osciloscopului (220V a.c.) sincronizare cu semnal extern cuplat: direct (DC) prin FTJ: 10Hz...2MHz(LF) prin FTS: 2KHz..50MHz(HF) reglarea nivelului tensiunii cu care se face sincronizarea YA YB mufe BNC la care se aplică semnalul de 48 40 intrare prin intermediul sondelor (conductor ecranat) Masa 11 13 borna de masă legată atât la şasiul Stabilitate STAB 24 STAB 24 4 CALIBRA- Calibrare XCAL TOR 6 6,7 Reţinere _ HOLD ON 26 32 TRACE Rotire trasă pe panoul ALIGNEdin spate MENT 12 GATE OUT Ieşire poartă _ pe panoul din spate Ieşire TLV _ SWEEP OUT panou spate Modulaţie Z Z- MODULA- TION INPUT panou spate aparatului căt şi la împământare controlează modul de funcţionare al circuitului de baleiaj ( reglajul stabilităţi) borne de ieşire pentru semnal dreptunghiular cu frecvenţa de 1KHz şi amplitudinea înscrisă pe panoul frontal eliminarea sincronizării multiple reglarea paralelismului trasei cu liniile reticulare orizontale de pe ecranul osciloscopului mufă BNC ce furnizează semnal dreptunghiular având frecvenţa bazei de timp mufă BNC ce furnizează tensiune liniar variabilă mufă BNC de intrare pentru modularea luminozităţii spotului * Dacă potenţiometrele nu sunt pe poziţia calibrat ; maxim dreapta (CAL D) pentru osciloscopul XJ4245, respectiv maxim stânga (CAL) pentru osciloscopul E-0103, indicaţiile comutatoarelor pentru reglajul în treapte nu sunt valabile (necalibrare). 9

DCE Lab1 Nicolae Patache 2006 2007 10

DCE Lab1 Nicolae Patache 2006 2007 Reguli de masurare a tensiunilor pentru gamele de masura: 1, 10, 100, 1000 citirea valorii tensiunii masurate se efectueaza pe scara 0,,10. pentru gamele de masura: 2.5, 25, 250 citirea valorii tensiunii masurate se efectueaza pe scara 0,,25. pentru gama de masura 500 citirea valorii tensiunii masurate se efectueaza pe scara 0,,50. valoarea din capatul scarii de masura = valoarea gamei de masura selectate valorile din interiorul scarii de masura se transforma in functie de valoarea din capatul scarii Reguli de masurare a curentilor pentru gamele de masura: 1mA, 100mA, 1A citirea valorii curentului masurat se efectueaza pe scara 0,,10. pentru gamele de masura: 0.25mA, 25mA citirea valorii curentului masurat se efectueaza pe scara 0,,25. pentru gama de masura 50uA, 5mA, 5A citirea valorii curentului masurat se efectueaza pe scara 0,,50. valoarea din capatul scarii de masura = valoarea gamei de masura selectate valorile din interiorul scarii de masura se transforma in functie de valoarea din capatul scarii 11

DCE Lab1 Nicolae Patache 2006 2007 Masurarea curentului electric in cadrul lucrarilor de laborator = metoda indirecta Se masoara tensiunea de pe rezistenta prin care se doreste sa se afle curentul si se foloseste legea lui Ohm Masurarea rezistoarelor Se poate realiza in mai multe moduri: 1. masurarea rezistoarelor cu ajutorul ohmetrului Se realizează montajul din figura: Ohmetru R Masurarea se va face pe toate domeniile ohmetrului verificand punctul de zero. Calibrarea aparatului Se selecteaza o gama de masura pentru rezistente Se introduce un şunt (un scurtcircuit) intre intrarile aparatului Se actioneaza potentiometrul de calibrare pina cind acul indicator ajunge la valoarea 0 pe scara Ω Daca acul indicator nu reactioneaza => aparatul nu are baterie => nu se pot masura rezistente 12

DCE Lab1 Nicolae Patache 2006 2007 2. Măsurarea rezistoarelor cu ajutorul ampermetrului şi al voltmetrului in montaj aval Realizati montajul din figura cu sursa necuplata respectand cu stricteţe polaritaţile + Sursă stabilizată - + - A V + - R Înainte de conectarea sursei puneţi instrumentele de masurat pe domenii superioare valorilor la care va asteptati pentru curent si tensiune ( daca nu puteţi aprecia aceste valori puneţi instrumentele pe domeniu cel mai mare) pe parcursul lucrarii reveniţi treptat la domenii pe care citirea se face comod şi precis. Valoare rezistorului R=U/I 3. Măsurarea rezistoarelor cu ajutorul ampermetrului şi al voltmetrului in montaj amonte Realizati montajul din figura cu sursa necuplata respectand cu stricteţe polaritaţile + Sursă stabilizată - V + - + - A R Înainte de conectarea sursei puneţi instrumentele de masurat pe domenii superioare valorilor la care va asteptati pentru curent si tensiune ( daca nu puteţi aprecia aceste valori puneţi instrumentele pe domeniu cel mai mare) pe parcursul lucrarii reveniţi treptat la domenii pe care citirea se face comod şi precis. Valoare rezistorului R=U/I Având de-acum la dispoziţie tot echipmentul necesar, vom începe împreună ascensiunea spre piscurile învăluite în mister ale electronicii. 13