Małgorzata Bochniak 03,styczeń,2000.

Fizyka, III rok

Poniedziałek, godzina 15¹⁵-18¹⁵

Ćwiczenie nr 21

BADANIE I WYKORZYSTANIE OSCYLOSKOPU.

ąąąccccc1. Wstęp teoretyczny.

Obwody RLC - to takie, w których skład wchodzą :

R - rezystancja (opornik omowy). Napięcie na oporniku wynosi

I=U∗R

L - indukcyjność (cewka). Napięcie na uzwojeniu wynosi

U=L

C - pojemność (kondensator). Napięcie na kondensatorze wynosi

U=

W zależności od tego z jakich elementów składa się badany układ , takie rozwiązujemy równania, korzystając z praw Kirchhoffa. W omawianym ćwiczeniu mamy do czynienia z układem RC oraz CR. Pierwszy z nich nazywamy całkującym (bo napięcie wyjścia jest proporcjonalne do całki napięcia wejścia), a drugi różniczkującym (bo napięcie wyjścia jest proporcjonalne do różniczki napięcia wejścia). Stała czasowa (t) takich układów, to czas ładowania, bądź rozładowania kondensatora, jest to iloczyn: oporu i pojemności

t=R∗C

Czwórnik elektryczny - jest to zastępcze przedstawienie dowolnego obwodu elektrycznego, w postaci pewnego układu o dwóch zaciskach wejściowych i dwóch zaciskach wyjściowych (mogą to być np. wzmacniacze impulsów elektronicznych). Czwórniki dzielimy na czynne (aktywne) - wewnątrz urządzeń znajdują się źródła energii, wpływające na sygnał przechodzący, i na bierne (pasywne) - nie mają wpływu na przechodzący sygnał. W obwodzie użytym w doświadczeniu ważne, są tylko te elementy, które zmieniają prąd (czynne).

Dioda - lampa służąca do prostowania prądu przemiennego. Diody dzielimy na:

1. diody próżniowe - lampy elektronowe z dwoma elektrodami - anodą i żarzoną katodą, które znajdują się w dokładnie odpompowanej bańce szklanej i przy zimnej katodzie nie może płynąć prąd. Po podgrzaniu katody w wyniku zjawiska termoemisji, elektrony mogą płynąć do anody. Zależność prądy anody I, płynącego przez diodę, do przyłożonego napięcia U, nazywamy charakterystyką diody.

2. diody półprzewodnikowe - przyrządy półprzewodnikowe, w których wykorzystuje się właściwości elektryczne złącza p-n. W wielu typach diod półprzewodnikowych wykorzystuje się nieliniową zależność natężenia prądu I, płynącego przez złącze p-n, od napięcia U na złączu. Zależność ta dla najczęściej stosowanego złącza p-n ma postać

I=I_s[exp(
)-1]

gdzie:

• I_s - prąd nasycenia złącza p-n,

• e - ładunek elektronu,

• T - temperatura bezwzględna,

• k - stała Boltzmanna

Prostownicze diody półprzewodnikowe (diody mocy) używane są do prostowania prądu zmiennego małych częstotliwości (do 50 kHz). Diody takie muszą wytrzymywać duże napięcie wsteczne, mieć małe prądy wsteczne, natomiast w kierunku przewodzenia, muszą przepuszczać bardzo duże prądy przy niewielkim spadku napięcia. Współczesne diody prostownicze wytwarza się z wysoko oporowego Ge i Si (germanu i krzemu).

Oscyloskop - jest przyrządem służącym do obserwowania zmian przebiegu napięcia i natężenia prądu w czasie. Oscyloskop składa się z:

1. działa - wyrzutni elektronowej, emitującej i skupiającej elektrony w cienką wiązkę.

2. układu odchylającego - strumień elektronów może być odchylony polem elektrycznym za pomocą płytek odchylających, lub polem magnetycznym za pomocą cewek odchylających.

3. generatora podstawy czasu - generuje napięcie liniowo zmieniające się w czasie (o tzw. przebiegu piłokształtnym), które jest doprowadzane bezpośrednio, lub za pomocą wzmacniacza odchylenia poziomego, do płytek lampy odchylających w poziomie.

4. ekranu luminescencyjnego - wysyła światło pod wpływem bombardowania elektronami z uprzednio odchylonej wiązki.

Każda para płytek odchylających jest kondensatorem płaskim. Po przyłożeniu do okładek napięcia wytwarza się w przestrzeni między nimi pole elektryczne, które odchyla przebiegający w tym obszarze strumień elektronów w kierunku dodatniej okładki. Stosunek wychylenia (d) plamki z pierwotnego położenia do napięcia (U) przyłożonego do płytek nazywamy czułością (W) lampy.

Dla prądu stałego

W=
,

dla prądu zmiennego

W=
.

2.Przebieg ćwiczenia.

Wszystko wykonuję zgodnie z instrukcją dołączoną do ćwiczenia.

Wyznaczanie czułości oscyloskopu

1. Tabelka do wyznaczania czułości oscyloskopu.

U[V]	dy[m]	dx[m]
0,2	0,0006	0,0012
0,4	0,0010	0,0022
0,6	0,0016	0,0032
0,8	0,0020	0,0044
1,0	0,0026	0,0054

2. Dane do wyznaczania częstotliwości generatora:

a)Częstości odczytane bezpośrednio z częstościomierza;

- 240 Hz

- 460 Hz

- 2000 Hz

b)Częstości odczytane z generatora wzorcowego(dla tych samych punktów):

Częstość na generatorze [Hz]	Częstość dla I harmonicznej [Hz]
240	240
460	460
2000	2000

Częstość na generatorze [Hz]	Częstość dla II harmonicznej[Hz]
120	240
230	460
1000	2000

Częstość na generatorze [Hz]	Częstość dla III harmonicznej [Hz]
80	240
153	460
667	2000

Obraz z oscyloskopu dla:

• 
  pierwszej harmonicznej

• drugiej harmonicznej

• trzeciej harmonicznej

3.Wyznaczanie stałych czasowych:

a) Układ całkujący:

Tabela do wyznaczania stałych czasowych:

R	C	t
R	C	RC
0,2R	0,1C	0,02RC
0,05R	0,01C	0,00005RC

Otrzymany oscylogram:

b) Układ różniczkujący:

Tabela do wyznaczania stałej czasowej:

R	C	T
R	C	CR
0,5R	25C	12,5CR

Otrzymany oscylogram:

4. Badanie prostownika jednopołówkowego i dwupołówkowego:

1. Otrzymany oscylogram dla prostownika jednopołówkowego:

b) Otrzymany oscylogram dla prostownika dwupołówkowego

3. Opracowanie wyników pomiarów.

Wykres zależności wychylania dx oraz dy w funkcji przykładanego napięcia:

Wykres zależności wychylenia dx w funkcji przykładanego napięcia:

Wykres zależności wychylenia dy w funkcji przykładanego napięcia:

Wykres zależności czułości odchylania X i Y oscyloskopu, ustalając jednakowe wzmocnienie wzmacniaczy X i Y :

4.Opracowanie błędów:

Podczas szukania zależności U od dx i dy błąd wynikał z niedokładności woltomierza błąd wyznaczamy ze wzoru:

; gdzie

zatem:

z = 1V;

k = 0,5;

i = 100;

z tego wynika, że błąd wynosi:

ΔU=0,02[V]

Błąd mógł wyniknąć również z dokładności odczytywania dx i dy, które to odczytywaliśmy z dokładnością:

Δx=0,002[m]

Δy=0,002[m]

Błędy standardowe zaznaczono na wykresach zależności dx i dy od przykładanego napięcia.

5. Wnioski.

Podczas realizacji pierwszego punktu doświadczenia obserwujemy, że przy wzroście przykładanego napięcia zmieniają się położenia naszych sygnałów na ekranie oscyloskopu. Łatwo zauważyć, że zmiana położenia na osi x jak i na osi y jest proporcjonalna do napięcia, i na dodatek w granicach błędu pomiarowego jest to proporcjonalność o tym samym współczynniku. Płynie z tego wniosek, że również zależność y od x jest liniowa.

Opracowując drugi punkt zauważyć można to, że do wielu zastosowań oscyloskopu można dodać jeszcze jedno: wyznaczanie częstotliwości generatora. Mierząc częstotliwość metodą bezpośrednią, jak również za pomącą generatora wzorcowego stosując I, II, III harmoniczną, możemy wyznaczyć częstotliwość badanego generatora. Wyniki są zbliżone do tych, które otrzymaliśmy przy pomocy częstościomierza.

Podając na wejście impulsy prostokątne przechodzące przez zaproponowany układ całkujący i różniczkujący możemy wyznaczyć stałą czasową, a na podstawie otrzymanych oscylogramów możemy zorientować się widząc tylko oscylogram jaki jest to układ: różniczkujący, czy całkujący - wiedząc tylko, że na wejściu podany był sygnał prostokątny.

W czwartym punkcie badaliśmy prostowniki jednopołówkowe i dwupołówkowe. Łatwo zauważyć również, że najlepiej wyprostowany prąd był wtedy, kiedy podłączyliśmy największy opór i kondensator o największej pojemności.W doświadczeniu tym wyniki w granicach błędu dają wartości zgodne z teorią.

Oscyloskop jest bardzo wszechstronnym urządzeniem, które może spełniać rolę miernika napięcia skutecznego i szczytowego, zarówno prądu zmiennego, jak i stałego, po wprowadzeniu dodatkowego oporu można mierzyć natężenie prądu. Oscyloskop może spełniać także rolę częstotliwościomierza i wiele innych wynikających z potrzeb użytkownika. Przede wszystkim jednak jest to urządzenie, które graficznie przedstawia to, czego normalnie nie można zaobserwować - przebiegi (zmiany) mierzonej wielkości w czasie.

8

8

GENERATOR

Dla:

C = 25C

R = 0,5R

GENERATOR

G E N E R AT O R

z - zakres

k - klasa przyrządu

i - ilość przedziałek

---