II EE-DI 2012 01.03.2012 Rzeszów

LABORATORIUM - ELEKTRONIKA

NUMER ĆWICZENIA: 1

TEMAT ĆWICZENIA:

Przyrządy pomiarowe i podstawy miernictwa w laboratorium elektronicznym

Damian Kielar

L2

B) POMIARY

1.Spis użytych przyrządów w pomiarach

1) Zasilacz stabilizowany METEX typ 9160
Podstawowe parametry zasilacza:

• napięcie wyjściowe 0÷+5V 0÷-15V 0÷+30V

• max. prądy wyjściowe 2A 1A 3A

Zasilacz stabilizowany typ 9160 posiada ponadto następujące układy funkcjonalne:

• miernik napięć i prądów

• zespół przełączający miernik

• dwa wieloobrotowe potencjometry regulacyjne do ustawiania

wybranych napięć wyjściowych niezależnie od siebie w zakresie 0÷+5V oraz napięć ±30V.

Dane techniczne:

• zasilanie: 230 ±10%, 50Hz

• pobór mocy : ≤ 140VA

• zakres temperatur pracy : +0°C ÷ 40°C

2) Multimetr typ V562

Dane techniczne:

• zakres pomiaru napięcia, DC : 200mV, 2V, 20V, 200V, 2000V

• zakres pomiaru napięcia, AC : 200mV, 2V, 20V, 200V, 2000V

• dokładność, zakres prądu przemiennego : ±(0,5% rdg + 0,02% range)

• dokładność, zakres napięcia prądu zmiennego:.±(1% rdg + 0,05% range)

• dokładność, zakres prądu stałego: ±0,5% rdg + 0,02% range)

• dokładność, zakres napięcia prądu stałego: ±(0,5% rdg + 0,02% range)

• zakres pomiaru prądu AC: 2mA,20mA,200mA,2A

• zakres pomiaru prądu DC : 2mA,20mA,200mA,2A

• zakres pomiaru częstotliwości : 3Hz to 300kHz

• masa : 3.6kg

3) Generator Metex Universal system MS-9150

Dane techniczne:

• generowane przebiegi : sinus, prostokąt, trójkąt, sinus ukośny, zbocze, piłokształtny, impulsowy, prostokątny TTL

• czestotliwość: 0,2Hz do 2MHz

• zewnętrze napięcie regulacji : 0 do 10 V DC

4) Oscyloskop DS 03062A

2. Pomiary wartości elementów i wyznaczanie charakterystyk I=f(U)

a) Pomiar rezystancji 5-u rezystorów

Schemat układu

Rezystory dobieramy z dużego przedziału ich wartości rezystancji oraz różnych mocy.

Odczytujemy wartość rezystancji na rezystorze i na tej podstawie ustawiamy na multimetrze odpowiedni zakres pomiarowy.

Wyniki pomiarów i wartości odczytane

b) Pomiar rezystancji 5-u kondensatorów

Schemat układu

Kondensatory dobieramy z dużego przedziału ich wartości pojemności oraz różnych typów konstrukcji (elektrolityczne, ceramiczne)

Wyniki pomiarów i wartości odczytane

c) charakterystyka prądowo napięciowa I=f(U) wybranego rezystora

schemat układu do pomiaru rezystancji metodą techniczną

- obliczenie prądu maksymalnego oraz napięcie maksymalnego:

R = 3.59 kΩ = 3590 Ω

P = 250mW = 0,25 W

P = I_max² ∙ R → I_max = = 0,00834 A = 8,34 mA

U_max = I_max ∙ R = 29,9 V

Regulując wartość napięcia zasilaczem mierzymy prąd płynący przez rezystor

Tabela wyników

R=3,59 kΩ	U[V]	I [mA]	P[W]
	0,51 1,01 1,51 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00	0,14 0,28 0,42 0,556 0,696 0,838 0,973 1,111 1,252 1,391	0,07 0,28 0,63 1,112 1,74 2,514 3,4055 4,444 5,634 6,955

Rezystor jest elementem liniowym, biernym, co znaczy ,że jego odpowiedź jest

proporcjonalna do wymuszenia, czyli prąd płynący przez rezystor jest wprost

proporcjonalny do przyłożonego napięcia.

d) charakterystyka prądowo napięciowa I=f(U) termistora K470R

schemat układu

- obliczenie prądu maksymalnego oraz napięcie maksymalnego:

R = 470 Ω

P = 8 mW = 0,8 W

P = I_max² ∙ R → I_max = = 0,041 A = 41,3 mA

U_max = I_max ∙ R = 19,3 V

Wyniki pomiarów

R=470Ω	U[V]	I [mA]	P[W]
	5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5	11,6 10,52 9,3 8,03 6,77 5,56 4,4 3,24 2,11 1,05	0,058 0,04734 0,0372 0,028105 0,02031 0,0139 0,0088 0,00486 0,00211 0,000525

Charakterystyka prądowo napięciowa termistora

Zależność mocy wydzielającej się w termistorze od napięcia

Termistor jest elementem nieliniowym. Oznacza to, że jego odpowiedź nie jest proporcjonalna do wymuszenia ponieważ nie zależy tylko od niego, ale również od temperatury elementu. W ściśle określonych warunkach możliwe jest uzyskanie na termistorze charakterystyki takiej jak rezystora, ale jest to trudne, ponieważ wymaga zachowania stałej temperatury elementu z dokładnością dziesiętnych części stopnia.

Termistory możemy podzielić na 3 typy:

- NTC - o ujemnym współczynniku temperaturowym (ang. Negative Temperature

Coefficient) – wzrost temperatury powoduje zmniejszanie się rezystancji;

- PTC - o dodatnim współczynniku temperaturowym (ang. Positive Temperature

Coefficient), tak zwany pozystor - wzrost temperatury powoduje wzrost

rezystancji;

-CTR - o skokowej zmianie rezystancji - wzrost temperatury powyżej określonej wartości

powoduje gwałtowny wzrost rezystancji tzw. bezpieczniki polimerowe

e) Pomiar parametrów przebiegów napięcia w czasie

schemat układu

Wyniki pomiarów

przebieg sinusoidalny :

- amplituda napięcia: U_max =3,5 [V]

- napięcie skuteczne: $U_{V} = \frac{U_{\max}}{\sqrt{2}} = 2,48\lbrack V\rbrack$

- napięcie międzyszczytowe: U_p-p= 2 [V]

- częstotliwość przebiegu: f =1 [kHz]

przebieg prostokątny:

- amplituda napięcia: U_max =5,1 [V]

- napięcie skuteczne: U_v=5,1 [V]

- napięcie międzyszczytowe: U_p-p= ,3,5 [V]

- częstotliwość przebiegu: f =5 [kHz]

przebieg piłokształtny:

- amplituda napięcia: U_max =3,4[V]

- napięcie skuteczne : $U_{V} = \frac{U_{\max}}{\sqrt{3}} = 1,98\lbrack V\rbrack$
- napięcie międzyszczytowe: : U_p-p=1,8[V]

- częstotliwość przebiegu: f =20 [kHz]

C opracowanie

Układ poprawnie mierzonego prądu- stosuje się do pomiaru rezystancji dużych,

gdy R_X ≫ R_A . Wynik pomiaru obliczany jest jako:

Wynik ten obarczony błędem metody, wynikającym z pominięcia spadku napięcia

na amperomierzu. Poprawną wartość należy liczyć jako:

$$R_{\text{xp}} = \frac{U_{V} - U_{A}}{I_{A}}$$

Względny błąd metody w układzie poprawnie mierzonego prądu jest zawsze

dodatni, a oblicza się go z zależności:

$$\delta_{m} = \frac{R_{A}}{R_{X}}$$

Układ poprawnie mierzonego napięcia - tu poprawne jest wskazanie woltomierza,

natomiast amperomierz wskazuje wartość prądu powiększoną o prąd I_V płynący

przez woltomierz o rezystancji wejściowej R_V. stosuje się do pomiaru rezystancji

niedużych, gdy zachodzi nierówność: R_V ≫ R_X . Wtedy rezystancję mierzoną

wyznacza się z zależności:

$$R_{X} = \frac{U_{V}}{I_{A}}$$

Obliczona wartość R_X jest obarczona błędem metody, wynikającym z pominięcia

poboru prądu I_V przez woltomierz. Błąd ten jest zawsze ujemny, czyli obliczona

rezystancja jest mniejsza od rzeczywistej. Wartość poprawną mierzonej rezystancji

należy liczyć z zależności:

$$R_{\text{XP}} = \frac{U_{V}}{I_{A} - I_{V}}$$

Błąd względny metody pomiaru w układzie poprawnie mierzonego napięcia

oblicza się jako:

$$\delta_{m} = - \frac{R_{X}}{R_{X} + R_{V}}$$

Kod barwny rezystorów (kod paskowy):

Najtrudniejsze jest najczęściej rozpoczęcie „czytania” rezystora od odpowiedniej

strony. Z reguły ostatni pasek jest oddzielony od innych większą przerwą, albo też

jest wyraźnie szerszy od pozostałych. Jeżeli brak ostatniego paska to pozostałe są

wyraźnie przesunięte na prawo. Jak widać trzeci pasek nie zawsze występuje i taka

konfiguracja jest najczęściej spotykana.

Poniższa tabelka pokazuje znaczenie i wagę poszczególnych pasków.

Tolerancje i typoszeregi „E” produkowanych rezystorów:

• E3 50% tolerancja (już nie używane)

• E6 20% tolerancja (rzadko używane)

• E12 10% tolerancja

• E24 5% tolerancja

• E48 2% tolerancja

• E96 1% tolerancja

• E192 0.5, 0.25, 0.1%

KONDENSATORY

Oznaczenia elementów SMD

W związku z małymi rozmiarami elementów, a także z uwagi na przeznaczenie do montażu automatycznego, znaczna część elementów SMD nie posiada żadnych oznaczeń wartości na obudowach. Większość producentów nie umieszcza wartości na obudowach kondensatorów, elementów indukcyjnych oraz optoelektronicznych. Oznaczenia są zwyczajowo umieszczane na obudowach układów scalonych oraz rezystorów.

W odróżnieniu od rezystorów do montażu przewlekanego, rezystory SMD nie są oznaczane kodem barwnym - stosuje się jedynie cyfry i ewentualnie litery. W powszechnym użyciu są dwa różne systemy kodowania wartości rezystora:

Oznaczenia standardowe

Standardowe oznaczenie rezystora składa się z trzech lub czterech cyfr oraz opcjonalnie litery R.

• Jeśli oznaczenie zawiera literę R, to wartość rezystancji w omach otrzymujemy z pozostałych cyfr oznaczenia z kropką dziesiętną w miejscu litery R. Przykładowo, "4R7" oznacza rezystor o wartości 4.7 Ω.

• Jeśli oznaczenie składa się z samych cyfr (trzech lub czterech), to wartość oporu w omach odczytujemy jako liczbę utworzoną z początkowych cyfr oznaczenia, pomnożoną przez 10 do potęgi n, gdzie n jest ostatnią cyfrą oznaczenia. Przykładowo, kod "4700" oznacza 470·10⁰=470 Ω, "4701" oznacza 470·10¹=4700 Ω, "225" oznacza 22·10⁵=2.2 MΩ, zaś "100" oznacza 10·10⁰=10 Ω.

1. Wnioski:

W pomiarach charakterystyki prądowo napięciowej rezystora, wynik pomiaru, obliczony na podstawie wskazań woltomierza i amperomierza z prawa Ohma, będzie obarczony błędami przyrządowymi oraz błędem metody pomiaru uwarunkowanym skończonymi wartościami rezystancji wewnętrznej przyrządów pomiarowych. Na początku należało wykonać pomiar wartości rezystancji 5 rezystorów. Rezystor jest elementem liniowym, co obrazuje jego charakterystyka prądowo-napięciowa. Następnie wykonano pomiary pojemności 5 kondensatorów. Kolejnym krokiem było wyznaczenie charakterystyki prądowo-napięciowej zarówno dla wybranego rezystora jak i termistora. Przed wykonaniem odpowiednich pomiarów zostały wykonane obliczenia pozwalające ustalić prąd maksymalny oraz napięcie maksymalne tak aby wykonujący ćwiczenie nie przekroczył tych wartości i nie uszkodził badanego elementu. Zarówno charakterystyka rezystora i termistora wyszła prawie idealnie liniowa. O ile w przypadku rezystora jest to rzeczą oczywistą, o tyle taki wynik dla termistora mógł zaskoczyć. Ponieważ termistor jako element nieliniowy, oprócz rezystancji zależy również od temperatury. Podczas wykonywania pomiarów termistor znajdował się w pomieszczeniu zamkniętym o stałej temperaturze co można uznać za wytłumaczenie. Najpowszechniejszą metodą w elektronice jest metoda poprawnie mierzonego napięcia, która jest dokładniejsza ponieważ rezystancja wewnętrzna amperomierza jest bardzo mała. Ostatnią fazą ćwiczenia było dokonanie pomiarów częstotliwości, napięcia międzyszczytowego, napięcia skutecznego oraz amplitudy o różnym kształcie. Wnioskując z przeprowadzonych pomiarów dla różnego kształtu przebiegu napięcia, osiągamy różne wartości uzależnione od kształtu.

Przy pomiarach bardzo dużych rezystancji metodą techniczną stosuje się mierniki prądu o dużej czułości. Rezystancje te możne też zmierzyć metodą pośrednią, gdzie pomiar rezystancji Rx odbywa się przez porównanie ze znaną rezystancją Rn.