XXX 2007-02-27

XXX

Przyrządy pomiarowe i podstawy miernictwa

elektronicznego

1. Parametry techniczne przyrządów wykorzystywanych do tego ćwiczenia.

Jednym z przyrządów pomiarowych, które zostało użyte w tym ćwiczeniu jest urządzenie Digital Multimetr V562. Jest to wielofunkcyjny miernik, gdyż można nim zmierzyć prąd, napięcie, pojemność oraz rezystancje. Prąd można zmierzyć w zakresie od 200
do 2
. Napięcie mierzymy w zakresie od 200
do 2
. Pojemność zaś od 2
do 20
.

Kolejnym funkcjonalnym miernikiem jest Metex MS-9150. Jest to urządzenie wielofunkcyjne, które posiada funkcje częstościomierza, multimetru i zasilacza stabilizowanego. Szerokie jego zastosowanie pozwala na efektywną prace w szerokim zakresie zastosowań.

Zakres działań dla częstościomierza:

1. dla kanału A i B: 5
   do 100
   

2. dla kanału C: 100
   do 1,3
   

Ten miernik może generować następujące przebiegi: sinusoidalny, prostokątny, trójkątny, sinusoidalny ukośny. Zakres pomiarowy dla napięcia stałego wynosi od 400
do 1000
. Dla napięcia zmiennego: od 400
do 750
. Dla prądu stałego i zmiennego od 40
do 20
. Pojemność ma zakres od 4
do 400
. Rezystancja zaś ma zakres od 400
do 40
.

Oscyloskop GoldStar OS-5020P maksymalnego jego napięcie wynosi
, jest możliwość odczytania sygnału zmiennego i stałego oraz regulacja przebiegów w dwóch płaszczyznach. Częstotliwość wynosi od 20Hz do 20MHz.

Oscyloskop cyfrowy DSO 3062A jego zakres podstawy czasu 1ns/dz do 10s/dz z krokiem, co 1-2-5 wartości. Automatyczne pomiary napięcia V_pp, V_amp, V_avg, V_rms, V_hi, V_lo, V_max, V_min. Zakres napięcia 100V ~ 240V, dopasowanie automatyczne.

2. Zabezpieczenia w przyrządach mierniczych.

Wszystkie urządzenia miernicze posiadają bezpiecznik topikowy. Jego zadaniem jest zabezpieczenie instalacji elektrycznej przed skutkami zwarcia oraz przeciążeniami. Jeżeli wystąpi jakieś przeciążenie to bezpiecznik zacznie się topić i zostanie przerwany dopływ prądu.

3. Minimalne i maksymalne wartości mierzone przez oscyloskop.

Zakres	Um
5mV/dz	do 40mV
10mV/dz	do 80mV
20mV/dz	do 160mV
50mV/dz	do 400mV
0,1V/dz	do 800mV
0,2V/dz	do 1,6V
0,5V/dz	do 4V
1V/dz	do 8V
2V/dz	do 16V
5V/dz	do 40V

4. Zasada obsługi oscyloskopu oraz funkcje regulacyjne poszczególnych przełączników.

Oscyloskop jest jednym z najważniejszych i najbardziej uniwersalnych przyrządów pomiarowych i kontrolnych. Umożliwia badanie sygnałów i pomiar wielu jego parametrów w szerokim paśmie częstotliwości. Do oscyloskopu doprowadzony jest sygnał z generatora zewnętrznego o nieznanej częstotliwości, amplitudzie i składowej stałej.

Przełączniki i ich działanie:

• Inten - ustawia jasność promienia

• Focus - regulujemy grubość przebiegu

• Position - regulujemy pozycje przebiegu (pionowo)

• Position - regulujemy pozycje przebiegu (poziomo)

• Mode - wybór pracy odchylania pionowego

• Volts/Div - dobieramy amplitudę przebiegu

• Time/Div - dobieramy okres przebiegu

• Trig Level - regulacja poziomu wyzwalania, służy do określenia amplitudy

• Slope - wybór rodzaju zbocza sygnału wyzwalającego (narastającego lub opadającego)

• Trigger Source - przełącznik źródła wyzwalania

• Mode - wybór trybu wyzwalania

• x1/x5 - wydłużenie podstawy czasu

• Variable - płynna regulacja podstawy czasu

1. Rodzaje sygnałów uzyskiwane z generatora oraz minimalne i maksymalne wartości częstotliwości i amplitudy. Składowa stała sygnałów w generatorze.

Generator to urządzenie do wytwarzania napięcia przemiennego o regulowanej częstotliwości. Generatory funkcyjne wytwarzają sygnały o różnych kształtach funkcji. Najczęściej są to sygnały sinusoidalne, prostokątne i piłokształtne.

2. Uwarunkowanie pomiaru rezystancji metodą:

1. poprawnie mierzonego prądu:

W układzie z poprawnie mierzonym prądem poprawne jest wskazanie amperomierza, natomiast woltomierz wskazuje wartość powiększoną o spadek napięcia na amperomierzu. Wyznaczenie poprawnej wartości rezystancji tą metodą, polega na odjęciu napięcia, które występuje na amperomierzu. Wzór opisujący rezystancję:

Metodę tą powinno się stosować do pomiarów rezystancji dużych, tzn. rezystancja mierzona jest wielokrotnie większa od rezystancji amperomierza.

2. poprawnie mierzonego napięcia:

W układzie poprawnie mierzonego napięcia poprawne jest wskazanie woltomierza, natomiast amperomierz wskazuje prąd powiększony o prąd, który płynie przez woltomierz. Aby poprawnie obliczyć wartość rezystancji należy odjąć od prądu amperomierza prąd płynący przez woltomierz. Wzór poprawnego obliczenie rezystancji wynosi:

Metodę tą powinniśmy stosować do niewielkich rezystancji, tzn. gdy rezystancja badana jest wielokrotnie mniejsza niż rezystancja woltomierza.

3. Tolerancja i typoszeregi „E” produkowanych rezystorów i kondensatorów.

Tolerancja jest to wartość w procentach, o którą może się różnić wyjściowa wartość rezystora. Poniżej podaje tolerancje dla rezystora:

Kolor	Tolerancja
Srebrny	10
Złoty	5
Czarny	20
Brązowy	1
Czerwony	2
Pomarańczowy	3
Żółty	0-100
Zielony	0,5
Niebieski	0,25
Fioletowy	0,1
Szary	-
Biały	-

Standardowe typoszeregi rezystorów to: E192, E96, E48, E192, E96, E48. Jednak najczęściej spotyka się następujące typoszeregi: E24, E12, E6, E3.

Poniższa tabelka przedstawia tolerancje kondensatorów:

Kolor	Tolerancja
Srebrny	-
Złoty	-
Czarny	-
Brązowy
Czerwony
Pomarańczowy	-	-
Żółty	-	-
Zielony
Niebieski		-
Fioletowy	-	-
Szary	-	-
Biały
Ciemnoniebieski	-	-
Brak

Standardowe typoszeregi kondensatorów: E192, E96, E48, E12, E6, E3.

4. Podstawowe rodzaje produkowanych i stosowanych rezystorów w układach w układach elektronicznych.

Rezystory są najczęściej spotykanymi elementami w układach elektronicznych. Składają się zwykle z korpusu izolacyjnego z wyprowadzeniami oraz z części oporowej, wyprodukowanej z materiału o znanej oporności właściwej. Produkowane rezystory: rezystor węglowy (zbudowany jest w postaci rurki węglowej z przylutowanymi wyprowadzeniami), rezystor warstwowy (zbudowany z rurki ceramicznej, na której jest naparowana warstwa węgla o danej wartości rezystancji), rezystor wysokoomowy (wykonany w technologii grubowarstwowej), rezystor grubowarstwowy (warstwa zewnętrzna składa się z mieszaniny tlenków metali szkła bądź też ceramiki), rezystor cienkowarstwowy (mają cienką warstwę metalu, który jest naparowywany na korpus szklany lub ceramiczny), rezystor drutowy nawijany (składają się z drutu o wysokiej rezystancji, nawinięty jest na korpus z ceramiki lub szkła).

5. Rodzaje, izolacje i właściwości kondensatorów.

Kondensator składa się z dwóch płytek przewodzący prąd elektryczny oraz z izolatora między płytkami. W celu zmniejszenia odstępu między elektrodami, stosuje się na izolatory materiały, które można wykonać w formie bardzo cienkiej folii np. tworzywa sztuczne, ceramika. Materiały te pozwalają zwiększyć pojemność. Czynnikiem, który wpływa na pojemność kondensatora, poza powierzchnią i odległością elektrod jest zdolność dielektryka. W filtrach i obwodach rezonansowych, gdzie najczęściej wspólnie z elementem indukcyjnym lub rezystorem stanowi obwód rezonansowy. Przy prądach zmiennych wysokiego napięcia, używa się często do pomiarów pojemnościowych dzielników napięcia. Kondensator sprzęgający blokuje napięcie stałe, ale przepuszcza napięcie zmienne. Właściwości kondensatorów zależą również od temperatury, dlatego istotne znaczenie ma określenie przedziału dopuszczalnych zmian temperatury, czyli tzw. znamionowego zakresu temperatury pracy, w którym kondensator może pracować w sposób ciągły.

Kondensator przy przepływie prądu zmiennego stanowi opór zależny od częstotliwości. Rodzaje kondensatorów: kondensator poliestrowy, kondensator polipropylenowy, kondensator ceramiczny, kondensator elektrolityczny, kondensator przeciwzakłóceniowy, kondensator tantalowy.

6. Kondensatory elektrolityczne i tantalowe.

Kondensatory elektrolityczne tantalowe mają anodę ze spiekanego proszku tantalowego, która ma strukturę porowatą, podobną do gąbki. Dzięki takiej strukturze uzyskuje się dużą powierzchnię w małej objętości. Niekorzystną cechą tych kondensatorów jest konieczność przestrzegania ściśle określonej polaryzacji. Przyłożenie napięcia o biegunowości odwrotnej powoduje różnego rodzaju procesy: cieplne, chemiczne. Procesy te, jeśli trwają odpowiednio długo prowadzą do trwałego zniszczenia kondensatora.

Aby umożliwić jak najlepsze dopasowanie elementu, kondensatory produkuje się na bardzo różne napięcia robocze od kilku do kilkuset woltów. Kondensatory elektrolityczne nie nadają się do filtracji sygnałów dużej częstotliwości. Aby jednak wykorzystać go jako filtr mającego utrzymać stałe napięcie uzupełnia się go kondensatorem ceramicznym.

7. Zasada pomiaru napięcia stałego i zmiennego w multimetrze.

W celu pomiaru napięcia używamy przyrządu jako woltomierza i podłączamy go równolegle do elementu, na którym mierzymy napięcie. Przewody trzeba najpierw podłączyć do miernika. Czarny przewód łączymy z gniazdem COM, a czerwony z gniazdem V. Należy uważać, aby nie przekroczyć zakresu pomiarowego. Aby pomiar był jak najbardziej poprawny należy także ustawić odpowiedni zakres oraz rodzaj przebiegu.

8. 
   Charakterystyki.

Badany rezystor:

1	0,13
3	0,39
6	0,83
9	1,2
12	1,62
15	2,02
18	2,45
21	2,85
24	3,26
27	3,68
29	3,95

Badany termistor:

1	0,19
3	0,57
6	1,22
9	1,81
12	2,48
15	3,17
18	4,08
21	5,02
24	6,16
26,5	8,52
28	10,73

Rezystor R=7,4kΩ
U[V]	I[mA]	RS=RD[ kΩ]
1	0,13	7,692308
3	0,39	7,692308
6	0,83	7,228916
9	1,2	7,5
12	1,62	7,407407
15	2,02	7,425743
18	2,45	7,346939
21	2,85	7,368421
24	3,26	7,361963
27	3,68	7,336957
29	3,95	7,341772
Termistor R=4,4kΩ
U[V]	I[mA]	RS[kΩ]
1	0,19	5,263158
3	0,57	5,263158
6	1,22	4,918033
9	1,81	4,972376
12	2,48	4,83871
15	3,17	4,731861
18	4,08	4,411765
21	5,02	4,183267
24	6,16	3,896104
26,5	8,52	3,110329
28	10,73	2,609506

9. Wykres mocy wydzielanej na elemencie od napięcia.

Aby sporządzić taki wykres należy najpierw obliczyć moc, jaka jest wydzielana na rezystorze i termistorze. Korzystamy z wzoru:

Rezystor
0.13	7,4	0,12	1
0.39	7,4	1,12	3
0.83	7,4	5,09	6
1.2	7,4	10,6	9
1.62	7,4	19,4	12
2,02	7,4	30,2	15
2,45	7,4	44,4	18
2,85	7,4	60,1	21
3,26	7,4	78,6	24
3,68	7,4	100,2	27
3,95	7,4	115,4	29

Termistor
0.19	4,4	0,16	1
0.57	4,4	1,42	3
1,22	4,4	6,54	6
1.81	4,4	14,4	9
2,48	4,4	27,0	12
3,17	4,4	44,2	15
4,08	4,4	73,2	18
5,02	4,4	110,8	21
6,16	4,4	166,9	24
8,52	4,4	319,3	26,5
10,73	4,4	506,5	28

Po wykonanych wykresach można dojść do wniosku, że rezystor zachowuje się jak element liniowy w całym jego zakresie. Natomiast, jeśli chodzi o termistor to w początkowym zakresie zachowuje się jak element liniowy. Gdy termistor jest poddawany dłuższemu nagrzewaniu, jego charakterystyka szybko zmienia się w funkcje nieliniową.

10. Oznaczenie i określanie wartości rezystorów i kondensatorów.

Rezystor	Pomiar	Oznaczenia
		złoty, czerwony, czarny, złoty
		złoty, czerwony, zielony, fioletowy
		fioletowy, czerwony, żółty, złoty
		zielony, czerwony, zielony, zielony, fioletowy
		brązowy, zielony, czarny

Kondensator	Pomiar	Oznaczenia
		SME 50V
		x272
		39 P
		L 394
		Ni 50 221 JKCK

W oznaczeniach rezystorów podawane są tylko najważniejsze parametry, czyli rezystancję nominalną, tolerancję i moc znamionową. W przypadku małych oporników gdzie nie ma miejsca napisy stosuje się oznaczenie kodowe: cyfrowo-literowe lub barwnych pasków. Najczęściej jednak oznaczeniem rezystora jest stosowanie kodu barwnego. Jest to najprostszy sposób umieszczania parametrów danego rezystora. Poniżej zamieszczam tabelkę z kolorami, które są oznaczane na rezystorach:

kolor	barwa	mnożnik
srebrny		0,01
złoty		0,1
czarny		1
brązowy		10
czerwony		100
pomarańczowy		1000
żółty		10000
zielony		100000
niebieski		1000000
fioletowy		10000000
szary		100000000
biały		1000000000

W zależności od miejsca zajmowanego przez literę odczyt kodu jest następujący:
n22=0,22nF=220pF
1n=1nF=1000pF
1n5=1,5nF=1500pF

Opisany kod dostarcza wiadomości o pojemności danego kondensatora. Bardzo ważną informacją umieszczoną także na kondensatorach jest informacja o dopuszczalnym napięciu pracy. Jeśli napięcie to, dla pewnego kondensatora, wynosi, np. 25V, to kondensator ten można włączyć w obwód o napięciu nieprzekraczającym 25V.

11. Ustalamy rodzaj badanego termistora.

Badany przez nas termistor jest rodzaju NTC, dlatego iż termistor posiada ujemny współczynnik temperaturowy, tzn. rezystancja maleje ze wzrostem temperatury. Poniżej przedstawiam kilka obliczeń:

Te trzy obliczenia wyraźnie wskazują na to, że ten termistor jest rodzaju NTC. Po dłuższym działaniu nagrzewa się i rezystancja spada.

12. Pomiar sygnałów niesinusoidalnych.

Sygnał niesinusoidalny możemy poprawnie zmierzyć, np. oscyloskopem, który mierzy różne przebiegi. Dzięki temu urządzeniu możemy obserwować zniekształcone sygnały, które nie są sinusoidalne ani prostokątne ani piłokształtne. Po obserwacji takiego sygnału jesteśmy wstanie obliczyć różne wielkości charakteryzujące ten przebieg niesinusoidalny.

13. Oscyloskop umożliwia pomiar częstotliwości przebiegu. Pomiar częstotliwości
    polega na pomiarze okresu
    badanego sygnału i jej obliczeniu z zależności:
    . Na oscyloskopie należy ustawić sygnał w taki sposób, aby można było odczytać pełny okres tego sygnału. Okres możemy obliczyć z zależności:
    , gdzie
    - ilość działek,
    - czas.

Częstotliwość

		Działki
1,746		3	1,666
17,55		3	16,666
174,4		3	166,66

- częstotliwość odczytana z wyświetlacza generatora

- częstotliwość obliczona ze wskazań oscyloskopu np.

Napięcia międzyszczytowe, skuteczne oraz amplitudy

5	10	3,53	5
2	4	1,41	1
0,5	1	0,35	0,5

14. Wnioski.

W ćwiczeniu przez nas wykonywanym wykorzystywaliśmy oscyloskop analogowy. Aby wykonać poprawnie pomiar, należy uwzględnić dopuszczalne warunki pracy miernika oraz elementów elektronicznych. Uzyskane wyniki w laboratorium nieznacznie różnią się od wartości przyjętych na samym początku wykonywania ćwiczenia. Być może jest to spowodowane niedokładnością przyrządów pomiarowych. Oscyloskop cyfrowy, który został nam przedstawiony, mógłby dokładniej wykonać pomiar, co by przełożyło się na dokładniejsze obliczenia.

Ćwiczenie to nauczyło nas, aby uważać, w jakich warunkach i w jakim zakresie może pracować dany element elektroniczny, co pozwoli nam uniknąć uszkodzenia go.

1

---