Ćwiczenie 1 - Instytut Radioelektroniki

POLITECHNIKA WARSZAWSKA
INSTYTUT RADIOELEKTRONIKI
ZAKŁAD RADIOKOMUNIKACJI
WIECZOROWE STUDIA ZAWODOWE
LABORATORIUM OBWODÓW I SYGNAŁÓW
Ćwiczenie 1
Temat: OBWODY PRĄDU STAŁEGO
Opracował: mgr inż. Henryk Chaciński
Warszawa 2008
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest poznanie właściwości rezystora liniowego i nieliniowego. Poznanie
właściwości dzielnika napięciowego i prądowego.
2. Wymagane wiadomości
Znajomości właściwości oporu, przebiegu charakterystyki elementu liniowego i
nieliniowego. Znajomość właściwości dzielnika napięciowego i prądowego.
3. Podstawy teoretyczne
3.1. Elementy idealne
Rezystorem idealnym nazywamy element, w którym występuje tylko przekształcanie
energii elektrycznej w cieplną, natomiast nie ma ani pola elektrycznego, ani magnetycznego.
Parametrem charakteryzującym rezystor idealny jest rezystancja R, której jednostką jest ohm
(Ω), lub konduktancja G, której jednostką jest siemens (S). Rezystancja i konduktancja są
połączone zależnością:
R =
1
G
Na rys. 3.1 przedstawiono symbol graficzny rezystora idealnego.
Rys. 3.1. Symbol graficzny rezystora idealnego
Dla chwilowych wartości napięcia i prądu rezystora idealnego zachodzą następujące
zależności:
u=Ri
i=Gu
Rezystor nieliniowy. Rezystor R, jako element dwójnikowy można opisać równaniem
u= Ri
Jest to równania liniowe. Przedstawione w postaci graficznej jest linią prostą. Są również
elementy mające cechy rezystancji, do opisu których nie wystarcza równanie podane wyżej.
Wówczas należy posłużyć się zależnością bardziej złożoną, której zobrazowanie graficzne
funkcji u = f(i) jest nieliniowe. Mamy wówczas do czynienia z elementami nieliniowymi, np.
dla rezystora nieliniowego wartość rezystancji R zależy od prądu płynącego przez ten
rezystor.
2
4. Projektowane pomiary i badania
4.1. Badanie oporu liniowego
Schemat ideowy układ pomiarowego do badania rezystora liniowego przedstawiono na
rys. 4.1.
Rys. 4.1. Schemat układu pomiarowego do badania oporu liniowego
Układ pomiarowy przedstawiony na rys. 4.1 składa się z :
- regulowanego źródła napięcia stałego U=;
- woltomierza napięcia stałego V;
- miliamperomierza prądu stałego mA (jako woltomierz i miliamperomierz zastosowano
multimetr programowalny, który pozwala na pomiar dwóch wielkości „jednocześnie”;
- badanego rezystora R1 znajdującego się na płytce laboratoryjnej CW1.
Schemat połączeń układu pomiarowego przedstawiono na rys. 4.2.
I
Zasilacz
U=
+
G9
M3 G3
mA
Multimetr
CW1
-
M1
R1 M4
u
COM
V/Ω
Rys. 4.2. Schemat połączeń układu pomiarowego
W układzie pomiarowym przedstawionym na rys. 4.2 zastosowano następujące przyrządy:
- regulowany zasilacz napięcia stałego typu KB-6118;
- programowalny multimetr model 1705;
- badany układ typu CW1.
Połączyć układ pomiarowy zgodnie ze schematem połączeń zamieszczonym na rys. 4.2.
Połączenie układu pomiarowego wykonać przy wyłączonym napięciu zasilania zasilacza
laboratoryjnego. Po sprawdzeniu poprawności połączeń układu pomiarowego włączyć
napięcie zasilania multimetru przyciskiem „Operate” – patrz dodatek rys. 3D (rysunek płyty
czołowej multimetru jest zamieszczony w dodatku). Przyciskiem „Vdc” włączyć pomiar
napięcia stałego. Wybrać przyciskiem „Select 2nd” programowanie drugiej funkcji
pomiarowej a następnie przyciskiem „Idc” włączyć pomiar prądu stałego.
Włączyć napięcie zasilania zasilacza laboratoryjnego i wykonać następujące pomiary:
- zmierzyć i wykreślić U=f(I);
- wyznaczyć i wykreślić wartość rezystancji R1=f(I);
- obliczyć moc wydzielaną w badanym rezystorze i wykreślić zależność P=f(I).
Pomiary wykonać dla napięć od –15V do +15V. Wyniki pomiarów zamieścić w tabeli.
Uwaga ! Przed przystąpieniem do pomiarów przyrządy pomiarowe powinny mieć już
włączone napięcie zasilania przez okres przewidziany w instrukcji, np. kilkanaście minut
w celu ustalenia się termicznych warunków
3 pracy.
4.2. Badanie oporu nieliniowego
Schemat ideowy układ pomiarowego do badania oporu nieliniowego przedstawiono na
rys. 4.3.
i
mA
U=
V
u
R3
Rys. 4.3. Schemat układu pomiarowego do badania oporu nieliniowego
Układ pomiarowy przedstawiony na rys. 4.3 składa się z :
- regulowanego źródła napięcia stałego U=;
- woltomierza napięcia stałego V;
- miliamperomierza prądu stałego mA (jako woltomierz i miliamperomierz zastosowano
multimetr programowalny, który pozwala na pomiar dwóch wielkości
„jednocześnie”);
- badanego rezystora R3 znajdującego się na płytce laboratoryjnej CW1.
Schemat połączeń układu pomiarowego przedstawiono na rys. 4.4.
I
Zasilacz
U=
+
G6
CW1
-
M1
R3
mA
Multimetr
M4
u
COM
V/Ω
Rys. 4.4. Schemat połączeń układu pomiarowego
W układzie pomiarowym przedstawionym na rys. 4.4 zastosowano następujące przyrządy:
- regulowany zasilacz napięcia stałego typu KB-6118;
- programowalny multimetr model 1705
pozwala na pomiar dwóch wielkości
„jednocześnie” napięcia i prądu stałego(woltomierz i miliamperomierz);
- badany układ typu CW1.
Połączyć układ pomiarowy zgodnie ze schematem połączeń zamieszczonym na rys. 4.4.
Połączenie układu pomiarowego wykonać przy wyłączonym napięciu zasilania zasilacza
laboratoryjnego. Po sprawdzeniu poprawności połączeń układu pomiarowego włączyć
napięcie zasilania multimetru i zaprogramować zgodnie z poleceniem podanym w pkt.4.1.
Włączyć napięcie zasilania zasilacza laboratoryjnego i wykonać następujące pomiary:
- zmierzyć i wykreślić U=f(I);
- wyznaczyć i wykreślić wartość rezystancji R3=f(I);
- obliczyć moc wydzielaną w badanym rezystorze i wykreślić zależność P=f(I).
Pomiary wykonać dla napięć od –10V do +10V. Wyniki pomiarów zamieścić w tabeli.
Uwaga ! Nie należy przekraczać dopuszczalnej mocy strat w badanym oporze
nieliniowym – 0.2W. Przekroczenie dopuszczalnej mocy strat spowoduje uszkodzenie
badanego oporu.
4
4.3. Badanie dzielnika napięciowego
Schemat ideowy układ pomiarowego do badania dzielnika napięciowego przedstawiono na
rys. 4.5.
i
mA
R1
U
V
U1 V1
R5
Rys. 4.5. Schemat układu pomiarowego do badania dzielnika napięciowego
Układ pomiarowy przedstawiony na rys. 4.5 składa się z :
- regulowanego źródła napięcia stałego U=;
- woltomierza napięcia stałego V;
- miliamperomierza prądu stałego mA
- woltomierza napięcia stałego V1
- badanego dzielnika napięcia. znajdującego się na płytce laboratoryjnej CW1. Dzielnik
napięcia złożonego z rezystorów R1 i R5.
Schemat połączeń układu pomiarowego przedstawiono na rys. 4.6.
I
Zasilacz
U=
+
G10
G11 G3
mA
V
Multimetr
CW1
-
M1 G9 M3 M4
V/Ω
u
COM
V/Ω
COM
Multimetr
TSTD-3800
V1
Rys. 4.6. Schemat połączeń układu pomiarowego
W układzie pomiarowym przedstawionym na rys. 4.6 zastosowano następujące przyrządy:
- regulowany zasilacz napięcia stałego typu KB-6118;
- programowalny multimetr model 1705
pozwala na pomiar dwóch wielkości
„jednocześnie” napięcia i prądu stałego(woltomierz i miliamperomierz –V, mA);
- multimetr uniwersalny typu TSTD-3800 (V1);
- badany układ typu CW1.
Połączyć układ pomiarowy zgodnie ze schematem połączeń zamieszczonym na rys. 4.5.
Połączenie układu pomiarowego wykonać przy wyłączonym napięciu zasilania zasilacza
laboratoryjnego. Po sprawdzeniu poprawności połączeń układu pomiarowego włączyć
napięcie zasilania multimetru i zaprogramować
5 zgodnie z poleceniem podanym w pkt.4.1.
Multimetr uniwersalny typu TSTD-3800 (V1) ustawić na zakres 20V dla napięcia stałego.
Włączyć napięcie zasilania zasilacza laboratoryjnego i wykonać następujące pomiary:
- zmierzyć i wykreślić U1=f(R5) zmieniając wartość rezystora R5 od 0 do 2.2kΩ (wartość
rezystora R5 zmienia się skokowo z kwanten 200Ω;
- wyznaczyć i wykreślić stosunek napięć U1/U=f(R5);
- wyznaczyć wartość rezystora R5 dla napięcie U1 równego 4.44V i wynik obliczeń
sprawdzić w układzie laboratoryjnym, rezystor R1=1kΩ;
Pomiary i obliczenia wykonać dla napięcia zasilania +10V. Wyniki pomiarów zamieścić w
tabeli.
Uwaga ! Przed przystąpieniem do pomiarów przyrządy pomiarowe powinny mieć już
włączone napięcie zasilania przez okres przewidziany w instrukcji, np. kilkanaście minut
w celu ustalenia się termicznych warunków pracy.
4.3. Badanie dzielnika prądowego
Schemat ideowy układ pomiarowego do badania dzielnika napięciowego przedstawiono na
rys. 4.7.
R1
I1
mA1
V U
mA
R4
I2
mA2
R5
I
Rys. 4.7. Schemat układu pomiarowego do badania dzielnika napięciowego
Układ pomiarowy przedstawiony na rys. 4.7 składa się z :
- regulowanego źródła napięcia stałego U=;
- woltomierza napięcia stałego V;
- miliamperomierzy prądu stałego mA, mA1, mA2
- badanego dzielnika prądowego złożonego z rezystorów R4 i R5 znajdującego się na
płytce laboratoryjnej CW1.
Schemat połączeń układu pomiarowego przedstawiono na rys. 4.8. W układzie pomiarowym
przedstawionym na rys. 4.8 zastosowano następujące przyrządy:
- regulowany zasilacz napięcia stałego typu KB-6118;
- programowalny multimetr model 1705 pozwala na pomiar dwóch wielkości
„jednocześnie” napięcia i prądu stałego(woltomierz i miliamperomierz –V, mA);
- multimetry uniwersalne typu TSTD-3800 (mA1 i mA2);
- badany układ typu CW1.
Połączyć układ pomiarowy zgodnie ze schematem połączeń zamieszczonym na rys. 4.8.
Połączenie układu pomiarowego wykonać przy wyłączonym napięciu zasilania przyrządów
laboratoryjnych. Po sprawdzeniu poprawności połączeń układu pomiarowego włączyć
napięcie zasilania multimetru i zaprogramować zgodnie z poleceniem podanym w pkt.4.1.
6
Multimetry uniwersalne typu TSTD-3800 (mA1 i mA2) ustawić na zakres 20mA dla
prądu stałego.
Multimetr-2
TSTD-3800
A
COM
I2
Zasilacz
U=
+
G10
-
G3
G11 G8
CW1
V/Ω
Multimetr
I
mA
G9 G7 M1
COM
I1
A
COM
Multimetr-1
TSTD-3800
Rys. 4.8. Schemat połączeń układu pomiarowego
Wykonać następujące pomiary:
- zmierzyć i wykreślić I2=f(R5) zmieniając wartość rezystora R5 od 0 do 2.2kΩ (wartość
rezystora R5 zmienia się skokowo z kwanten 200Ω;
- wyznaczyć i wykreślić stosunek napięć I2/I=f(R5);
- wyznaczyć wartość rezystora R5 dla prądu I2 równego 6mA i wynik obliczeń sprawdzić
w układzie laboratoryjnym, rezystor R4=1kΩ;
Pomiary i obliczenia wykonać dla prądu zasilania 10mA. Wyniki pomiarów zamieścić w
tabeli.
Uwaga ! Przed przystąpieniem do pomiarów przyrządy pomiarowe powinny mieć już
włączone napięcie zasilania przez okres przewidziany w instrukcji, np. kilkanaście minut
w celu ustalenia się termicznych warunków pracy.
5. Wykaz literatury
1. Materiały pomocnicze do wykładów z „Obwodów i sygnałów”.
2 T. Cholewicki – Elektrotechnika teoretyczna t.1. – WNT Warszawa 1970
3. M. Krakowski – Elektrotechnika teoretyczna t.1. – WNT Warszawa 1980
4. J. Osiowski – Teoria obwodów t.2 – WNT Warszawa 1970
5. J. Osiowski, J. Szabatin – Podstawy teorii obwodów – WNT Warszawa 1995
6. C. Rajski – Teoria obwodów t.1 – WNT Warszawa
7
6. Dodatek
Rys. 1D. Widok płyty czołowej multimetru
8