1. No category

KOMPONENTE IN SESTAVI
Navodila za laboratorijske vaje
Andrej Levstek
marec 2002
KOMPONENTE IN SESTAVI
Ime in priimek:
Šolsko leto:___________
__________________
Skupina :___________
Datum:____________
VAJA 1 : LASTNOSTI ELEKTROMAGNETNIH RELEJEV
Izmerite naslednje lastnosti navadnega in releja s hermetičnim kontaktnikom (reed rele):
a) enosmerne: upornost navitja, napetost vklopa, napetost izklopa, največja dopustna napetost
b) dinamične: čas vklopa, čas odskakovanja kontaktov, čas izklopa
c) izračunajte in izmerite upor Rx, s katerim skrajšamo zakasnitve releja ob izklopu in največjo
frekvenco preklopov fmax
Navadni elektromagnetni rele
Elektromagnetni rele ali rele s kotvo je
najpogostejši stikalni element za preklapljanje
enosmernih in izmeničnih tokokrogov, kjer se
Φ
zahteva galvanska izolacija. Rele s kotvo deluje
na osnovi pomične kotve, ki jo pritegne elektromagnet. Mehanska sila na kotvo je odvisna od
magnetnega pretoka v magnetnem krogu, ki ga
sestavlja mehkomagnetno jedro zbujevalnega
navitja, jarem in pomična kotva. Ko je kotva
pritegnjena na magnet, je magnetna upornost
bistveno manjša, magnetni fluks pa mnogo večji,
kot v mirovnem položaju, ko je med kotvo in
Slika 1.1: Prerez releja s kotvo
magnetom zračna reža. Posledica tega je
histereza, oziroma razlika med izklopnim in
vklopnim tokom. Kot podatek pri relejih podajamo tudi vklopno in izklopno napetost, ki je z
vzbujevalnim tokom povezana prek ohmske upornosti bakrenega navitja. Pomik kotve se prek
izolacijskih dročnikov prenese na preklopni kontakt, ki je v mnogih izvedbah hkrati tudi vzmet.
Najpogostejša izvedba takih relejev ima dva izmenična kontakta. Takšni releji so lahko montirani
na klasičen način s kontakti, ki jih vstavimo v izvrtane luknje ali pa površinsko na predvidena
kontaktna mesta na površini tiskanega vezja. Releji, ki so predvideni za preklapljanje večjih
tokov, so ponavadi montirani klasično. S tem zagotovimo dovolj močno mehansko pritrditev na
tiskano vezje. Pri miniaturnih relejih je površinska montaža čedalje bolj pogosta.
Poleg monostabilnih relejev (brez vzbujanja je v mirovnem položaju) poznamo tudi bistabilne
izvedbe. Pri teh drži prožna vzmet kontakte releja v enem ali drugem stabilnem položaju.
Preklop izvršimo z impulznim vzbujanjem enega izmed dveh navitij (magnetov). Ko se kotva
pomakne čez mrtvo točko, jo vzmet znova potegne v drugi stabilni položaj. Take releje
uporabljamo tam, kjer želimo zmanjšati porabo na minimum, saj razen med preklopom ne trošijo
električne energije.
2/4
Komponente in sestavi
Vaja 1
Rele s hermetičnim kontaktnikom
Pogosto jih imenujemo tudi z angleškim izrazom reed–rele (reed = jeziček pri piščali).
Hermetični kontaktnik je sestavljen iz steklene cevke v katero sta vstavljena kontakta v obliki
jezičkov. Cevka je na obeh koncih hermetično zataljena. Kontaktna jezička sta izdelana iz prožne
feromagnetne kovine, ki je ponavadi jeklo. Kontaktna površina je prevlečena s kovino, ki dobro
prevaja električni tok in ne oksidira (npr. zlato, srebro). V notranjosti cevke je vakuum ali pa
inertni plin (npr. argon). Ko skozi navitje tuljave, v katero je vstavljen kontaktnik, teče
enosmerni tok, magnetna sila zlepi jezička. Magnetna sila na deluje telesa iz feromagnetnih
materialov tako, da se skuša magnetna upornost znižati, oz. da se dolžine magnetnih silnic
skrajšajo. Zaradi majhne mase in majhnega
pomika jezičkov je delovanje teh relejev
bistveno hitrejše v primerjavi z navadnimi.
Φ
Hermetične kontaktnike uporabljamo tudi
kot stikala, ki jih aktiviramo z magnetnim
poljem permanentnega magneta, oziroma
kot senzor magnetnega polja. Tipičen
primer uporabe je kolesarski merilnik
hitrosti. Kontaktnik, ki je pritrjen na vilice,
da impulz števcu ob vsakem obratu kolesa,
ko se mu približa permanentni magnet, ki je
Slika 1.2: Rele s hermetičnim kontaktnikom
pritrjen na napero (špico).
Opis meritve:
a) Z multimetrom izmerite ohmsko
upornost navitja R. Napetost vklopa
Uvk merite s postopnim večanjem
+12V
napetosti navitja releja. Uvk je tista
a
b
najnižja napetost, pri kateri kotva
(gibljivi del magneta) sklene magnetni
krog in delovni kontakt. Pri releju s
hermetičnim kontaktnikom je potrebno
stanje kontaktov električno meriti, ker
GND
kontaktov ne vidimo. Za preklop releja
je značilno, da magnetna sila narašča s
približevanjem kotve, zato je potrebni
vzbujevalni tok sklenjenega releja
manjši od toka, ki potreben za premik Slika 1.4: Razpored priključkov na merilnem vezju
kotve, ko je le-ta odmaknjena. To se
odraža v napetosti histereze UH.
Napetost izklopa Uiz je za UH nižja od napetosti vklopa Uvk. Izmerimo jo z nižanjem napetosti, ko
je rele že sklenjen. Največjo dopustno napetost releja Umax določimo iz maksimalne dopustne
izgubne moči in upornosti navitja:
navadni rele
Pmax = 1,5 W
reed rele
Pmax = 0,2 W
Izračunajte tudi nominalno porabo moči pri nazivni krmilni napetosti UN = 12 V!
Komponente in sestavi
Vaja1
+12V
3/4
ug ( t )
[v]
RX
+2,5
1kΩ
ug(t)
t
uCE
uBE
uK
-2,5
Slika 1.3: Meritev dinamičnih karakteristik releja
b) Rele povežite v merilno vezje za meritev dinamičnih lastnosti, kot je prikazano na sliki 1.3. S
funkcijskim generatorjem krmilimo tranzistor v orientaciji s skupnim emitorjem. En priključek
navitja releja je vezan na kolektor drugi pa preko vezne žice na napajanje. S povezavo napajanja
na priključek a izberemo rele s kotvo, s povezavo na b pa reed-rele(sl. 1.2). Bazni tok
tranzistorja je omejen z upornostjo 1 kΩ. Izhodno napetost generatorja ug nastavite tako, kot jo
kaže graf na sliki 1.3 (UPP = 5 V, UOFSET = 0 V).
Za meritev navadnega releja nastavite frekvenco funkcijskega generatorja na 10 Hz, da lahko
opazujete zakasnitve releja. Za rele s hermetičnim kontaktnikom, ki je hitrejši, je frekvenca
precej višja, okoli 300 Hz. Pozitivna bazna napetost odpre tranzistor in preko navitja releja steče
kolektorski tok. Produkt β.iB je večji od maksimalnega možnega toka, ki je določen z upornostjo
navitja, zato pride tranzistor v nasičenje (UCE < 0,5 V). Preklopne čase izmerite z osciloskopom,
ki ga z vezjem povežete z merilnimi sondami. Kaveljček sonde priključite na kolektor, oziroma
na upor, ki je povezan s kontaktom releja. Pri meritvah uporabite naslednje nastavitve
osciloskopa:
uBE
t
uCE
UCE max
t
tod
uK
tvk
tiz
Slika 1.5: Preklopni časi releja
tvk - čas vklopa - od priklopa napajalne napetost do zanesljivega stika
tod - čas odskakovanja kontaktov ob vklopu releja
tiz - čas izklopa - od odklopa napajalne napetosti do prekinitve stika
t
Komponente in sestavi
4/4
Vaja 1
1. Napetost uCE priključite na prvi kanal (1), napetost kontakta na drugi kanal (2)
2. Oba kanala sta nastavljena na enosmerni sklop (DC)
3. Proženje-Trigger:
a. Izvor-Source: 1. knanal
b. Način-Mode: Normal
c. Sklop in nagib proženja- Coupling/Slope: DC, ↗, ↘
Referenčni položaj časovne baze nastavite s tipko nad gumbom časovne baze na levo (LFT).
Nivo prožilne napetosti nastavite z gumbom level na ≈ +6 V. Za meritev vklopnega časa
uporabite nagib proženja s programsko tipko pod zaslonom na ↘. S tem prožimo časovno bazo
na zadnji bok napetosti uCE , ko postane navitje releja priključeno na napetost UCC. Za meritev
odpustnega časa spremenimo nagib proženja. Ne uporabljajte tipke Auto Scale,!
Med meritvijo preklopnih časov releja mora biti med sponkama Rx na merilnem vezju kratek
stik. S tem priključimo vzporedno k navitju releja diodo, ki preprečuje napetostno konico na
kolektorju, ki bi jo ob izklopu povzročil induktivni tok navitja. Zaradi zaključitve toka skozi
diodo, je upadanje magnetno polja releja upočasnjeno. To pa podaljša tudi čas izklopa. Ta čas
lahko skrajšamo, če zaporedno z diodo vežemo upor. Z večanjem upornosti Rx se viša tudi
napetostna konica UCEmax ob izklopu. Velikost upora lahko izračunamo iz poenostavljene enačbe
U CE max = U CC + I Rx = U CC +
U CC
Rx ,
RRe
(1.1)
kjer smo predpostavili, da je tok navitja releja, po izklopu tranzistorja ne spremeni. Za
uporabljeni tranzistor velja UCEmax = 60 V, UCC pa je napajalna napetost. Izračunano upornost Rx
nastavite na uporovni dekadi in opazujte potek uCE. V (1.1) je zanemarjena kapacitivnost in
upornost navitja, zato je izračunani Rx nekoliko premajhen. Eksperimentalno določite novo
vrednost Rx-m, da UCEmax doseže 60 V in izmerite novo vrednost izklopnega časa tiz. Pri meritvi
maksimalne napetosti na kolektorju tranzistorja morate uporabiti sondo preklopiti na ×10 in
nastaviti na ustreznem kanalu uporabljeno vrsto sonde (1:10), sicer ne bo občutljivost kanala
prikazana pravilno. Pri opazovanju napetostne konice morate časovno bazo nastaviti na dovolj
kratek čas, da zaradi premajhnega števila vzorcev ne zgrešimo maksimalne vrednosti napetosti
na kolektorju. Za meritev najmanjšega izklopnega časa morate časovno bazo spet ustrezno
spremeniti, da na ekranu zopet opazite izklop kontakta releja. Maksimalno frekvenco releja
izmerite tako, da je kontakt zanesljivo sklenjen vsaj toliko, kolikor znaša čas odskakovanja.
Rezultati:
Tabela rezultatov - statični parametri in dinamični brez Rx
Parameter
R
Uvk
Uiz
UH
Umax
tvk
tiz
Rele
Reed rele
Tabela rezultatov - Rx in minimalni odpustni čas
Parameter
Rele
Reed rele
Rx - izračun
Rx – meritev
tiz -min
fmax
tod
KOMPONENTE IN SESTAVI
Ime in priimek:
Šolsko leto:___________
___________________
Skupina :___________
Datum:_____________
VAJA 2 : MERITEV PARAMETROV VAROVALNEGA UPORA
Določite izklopno moč Pizk, termično upornost Rth, linearni temperaturni koeficient upornosti TKR
in temperaturno karakteristiko (20 ÷ 180 °C) R(T) varovalnega upora!
A
UB
V
T
Opis meritve:
Za meritev temperaturne karakteristike upora bi potrebovali termostatirano komoro, ki bi
zagotavljala ustrezno temperaturo upora in merilnik upornosti. Ker take komore nimamo na voljo,
si lahko pomagamo z lastnim gretjem upora, zaradi dovedene električne moči. Temperatura upora
je odvisna od temperature okolice, trošene električne moči in termične upornosti. Določena je z
enačbo
T = Ta + Rth P = Ta + RthUI = Ta + Rth
U2
R
(2.1)
Če želimo upornost izmeriti v enakomernih temperaturnih korakih 'T, potem moramo tudi
električno moč večati v enakomernih korakih 'P. Ker zveza med napetostjo in močjo na uporu ni
linearna, moramo določiti pri katerih napetostih na uporu moramo meriti tok in potem izračunati
njegovo upornost. Podano temperaturno področje razdelimo v n = 8 intervalov ('T ≈ 20 °C).
Napetosti posameznih meritev Ui v tabeli izračunajte s pomočjo izhodiščne vrednosti termične
upornosti merjenega varovalnega upora Rth = 22,5 K/W in spodnjih enačb.
Ti = Ta + i∆T = Ta + i ∆P Rth
Tmax = Ta + n ∆P Rth ⇒ ∆P =
Pi = i ∆P =
i = 0! n
Tmax − Ta
n Rth
U i2
⇒ U i = i ∆P R
R
n=8
(2.2)
2/4
Komponente in sestavi
Vaja 2
V (2.2) upoštevajte Ta = 20°C, Tmax = 180 °C, R pa je upornost pri sobni temperaturi, ki jo izmerite
z napetostjo U0 = 1 V, ki je dovolj majhna, da lahko lastno segrevanje zanemarimo. Izračunane
napetosti Ui zaokrožite na volt in jih vpišite v podano tabelo.
Z napajalnikom nastavljamo izračunane vrednosti napetosti in merimo tok. Pred vsakim odčitkom
toka je potrebno nekoliko počakati (∆t ≈1 min), da se tok, in s tem tudi temperatura upora ustali.
Upornost in električno moč lahko računamo sproti na podlagi napetosti in izmerjenega toka,
temperaturo upora pa šele potem, ko bomo določili dejansko vrednost termične upornosti Rth na
podlagi izklopne moči.
Varovalni upor ima vgrajeno termično varovalko, ki ob preobremenitvi razklene tokokrog.
Varovalko sestavlja prožen kontakt, ki je prispajkan na enega od obeh uporovih priključkov. Pri
preobremenitvi se upor toliko segreje, da se spajka zmehča in se kontakt razklene. Iz dovedene
električne moči tik pred izklopom lahko izračunamo termično upornost Rth, saj poznamo
temperaturo upora, ki je določena s tališčem spajke Tmax = 180 °C. Pri večini merjenih uporov je
ocenjena vrednost termične upornosti nekoliko prevelika, zato pri zadnji meritvi varovalka še ne
izklopi. Izklop varovalke dosežete s postopnim dvigom napetosti na uporu. Pri tem naj koraki ne
bodo preveliki (≈ 3 V). Po vsakem povečanju počakajte, da se termične razmere ustalijo.
Z izračunano vrednostjo Rth sedaj izračunajte še dejanske temperature posamezne meritve (2.1). Po
končanih meritvah izračunajte in narišite diagram R(T)
Iz diagrama določite tudi linearni temperaturni koeficient upornosti TKR, na temperaturnem
intervalu T = 20 °C ÷ 80 °C.
TK R =
∆R
R
∆T
=
1 ∆R
R ∆T
(2.3)
Spremembe upornosti so majhne, zato je treba meriti pazljivo. Merilna metoda zahteva natančno
meritev toka, zato ga merimo z multimetrom HP 34401A, napetost pa z drugim voltmetrom npr.
HP 3435A neposredno na uporu. Pri meritvi uporabite laboratorijski napajalnik HP E3631A.
Uporabite zaporedno vezavo dveh napajalnikov dosegom do 25 V. Z daljšim pritiskom na gumb
Track dosežemo, da sta napetosti obeh napajalnikov enaki. Izhodna napetost je tedaj dvakratnik
napetosti, ki jo kaže voltmeter na samem napajalniku. Napetost nastavljate tako, da voltmeter kaže
želeno napetost. Voltmeter v napajalniku ni dovolj točen in ne upošteva padcev napetosti v
priključnih žicah. Pri zadnjih meritvah, ki zahtevajo napetosti nad 50 V, morate zaporedno vezati
še tretji neodvisni izvor napajalnika HP E3631A.
Če v grafu R(T) opazite večje nezveznosti, morate meritev v ekstremnih točkah ponoviti, zato
je koristno, da sproti računate vrednost upornosti.
V primeru, da je dobljena vrednost točna, izmerite še upornost pri temperaturah, ki se
razlikujeta za polovico temperaturnega intervala.
V večini primerov se izkaže, da nenadnim skokom, konicam in drugim nezveznostim, botrujejo
prehitro odčitavanje toka, sprememba merilnega območja instrumenta ali pa močnejše odvajanje
toplote zaradi zračnega toka. Laboratorijski napajalniki so hlajeni z ventilatorjem, zato upora med
meritvijo ne postavljajte v tok hladilnega zraka, ki izhaja iz rež na stranicah.
Izmerjena temperaturna odvisnost upornosti ni popolnoma zanesljiva zaradi posrednega
nastavljanja temperature, vendar v zadostni meri odraža njen značaj. Zaradi relativno velikega
temperaturnega intervala je odvisnost precej nelinearna. Svoje dodaja tudi upornost spajkanega
kontakta termične varovalke, posebno pri višjih temperaturah blizu izklopa.
Komponente in sestavi
Vaja 2
3/4
Rezultati:
i
Ui [V]
0
1
I[mA]
P [W]
T [°C]
R [Ω]
1
2
3
4
5
6
7
8
Temperaturna odvisnost upornosti varovalnega upora
R(T)
[Ω]
↑
20
40
60
Rth
80
100
Pizk
120
140
160
180
→
T [°C]
TKR
4/4
Komponente in sestavi
Vaja 2
ELKOMPONENTE IN SESTAVI
Ime in priimek:
Šolsko leto:___________
__________________
Skupina :___________
Datum:____________
VAJA 3 : KARAKTERISTIKA NTC TERMISTORJEV
Določite temperaturno odvisnost upornosti NTC termistorja R(T ) in jo narišite za območje
od 20 °C ÷ 100 °C. Na osnovi izmerjenih vrednosti R20 in R80 določite konstanti
termistorja A in B in temperaturni koeficient TKR pri 20 °C in 80 °C.
A
NTC
220Ω
V
10V
BZX5V6
Opis meritve:
Upornost in temperaturo merimo posredno z meritvijo toka in napetosti. Temperaturo
termistorja izračunamo iz moči, ki se na njem troši in znane termične upornosti Rth, ki
znaša za merjeni termistor 100 °C/W. Termistor je napajan s tokovim generatorjem, ki je
realiziran z NPN tranzistorjem. Izhodna sponka generatorja je kolektor. Kolektorski tok je
skoraj enak emitorskemu, ta pa je določen z emitorskim uporom. Tok nastavljamo z
uporovno dekado, ki je vezana kot spremenljiv emitorski upor, na zahtevane vrednosti
podane v tabeli. Po vsaki spremembi toka počakajte, da se temperatura ustali, nakar
odčitajte napetost termistorja. Pazite, da ne povzročate nepotrebnega kroženja zraka
okoli termistorja, ki lahko hitro vpliva na merilni rezultat.
Temperaturna odvisnost termistorja je podana z enačbo:
R (T ) =
B
T
Ae
(3.1)
Na podlagi rezultatov meritve pri 20 °C, oz. sobni temperaturi, in pri 80 °C, oz. tej
temperaturi najbližji meritvi izračunajte konstanti A in B ter temperaturni koeficient TKR za
omenjeni temperaturi. TKR je definiran z izrazom:
TK R =
1 dR (T )
R(T ) dT
(3.2)
Komponente in sestavi
2/2
Vaja 3
V enačbo (3.2) vstavite izraz za R ( T ) iz (1) in izračunajte odvisnost temperaturnega
koeficienta izraženega s konstantama A in B. Upoštevajte, da je T v gornjih dveh enačbah
absolutna temperatura merjena v K !
Rezultati:
I[mA]
U[V]
P[mW]
T[°C]
R[Ω]
0,5
10
30
60
90
120
150
180
210
250
180
160
140
R(T)
[Ω] 120
100
80
60
40
20
0
0
20
40
60
80
100
120
T [°C]
A
T
B
TKR
20 °C
80 °C
KOMPONENTE IN SESTAVI
Ime in priimek:
Šolsko leto:___________
___________________
Skupina :___________
Datum:_____________
VAJA 4 : KARAKTERISTIKA VARISTORJA
Za ZnO diskasti varistor izmerite in izračunajte:
a)
b)
c)
d)
e)
nazivno napetost UN pri IN = 1 mA (za obe polariteti)
∆UN med absolutnima vrednostima UN pri nasprotnih polaritetah
diferencialno upornost r v podanih točkah
indeks nelinearnosti α (za obe polariteti)
maksimalno dopustno napetost UC impulza dolžine t = 20 µs
A
U
V
100 Ω
Slika 4.1: Shema meritve statične karakteristike varistorja
Opis meritve:
Varistor je nelinearen rezistiven element s karakteristiko, ki je podobna zaporedni vezavi dveh
nasprotno usmerjenih zenerjevih diod. Uporabljamo ga kot zaščitni element in kot stabilizator
napetosti. Ker za meritev U(I) karakteristike varistorja rabimo napetosti do 50 V, moramo vezati
zaporedno oba 25-voltna napajalnika (HP E3631A) tako, da uporabimo plus in minus sponki.
Sočasno spreminjanje obeh napetosti, dosežemo z vklopom sledenja, kar dosežemo z dovolj
dolgim (> 1 s) pritiskom tipke Track. Napetost na varistorju merimo z digitalnim voltmetrom pri
vrednostih toka, ki so podane v merilni tabeli. Tok varistorja merimo z zaporedno vezanim
ampermetrom.
Odvisnost toka od napetosti varistorja opisujemo z enačbo:
I = kU α ,
(4.1)
kjer sta I in U absolutni vrednosti. Enačba (4.1) vsebuje snovno-geometrijski parameter k, ki nima
tehničnega pomena, saj se kot parameter v katalogih podaja predvsem nazivna napetost UN
izmerjena pri nazivnem toku IN = 1mA.
I N = kU αN
Z deljenjem (4.1) z (4.2) izločimo parameter k in izrazimo tok v tehnično bolj primerni obliki.
(4.2)
2/4
Komponente in sestavi
Vaja 4
U α
I = I N 

 UN 
(4.3)
Iz izmerjene napetosti pri nazivnem in desetkratnem nazivnem toku (1 mA in 10 mA) in enačbe
(4.3) izračunamo indeks nelinearnosti α.
1
U α
U
10 I N = I N 
⇒ l = α log
⇒α =

U
UN
 UN 
log
UN
(4.4)
Z odvajanjem (4.1) dobimo diferencialno prevodnost g, ki je tudi obratna vrednost upornosti r.
1
α
dI
I
=g=
= kU α −1α = kU α = α
r
dU
U U
(4.5)
Z namenom, da preverimo ujemanje analitične odvisnosti z izmerjeno, narišemo v graf
preračunane vrednosti meritev. Iz (4.3) namreč sledi
1
 I α = U
I 
UN
 N 
(4.6)
V podani graf vrišite preračunane vrednosti za obe polariteti.
Merjeni varistor lahko v impulzu absorbira energijo 0,7 J. Iz tega podatka lahko določite
maksimalno trenutno moč v časovnem intervalu ∆t = 12 µs, nato pa z izmerjenim indeksom
nelinearnosti α izračunate maksimalno impulzno napetost UC. Moč varistorja je dana z izrazom:
α
α
α +1
U 
U  U
U 
= UN IN 
P = IU = I N 
 U = UN IN 


UN 
UN  UN
UN 
(4.7)
in od tod
1
α +1
P
U C = U N  C 
 UN IN 
Z odvajanjem izraza za tok
varistorja (4.1) po napetosti dobimo
diferencialno prevodnost. V merilni
tabeli
zahtevana
diferencialna
upornost r je njena inverzna
vrednost.
100
90
I
[%] 50
Imax
Pri tem izračunu je upoštevana
standardna oblika toka prikazana na
sliki 4.2. V poenostavljenem
izračunu nadomestite krivuljo toka
z ravnim tokovnim impulzom v
trajanju 12 µs.
(4.8)
10
0
8 µs
20 µs
t
Slika 4.2: Impuzna obremenitev varistorja
Komponente in sestavi
Vaja 4
3/4
Rezultati:
polariteta
−
+
U [V]
I
U [V]
r [Ω]
r [Ω]
5 µA
10 µA
50 µA
100 µA
0,5 mA
1 mA
5 mA
10 mA
+
Polariteta
-
UN
α
Razlika nazivnih
napetosti
Maksimalna
impulzna napetost
∆UN
Uc
10
1
I[mA] 0.1
0.01
0.001
1
5
10
U[V]
50
100
4/4
Komponente in sestavi
Vaja 4
KOMPONENTE IN SESTAVI
Ime in priimek:
___________________
Datum:_____________
Šolsko leto:___________
Skupina :___________
VAJA 5 : MERITEV KAPACITIVNOSTI KONDENZATORJA
Kapacitivnost kondenzatorja izmerite na tri načine:
a) z meritvijo impedance pri frekvenci 1 kHz
b) z meritvijo časovne konstante praznjenja preko znane upornosti,
c) z univerzalnim merilnim mostičem.
Opis meritve:
a) Na funkcijskem generatorju nastavite
sinusni signal efektivno napetostjo 1 V in
frekvenco 1 kHz. Z instrumentoma izmerite
napetost in tok kondenzatorja. Za meritev
toka na sl. 5.1 uporabite starejši, za napetost
pa novejši univerzalni instrument. Na osnovi
izmerjene reaktance in znane frekvence
izračunajte neznano kapacitivnost.
A
ug(t)
~
CX
uC
Slika 5.1: Meritev s sinusno napetostjo
ug ( t ) [v]
+4
t
-4
uc ( t )
uc(0) = Um - Uk
u1
u1e-1
τ = RC
t
Slika 5.2: Napetost ug in uc
b) Kapacitivnost merimo z meritvijo časovne konstante praznjenja kondenzatorja prek znane
upornosti. Kondenzator nabijemo prek diode s funkcijskim generatorjem na pozitivno napetost
≈ 3 V. Vezje je prikazano na sliki 5.3. Generator nastavite na pravokotne impulze 8 Vpp s
frekvenco ≈100 Hz, ki jo po potrebi prilagodite vrednosti CX tako, da bo napetost na kondenzatorju
Komponente in sestavi
2/3
Vaja 5
približno taka, kot je na sliki 5.2. Ko postane napetost na generatorju negativna, se dioda zapre in
kondenzator se prazni prek znane upornosti 1 kΩ. Z osciloskopom izmerite časovno konstanto
eksponentnega upadanja napetosti uC( t ). Zaradi lastnosti eksponentne funkcije je popolnoma
vseeno v katerem času merimo. Osciloskop nastavite tako, da boste na zaslonu dobili potek, kot ga
kaže slika 5.3 (1. kanal, DC, Proženje-Trigger: Source:1.kanal, Način-Mode: Normal, NagibSlope:↘)
Časovno konstanto izmerite kot čas, v katerem upade napetost na zaslonu osciloskopa z 8 raz. na
8/e raz. Potek uc(t) opazujte čim bolj natančno. Pred meritvijo nastavite položaj referenčnega
nivoja (GND) na dno zaslona (slika 5.3). Proženje osciloskopa (gumb Level) nastavite na napetost,
ki ustreza približno sedmim razdelkom. Z nastavitvijo časovne baze raztegnite sliko in odčitajte
ustrezni čas. Vrednost kapacitivnosti primerjajte z rezultatom prve metode. Za večjo natančnost
izmerite tudi pravo vrednost praznilne upornosti in jo upoštevajte v izračunu.
8 raz
ug(t)
uC
CX
1 kΩ
3 raz
GND
τ
Slika 5.3: Vezje in slika na osciloskopu za meritev časovne konstante
c) Z univerzalnim mostičem izmerite kapacitivnost in izgubni faktor kondenzatorja! Merilni
mostič je potrebno nastaviti za merjenje kapacitivnosti z majhnim izgubnim faktorjem tgδ (LOW
D). Kot izhodišče za iskanje ravnotežja upoštevajte rezultate prejšnjih meritev.
Merjenje z mostičem temelji na iskanju ravnotežja, kar pomeni, da mora biti indikatorski signal
čim manjši. Občutljivost, oziroma nivo signala, naj bo najprej majhen, da lahko opazimo
povečanje, oziroma zmanjšanje, odklona indikatorja in s tem premikanje v pravo smer. Ko smo
blizu prave nastavitve, povečamo nivo oscilatorja, in s tem tudi zanesljivost meritve. Na koncu
iščemo ničlo indikatorja še z nastavljanjem izgubnega kota. Končni vrednosti določimo s
postopnim popravljanjem vrednosti kapacitivnosti in izgubnega faktorja. Izračunajte tudi relativni
napaki meritev pod a) in b) glede na meritev c), ki je najbolj točna.
Rezultati:
Zunanji izgled
kondenzatorja
C
Meritev
a)
f = 1 kHz
b)
impulz
c)
merilni
mostič
U
I
|Z|
τ
R
∆Ca/C
∆Cb/C
tgδ
KOMPONENTE IN SESTAVI
Ime in priimek:
___________________
Datum:_____________
Šolsko leto:___________
Skupina :___________
VAJA 6 : LASTNOSTI ELEKTROLITISKEGA KONDENZATORJA
Izmerite serijsko upornost RS in izgubni faktor tgδ elektrolitskega kondenzatorja.
27Ω
27Ω
ug(t)
C
uC
RS
ug(t)
uC
C
Slika 6.1 : Merilno vezje za meritev upornosti RS in njegov nadomestni model
Opis meritve:
Serijsko upornost kondenzatorja merimo posredno z meritvijo napetostnih skokov na
kondenzatorju ob hitri spremembi toka kondenzatorja. Generator nastavite na pravokotno napetost
s frekvenco 1 kHz. Amplitudo na generatorju nastavite na 15 VPP z enosmerno prednapetostjo
+2 V (offset voltage). Pri priključenem kondenzatorju (slika 6.1) izmerite vršno napetost na
izhodu generatorja, ki se zaradi notranje upornosti (50 Ω) razlikuje od nastavljene vrednosti.
Nastavitve osciloskopa in sond so podane na sliki 6.2. Ker ima napetost tudi enosmerno
komponento, morate uporabiti izmenični (AC) sklop. Iz nadomestnega vezja (slika 6.1) je
razvidno, da se napetost na notranjem kondenzatorju ne more v trenutku spremeniti, zato je
napetostni skok na priključkih kondenzatorja posledica serijske upornosti Rs (slika 6.2).
ug(t)
CH 1
AC
BW Lim: OFF
1:1
Um
t
uc(t)
CH 2
AC
BW Lim: ON
1:1
∆u
t
Slika 6.2: Meritev serijske upornosti elektrolitskega kondenzatorja in nastavitve osciloskopa
V trenutku, ko se spremeni napetost na generatorju velja :
Um
U
∆u
∆u
=
≈ m ⇒ RS =
⋅R
RS R + RS
R
Um
Ob skoku napetosti na kondenzatorju opazimo tudi ozko napetostno konico, ki se naglo izniha. Ta
konica nastane zaradi serijske induktivnosti elektrolitskega kondenzatorja. Proženje osciloskopa
nastavite na napetost ug (CH 1).
Komponente in sestavi
2/2
Vaja 6
b) Izgubni faktor tgδ pri frekvencah 100 Hz, 500 Hz in 1 kHz določite iz faznega premika med
trenutnim tokom in napetostjo. Tok opazujemo preko napetosti generatorja, saj je napetost na
kondenzatorju majhna v primerjavi z ug(t), ker je |Zc| ≪ R. Za to meritev nastavite generator na
sinusno napetost, z amplitudo 8 V(16 VPP) in prednapetostjo +2 V (offset voltage).
Nastavitve osciloskopa in sond so enake kot pri meritvi serijske upornosti. Izgubni kot δ določite iz
faznega kota med maksimalnim tokom I(t) in prehodom napetosti uc(t) skozi ničlo. Sliko po času
raztegnite, da lahko zanesljivo izmerite časovni premik prehoda skozi ničlo. Trenutek maksimuma
toka (napetosti ug(t) CH1)določite, kot točko na sredi med dvema prehodoma skozi ničlo. Z
gumbom za nastavitev nivoja proženja izenačite napetost generatorja na levem in desnem robu
zaslona, kot je prikazano na sliki 6.3. Tedaj je tok iC maksimalen na sredini zaslona. Iz časovnega
premika ∆t izračunate izgubni kot : δ = ∆t ω.
uC
∝ iC
27Ω
~
ug(t)
0
ωt
2π
C
uC
ωt
δ
Im
^
R S IC
Re
^
IC
CH 1 - ug=R
CH 2 - uC
GND1,2
^
IC
jωC
δ
^
U
C
∆t
Slika 6.3: Meritev izgubnega kota δ
Rezultati:
Rs
f [Hz]
100
500
1000
δ
tgδ
iC
KOMPONENTE IN SESTAVI
Ime in priimek:
___________________
Datum:_____________
Šolsko leto:___________
Skupina :___________
VAJA 7 : MERITEV INDUKTIVNOSTI IN KVALITETE TULJAVE
Z ŽELEZNIM JEDROM
Tuljavi z železnim jedrom določite sledeče parametre:
a)
induktivnost L in kvaliteto Q tuljave z meritvijo absolutne vrednosti impedance |ZL| in
izgubnega kota δ pri vzbujanju s sinusno napetostjo
b) z merjenjem toka iL (t) pri stopničnih spremembah napetosti uL (t)
c)
z univerzalnim mostičem.
Za meritvi pod a) in b) izračunajte tudi relativni napaki za izmerjeni induktivnosti glede na
meritev z merilnim mostičem.
iL
ug(t)
uL- CH 1
A
~
L
L uL
a)
∝iL-CH 2
ug(t)
~
10Ω
b)
Slika 7.1: a)Meritev absolutne vrednosti impedance; b) Izgubnega kota δ
Opis meritve:
a) Z univerzalnim instrumentom (multimeter) pomerite upornost bakrenega navitja tuljave. To
vrednost uporabite za primerjavo z vrednostmi, ki jih izračunate na podlagi meritev izgubnega
kota δ. Z meritvijo efektivnega toka in napetosti izmerite absolutno vrednost impedance |ZL| pri
frekvencah 50, 200 in 1000 Hz (slika 7.1a). Na funkcijskem generatorju nastavite sinusni signal
Uef = 5 V in izklopite enosmerni pomik (Uoff = 0). Pri računanju |ZL| morate upoštevati, da
ampermeter kaže efektivno vrednost sinusnega toka. Iz izmerjenih podatkov izračunajte
induktivnost tuljave pri vsaki od zahtevanih frekvenc.
Za meritev izgubnega kota δ povečajte napetost generatorja na 20 Vpp in uporabite vezje, ki ga
kaže slika 7.1b. Upor, s katerim merimo fazo toka iL, ima vrednost 10 Ω, zato je ta upornost
zanemarljiva v primerjavi z lastno upornostjo navitja RCu in |ZL|. Na sliki 7.2 sta prikazana
kazalčni diagram, časovni potek in slika signalov, kot jo vidimo na zaslonu osciloskopa. Za oba
kanala uporabite izmenični sklop (AC). Pri vsaki od zahtevanih frekvenc nastavite sliko tako, da
lahko izmerite zakasnitev ∆t med prehodom toka skozi nič in maksimumom napetosti. Ker je
maksimum sinusne napetosti neizrazit, določimo ta trenutek s pomočjo središča med dvema
prehodoma skozi ničlo. Če zaradi velike raztegnitve časovne skale prehodov napetosti uL skozi
ničlo ne vidimo, potem s horizontalnim pomikom izenačimo napetost na levem in desnem robu
Komponente in sestavi
2/4
Vaja 7
zaslona; tedaj je maksimum napetosti uL na sredi zaslona (slika 7.2). Iz te zakasnitve lahko
izračunate kot δ, kvaliteto Q in serijsko upornost RS nadomestnega vezja. Dobljene vrednosti za
serijsko upornost primerjajte z RCu. Upornost RS se z naraščajočo frekvenco veča, ker rastejo
izgube v železnem jedru.
R
1
∆t δ
∆t
in tg δ = S ⇒ Q =
=
⇒ δ = 2π
ωL
tg δ
T 2π
T
Z cos δ
U
Z L = L RS = Z L sin δ in L = L
ω
IL
(7.1)
(7.2)
V primeru, da je izmerjeni izgubni kot majhen (δ je v radianih), lahko uporabimo sledečo
poenostavitev
δ 1 ⇒ tg δ ≈ δ ⇒ Q =
uL
Im
jω LIˆL
1
δ
RS = ω Lδ = Z L δ
in
(7.3)
Uˆ L
0
δ
ωt
2π
iL
IˆL
RS IˆL
Re
ωt
δ
CH 1 - uL
CH 2 - RmiL
GND1,2
∆t
Slika 7.2: Kazalčni diagram, časovni potek in slika na osciloskopu za meritev izgubnega kota
b) Na tuljavo priključite pravokotne simetrične napetostne impulze s frekvenco 50, 200 in
1000 Hz in amplitudo 10 V (20 VPP, slika 7.3). Tok skozi tuljavo merimo prek napetosti na uporu
Rm =10 Ω, ki je zaporedno vezan s tuljavo. Napetost tuljave uL je praktično enaka generatorjevi,
saj je napetost na merilnem uporu majhna, ker velja R ≪ |ZL|. Pri konstantni napetosti na tuljavi
tok iL s časom linearno raste, oziroma pada, odvisno od predznaka napetosti:
diL
∆i
in za uL = konst U L = L L
(7.4)
dt
∆t
Napetost UL v gornji enačbi je trenutna vrednost napetosti na tuljavi, torej 10 V, oziroma -10 V.
Spremembo ∆i preračunate iz izmerjene napetosti na uporu vrednosti Rm.
uL (t ) = L
Komponente in sestavi
Vaja 7
3/4
uL
uL
ug(t)
∝iL
L
10V
0
Rm
t
-10V
iL
∆iL
t
Slika 7.3: Pravokotni napetostni impulzi na tuljavi
c) Z univerzalnim mostičem izmerite induktivnost L in kvaliteto Q pri frekvenci 1 kHz. Na
mostiču nastavite vrednost dobljeno z meritvami pod a) in b). Notranji oscilator mostiča ima
frekvenco 1 kHz, zato dobljeni rezultati veljajo za to frekvenco. Z nastavljanjem vrednosti in
kvalitete manjšajte odklon indikatorja. V primeru, da indikator kaže polni odklon in se ne odziva
na spremembe drugih nastavitev, je potrebno zmanjšati napetost oscilatorja ( OSC LEVEL ).
Rezultati:
Ohmska upornost navitja
RCu = __________
a) Meritev s sinusnim signalom
f [Hz]
50
200
1000
200
1000
L [H]
δ
Rs [Ω]
∆L/L
Q
b) Meritev odziva na pravokotne impulze
f [Hz]
50
L [H]
dL/L
c) Meritev z univerzalnim mostičem f = 1 kHz
L = ___________
Q = ___________
4/4
Komponente in sestavi
Vaja 7
KOMPONENTE IN SESTAVI
Ime in priimek:
Šolsko leto:___________
Skupina :___________
________________
Datum:__________
VAJA 8 : LASTNOSTI FERITNEGA LONČKA
Za tuljavo s feritnim lončkom določite:
a) faktor induktivnosti AL in kvaliteto izdelane tuljave z meritvijo resonance nihajnega kroga.
b)
vrednosti enosmernega toka tuljave IL pri katerem je L(IL) enaka 90%, 50% in 10%
induktivnosti L0. Določite tudi magnetno poljsko jakost H pri teh tokovih.
330 kΩ
ug(t)
~
3400pF
uk
L
Slika 8.1: Vezje za resonančno meritev induktivnosti
Opis meritve:
a) Feritni lonček FL∅18×11 na merilni ploščici ima na tuljavniku 150 ovojev bakrene žice. Ta
lonček nima zračne reže, zato je občutljiv na enosmerne tokove, ki znižujejo efektivno induktivnost
tuljave. Kondenzator in tuljavo morate povezati z vezno žico, ker na merilni ploščici nista spojena,
da lahko pomerimo induktivnost lončka tudi z merilnim mostičem. Na merilni ploščici se poleg
nihajnega kroga nahaja tudi tokov generator, s katerim nastavljamo enosmerni magnetilni tok skozi
tuljavo. Celotna merilna shema vključno s tokovnim generatorjem je prikazana na sliki 8.4. Pri
merjenju induktivnosti brez enosmernega predtoka, tega generatorja ne uporabljamo.
Resonančno frekvenco lahko odčitamo z generatorja, ko je nihajni krog resonanci. Resonanco
lahko najbolj zanesljivo ugotovimo, ko sta napetosti na krogu in generatorju v fazi. Oba kanala
osciloskopa nastavimo na izmenični sklop AC, referenčna nivoja GND pa nastavimo na sredino
zaslona osciloskopa. V resonanci ni faznega zamika med napetostjo ug in uk, zato morata sovpadati
prehoda obeh napetosti čez referenčno nivo (0 V). Že pri manjših odstopanjih od resonančne
frekvence lahko opazimo fazni zamik napetosti na krogu uk glede na napetost generatorja ug. Za
proženje časovne baze osciloskopa uporabite napetost generatorja ug, ki je priključena na prvi
kanal. Z drugim kanalom opazujte napetost na krogu uk (slika 8.1).
Nastavitve osciloskopa in merilnih sond
Signal Kanal Sklop Sonda
ug
1
AC
1:10
uk
2
AC
1:10
Izvor-Source 1. kanal - ug
Proženje
Način-Mode
auto
Trigger
Naklon-Slope
↗
2/4
Komponente in sestavi
Vaja 8
V resonanci postane impedanca kroga realna zato, ni nobene fazne razlike med napetostjo
generatorja in nihajnega kroga. Kvaliteta tuljave je dovolj visoka, da lahko pri izračunu
induktivnosti zanemarite vpliv serijskih izgub na resonančno frekvenco f0. Induktivnost izračunate
iz znanega izraza za resonanco nihajnega kroga:
ω=
1
1
1
 (2π f )2 =
 L=
LC
LC
C (2π f ) 2
(8.1)
V gornji enačbi je f frekvenca signala v resonanci. Faktor induktivnosti za dani feritni lonček
izračunamo iz izmerjene induktivnosti in števila ovojev.
L = AL n 2
(8.2)
Iz meritve maksimalne napetosti nihajnega kroga v resonanci določimo tudi kvaliteto tuljave
oziroma serijsko upornost RS v nadomestnem vezju. Na sliki 8.2 sta narisani ekvivalentni
nadomestni vezji tuljave z izgubami. V paralelnem nihajnem krogu raje uporabljamo za tuljavo
model s paralelno upornostjo RP, ki se sicer uporablja za tuljave z visokimi izgubami. Za eno
frekvenco lahko vedno poiščemo ekvivalentno serijsko upornost RS, s katero natančneje
modeliramo feritno tuljavo na širšem frekvenčnem področju.
jωLÎL
ÎL
RS
^
UL
ÎL
U^ L
L'
L
^
RP
UL
RP
RSÎL
ÎL
^
UL
jωL'
Slika 8.2: Kazalčni diagram pretvorbe serijskih izgub v paralelne
Pretvorba temelji na ekvivalenci impedanc pri določeni frekvenci. Uporabljena je tudi
poenostavitev, ki velja za dovolj visoke kvalitete.
1
1 −1
RS + jω L = ⌡
+
 RP jω L′ RS =
( ω L )2
RS ω L  L′ ≅ L
ω L RP
QL =
=
RS ω L
RP
(8.3)
Slika 8.3 kaže nadomestno vezje, ki velja v resonanci. V merilnem nihajnem krogu je uporabljen
zelo kvaliteten kondenzator (ISKRA KSP- polistiren, tgδ < 2·10-4 ), zato je celotna paralelna
ohmska upornost nihajnega kroga Rk enaka vzporedni vezavi ekvivalentne izgubne upornosti tuljave
RP in vhodne upornosti osciloskopa Rvh = 10 MΩ. V resonanci sta reaktanci XL in XC po absolutni
vrednosti enaki.
Frekvenco generatorja nastavite tako, da sta Uˆ in Uˆ v fazi (prehod čez ničlo). Nato nastavite še
g
k
amplitudo generatorja, da je vršna napetost na nihajnem krogu Uk pp = 1 V (CH 2). Tedaj odčitajte z
osciloskopom tudi vršno napetost generatorja Ug pp (CH 1). Iz napetosti Ug pp in Uk pp najprej
izračunamo Rk, nato RP in dalje kvaliteto QP ter RS.
Vaja 8
Komponente in sestavi
3/4
R
ug(t)
~
C
R
L
Rp
uk
Rvh
f = f0
~
ug(t)
Rk
uk
Slika 8.3: Nadomestno vezje paralelnega nihajnega kroga v resonanci
Rk =
U k pp
R
U g pp − U k pp
1
1
1
=
−
RP Rk Rvh
(8.4)
Iz dobljenih rezultatov izračunate Rp. Rezultate preverite tudi z meritvijo z merilnim mostičem.
82 Ω
330 kΩ
1 kΩ
ug(t)
~
3400pF
10 V
L
680 Ω
Slika 8.4: Vezje za meritev induktivnosti v odvisnosti od enosmernega predtoka
b) Feritni lonček brez reže je zelo občutljiv za enosmerni magnetilni tok, ki premakne delovno
točko feritnega materiala iz ničelne točke na magnetilni krivulji B(H), kar povzroči zmanjšanje
diferencialne permeabilnosti µ∆ (glej sliko 8.5). Pri meritvah induktivnosti z majhnimi signali se
spreminjanje µ∆ odraža kot spreminjanje induktivnosti v odvisnosti od enosmernega magnetilnega
toka. Tok skozi tuljavo s pošiljamo s tokovnim generatorjem, ki je sestavljen iz pnp tranzistorja,
emitorskega upora in napetostnega delilnika. S potenciometrom v delilniku nastavljamo napetost na
bazi tranzistorja, in s tem emitorski in kolektorski tok. Zaradi visoke notranje upornosti tokovnega
generatorja je sprememba kvalitete paralelnega nihajnega kroga zanemarljiva.
B
α
H
tgα = µ∆
Slika 8.5: Magnetilna krivulja mehkomagnetnega materiala - ferita
4/4
Komponente in sestavi
Vaja 8
Za zahtevane relativne vrednosti induktivnosti izračunajte nove resonančne frekvence. Na
generatorju nastavite novo frekvenco, nato pa večajte s potenciometrom tok tokovega generatorja,
dokler ne dosežete resonance nihajnega kroga. Tok merite z ampermetrom. Magnetno poljsko
jakost v feritu izračunate z upoštevanjem efektivne dolžine magnetne silnice v feritu, ki jo za
uporabljeni feritni lonček podaja proizvajalec: le = 26mm.
Rezultati:
a)
Induktivnost in kvaliteta
Ug pp
f0
Rk
L
RP
AL
RS
Q
Resonanca
Merilni mostič
b) Odvisnost induktivnosti od enosmernega magnetilnega toka
L [mH]
0,9L
0,5L
0,1L
f0 [Hz]
IL [mA]
H [A/m]