Pomiary podstawowych wielkości elektrycznych: prawa Ohma i Kirchhoffa. Katedra Architektury Komputerów i Telekomunikacji

Transkrypt

1 Bogdan Olech Mirosław Łazoryszczak Dorota Majorkowska-Mech Elektronika Laboratorium nr 1 Temat: Pomiary podstawowych wielkości elektrycznych: prawa Ohma i Kirchhoffa Katedra Architektury Komputerów i Telekomunikacji Zakład Systemów i Sieci Komputerowych

2 SPIS TREŚCI Spis Treści... 2 Cel ćwiczenia... 3 Wymagania... 3 Wiadomości wstępne... 3 Budowa i obsługa zestawu laboratoryjnego NI ELVIS II... 3 Przebieg ćwiczenia... 3 Podsumowanie... 8 Literatura... 8

3 CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest: Eksperymentalna weryfikacja podstawowych praw teorii obwodów Zapoznanie się z zasadami dokonywania pomiarów napięcia i natężenia prądu elektrycznego Doświadczalne sprawdzenie zależności pomiędzy napięciem i natężeniem prądu przy połączeniu szeregowym oraz równoległym elementów biernych w obwodach prądu stałego WYMAGANIA Do wykonania niniejszego ćwiczenia niezbędne jest zapoznanie się z następującymi zagadnieniami: Podstawowe pojęcia napięcie elektryczne, napięcie stałe i przemienne, natężenie prądu elektrycznego, prąd stały i przemienny, jednostki miar tych wielkości fizycznych zgodnie z układem SI. Podstawowe parametry i sposoby oznaczeń rezystorów z uwzględnieniem kodu paskowego (szereg liczbowy wartości nominalnych, tolerancja, dopuszczalna moc). Podstawowe prawa teorii obwodów: prawo Ohma, prawa Kirchhoffa oraz ich zastosowanie do pomiarów. WIADOMOŚCI WSTĘPNE BUDOWA I OBSŁUGA ZESTAWU LABORATORYJNEGO NI ELVIS II PRZEBIEG ĆWICZENIA Zadanie nr 1 Wykorzystując regulowane źródło napięcia stałego z zestawu laboratoryjnego NI ELVIS II oraz dany przez prowadzącego rezystor zbuduj i zbadaj układ elektryczny według schematu przedstawionego na rys. 1. Kolejność czynności: Rys. 1. Schemat obwodu do weryfikacji prawa Ohma Strona 3 z 8

4 Odczytaj z kodu paskowego rezystancję nominalną rezystora (np. skorzystaj z tabel bądź kalkulatorów dostępnych w Internecie) Podłącz zasilacz sieciowy do zestawu laboratoryjnego NI ELVIS II Połącz zestaw laboratoryjny NI ELVIS II z komputerem za pomocą kabla USB Włącz zasilanie platformy głównej z tyłu obudowy (rys. 2) Rys. 2. Włącznik zasilania platformy NI ELVIS II Umieść rezystor R na płycie prototypowej Wykonaj połączenia z regulowanym źródłem napięcia stałego Variable Power Supplies (SUPPLY +) Połącz, szeregowo z rezystorem, multimetr wirtualny ustawiony w tryb pracy amperomierza prądu stałego Połącz, równolegle z rezystorem, zewnętrzny multimetr cyfrowy ustawiony w tryb pracy woltomierza prądu stałego Uruchom program sterowania zasilaczem (START Programy National Instruments NI ELVISmx for NI ELVIS & NI mydaq Instruments Variable Power Supplies) Uruchom program obsługi multimetru (START Programy National Instruments NI ELVISmx for NI ELVIS & NI mydaq Instruments Digital Multimeter) Włącz zasilanie górnej płyty prototypowej (rys. 3) Rys. 3. Włącznik górnej płyty prototypowej Dla pięciu różnych wartości napięcia zasilania (ustawionych za pomocą pulpitu zasilacza regulowanego na ekranie komputera) odczytaj z mierników natężenie prądu płynącego przez rezystor oraz napięcie na rezystorze; wyniki pomiarów wstaw do poniższej tabeli Tab. 1. Wyniki pomiarów dla rezystora L.p. U [V] I [ma] R=U/I [kω] Wyłącz zasilanie górnej płyty prototypowej Oblicz wartość ilorazu U/I dla każdego pomiaru. Czy wartość tego ilorazu zależy od U? Jakie prawo teorii obwodów zostało zweryfikowane? (Zadanie domowe) Oblicz średnią wartość ilorazu U/I i porównaj z wartością nominalną rezystancji odczytaną z kodu paskowego rezystora. Czy wartość rezystancji uzyskana z pomiarów jest zgodna z wartością nominalną? Strona 4 z 8

5 (Zadanie domowe) Wykreśl zależność natężenia prądu płynącego przez dany rezystor od napięcia elektrycznego na rezystorze I=f(U). Określ i uzasadnij określenie rodzaju charakterystyki prądowo-napięciowej rezystora. Zadanie nr 2 Wykorzystując regulowane źródło napięcia stałego (Variable Power Supply) z zestawu laboratoryjnego NI ELVIS II oraz dwa udostępnione przez prowadzącego rezystory zbuduj i zbadaj układ według schematu przedstawionego na rys. 4. Rys. 4. Schemat obwodu podstawowego dla połączenia szeregowego Kolejność czynności: Umieść rezystory na płycie prototypowej, tak aby były połączone szeregowo Wykonaj połączenia ze źródłem napięcia Variable Power Supplies Uruchom na komputerze program sterowania zasilaczem Połącz, równolegle z zasilaczem, zewnętrzny multimetr cyfrowy, ustawiony w tryb pracy woltomierza Połącz, równolegle z rezystorem R 1, multimetr wirtualny ustawiony w tryb pracy woltomierza Włącz zasilanie górnej płyty prototypowej Dla trzech różnych wartości napięcia zasilania (ustawionych za pomocą pulpitu zasilacza regulowanego na ekranie komputera) odczytaj z mierników napięcie na zasilaczu U oraz napięcie U 1 na rezystorze R 1 ; wyniki pomiarów wstaw do poniższej tabeli Tab. 2. Wyniki pomiarów dla obwodu szeregowego L.p. U [V] U 1 [V] U 2 [V] U 1 +U 2 [V] I [ma] U 1 /R 1 [ma] U 2 /R 2 [ma] Wyłącz zasilanie górnej płyty prototypowej Połącz, równolegle z rezystorem R 2, multimetr wirtualny ustawiony w tryb pracy woltomierza Włącz zasilanie górnej płyty prototypowej Dla trzech podanych w tabeli 2 wartości napięcie zasilania U zmierz napięcie U 2 na rezystorze R 2 ; wyniki pomiarów wstaw do tabeli 2 Wyłącz zasilanie górnej płyty prototypowej Dla każdego pomiaru oblicz wartość sumy U 1 +U 2 i porównaj z wartością U. Jakie prawo elektrotechniki zostało sprawdzone? Połącz szeregowo z rezystorami multimetr wirtualny ustawiony w tryb pracy amperomierza Włącz zasilanie górnej płyty prototypowej Strona 5 z 8

6 Dla trzech podanych w tabeli 2 wartości napięcie zasilania U zmierz natężenie prądu I płynącego przez rezystory; wyniki pomiarów wstaw do tabeli 2 Wyłącz zasilanie górnej płyty prototypowej Odczytaj z kodu paskowego wartości rezystancji rezystorów R 1 i R 2 (Zadanie domowe) Dla każdego z trzech pomiarów oblicz natężenie prądu I korzystając z prawa Ohma: U1 U2 I = I = R1 R2 (Zadanie domowe) Czy obliczone z prawa Ohma wartości natężenia prądu są zgodne z wynikami z bezpośrednich pomiarów? Jeśli występują rozbieżności to, jaka może być ich przyczyna? Zadanie nr 3 Wykorzystując regulowane źródło napięcia stałego z zestawu laboratoryjnego NI ELVIS II oraz dwa dane przez prowadzącego rezystory zbuduj układ elektryczny według schematu przedstawionego na rys. 5. I I 1 I 2 E U 1 R 1 U 2 R 2 Rys. 5. Schemat obwodu podstawowego dla połączenia równoległego Kolejność czynności: Umieść rezystory na płycie prototypowej Wykonaj połączenia ze źródłem napięcia Variable Power Supplies Uruchom program sterowania zasilaczem Połącz, równolegle z zasilaczem, zewnętrzny multimetr cyfrowy, ustawiony w tryb pracy woltomierza Połącz, równolegle z rezystorem R 1, multimetr wirtualny ustawiony w tryb pracy woltomierza Włącz zasilanie górnej płyty prototypowej Dla trzech różnych wartości napięcia zasilania (ustawionych za pomocą pulpitu zasilacza regulowanego na ekranie komputera) odczytaj z mierników napięcie na zasilaczu U oraz napięcie U 1 na rezystorze R 1 ; wyniki pomiarów wstaw do poniższej tabeli Tab. 3. Wyniki pomiarów dla obwodu równoległego L.p. U [V] U 1 [V] U 2 [V] I [ma] I 1 [ma] I 1 [ma] I 1 +I 2 [ma] Wyłącz zasilanie górnej płyty prototypowej Połącz, równolegle z rezystorem R 2, multimetr wirtualny ustawiony w tryb pracy woltomierza Strona 6 z 8

7 Włącz zasilanie górnej płyty prototypowej Dla trzech podanych w tabeli 3 wartości napięcie zasilania U zmierz napięcie U 2 na rezystorze R 2 ; wyniki pomiarów wstaw do tabeli 2 Wyłącz zasilanie górnej płyty prototypowej Dla każdego pomiaru porównaj wartości U, U 1, U 2. Multimetr wirtualny, ustawiony w tryb pracy amperomierza, włącz do gałęzi głównej obwodu, tak aby można było nim zmierzyć natężenie prądu I Włącz zasilanie górnej płyty prototypowej Dla trzech podanych w tabeli 3 wartości napięcie zasilania U zmierz natężenie prądu I płynącego w gałęzi głównej; wyniki pomiarów wstaw do tabeli 3 Wyłącz zasilanie górnej płyty prototypowej Multimetr wirtualny, ustawiony w tryb pracy amperomierza, włącz szeregowo z rezystorem R 1, tak aby można było nim zmierzyć natężenie prądu I 1 Włącz zasilanie górnej płyty prototypowej Dla trzech podanych w tabeli 3 wartości napięcie zasilania U zmierz natężenie prądu I 1 płynącego przez rezystor R 1 ; wyniki pomiarów wstaw do tabeli 3 Wyłącz zasilanie górnej płyty prototypowej Multimetr wirtualny, ustawiony w tryb pracy amperomierza, włącz szeregowo z rezystorem R 2, tak aby można było nim zmierzyć natężenie prądu I 2 Włącz zasilanie górnej płyty prototypowej Dla trzech podanych w tabeli 3 wartości napięcie zasilania U zmierz natężenie prądu I 2 płynącego przez rezystor R 2 ; wyniki pomiarów wstaw do tabeli 3 Wyłącz zasilanie górnej płyty prototypowej Dla każdego pomiaru oblicz sumę I 1 +I 2 natężeń prądów w poszczególnych gałęziach obwodu i porównaj z wartością I natężenia prądu w gałęzi głównej. Jakie prawo teorii obwodów zostało zweryfikowane? Zadanie nr 4 (zadanie domowe) Korzystając z prawa Ohma oraz drugiego prawa Kirchhoffa wyprowadź wzór na natężenie prądu I płynącego w obwodzie podstawowym dla połączenia szeregowego, którego schemat przedstawiono na rys. 4, przy założeniu, że dane są wartości E, R 1 i R 2. Jaka wynika stąd rezystancja zastępcza układu dwóch rezystorów połączonych szeregowo? Zadanie nr 5 (zadanie domowe) Korzystając z prawa Ohma oraz praw Kirchhoffa wyprowadź wzór na natężenie prądu I płynącego w gałęzi głównej obwodu podstawowego dla połączenia równoległego, którego schemat przedstawiono na rys. 5, przy założeniu, że dane są wartości E, R 1 i R 2. Jaka wynika stąd rezystancja zastępcza układu dwóch rezystorów połączonych równolegle? Zadanie nr 6 (zadanie domowe) Korzystając z prawa Ohma i drugiego prawa Kirchhoffa wyprowadź równanie rezystancyjnego dzielnika napięcia (zależność napięcia wyjściowego w funkcji napięcia wejściowego, przy założeniu, że znane są wartości rezystancji tworzące dzielnik napięcia), którego schemat został przedstawiony na rys. 6. Strona 7 z 8

8 Rys. 6. Rezystancyjny dzielnika napięcia PODSUMOWANIE W wyniku przeprowadzonego ćwiczenia student powinien nabyć następujące umiejętności: Zastosowanie prawa Ohma i praw Kirchhoffa do analizy prostych obwodów elektrycznych Rozróżnianie połączenia szeregowego od równoległego oraz umiejętność opisu zależności pomiędzy wielkościami elektrycznymi, zachodzących w przypadku takich połączeń Poprawnego włączania woltomierza i amperomierza do obwodu elektrycznego oraz wykonywania pomiarów podstawowych wielkości elektrycznych w obwodach prądu stałego LITERATURA [1] Horowitz P., Hill W.: Sztuka Elektroniki cz. 1, wydanie 9, WKŁ, Warszawa 2009 [2] Kuphaldt T. R.: Lessons In Electric Circuits, Volume VI Experiments, (dostęp październik 2010) [3] Kuphaldt T. R.: Lessons In Electric Circuits, Volume I DC, (dostęp październik 2010) [4] Kybett H., Boysen E.: Elektronika dla każdego. Przewodnik, Helion, Gliwice, 2012 [5] Rusek M., Pasierbiński J.: Elementy i układy elektroniczne w pytaniach i odpowiedziach, WNT, Warszawa, Strona 8 z 8