Ćw. 32. Pomiary oscyloskopowe

Transkrypt

1 3 KATEDRA FIZYKI STOSOWANEJ PRACOWNIA FIZYKI Ćw. 3. Pomiary oscyoskopowe Wprowadzenie Oscyoskop to urządzenie eektroniczne przeznaczone do obserwacji przebiegu napięcia stałego i przemiennego. Znajduje również zastosowanie przy pomiarze wartości prądu, częstotiwości, kąta fazowego i innych wiekości eektrycznych oraz nieeektrycznych dających się przetworzyć na napięcie. Głównym podzespołem oscyoskopu jest ampa oscyoskopowa. Lampa oscyoskopowa jest to eement zbudowany w postaci szkanej bańki wypełnionej próżnią (Rys. 1). Z jednej strony znajduje się działo eektronowe, czyi zespół eektrod emitujących eektrony, z drugiej strony znajduje się ekran pokryty od wewnątrz warstwą substancji fuoryzującej, czyi wysyłającej światło pod wpływem podającej na nią wiązki eektronów. Strumień eektronów może odchyać się w pou magnetycznym ub eektrycznym. Eektrony są wysyłane przez podgrzaną katodę K, zasianą napięciem żarzenia ż, natomiast anoda A zasiana napięciem a rzędu kiku kv przyspiesza ich ruch w kierunku ekranu. Eektrony wyrzucone z katody przechodzą przez mały otwór w wacu metaowym W zwanym cyindrem Wehneta, osłaniającym katodę. Przez zmianę ujemnego napięcia cyindra W wzgędem katody K rezystorem nastawnym R 1 można zmieniać natężenie wiązki eektronów, a przez to jasność wiązki na ekranie. Strumień wysyłających eektronów można odchyać od osiowego obiegu układem eektrod złożonym z pary płytek odchyania pionowego V i poziomego H. Rys. 1. Budowa ampy oscyoskopowej. Jeżei do jednej pary płytek przyłożymy stałą różnicę potencjałów to poe eektrostatyczne o natężeniu E odchyi wiązkę eektronów w kierunku eektrody o wyższym potencjae. Jeżei przyłożymy zmienną w czasie różnice potencjałów to eektrony będą wykonywały drgania pomiędzy tymi eektrodami. Przy dostatecznie dużej częstotiwości zmian napięcia będziemy obserwować na ekranie E oscyoskopu jasną kreskę, jako śad drogi, po której wędruje strumień

2 eektronów. Po doprowadzeniu napięcia stałego y, np. do płytek V, w obszarze między płytkami zostanie wytworzone poe eektryczne o natężeniu y Ey = (1) d gdzie d jest odegłością między płytkami. Wówczas na eektron działa siła F y = qey () W wyniku działania tej siły eektron porusza się po torze krzywoiniowym a odchyenie od osi ampy na ekranie można opisać następującym równaniem: E y L b y = (3) d a gdzie: a napięcie przyspieszające; b długość płytek odchyających, L odegłość od końca płytek do ekranu. Jak wynika z równania (3) odchyenie pamki od osi jest proporcjonane do wartości przyłożonego napięcia y. O jakości układu odchyania świadczy czułość odchyania k, czyi wartość stosunku przyrostu odchyenia pamki do przyrostu napięcia odchyającego. Wiekością odwrotną do czułości odchyania jest stała (współczynnik) odchyania, wskazująca wartość napięcia potrzebną do odchyenia pamki na ekranie o 1 cm. Następnym eementem ampy oscyoskopowej jest ekran uminescencyjny S, którym jest przednia część bańki ampy, pokryta od strony wewnętrznej warstwą uminoforu. Eektrony bombardujące uminofor wywołują jego świecenie uminescencję. W efekcie na ekranie obserwujemy jasną pamkę. W ceu obserwacji przebiegu napięć do płytek odchyania poziomego naeży przyłożyć napięcie o piłokształtnym przebiegu (Rys. ). Napięcie takie jest generowane przez generator podstawy czasu. W czasie, gdy napięcie wzrasta inowo proporcjonanie do czasu, pamka świetna przesuwa się równomierne od ewej strony ekranu do prawej. Po osiągnięciu wartości maksymanej napięcie bardzo szybko powraca do wartości początkowej. Jeżei teraz do płytek odchyania pionowego V przyłoży się napięcie o nieznanym przebiegu to zostanie ono odwzorowane na ekranie przez ruchomą wiązkę eektronów. Rys. Napięcie generatora podstawy czasu.

3 Rys. 3. proszczony schemat bokowy oscyoskopu. proszczony schemat bokowy oscyoskopu przedstawiono na Rys. 3. Zadaniem boku synchronizacji jest dostrojenie częstotiwości napięcia podstawy do czasu tak, aby była ona równa całkowitej wieokrotności częstotiwości przebiegu badanego. W przypadku synchronizacji obraz na ekranie ampy jest nieruchomy, generator podstawy czasu może być wyzwoony przebiegiem badanym (synchronizacja wewnętrzna pozycja 1 przełącznika W) ub inny napięciem okresowym doprowadzonym z zewnątrz (synchronizacja zewnętrzna pozycja przełącznika W). Generator podstawy czasu przy normanej pracy oscyoskopu zasia płytki odchyania poziomego H (pozycja przełącznika W1). Może on być jednak odłączony (pozycja 1 przełącznika W1) i do płytek można doprowadzić napięcie z generatora zewnętrznego. Zad. 1. Pomiar czułości i stałej ampy oscyoskopowej Metoda pomiaru Czułość C i jej stałą S (odwrotność czułości) ampy oscyoskopowej definiujemy odpowiednio C = (4) S = (5) L gdzie jest odchyeniem pamki świetnej od środka ekranu, a to napięcie przyłożone do płytek odchyania V. W ceu wyznaczenia czułości odchyania płytek V, doprowadza się napięcie do nich stałe napięcie i mierzy odchyenie y pamki od pierwotnego położenia spowodowane przez to napięcie w kierunku osi Y. Jeśi do płytek odchyania pionowego doprowadzimy napięcie sinusoidanie zmienne o ampitudzie 0 to na ekranie otrzymamy inię o długości. Wówczas czułość można wyznaczyć ze wzoru C = (6) 0 gdyż pamka wychya się w obie strony. W przypadku, gdy napięcie mierzymy wotomierzem to wówczas 3

4 C = s, (7) S = ponieważ wotomierz wskazuje napięcie skuteczne s (8) 0 s =. (9) Wykonanie zadania Rys. 4. Schemat układu do pomiaru czułości ampy oscyoskopowej podłączonej do zasiacza napięcia zmiennego. 1. Przyrządy połączyć wg schematu przedstawionego na rysunku 4.. Przed włączeniem oscyoskopu poszczegóne pokrętła naeży ustawić w następujących położeniach: jasność ostrość położenia x i y w położeniu środkowym. Przycisk rodzaju odchyania pionowego (vertica) - wcisnąć przycisk A (patrz Rys. 6). 3. Pokrętło reguacji częstości generatora podstawy czasu (zewnętrzna duża mosiężna gałka) - w skrajnym prawym położeniu. Generator podstawy czasu jest wtedy wyłączony. Przełącznik OT niewciśnięty. 4. Po włączeniu wyłącznika sieciowego zapaa się ampka kontrona i po kikunastu sekundach powinna pojawić się świecąca pamka. 5. Przy pomocy pokręteł położenie x i położenie y przesunąć pamkę na środek ekranu reguując jej jasność i ostrość. 6. Pokrętło skokowej zmiany wzmocnienia wzmacniacza osi Y ustawić w położeniu 5 V - pokrętło płynnej reguacji (mniejsza gałka w pokręte głównym powinno pozostawać podczas wszystkich pomiarów w ewym skrajnym położeniu. 7. Przełącznik rodzaju sygnału kanału A w położeniu AC. 8. Wejście Y oscyoskopu podłączyć do napięcia zmiennego podawanego z reguowanego zasiacza napięcia zmiennego pełniącego roę autotransformatora AT. 9. Pokrętłami jasność i ostrość ustawiamy odpowiednie natężenie i ostrość inii na ekranie oscyoskopu. 10. Pomiary wykonujemy da kiku napięć s, da dwu położeń reguatora wzmocnienia wzmacniacza osi Y, mianowicie 5 V/cm i 10 V/cm. 11. Wyniki zapisać w tabei i sporządzić wykres zaeżności długości inii w funkcji napięcia. 1. Obiczyć czułość C i stałą S z równań (7) i (8). 4

5 Transformator Zasiacz napięcia zmiennego Wotomierz Oscyoskop Rys. 5. Stanowisko pomiarowe Tabea pomiarowa s [V] Wzmoc. 5 V/cm [cm] Wzmoc 10 V/cm [cm] Niepewność pomiaru wiekości C i S (jeśi prowadzący nie zaeci inaczej) okreśić metodą różniczkową, różniczkując odpowiednio równanie (7) i (8) po wszystkich zmiennych mierzonych pamiętając, że C oraz S = f(, ).Niepewności pomiaru napięcia wynika z kasy przyrządu cyfrowego, która wynosi 0,5 oraz niepewności odczytu (najmniejsza wartość napięcia jaką można odczytać na danym zakresie pomiarowym). Rys. 6. Widok frontowej części oscyoskopu tupu 350C. 5

6 Zad.. Pomiar przekładni transformatora Metoda Pomiaru Przekładnię transformatora definiujemy p = (10) 1 gdzie 1 i to odpowiednio napięcie na uzwojeniu pierwotnym i wtórnym transformatora. Znając napięcie 1, które mierzyny wotomierzem V oraz napięcie mierzone przy pomocy oscyoskopu z można wyznaczyć przekładnię transformatora p (patrz Rys. 7). Ponieważ oscyoskop pokaże nam pionową inię o długości odpowiadającej ampitudzie napięcie skuteczne z równania (8) będzie równe S s =, (11) Podłączony do uzwojenia pierwotnego wotomierz V wskaże napięcie skuteczne s1. żywając napięć skutecznych przekładnię transformatora obiczymy ostateczne ze wzoru S =. (1) s p = s1 s1 Rys. 7. Schemat układu do pomiaru przekładni transformatora Tr. Wykonanie zadania 1. Przyrządy połączyć wg schematu przedstawionego na rysunku 7.. Przed włączeniem oscyoskopu poszczegóne pokrętła naeży ustawić w następujących położeniach (patrz Rys. 6): jasność ostrość położenia x i y w położeniu środkowym. Przycisk rodzaju odchyania pionowego (vertica) - wcisnąć przycisk A. 3. Pokrętło reguacji częstości generatora podstawy czasu (zewnętrzna duża mosiężna gałka) - w skrajnym prawym położeniu. Generator podstawy czasu jest wtedy wyłączony. Przełącznik OT niewciśnięty. 4. Po włączeniu wyłącznika sieciowego zapaa się ampka kontrona i po kikunastu sekundach powinna pojawić się świecąca pamka. 5. Przy pomocy pokręteł położenie x i położenie y przesunąć pamkę na środek ekranu reguując jej jasność i ostrość. 6

7 6. Pokrętło skokowej zmiany wzmocnienia wzmacniacza osi Y ustawić w położeniu 5 V - pokrętło płynnej reguacji (mniejsza gałka w pokręte głównym) powinno pozostawać podczas wszystkich pomiarów w ewym skrajnym położeniu. 7. Przełącznik rodzaju sygnału kanału A w położeniu AC. 8. Wejście Y oscyoskopu podłączyć do napięcia zmiennego podawanego z uzwojenia wtórnego transformatora (numer wyjścia uzwojenia wtórnego podaje prowadzący). 9. Pokrętłami jasność i ostrość ustawiamy odpowiednie natężenie i ostrość inii na ekranie oscyoskopu. 10. Pomiary wykonujemy da dwu położeń reguatora wzmocnienia wzmacniacza osi Y, mianowicie 5 V i 10 V. 11. Wotomierzem (umieszczonym przy tabicy rozdzieczej przy oknie) mierzymy napięcie sieciowe na uzwojeniu pierwotnym transformatora S1. Długość inii odpowiadającą napięciu S mierzymy na ekranie ampy oscyoskopowej. 1. Pomiary S1. i naeży kikakrotnie powtórzyć. waga: uzwojenie pierwotne transformatora dołączone jest do napięcia sieciowego ~ 0 V. 14. Obiczyć przekładnię transformatora z równania (1). Niepewność pomiaru wiekości p (jeśi prowadzący nie zeci inaczej) okreśić metodą różniczkową, różniczkując równanie (1) wzgędem wszystkich zmiennych mierzonych tzn. p = f(, s1, S). Niepewności pomiaru napięcia S1 wynika z kasy przyrządu oraz niepewności odczytu. W przypadku, gdy stała S została podana przez prowadzącego to przyjąć S = const., a gdy została wyznaczona to jej niepewność okreśić tak jak w zadaniu 1. Tabea pomiarowa Wzmocnienie 5 V/cm Nr transformatora S1 m V Wzmocnienie 10 V/cm Nr transformatora S1 m V Obowiązujące zagadnienia teoretyczne 1. Budowa i działanie ampy oscyoskopowej.. Wiekości charakteryzujące prąd przemienny. 3. Budowa i zasada działania transformatora. Literatura: D. Haiday, R. Resnick, J. Waker, Podstawy Fizyki, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 003, Tom III Opiekun ćwiczenia: Jarosław Borc 7