Małgorzata Marynowska Uniwersytet Wrocławski, I rok Fizyka doświadczalna II stopnia Prowadzący: dr M. Grodzicki Data wykonania ćwiczenia: 03.03.2015, 10.03.2015 Pracownia pomiarów i sterowania Ćwiczenie 1 Pomiar wielkości elektrycznych z wykorzystaniem instrumentów NI ELVIS II
1. Scharakteryzowanie składników R 1, R 2, R 3, C 1, C 2, ich połączeń równoległych i szeregowych Zmierzono wartości przy pomocy omomierza i miernika pojemności i uzyskano następujące wyniki: R 1 = 0.47492MΩ R 2 = 0.10011MΩ R 3 =0.9892kΩ C 1 =9.65µF C 2 =1.05µF Połączenie szeregowe: R Sz = 0.57601MΩ Połączenie równoległe: R R =977.405Ω Połączenie szeregowe: C Sz = 0.8985µF Połączenie równoległe: C R = 10.67µF Prąd i spadek napięcia w obwodzie dla R 3 : U R3 = 4.9602 V I R3 = 0.00492 A R 3 = U R3 /I R3 = 1008.171Ω Prąd i spadek napięcia w obwodzie dla R 2 i R 3 połączonych szeregowo: U R23 = 4.9494V I R23 = 0.00004A R 23 = U R23 /I R23 = 123735Ω Tabela 1 pokazuje wartości uzyskane w wyniku pomiaru i wartości spodziewane (wyznaczone na podstawie zmierzonych na początku wartości elementów): Tabela 1 R Sz [Ω] R R [Ω] C Sz [µf] C R [µf] R 3 [Ω] R 23 [Ω] pomiar 576010 977.405 0.8985 10.67 1008.17 123735 spodziewane 576019 977.505 0.9470 10.70 989.20 123735
W połączeniu szeregowym rezystorów rezystancja wynikowa jest sumą rezystancji poszczególnych oporników R Sz = R 1 +R 2 +R 3, w połączeniu równoległym odwrotność oporności jest równa sumie odwrotności rezystancji poszczególnych oporników 1/R R =1/R 1 +1/R 2 +1/R 3. Dla kondensatorów jest na odwrót. Wartości otrzymane różnią się nieznacznie od spodziewanych. Przyczyną mogą być dodatkowe oporności lub pojemności na makiecie, niedokładne łączenie elementów, które nie są na stałe wlutowane na makiecie. 2. Pomiar charakterystyki diod: białej, żółtej i zielonej Przy pomocy analizatora I-V dwójników zmierzono charakterystyki I(U) diod przy następujących ustawieniach: Dioda biała (W): Start: 0V Krok: 0.05V Stop: 3.00V Dioda żółta (Y): Start: 0V Krok: 0.05V Stop: 1.9V Dioda zielona (G): Start: 0V Krok: 0.05V Stop: 2.0V Tabela 2 przedstawia wyniki pomiarów: Tabela 2 U W [V] I W [ma] U W [V] I W [ma] U Y [V] I Y [ma] U G [V] I G [ma] 0.004-0.009 2.001-0.009 0.005-0.009 0.005-0.009 0.051-0.008 2.047-0.009 0.052-0.009 0.052-0.009 0.098-0.009 2.099-0.009 0.099-0.009 0.099-0.009 0.150-0.009 2.146-0.009 0.150-0.009 0.150-0.008 0.196-0.008 2.198-0.009 0.197-0.009 0.197-0.009 0.249-0.009 2.250-0.009 0.249-0.009 0.249-0.009 0.301-0.009 2.297-0.009 0.301-0.009 0.301-0.008 0.346-0.009 2.349-0.008 0.347-0.009 0.347-0.009 0.399-0.009 2.394-0.006 0.399-0.008 0.399-0.009 0.445-0.009 2.445-0.001 0.446-0.009 0.446-0.009 0.498-0.009 2.497 0.014 0.498-0.008 0.498-0.009
0.544-0.009 2.541 0.062 0.544-0.009 0.544-0.009 0.597-0.009 2.585 0.204 0.597-0.009 0.597-0.009 0.650-0.009 2.619 0.456 0.650-0.009 0.650-0.008 0.696-0.009 2.651 0.847 0.696-0.009 0.696-0.009 0.748-0.009 2.712 2.032 0.749-0.009 0.749-0.009 0.796-0.009 2.745 2.885 0.796-0.009 0.796-0.009 0.849-0.009 2.805 4.693 0.849-0.009 0.849-0.009 0.901-0.009 2.860 6.641 0.901-0.008 0.901-0.008 0.948-0.009 2.900 8.240 0.948-0.008 0.948-0.009 1.000-0.009 2.955 10.667 1.001-0.009 1.001-0.009 1.047-0.009 1.047-0.008 1.048-0.009 1.099-0.009 1.099-0.009 1.099-0.008 1.153-0.009 1.153-0.009 1.153-0.008 1.200-0.009 1.200-0.009 1.200-0.009 1.252-0.009 1.253-0.009 1.253-0.009 1.298-0.008 1.298-0.009 1.298-0.008 1.350-0.009 1.351-0.009 1.351-0.009 1.403-0.009 1.403-0.008 1.403-0.008 1.448-0.009 1.449-0.008 1.449-0.009 1.500-0.009 1.500-0.008 1.500-0.008 1.546-0.009 1.547-0.007 1.547-0.008 1.600-0.009 1.601-0.005 1.600-0.007 1.647-0.009 1.646 0.000 1.647-0.006 1.700-0.008 1.699 0.016 1.700 0.005 1.752-0.009 1.748 0.073 1.750 0.045 1.799-0.008 1.788 0.207 1.791 0.149 1.850-0.009 1.823 0.521 1.830 0.389 1.896-0.009 1.881 1.070 1.948-0.009 1.916 1.861
Wyk. 1 przedstawia charakterystyki diod: Wyk. 1 Wykres przedstawia charakterystyki statyczne diody elektroluminescencyjnej w stanie przewodzenia. Wartość napięcia przewodzenia (miejsca, w którym prąd zaczyna gwałtownie rosnąć) zależy od rodzaju materiału, z którego została wykonana dioda. Z charakterystyki wynika, że diody żółta i zielona wykonane są z tego samego materiału, podczas gdy dioda biała z innego. 3. Pomiar charakterystyk tranzystorów NPN Pomiarów dokonano przy następujących ustawieniach: Vc: Start:0V Step: 0.1V Stop 1.0V I C limit 40mA
Tabela 3 przedstawia wyniki pomiarów: Tabela 3 I B (µa) 15 I B (µa) 30 I B (µa) 45 U C [V] I C [A] U C [V] I C [A] U C [V] I C [A] 0.00511897 0.00001146 0.00511897 0.00003275 0.00511897 0.00005538 0.10224489 0.00004892 0.10224489 0.00011989 0.10224489 0.00020154 0.19937115 0.00004971 0.19937115 0.00012204 0.19937115 0.00020711 0.29768638 0.00005205 0.29768638 0.00012591 0.29768638 0.00021160 0.39554396 0.00005188 0.39554396 0.00012465 0.39554396 0.00020958 0.49921071 0.00005171 0.49921071 0.00012494 0.49921071 0.00021163 0.59856734 0.00005264 0.59856734 0.00013103 0.59856734 0.00021210 0.70347466 0.00005424 0.70347466 0.00013198 0.70347466 0.00021309 0.80405285 0.00005394 0.80405285 0.00013054 0.80405285 0.00021961 0.89643140 0.00005238 0.89643140 0.00013362 0.89643140 0.00021676 0.99614748 0.00005280 0.99614748 0.00013506 0.99614748 0.00021836 I B (µa) 60 I B (µa) 75 I B (µa) 90 U C [V] I C [A] U C [V] I C [A] U C [V] I C [A] 0.00511897 0.00007728 0.00511897 0.00009550 0.00511897 0.00011553 0.10224489 0.00028995 0.10224489 0.00038185 0.10224489 0.00047329 0.19937115 0.00029889 0.19937115 0.00039475 0.19937115 0.00049181 0.29768638 0.00030367 0.29768638 0.00039914 0.29768638 0.00049295 0.39554396 0.00030173 0.39554396 0.00039880 0.39554396 0.00049518 0.49921071 0.00030383 0.49921071 0.00040118 0.49921071 0.00049856 0.59856734 0.00030505 0.59856734 0.00040214 0.59856734 0.00050019 0.70347466 0.00030578 0.70347466 0.00040495 0.70347466 0.00050302 0.80405285 0.00031450 0.80405285 0.00041275 0.80405285 0.00051311 0.89643140 0.00031122 0.89643140 0.00041013 0.89643140 0.00051111 0.99614748 0.00031335 0.99614748 0.00041287 0.99614748 0.00051405
Wyk. 2 przedstawia charakterystyki tranzystora npn dla różnych wartości prądu bazy I B : Wyk. 2 Tabela 4 przedstawia wyniki obliczeń I C (współczynnik b wyznaczony przy pomocy prostej regresji I C =a*u C +b) i β (β=i C /I B ) Tabela 4 I B [μa] I C [μa] β 15 5150 343 30 11990 400 45 20570 457 60 29596 493 75 39054 521 90 48238 536
Wyk. 3 przedstawia charakterystykę I C (I B ) tranzystora npn: Wyk. 3 Charakterystyka I C (U C ) jest charakterystyką wyjściową tranzystora. Powyżej określonego napięcia prąd kolektora nie zależy od napięcia kolektor-emiter. Niewielka zmiana prądu bazy powoduje znaczną zmianę prądu kolektora. Charakterystyka I C (I B ) to charakterystyka zwrotna. Stosunek I C /I B (β) jest współczynnikiem wzmocnienia prądowego w układzie wejściowym i zmienia się nieznacznie w zależności od I B. PNP Pomiarów dokonano przy następujących ustawieniach: Vc: Start:-1.0V Step: 0.1V Stop 0.0V I C limit 40mA
Tabela 5 przedstawia wyniki pomiarów: Tabela 5 I B (µa) -15 I B (µa) -14 I B (µa) -13 U C [V] I C [A] U C [V] I C [A] U C [V] I C [A] -1.00284918-0.00428921-1.00284918-0.00404209-1.00284918-0.00379009-0.90014108-0.00430343-0.90014108-0.00404121-0.90014108-0.00375688-0.80289629-0.00429036-0.80289629-0.00396760-0.80289629-0.00375800-0.70373156-0.00427955-0.70373156-0.00401007-0.70373156-0.00369578-0.60344876-0.00425339-0.60344876-0.00401041-0.60344876-0.00372025-0.49877107-0.00423004-0.49877107-0.00398785-0.49877107-0.00370122-0.39912158-0.00420710-0.39912158-0.00396818-0.39912158-0.00368451-0.30081092-0.00411424-0.30081092-0.00393324-0.30081092-0.00370414-0.1984528-0.00364301-0.1984528-0.00350922-0.19845280-0.00339191-0.09914815-0.00216057-0.09914815-0.00212527-0.09914815-0.00206343-0.00239192-0.00002863-0.00239192-0.00002813-0.00239192-0.00002706 I B (µa) -12 I B (µa) -11 I B (µa) -10 U C [V] I C [A] U C [V] I C [A] U C [V] I C [A] -1.00285000-0.00351684-1.00284918-0.00327719-1.00284918-0.00304343-0.90014108-0.00350468-0.90014108-0.00331052-0.90014108-0.00301034-0.80289629-0.00355521-0.80289629-0.00328391-0.80289629-0.00300566-0.70373156-0.00348990-0.70373156-0.00327070-0.70373156-0.00299198-0.60344876-0.00346714-0.60344876-0.00325076-0.60344876-0.00297606-0.49877107-0.00345086-0.49877107-0.00323591-0.49877107-0.00296204-0.39912158-0.00348249-0.39912158-0.00321947-0.39912158-0.00294803-0.30081092-0.00345798-0.30081092-0.00319620-0.30081092-0.00292714-0.19845280-0.00324989-0.1984528-0.00304500-0.19845280-0.00286091-0.09914815-0.00200670-0.09914815-0.00193422-0.09914815-0.00188338-0.00239192-0.00002682-0.00239192-0.00002499-0.00239192-0.00002401
Wyk. 4 przedstawia charakterystyki tranzystora pnp dla różnych wartości prądu bazy I B : Wyk. 4 Tabela 6 przedstawia wyniki obliczeń I C (współczynnik b wyznaczony przy pomocy prostej regresji I C =a*u C +b) i β (β=i C /I B ) Tabela 6 I B [A] I C [A] β -0,000015-0,004098 273-0,000014-0,003900 279-0,000013-0,003600 277-0,000012-0,003420 285-0,000011-0,003160 287-0,000010-0,002880 288
Wyk. 5 przedstawia charakterystykę I C (I B ) tranzystora pnp: Wyk. 5 Tranzystor pnp ma odwrotną do npn charakterystykę wyjściową, kształt charakterystyki zwrotnej jest zbliżony. 4. Podłączenie generatora do oscyloskopu Możliwe wyjścia z generatora to płytka prototypowa i FGEN BNC. Sygnał do oscyloskopu można podawać na wejścia SCOPE CH0, SCOPE CH1 i wejścia analogowe AI na makiecie. Rysunek 1 przedstawia uzyskany przebieg (sygnał prostokątny):
Rysunek 1 Pomiar oscyloskopowy pokazuje przebieg napięcia w czasie. Mamy do dyspozycji 3 pokrętła. Scale Volts/Div umożliwia ustawienie, ilu voltom napięcia odpowiadać ma jedna działka, pokrętło Time/Div analogicznie dla czasu. Vertical Position (Div) pozwala na przesuwanie wykresu pionowo w górę lub w dół. Pod wykresem wyświetlana jest wartość skuteczna napięcia (RMS), częstotliwość (Freq) oraz wartość napięcia peak to peak (Vp-p), która określa różnicę w voltach pomiędzy napięciem najwyższym a najniższym osiągniętymi w czasie jednego okresu. 5. Generowanie własnego sygnału Sygnał wygenerowano przy pomocy generatora arbitralnego. Rysunek 2 przedstawia zarejestrowany sygnał sinωt + sin2ωt:
Rysunek 2 Rysunek 3 przedstawia zaprojektowany sygnał sinωt + sin2ωt: Rysunek 3
Rysunek 4 przedstawia wygenerowany sygnał prostokątny: Rysunek 4 Rysunek 5 przedstawia zaprojektowany sygnał prostokątny: Rysunek 5
6. Program sterujący zasilaczem Ustawianie napięcia odbywa się za pomocą pokrętła (Knob). Włączenie i wyłączenie realizowane jest przy pomocy przycisku o zmiennej typu logicznego boolean. Program umieszczony jest w pętli CASE. Gdy program nie jest włączony (Boolean = FALSE) ustawiane jest napięcie 0V. Gdy Boolean=TRUE napięcie jest ustawiane zgodnie z danymi wejściowymi z potencjometru i podane na wyjście SUPPLY+ w Variable Power Supplies na makiecie. Jako napięcie SUPPLY- ustawione jest na stałe 0V. Wartość zmierzona przy pomocy multimetru odpowiadała ustawionej w programie. Rysunek 6 przedstawia panel sterujący: Rysunek 6 Rysunek 7 przedstawia program dla przypadku TRUE w pętli CASE: Rysunek 7
Rysunek 8 przedstawia program dla przypadku FALSE w pętli CASE: Rysunek 8