Ćwiczenie 4 Pomiary napięć i prądów zmiennych Instrukcja do ćwiczenia opracował: Wojciech Słowik 03.2015 Elektroniki Elektroniki Elektroniki Elektroniki Elektroniki Katedr
1. el ćwiczenia 2 Zapoznanie się z układami pomiarowymi napięć oraz prądów zmiennych na przykładzie układów prostownika jednopołówkowego, stabilizatora impulsowego oraz filtrów elektrycznych. Poznanie trybów wyzwalania oscyloskopu (w tym pomiar sygnałów synchronicznych z siecią elektroenergetyczną), poznanie idei metody wobuloskopowej służącej do obserwacji i pomiarów amplitudowych charakterystyk częstotliwościowych czwórników (w tym filtrów). Elektroniki Elektroniki Elektroniki Elektroniki Elektroniki Katedr 2. Wymagane wiadomości teoretyczne podstawowy układ oraz zasada działania prostownika jedno- oraz dwupołówkowego; zasada działania i budowa oscyloskopu cyfrowego w zakresie przedstawionym na wykładzie, wykorzystanie oscyloskopu do pomiarów napięć i prądów zmiennych, tryby wyzwalania oscyloskopu, pomiar różnicy napięć za pomocą oscyloskopu; sonda oscyloskopowa, kompensacja sondy; pomiar wartości skutecznej multimetrem, rozróżnienie pomiędzy wartością skuteczną A oraz A+D, parametry przebiegów zmiennych (wartości średnia, skuteczna, współczynnik tętnień); znajomość topologii oraz charakterystyk podstawowych pasywnych filtrów elektrycznych (dolnoprzepustowy, górnoprzepustowy, pasmowoprzepustowy). Pytanie dla dociekliwych: czy prostowanie zmienia częstotliwość przebiegu? 3. Wyposażenie stanowiska Płytka PB z układami pomiarowymi, transformator wtyczkowy (źródło napięcia przemiennego), oscyloskop cyfrowy wraz z dwiema sondami, generator funkcyjny igol DG1022, multimetr laboratoryjny Agilent U3401A, przewody BN 4. Schematy blokowe TANSFOMATO POSTOWNIK FILT STABILIZATO OBIĄŻENIE 7805 ys. 1 Schemat blokowy układu z prostownikiem jednopołówkowym 5
UKŁAD SALONY LM2575T E KLUZ D P5 UKŁAD SPZĘŻENIA ZWOTNEGO L ys. 2 Schemat blokowo-ideowy układu ze stabilizatorem impulsowym 5. Przygotowanie do ćwiczenia 1. Narysować schemat prostownika jednopołówkowego wraz z filtrem tętnień oraz scalonym 3-końcówkowym stabilizatorem napięcia. W układzie zaznaczyć punkty pomiarowe wraz z dołączonymi przyrządami pomiarowymi w celu obserwacji oraz pomiaru: a) napięcia za diodą prostowniczą (na filtrze tętnień), b) prądu ładowania kondensatora filtrującego, c) prądu obciążenia. W każdym z wyżej wymienionych punktów naszkicuj spodziewany kształt obserwowanego przebiegu. Do dyspozycji mamy oscyloskop dwukanałowy oraz dwie sondy oscyloskopowe. Posłużyć się schematem przedstawionym na ys. 3. 2. ysunek 2 przedstawia uproszczony schemat ideowy impulsowej przetwornicy obniżającej napięcie (Step-Down Voltage egulator). P8 W układzie zaznaczyć punkty pomiarowe wraz z dołączonymi przyrządami pomiarowymi w celu obserwacji oraz pomiaru: a) przebiegu napięcia klucza, b) przebiegu napięcia wyjściowego, c) prądu kondensatora wyjściowego, d) prądu dławika L. Do dyspozycji mamy oscyloskop dwukanałowy, dwie sondy. 3. Narysuj podstawowe układy filtrów biernych (dolnoprzepustowy, górnoprzepustowy, pasmowoprzepustowy). Narysuj ich charakterystyki amplitudowe oraz zaznacz charakterystyczne punkty. Zaproponuj metodę pomiaru ich charakterystyk amplitudowych. Narysuj schemat pomiarowy 3 P7 Elektroniki Elektroniki Elektroniki Elektroniki Elektroniki Katedr P6 3 4 5 P9 Z3
4 z zaznaczoną aparaturą jaką zamierzasz wykorzystać (np. generatory, oscyloskopy itp.). 6. Wykonanie ćwiczenia UWAGA: Elektroniki Elektroniki Elektroniki Elektroniki Elektroniki Katedr Przed wykonaniem jakichkolwiek pomiarów oscyloskopem, należy przełącznikiem znajdującym się na sondach oscyloskopowych wybrać odpowiednie tłumienie, oraz to samo uczynić w ustawieniach oscyloskopu (w opcjach danego kanału). Następnie należy połączyć sondę do kalibratora i jeśli tego wymaga - skompensować. POSTOWNIK JEDNOPOŁÓWKOWY D P2 1 P1 Z1 100nF 7805 100nF ys. 3 Schemat ideowy układu prostownika jednopołówkowego 1. Za pomocą zworki Z2 włącz lub wyłącz jeden z rezystorów obciążenia. Za pomocą zworki Z1 włącz kondensator filtrujący. Zmierz napięcie wyjściowe (punkt pomiarowy P3) za pomocą multimetru. Oblicz wartość prądu obciążenia dla wybranej konfiguracji (odczytaj wartości rezystorów z układu pomiarowego). 2. Dla wybranej wartości rezystancji obciążenia zaobserwuj oscyloskopem przebieg za diodą prostowniczą (punkt P1) w przypadku odłączonego kondensatora filtrującego (zworka Z1 wyjęta). Naszkicować obserwowany przebieg, zwracając uwagę na jego istotne parametry (składowa stała, wartość maksymalna, minimalna, parametry czasowe). (Nie chodzi tu o dokładne przerysowanie przebiegu z ekranu, a o zanotowanie w formie graficznej najistotniejszych elementów obserwowanych przebiegów.) 3. Włączyć zworką Z1 kondensator filtrujący, zaobserwować oscyloskopem przebieg napięcia na kondensatorze (punkt P1) oraz przebieg prądu ładowania 1 2 5 P8 P3 Z2
5 kondensatora (punkt P2). Obserwacje powtórzyć dla dwóch konfiguracji rezystancji obciążenia. Przebieg prądu ładowania kondensatora (punkt P2) zaobserwować również przy włączonym uśrednianiu (przycisk Acquire -> Average; po zakończeniu pomiaru powrócić do trybu Sample). Naszkicuj obserwowane przebiegi, zwracając uwagę na ich istotne parametry (składowa stała, wartość maksymalna, minimalna, parametry czasowe). Elektroniki Elektroniki Elektroniki Elektroniki Elektroniki Katedr 4. Zmierzyć multimetrem wartość skuteczną napięcia tętniącego za diodą prostowniczą (punkt pomiarowy P1; kondensator włączony) oraz napięcia za stabilizatorem (punkt pomiarowy P3). STABILIZATO IMPULSOWY 1 P4 UKŁAD SALONY LM2575T Vin Feedback GND Vout P5 UKŁAD SPZĘŻENIA ZWOTNEGO ys. 4 Schemat ideowy układu ze stabilizatorem impulsowym 1. Za pomocą zworki Z3 włącz lub wyłącz jeden z rezystorów obciążenia. Zmierz napięcie wyjściowe za pomocą multimetru (punkt pomiarowy P9). Oblicz wartość prądu płynącego do obciążenia dla wybranej konfiguracji (odczytaj wartości rezystorów z układu pomiarowego). 2. Zaobserwować oscyloskopem przebieg napięcia na wejściu stabilizatora (punkt pomiarowy P4). Naszkicować obserwowany przebieg, zwracając uwagę na jego istotne parametry (składowa stała, wartość maksymalna, minimalna, parametry czasowe). 3. Zaobserwować oscyloskopem przebieg napięcia na nóżce kluczującej układu stabilizatora (punkt pomiarowy P5) przy zworce Z3 zwartej i rozwartej zmierzyć jego maksymalną wartość, częstotliwość oraz współczynnik wypełnienia, zastosować różne ustawienia źródła wyzwalania oscyloskopu (przebiegiem obserwowanym oraz przebiegiem sieciowym w celu obserwacji tętnień) oraz różne nastawy podstawy czasu oscyloskopu (np. 2.5μs, 2.5ms). Przy wyzwalaniu przebiegiem sieciowym można posłużyć się trybem detekcji szczytowej (Acquire -> Peak Detect) w celu uzyskania wyraźniejszego obrazu. Przełączyć źródło wyzwalania na sygnał mierzony i spróbować zsynchronizować oscyloskop. Naszkicować przebieg dla wybranej pozycji zworki, zwracając D L P8 P7 P6 3 5 4 P9 Z3
6 uwagę na ich istotne parametry (składowa stała, wartość maksymalna, minimalna, parametry czasowe, obecność oscylacji). 4. Zewrzeć zworkę Z3. Zaobserwować przebieg napięcia na wyjściu stabilizatora (punkt pomiarowy P9) wykorzystując sprzężenie A w oscyloskopie, zastosować różne ustawienia źródła wyzwalania oscyloskopu (przebiegiem obserwowanym oraz przebiegiem sieciowym) oraz różne nastawy podstawy czasu oscyloskopu (np. 2.5μs, 2.5ms). Przy wyzwalaniu przebiegiem sieciowym włączyć tryb detekcji szczytowej i zaobserwować poprawę czytelności obserwowanego przebiegu. Naszkicować obserwowane przebiegi, zwracając uwagę na ich istotne parametry (składowa stała, wartość maksymalna, minimalna, parametry czasowe). Elektroniki Elektroniki Elektroniki Elektroniki Elektroniki Katedr 5. Zaobserwować przebieg prądu kondensatora wyjściowego (punkt pomiarowy P6, zworka Z3 zwarta) zmierzyć jego składową stałą, międzyszczytową oraz częstotliwość; zastosować jako źródło wyzwalania obserwowany przebieg oraz w drugim przypadku osobny kanał podłączony do nóżki kluczującej (punkt pomiarowy P5). Włączyć opcję Average (przycisk Acquire) w celu odszumienia przebiegu. Po zakończeniu pomiaru powrócić do trybu Sample. Naszkicować obserwowany przebieg, zwracając uwagę na jego istotne parametry (składowa stała, wartość maksymalna, minimalna, parametry czasowe). 6. Zaobserwować przebieg prądu dławika wyjściowego (punkty P7, P8) zmierzyć jego składową stałą, wartość międzyszczytową oraz częstotliwość (zworka Z3 zwarta); zastanowić się jak oscyloskopem zmierzyć przebieg napięcia na rezystorze, którego żadne z wyprowadzeń nie jest na potencjale masy (pomiar różnicowy). Włączyć opcję Average (przycisk Acquire) w celu odszumienia przebiegu. Po zakończeniu pomiaru powrócić do trybu Sample. Naszkicować obserwowany przebieg, zwracając uwagę na jego istotne parametry (składowa stała, wartość maksymalna, minimalna, parametry czasowe). 7. (Dla ambitnych) ozewrzeć zworkę Z3. Zmierzyć przebieg napięcia na wyjściu stabilizatora (punkt pomiarowy P9). Następnie zmierzyć przebieg napięcia podłączając obydwie końcówki sondy oscyloskopowej do masy (GND). Skąd pochodzi obserwowany sygnał? zy można go w jakiś sposób usunąć? (Można poprosić prowadzącego o pomoc).
FILTY ELEKTYZNE IN Active BPF LPF HPF ys. 5 Schemat ideowy filtrów elektrycznych 7 3.6V Elektroniki Elektroniki Elektroniki Elektroniki Elektroniki Katedr 3.6V BPF 5V OUT 1. Zaobserwować przebieg wobulowany wyjście generatora funkcyjnego podłączyć do wejścia oscyloskopu. Wyjście synchronizujące generatora (znajdujące się z tyłu obudowy generatora) podłączyć do kolejnego kanału oscyloskopu. Na generatorze wybrać przebieg sinusoidalny o poziomie 1Vp-p, włączyć opcję przemiatania Sweep w zakresie 100Hz do 1kHz, czas przestrajania ustawić na 100ms, zaś w ustawieniach włączyć zewnętrzną synchronizację (w menu Utility ). Na oscyloskopie w opcjach wyzwalania wybrać kanał do którego podłączono wyjście synchronizujące. Podstawę czasu oscyloskopu ustawić tak, aby cały przebieg był widoczny na ekranie oscyloskopu. 2. Do wejścia filtrów IN podłącz wyjście generatora funkcyjnego. Na generatorze wybierz przebieg sinusoidalny oraz ustaw poziom napięcia wyjściowego na 1Vp-p. Włącz wobulację ( Sweep ) w zakresie np. 10Hz do 100kHz (parametry dobrać eksperymentalnie do konkretnego układu, czas
8 przestrajania dobrać w zakresie 0.1 1s, ustawić odpowiednio podstawę czasu w oscyloskopie). Włącz w ustawieniach generatora zewnętrzną synchronizację. Podłącz wyjście synchronizujące z generatora do wejścia EXT TIG i ustaw odpowiednio źródło wyzwalania oscyloskopu. 3. Za pomocą zworki przy gnieździe wyjściowym podłączyć do wyjścia sygnał z wybranego filtru. Zaobserwować charakterystykę filtru. 4. Dla filtru dolnoprzepustowego wyznacz górną częstotliwość graniczną. 5. Dla filtru górnoprzepustowego wyznacz dolną częstotliwość graniczną. 6. Dla filtru pasmowoprzepustowego wyznacz dolną oraz górną częstotliwość graniczną oraz pasmo przepustowe. 7. Dla aktywnego filtru pasmowoprzepustowego wyznacz dolną oraz górną częstotliwość graniczną oraz pasmo przepustowe. 7. Opracowanie wyników i. Naszkicuj obserwowane oscylogramy, opisz zmierzone wartości, skomentuj otrzymane wyniki. ii. Elektroniki Elektroniki Elektroniki Elektroniki Elektroniki Katedr Policz z definicji wartość skuteczną napięcia tętniącego na wyjściu prostownika jednopołówkowego wykorzystując aproksymację przebiegu figurami trójkątnymi i/lub prostokątnymi. Porównaj otrzymane wyniki z wartościami uzyskanymi z bezpośredniego pomiaru wartości skutecznej multimetrem. iii. W przypadku układu z prostownikiem jednopołówkowym wyznacz współczynnik tętnień (rozumiany jako stosunek wartości skutecznej składowej zmiennej napięcia do jego wartości średniej). iv. Dla filtrów pasywnych odczytaj wartości elementów filtrów elektrycznych. Oblicz odpowiednie częstotliwości graniczne oraz porównaj obliczone wyniki ze zmierzonymi. Skomentuj ewentualne różnice. Zagadnienia do przemyślenia: 1. Jakie są podstawowe parametry przebiegów zmiennych? 2. Jak wpływa zmiana prądu obciążenia na wartość napięcia tętnień na kondensatorze filtrującym? 3. Jakie są rodzaje filtrów elektrycznych? 4. o to jest charakterystyka amplitudowa?