Krzysztof Makles Sprzęt i architektura komputerów Laboratorium Temat: Elementy i układy półprzewodnikowe Katedra Architektury Komputerów i Telekomunikacji Zakład Systemów i Sieci Komputerowych
SPIS TREŚCI 1. Wymagania... 3 2. Obsługa oscyloskopu wirtualnego... 3 3. Obwód prądu przemiennego dioda prostownicza... 5 4. Obwód prądu przemiennego badanie kondensatora... 6 5. Podsumowanie... 7 6. Literatura... 7
1. WYMAGANIA Do wykonania niniejszego ćwiczenia niezbędne jest zapoznanie się z następującymi zagadnieniami: 1. Dioda półprzewodnikowa: budowa, zasada działania złącza półprzewodnikowego typu pn, rodzaje diod, parametry, zastosowanie 2. Kondensator: budowa, zasada działania, parametry, zastosowanie w obwodach elektronicznych 3. Generator funkcyjny: przeznaczenie, parametry, podstawy obsługi 4. Oscyloskop: zasada działania, podstawy obsługi 2. OBSŁUGA OSCYLOSKOPU WIRTUALNEGO Wizualizację przebiegów sygnałów w środowisku NI ELVIS II można przeprowadzić w dwojaki sposób: korzystając z oscyloskopu wirtualnego, lub korzystając z oscyloskopu rzeczywistego. Poniżej pokazany zostanie przykład do samodzielnej realizacji, dotyczący obsługi oscyloskopu wirtualnego. Rys. 1. Wejścia i wyjścia do obsługi oscyloskopu wirtualnego Na rysunku 1 pokazano wejścia i wyjścia potrzebne do wykonania ćwiczenia: przyłącze BNC FGEN (1), wejście dla kanału 0 oscyloskopu (2), wejścia dla sygnałów analogowych AI+ i AI-, które podlegały będą konwersji do sygnałów cyfrowych (3), wejście masy dla sygnałów analogowych AIGND (4), oraz wyjście z generatora sygnałów FGEN (5). Należy przyjąć następującą procedurę wykonania ćwiczenia:
1. Przy pomocy kabla BNC połączyć przyłącza BNC FGEN oraz CH0 (lewa strona ELVIS-a). 2. Za pomocą przewodów połączyć na płycie do prototypowania FGEN z AI 0+, oraz AIGND z AI 0-. 3. Uruchomić Programy->National Instruments->Ni ELVISmx Instrument Launcher- >Instruments->Function Generator. 4. Ustawić parametry generatora zgodnie z rysunkiem 2. Wybieramy przebieg fali jako sinusoidę (1), częstotliwość fali na 100 Hz (2), amplitudę na 2 Vpp (3), a sposób przekierowania sygnałów ustawić na FGEN BNC (4). 5. Nacisnąć Run, aby uruchomić generator funkcji. 6. Uruchom oscyloskop wirtualny. Rys. 2. Widok generatora funkcji 7. Ustaw parametry oscyloskopu zgodnie z rysunkiem 3. Źródło sygnału ustawiamy na kanał 0: SCOPE CH0 (1), uaktywniamy pomiar na kanale 0: Enabled (2), skalę dla kanału 0 ustawiamy na 1V (3), czas trwania jednego impulsu (timebase) ustawiamy na 5 ms (4). 8. Uruchom oscyloskop (Run). Powinieneś zaobserwować sinusoidę o częstotliwości 100 Hz. 9. W generatorze funkcji zmień sposób przekierowania sygnałów z FGEN BNC na Prototyping board. 10. W oscyloskopie zmień źródło sygnału z CH 0 na AI 0. 11. Powinieneś zaobserwować sinusoidę o częstotliwości 100 Hz. Strona 4 z 7
Rys. 3. Widok oscyloskopu 3. OBWÓD PRĄDU PRZEMIENNEGO DIODA PROSTOWNICZA Wykorzystując generator sygnałów FGEN z platformy NI ELVIS II, diodę prostowniczą 1N4001 oraz rezystor (1 kω) zbuduj obwód prądu przemiennego według schematu na rys. 4. Rys. 4. Układ prądu przemiennego z szeregowym połączeniem rezystora i diody 1. Na pulpicie obsługi generatora FGEN wybierz sygnał sinusoidalny i ustaw jego parametry: napięcie międzyszczytowe Vp-p generowanego sygnału na 5 V i częstotliwość f na 50 Hz. 2. Podłącz oscyloskop do zacisków rezystora i diody wykorzystując analogowe wejścia różnicowe. Zaciski rezystora podłącz do wejść oznaczonych symbolami odpowiednio AI0+ i AI0-, natomiast zaciski diody podłącz do wejść oznaczonych symbolami AI1+ i AI1-3. Na pulpicie instrumentu wirtualnego (oscyloskop) ustaw bieżące źródła sygnału dla kanału 0 (Channel 0) na AI0, zaś dla kanału 1 (Channel 1) na AI1 oraz włącz oba kanały (opcje Enabled ) 4. Zaobserwuj i naszkicuj (lub wykonaj zdjęcie) przebiegi napięcia na diodzie i rezystorze. Ponieważ napięcie na rezystorze jest wprost proporcjonalne do natężenia prądu płynącego w obwodzie, zatem przebieg napięcia na rezystorze można traktować jako przebieg natężenia prądu płynącego przez obwód (z dokładnością do stałej multiplikatywnej). Strona 5 z 7
5. (Zadanie domowe). Podaj wnioski wynikające z obserwacji przebiegów napięcia na diodzie i natężenia prądu płynącego w obwodzie. 4. OBWÓD PRĄDU PRZEMIENNEGO BADANIE KONDENSATORA Wykorzystując generator sygnałów FGEN z platformy NI ELVIS II, dostarczone przez prowadzącego kondensator oraz rezystor zbuduj obwód prądu przemiennego według schematu na rys. 5. Rys. 5. Układ prądu przemiennego z szeregowym połączeniem rezystora i kondensatora 1. Odczytaj wartości nominalne rezystancji rezystora R i pojemności kondensatora C. 2. Na pulpicie obsługi generatora FGEN wybierz sygnał sinusoidalny i ustaw jego parametry: napięcie międzyszczytowe Vp-p generowanego sygnału na 5 V i częstotliwość f na 1 khz 3. Podłącz oscyloskop do zacisków rezystora i kondensatora wykorzystując analogowe wejścia różnicowe. Zaciski rezystora podłącz do wejść oznaczonych symbolami odpowiednio AI0+ i AI0-, natomiast zaciski kondensatora podłącz do wejść oznaczonych symbolami AI1+ i AI1-4. Na pulpicie instrumentu wirtualnego (oscyloskop) ustaw bieżące źródła sygnału dla kanału 0 (Channel 0) na AI0, zaś dla kanału 1 (Channel 1) na AI1 oraz włącz oba kanały (opcje Enabled ) 5. Zaobserwuj i naszkicuj (lub wykonaj zdjęcie) przebiegi napięcia na kondensatorze i rezystorze. Ponieważ napięcie na rezystorze jest wprost proporcjonalne do natężenia prądu płynącego w obwodzie, zatem przebieg napięcia na rezystorze można traktować jako przebieg natężenia prądu płynącego przez obwód (z dokładnością do stałej multiplikatywnej). 6. Dla trzech różnych częstotliwości generowanego sygnału napięciowego zmierz, używając kursorów na ekranie oscyloskopu, przesunięcie czasowe t pomiędzy napięciem na kondensatorze u C, a natężeniem i prądu płynącego w obwodzie (napięciem na rezystorze). Zmierz także okres T sygnału napięciowego na rezystorze (lub kondensatorze). Wyniki wpisz do tabeli 4. Tabela 1: Przesunięcie pomiędzy napięciem i natężeniem prądu na kondensatorze L.p. f [Hz] t [ µs] T [µs] ϕ [ ] 1. 2. Strona 6 z 7
7. (Zadanie domowe). Dla każdej częstotliwości oblicz przesunięcie fazowe ϕ pomiędzy prądem płynącym przez kondensator a napięciem na kondensatorze korzystając z zależności ϕ t =. ο 360 T Czy przesunięcie fazowe ϕ zależy od częstotliwości f sygnału z generatora? Czy na kondensatorze prąd wyprzedza napięcie, czy napięcie wyprzedza prąd? 8. (Zadanie domowe) Odpowiednikiem rezystancji dla kondensatora w obwodach prądu przemiennego jest reaktancja pojemnościowa oznaczana symbolem X C. Jakim wzorem jest ona opisana? Czy reaktancja pojemnościowa zależy od częstotliwości, a jeśli tak, to rośnie on ze wzrostem częstotliwości czy maleje? 9. (Zadanie domowe) Opór stawiany prądowi przemiennemu przez układ szeregowo połączonych rezystora i kondensatora określa parametr nazywany impedancją (zawadą), dany wzorem 2 2 X C Z = R +. Czy wartość tego parametru zależy od częstotliwości, a jeśli tak, to rośnie on ze wzrostem częstotliwości czy maleje? 5. PODSUMOWANIE W wyniku przeprowadzonego ćwiczenia, a także ćwiczeń poprzednich student powinien nabyć bądź utrwalić następujące umiejętności: posługiwanie się stałymi i regulowanymi źródłami napięcia w zakresie sposobów połączenia i nastawy parametrów obsługa generatora funkcyjnego w podstawowym zakresie obsługa oscyloskopu w podstawowym zakresie zasada działania i parametry kondensatora, w szczególności jego właściwości w obwodach prądu zmiennego (reaktancja pojemnościowa, przesunięcie fazowe między prądem i napięciem) zasada działania i parametry diody półprzewodnikowej (nieliniowa zależność natężenia prądu i napięcia, rezystancja statyczna oraz dynamiczna) 6. LITERATURA [1] Horowitz P., Hill W.: Sztuka Elektroniki cz. 1, wydanie 9, WKiŁ, Warszawa 2009 [2] Kuphaldt T. R.: Lessons In Electric Circuits, Volume VI Experiments. http://www.ibiblio.org/kuphaldt/electriccircuits/exper/index.html (dostęp październik 2010) [3] Kuphaldt T. R.: Lessons In Electric Circuits, Volume I DC, http://www.ibiblio.org/kuphaldt/electriccircuits/dc/index.html (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, 2006 [6] [Rydzewski J.: Pomiary oscyloskopowe, WNT, wyd. 3, Warszawa 2007 Strona 7 z 7