POMIAR OSCLOSKOPOWE 51 I. WSTĘP Oscyloskop jest przyrządem służącym do obserwacji, rejestracji i pomiaru napięć elektrycznych zmieniających się w czasie. Schemat blokowy tego urządzenia pokazano na Rys. 1. 1 2 3 4 5 A B Rys. 1. 1- Lampa oscyloskopowa, 2 wzmacniacz odchylania pionowego (kanał A), 3 - wzmacniacz odchylania pionowego (kanał B), 4 wzmacniacz odchylania poziomego, 5 generator podstawy czasu. Głównym jego elementem jest próżniowa lampa oscyloskopowa (1), w której wiązka elektronów biegnąca od katody do ekranu luminescencyjnego (prostopadle do płaszczyzny rysunku), jest po drodze odchylana przez pole elektryczne wytwarzane przez dwie pary płytek (kondensatorów próżniowych), ustawionych prostopadle względem siebie. Jedna para płytek powoduje odchylanie wiązki w kierunku pionowym, a druga w poziomym. Jeśli do każdej pary płytek przyłożymy różne wartości napięć, to plamka przesunie się na ekranie w położenie, odpowiadające dokładnie tym wartościom. Jest to szczególnie cenne dla obserwacji napięć zmieniających się w czasie. Aby zobaczyć na ekranie kształt badanego napięcia U B (t), przykładamy je do płytek odchylania pionowego (oś ), a do płytek odchylania poziomego (oś ) przykładamy napięcie U, narastające w sposób proporcjonalny do czasu. Ponieważ do zauważalnego odchylenia wiązki elektronów w lampie oscyloskopowej niezbędne są duże napięcia (ponad 100 V), to do obserwacji słabszych sygnałów stosuje się wzmacniacze elektroniczne (2, 3, 4), które dopasowują wielkość badanego sygnału do czułości płytek. Oscyloskop stosowany w tym ćwiczeniu posiada dwa niezależne wzmacniacze odchylania pionowego (kanały A i B), pozwalające porównać dwa badane przebiegi napięciowe, lub obserwować charakterystyki prądowo napięciowe elementów obwodu elektrycznego. Aby umożliwić obserwację napięć zmieniających się periodycznie w czasie, wykorzystuje się tzw. generator podstawy czasu (5), który wytwarza napięcie o kształcie zębów piły, pokazane na Rys. 1. Uzyskanie na ekranie nieruchomego obrazu napięcia zmiennego, wymaga zastosowania tzw. synchronizacji, czyli automatycznego dostrajania częstości generatora podstawy czasu do częstości badanego napięcia.
II. POMIAR Prawidłowe ustawienia elementów sterujących oscyloskopu 2 A. Do obserwacji napięcia 50 Hz, z wykorzystaniem generatora podstawy czasu Przełącznik kanałów: wciśnięty przycisk CH1. Wtyk koncentryczny włożony w gniazdo (wejście) A. Przełącznik czułości wzmacniacza PA w pozycji 1 V/div, (czyli 1 wolt na działkę skali narysowanej na ekranie lampy). Przełącznik suwakowy wzmacniacza kanału A ustawiony w położeniu AC. Przełącznik generatora podstawy czasu PG: w pozycji 10 lub 20 ms/div (milisekund na działkę skali). Rys.2. Płyta czołowa oscyloskopu. W - włącznik sieciowy, J - jasność obrazu, O - ostrość obrazu, PA- przełącznik czułości wzmacniacza kanału A, PB- przełącznik czułości wzmacniacza kanału B, A- wejście(gniazdo)a, B- wejście (gniazdo)b, PG- przełącznik generatora podstawy czasu. B. Do obserwacji charakterystyk prądowo napięciowych. Przełącznik kanałów: wciśnięty przycisk CH1 i CH2. Wtyki koncentryczne włożone w gniazda A i B. Przełączniki czułości wzmacniaczy PA i PB w pozycji 1V/div. Przełącznik suwakowy wzmacniacza kanału A i B ustawić w położeniu DC. Przełącznik podstawy czasu PG: w pozycji -. Jasność obrazu uregulować pokrętłem jasność J.
3 1. Sprawdzenie kalibracji podziałki na ekranie oscyloskopu montować układ wg Rys. 3. Gałkę autotransformatora ustawić na zero. Wyjście transformatora bezpieczeństwa połączyć kablem koncentrycznym z wejściem A ( INPUT 1) oscyloskopu, a wyjście z jego masą (obudową) poprzez ten sam kabel koncentryczny. Przełącznik czułości wzmacniacza PA osi (odchylania pionowego) ustawić tak, by przy napięciu zasilania (ok. 150 V na autotransformatorze) wysokość obrazu osiągała prawie całą wysokości ekranu. Przełącznik zakresów generatora podstawy czasu ustawić tak, aby na ekranie widać było jeden lub dwa pełne okresy sinusoidy napięcia zmiennego. Rys. 3 V~ Stopniowo zwiększając napięcie zaobserwować pojawienie się sinusoidy na ekranie anotować te wartości napięć wskazywanych przez woltomierz, przy których wierzchołek sinusoidy, czyli wartość szczytowa napięcia osiąga poziom kolejnej podziałki na ekranie. Odczytać czas trwania jednego okresu sinusoidy (mnożąc ilość działek odpowiadających okresowi jednej sinusoidy przez przelicznik wskazywany przez przełącznik generatora podstawy czasu. 2. Obserwacja napięcia przemiennego po prostowaniu dwupołówkowym. montować układ wg Rys. 4. Przełącznik czułości wzmacniacza PA osi (odchylania pionowego) ustawić w sposób analogiczny, jak w punkcie 1. Przy napięciu autotransformatora ustawionym na ok.150 V, zaobserwować na oscyloskopie przebiegi czasowe prądu wyprostowanego dwukierunkowo przez układ czterech diod, zwany mostkiem Gretza. anotować wartości kilku napięć i odpowiadających im momentów czasu na obserwowanym na ekranie przebiegu. Odczytać możliwie dokładnie wartość szczytową napięcia i okres przebiegu. DIODA R R Rys. 4 Rys. 5 3. Obserwacja kształtu napięcia przemiennego po przejściu przez diodę prostującą. montować układ wg Rys. 5. Punkt połączyć kablem koncentrycznym z wejściem A wzmacniacza odchylania pionowego, a punkt z masą oscyloskopu. Punktu nie łączyć. Wartość napięcia zmiennego na skali autotransformatora powinna być ustawiona na ok. 150 V. aobserwować na oscyloskopie przebiegi czasowe prądu wyprostowanego jednokierunkowo. anotować wartości kilku napięć i odpowiadających im momentów czasu. Odczytać możliwie dokładnie wartość szczytową napięcia wyprostowanego i okres przebiegów.
4 4. Pomiar charakterystyk prądowo napięciowych diody półprzewodnikowej. montować układ wg Rys. 5. Punkt połączyć z wejściem A (INPUT 1) wzmacniacza odchylania pionowego, punkt z masą oscyloskopu a punkt z wejściem B (INPUT 2) drugiego wzmacniacza odchylania pionowego. Przełącznik generatora podstawy PG czasu ustawić w pozycji -. W tym ustawieniu wzmocniony sygnał z wejścia B nie jest kierowany do płytek odchylania pionowego, ale do płytek odchylania poziomego. Na te płytki przykładany jest więc sygnał, proporcjonalny do napięcia transformatora, podczas gdy na płytki odchylania pionowego sygnał proporcjonalny do natężenia prądu J płynącego przez opór R i diodę. Przy napięciu równym zero ustawić wygodne dla cechowania zerowe położenie plamki na ekranie, najlepiej na środku ekranu, na przecięciu dwu linii siatki. większyć napięcie autotransformatora do ok. 150 V i wykorzystując linie siatki na ekranie zmierzyć charakterystykę prądowo - napięciową diody krzemowej i diody selenowej. 5. Pomiar przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem i natężeniem prądu w obwodzie RC (fizyka). montować układ wg schematu 6. Postępować podobnie jak w punkcie 4. Na ekranie pojawi się elipsa AUTO- TRANSFOR- MATOR Rys. 6 Kondensator Opornica dekadowa podobna do pokazanej na Rys.7. Kąt przesunięcia fazowego α pomiędzy napięciem a natężeniem prądu płynącego przez kondensator wyraża się wzorem: a b sin α = = A B gdzie wielkości a, A, b i B oznaczono na rysunku 7. Warto zauważyć, że kąta α nie można narysować na tym rysunku. Dla kąta α = 0 0 wykresem jest linia prosta, a dla 90 0 elipsa, której osi główne są skierowane zgodnie z osiami i. mierzyć (przy pomocy podziałki ekranu) napięcia odpowiadające wartościom A i B, oraz a i b, dla pięciu wartości oporu R podanych przez prowadzącego (najlepiej z przedziału 0,5kΩ 2 kω) A a Rys. 7 b B
5 III. OPRACOWANIE WNIKÓW POMIARÓW Dla p-tu II. 1. Narysować wykres (10cm 10cm) cechowania skali ekranu względem skali woltomierza. Na podstawie pomiaru okresu sinusoidy, obliczyć częstość napięcia sieci elektrycznej. Obliczyć wartości średnie i skuteczne badanego napięcia, na podstawie znajomości wartości maksymalnej. Dla p-tu II. 2 i II. 3. Naszkicować obserwowane na ekranie oscyloskopu przebiegi czasowe napięcia przemiennego wyprostowanego dwupołówkowo i jednopołówkowo. Dla p-tu II. 4. Naszkicować charakterystyki prądowo - napięciowe diody krzemowej i diody selenowej (położenie zerowe plamki przyjąć jako początek układu współrzędnych). wykresów odczytać najniższą wartość napięcia, przy której diody zaczynają przewodzić, czyli tzw. napięcie progowe przewodzenia dla każdej diody. Dla p-tu II. 5. Obliczyć kąty przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem i natężeniem prądu, dla 5 wartości oporu R Jako niepewność wartości nanoszonych na wykresach przyjąć odległość pomiędzy liniami siatki na ekranie, wyrażoną odpowiednio w woltach, albo w sekundach. IV. LITERATURA 1. H. Szydłowski - Pracownia fizyczna PWN Warszawa 1999 2. E. Popko w Ćwiczenia Laboratoryjne z Fizyki część III, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1997, str. 94 V. AGADNIENIA DO KOLOKWIUM Półprzewodniki typu n (donorowe) i typu p (akceptorowe); złącze p-n; model pasmowy złącza; charakterystyka prądowo - napięciowa diody półprzewodnikowej. Prostowanie jedno i dwukierunkowe prądu zmiennego. Oscyloskop katodowy jako przyrząd pomiarowy. Napięcie maksymalne, średnie i skuteczne prądu zmiennego.