Laboratorium Elementów Elektronicznych
Ćwiczenie 1:
Parametry i właściwości elementów
biernych dysypatywnych i zachowawczych
Cel ćwiczenia:
Celem ćwiczenia jest pomiar charakterystyk i parametrów określających podstawowe
właściwości statyczne i dynamiczne elementów biernych dysypatywnych i zachowawczych w
tym w szczególności elementów RLC.
Zagadnienia do przygotowania:
1) Pojęcia - napięcie elektryczne stałe, zmienne i przemienne, natężenie prądu elektrycznego,
rezystancja, konduktancja, pojemność, indukcyjność, jednostki miar ww. wielkości fizycznych
zgodnie z układem SI.
2) Pojęcia elementów czynnych, biernych, liniowych i nieliniowych,
3) Rezystor idealny i rzeczywisty – budowa, parametry, właściwości, rodzaje i zastosowania
rezystorów,
4) Kondensator idealny i rzeczywisty – budowa, parametry, właściwości, rodzaje i zastosowania
kondensatorów,
5) Cewka idealna i rzeczywista – budowa, parametry, właściwości, rodzaje i zastosowania
cewek,
6) Sposoby i systemy znakowania elementów biernych (kody barwne i normalizacja EIA),
7) Łączenie szeregowe i równoległe elementów biernych, prawa Kirchhoffa i prawo Ohma,
8) Zasady wykreślania wypadkowych charakterystyk prądowo-napięciowych elementów
elektronicznych.
9) Szeregowe i równoległe dwójniki RC, RL i RLC w obwodzie prądu przemiennego – czasowe
przebiegi prądów i napięć, wykresy wektorowe, trójkąt impedancji, stała czasowa (τ),
zjawisko rezonansu, charakterystyki częstotliwościowe, podstawowe zastosowania.
Literatura:
[1]
[2]
[3]
[4]
Hennel J., Podstawy elektroniki półprzewodnikowej, WNT, Warszawa 2003
Horowitz P., Hill W., Sztuka elektroniki, WkiŁ, Warszawa 2003
Tietze U., Schenk C., Układy półprzewodnikowe, WNT, Warszawa 1996
Kybett H., Boysen E., All New Electronics Self-Teaching Guide, Wiley Publishing Inc.,
Indianapolis 2008.
LEE&KUE – Lab. 1
Zadania do wykonania w ramach ćwiczenia:
1) Identyfikacja i pomiar parametrów charakterystycznych biernych elementów RLC.
a) Odczytać i zanotować wartości nominalne elementów znajdujących się na stanowisku wraz z
tolerancją podaną przez producenta (jeśli jest dostępna) - wyniki zestawić w formie tabeli.
b) Przy użyciu dostępnych na stanowisku przyrządów dokonać pomiarów parametrów
charakterystycznych ww. elementów z maksymalną możliwą dokładnością - wyniki zanotować w
uprzednio sporządzonej tabeli.
c) Uzyskane w punkcie b wyniki porównać z odczytanymi wartościami nominalnymi. Czy uzyskane
rezultaty mieszczą się w założonych granicach tolerancji? Wyjaśnić możliwe przyczyny
obserwowanych rozbieżności.
d) *Dokonać pomiaru parametrów pasożytniczych ww. elementów i zaproponować ich modele
zastępcze. Odczytać i zanotować parametry dodatkowe (np. moc znamionowa, tolerancja etc.)
Uwaga !!!
W przypadku multimetru UT70A odłączyć przewody pomiarowe przed dokonaniem zmian nastawy za
pomocą pokrętła głównego !!!
2) Eksperymentalna weryfikacja podstawowych praw obwodów elektronicznych.
a) Dokonać kalkulacji odpowiednio zastępczej rezystancji, pojemności i indukcyjności obwodów z Rys.1
(wg. zaleceń prowadzącego ćwiczenia). Wyniki zanotować.
a)
b)
c)
Rys.1. Obwody testowe – parametry zastępcze.
b) Dokonać pomiaru ww. wielkości przy użyciu dostępnych na stanowisku przyrządów z możliwie dużą
dokładnością. Czy uzyskane wyniki odpowiadają wyznaczonym w pkt. 2a? Wyjaśnić możliwe
przyczyny obserwowanych rozbieżności. Zanotować względne wartości zaobserwowanych różnic.
SN2016rev02
2
LEE&KUE – Lab. 1
c) Zestawić układ pomiarowy wg. schematu (Rys.2). W oparciu o prawo Ohma oraz prawa Kirchhoffa
dokonać kalkulacji oczekiwanych wartości natężeń prądów I1, I2, I3 i spadków napięć U2, U3 i U0 w
obwodzie.
Rys.2 Obwód pomiarowy – podstawowe prawa obwodów elektronicznych.
Uwaga !!!
Pomiar prądu na zakresie uAmA do max. 200mA !!!
d) Dokonać pomiaru ww. wielkości z możliwie dużą dokładnością. Czy uzyskane rezultaty potwierdzają
słuszność prawa Ohma oraz pierwszego i drugiego prawa Kirchhoffa. Wyjaśnić możliwe przyczyny
obserwowanych rozbieżności.
3) Badanie szeregowego dwójnika RC i RL.
a) Dokonać kalkulacji stałej czasowej τ obwodów z Rys. 3 (parametry RX, CX , LX zgodnie z zaleceniami
prowadzącego ćwiczenie) – wynik zanotować.
stąd dla t=τ
1
1
1
⇒
∙ 0.63
Uwaga !!!
Zwrócić szczególną uwagę na właściwe połączenie zacisków sondy pomiarowej oscyloskopu !!!
Przed podłączeniem generatora do obwodu zweryfikować jego nastawy !!!
SN2016rev02
3
LEE&KUE – Lab. 1
b) Zestawić układ jak na Rys. 3 (parametry RX, CX , LX zgodnie z zaleceniami prowadzącego ćwiczenie).
Dokonać stosownych regulacji nastaw oscyloskopu w trybie sprzężenia stałoprądowego, tak aby na
ekranie uzyskać „nakładające się” stabilne przebiegi z obydwu kanałów (Ch1 i Ch2).
c) Wykonać szkic jednego okresu obserwowanych przebiegów. Wyznaczyć empirycznie stałą czasową τ
obwodu - nanieść stosowny punkt pomiarowy na sporządzony uprzednio szkic.
a)
b)
Rys. 3. Obwód pomiarowy – badanie dwójnika.
d) Porównać wyniki uzyskane w punkcie 3a i 3c – wyjaśnić źródło rozbieżności.
e) Na wejście układu jak na Rys.3a podać sygnał sinusoidalny o amplitudzie 1V i częstotliwości 200Hz
zarejestrować amplitudę napięcia wyjściowego (Uwy) obserwowanego na oscyloskopie (Ch2).
Stopniowo zwiększać częstotliwość (z krokiem ok. 10pkt/dek) do ok. 50kHz. Po każdej zmianie
częstotliwości nanieść stosowne punkty pomiarowe na charakterystykę Uwy(f). W razie potrzeby
skorzystać z opcji pomiarów automatycznych (tryb Meas oscyloskopu).
f)
Zaznaczyć na uzyskanej charakterystyce częstotliwość przy której amplituda sygnału wyjściowego
(Uwy) osiąga wartość 0.707*Uwe.
g) W oparciu o sporządzoną charakterystykę wyjaśnić czy skonstruowany obwód wykazuje cechy filtru
dolnoprzepustowego czy górnoprzepustowego, w jakich aplikacjach przebadany obwód może
znaleźć zastosowanie - podać przykłady.
h) *Doświadczenie powtórzyć podając na wejście układu sygnał trójkątny. Zarejestrować kształt
sygnału obserwowanego na wyjściu, sporządzić stosowny szkic.
4) Badanie zjawiska rezonansu napięć w szeregowym dwójniku RLC.
a) W oparciu o wiedzę teoretyczną dokonać kalkulacji częstotliwości rezonansowej fr szeregowego
obwodu RLC jak na Rys. 4 (parametry RX, CX , LX zgodnie z zaleceniami prowadzącego ćwiczenie) wynik zanotować.
1
2"√$%
Uwaga !!!
Zwrócić szczególną uwagę na właściwe połączenie zacisków sondy pomiarowej oscyloskopu !!!
Przed podłączeniem generatora do obwodu zweryfikować jego nastawy !!!
Zwrócić uwagę na prawidłowe włączenie w obwód żarówki kontrolnej !!!
SN2016rev02
4
LEE&KUE – Lab. 1
b) Zestawić obwód pomiarowy jak na Rys. 4. Dokonać stosownych regulacji nastaw oscyloskopu w celu
uzyskania na ekranie stabilnego obrazu rejestrowanego przebiegu.
Rys. 4. Obwód pomiarowy – badanie rezonansu szeregowego.
c) Stopniowo zwiększając częstotliwość sygnału wejściowego w przedziale 500Hz do 50kHz (z krokiem
np. 10pkt/dek) dokonywać rejestracji prądu płynącego w obwodzie.
&'
(
W razie potrzeby skorzystać z opcji pomiarów automatycznych (tryb Meas oscyloskopu).
d) W oparciu o zarejestrowane wyniki wykreślić krzywą rezonansową obwodu I1(f). Na jej podstawie
wyznaczyć rzeczywistą częstotliwość rezonansową (fr) i określić dobroć obwodu (Q).
)
1
$
*
%
e) Wyznaczyć wypadkową impedancję Zw obwodu przy częstotliwości fr.
+,
f)
*
- .$
1
.%
Cechy jakiego typu filtru wykazuje badany układ? W jakich zastosowaniach badany obwód może
znaleźć zastosowanie?
g) *Obwód z Rys. 4 zasilić z generatora sygnałem prostokątnym o amplitudzie 10V i częstotliwości
500Hz. Zarejestrować kształt przebiegu prądu płynącego w obwodzie (Ch2 oscyloskopu) – wykonać
szkic jednego okresu obserwowanego przebiegu.
h) *Na podstawie zarejestrowanej odpowiedzi układu z Rys. 4 na pobudzenie sygnałem prostokątnym
określić częstotliwość rezonansową (fr) oraz współczynnik zanikania drgań (λ0).
i)
*Pomiary wykonane w pkt. 4f i 4g powtórzyć dołączając rezystor R3 równolegle do R1. Jaki wpływ na
częstotliwość rezonansową, dobroć obwodu i współczynnik zanikania drgań wywiera zmiana
rezystancji RX w obwodzie rezonansowym? – odpowiedź uzasadnić.
SN2016rev02
5