Compendiu Me Ver 03 Mai 2018 [303040]

[anonimizat], 2018

Măsurări electronice. Îndrumar cu breviar pentru lucrări de laborator, 159 pagini

Autor: dr.h. Artur Buzdugan

Îndrumarul conține descrieri pentru efectuarea a 12 lucrări de laborator privind metodelor de măsurare a [anonimizat] a parametrilor componentelor circuitelor și microelectronice cu ajutorul aparatelor electronice. În îndrumar sunt incluse: [anonimizat], descrierea instrumentarului pentru măsurări din laborator și breviare la subiectele lucrărilor.

[anonimizat], [anonimizat].

Îndrumarul mai conține: [anonimizat], marcarea, [anonimizat], cerințe față de perfectarea raportului lucrării de laborator efectuate, ș.a.

[anonimizat], care conțin măsurări electrice.

Recenzent: conferențiar, dr., Bettin Mironov

Tipar:

Cuprins

„Experimentul este unica modalitate de înțelegere pe care o avem la dispoziție;

[anonimizat]“

Max Planck

Cuvânt înainte

Lucrările de laborator sunt destinate dezvoltării a 3 piloni de bază a aplicării cunoștințelor studenților în activitatea ulterioară de inginer: practicii, independenței și inteligenței.

Lucrările practice în laboratorul nu sunt cursuri teoretice la care se explică în detalii temele respective. La lucrări de laborator consultațiile necesare se oferă în timpul testării de către cadrul didactic a cunoștințelor student: [anonimizat], precum și în timpul efectuării lucrărilor. Timpul alocat lucrării de laborator este integral pentru dezvoltarea abilităților practice cu aparatele de măsurări.

Student: [anonimizat], în care demonstrează efort inovativ și intelectual pentru realizarea cu succes a lucrării de laborator.

Activitatea în laborator nu înseamnă efectuarea mecanică a unor asamblări a circuitelor electronice și măsurări cu trecerea rezultatelor în tabele și raport. Scopul major este ca student: [anonimizat], sa anticipeze anumite rezultate ([anonimizat]), [anonimizat], [anonimizat].

NORME DE PROTECȚIE A MUNCII ȘI SECURITATE ELECTRICĂ

ÎN LABORATORUL MĂSURĂRI ELECTRONICE

Întrucât tensiunea de lucru pentru anumite lucrări practice este de ~220V și frecvența 50 Hz, se impune respectarea regulilor în vigoare referitoare la lucrul în instalații sub tensiune. Nu se admite efectuarea lucrărilor de laborator de către studenți decât după efectuarea instructajului și verificarea cunoștințelor în protecția muncii și securitatea electrică. Confirmare a cunoștințelor va fi înregistrarea respectivă, contra semnături, în registrul laboratorului.

Electrocutarea reprezintă un accident fatal datorat curentului electric, ce străbate corpul și acționează asupra centrilor nervoși și a mușchilor, provocând electrotraumatisme, ce pot avea consecințe foarte grave.

Accidentele electrice au un caracter periculos, pentru că tensiunile electrice nu pot fi sesizate de organele de simt ale omului și pentru că se produc instantaneu, înainte de a fi posibilă orice reacție reflexă de apărare.

Corpul uman se opune trecerii curentului electric (în cazul în care pielea este intactă și uscată) cu o rezistență electrică de (40 – 100) kΩ, dar poate scădea sub valoarea de 1 kΩ, în prezența unor factori precum:

-umiditatea pielii;

-suprafața de contact între piele și materialul sub tensiune;

-presiunea materialului sub tensiune asupra pielii;

-valoarea tensiunii.

Se consideră nepericulos:

-curentul continuu cu intensitatea de până la (40-50) mA.

-curentul alternativ (f = 50 ÷ 60 Hz) cu intensitatea de până la 10 mA.

Cauzele accidentelor electrice sunt:

-atingerea întâmplătoare sau apropierea primejdioasă de instalații aflate sub tensiune;

-atingerea unor pârți metalice care în mod normal sunt fără tensiune, dar care pot căpăta tensiune ca urmare a unor defectări de izolație;

-efectuarea unor manipulări greșite în schemele electrice

Condiții în care se produc electrocutările

Curentul electric străbate corpul uman când are două puncte de contact, cu mase sau conductoare electrice aflate la potențiale diferite, prin care se poate închide un circuit.

Electrocutarea se poate produce în mai multe moduri:

-atingere directă: atingerea unui element neizolat din circuitele de lucru;

-atingere indirectă: atingerea unui element metalic aflat accidental sub tensiune, simultan cu atingerea unui obiect bun conductor de electricitate, aflat în contact cu pământul;

-tensiunea de pas: se produce la atingerea simultană a două puncte de pe sol aflate la potențiale diferite.

Efectele electrocutării sunt cu atât mai periculoase cu cât durata de trecere a curentului prin corp este mai mare și depind mult de traseul urmat de curent prin corpul omenesc.

Limitarea valorii curentului de electrocutare se face de către rezistența de contact a pielii la locul de intrare și de ieșire a curentului precum și de rezistența internă a organismului. Totalul acestor rezistențe are valori cuprinse între 600 și 100 k, valori care depind de:

tensiunea aplicată;

grosimea epidermei;

starea suprafeței de contact, e.g. pielea umedă, murdară sau rănită determină o rezistență mică, ordinul de mărime fiind (600-1000).

Ținând seama de valoarea minimă a rezistenței de izolație a corpului omenesc, rezultă următoarele valori ale tensiunilor periculoase:

U 12V pentru încăperi cu condiții inadecuate de lucru (cu praf, umezeală și căldură, pardoseală cu pământ sau ciment);

U 36V pentru încăperi cu condiții de lucru mai bune;

U 65V pentru încăperi nepericuloase.

Tehnica securității la lipire:

rezistența de izolație între ciocanul (pistolul, letconul) de lipit și cordonul de alimentare (220V, 50Hz) trebuie controlată periodic, măsurând rezistența de izolație între vârful ciocanului și contactele fișei de alimentare;

pentru a evita arsurile în timpul lipirii, conductoarele și componentele se țin cu penseta sau cu cleștele lat. Atenție la lipirea pieselor și a conductoarelor tensionate (arcuite), deoarece aliajul de lipit se poate împrăștia în stropi fierbinți;

sub nici-o formă nu se va atinge partea metalică a ciocanului de lipit, chiar dacă acesta este deconectat de la sursă, deoarece există posibilitatea să fie încă fierbinte;

nu se scutură ciocanul de lipit în jurul său, sau a altor persoane;

nu se va sta cu ochii în fumul degajat la lipire – pericol de orbire;

între două lipituri cu ciocanul de lipit, acesta va fi plasat în suportul special destinat;

nu se lasă pe masă sau pe alte materiale – pericol de topire și incendiere;

vaporii de plumb, ce se degajă la lipire sunt vătămători. Pentru a nu inhala acești vapori se recomandă o poziție corectă la lipire și aerisirea periodică a laboratorului.

În vederea acordării primului ajutor în caz de accident, trebuie să se întreprindă următoarele acțiuni:

-se înlătură cât mai repede acțiunea curentului electric prin operațiuni posibile;

-se solicită asistența medicală de urgență, pompierii, etc.;

-se acordă cele mai simple îngrijiri posibile;

-se asigură cele mai bune condiții pentru accidentat;

-se organizează transportul rapid al accidentatului.

Efectul curentului electric asupra accidentatului provoacă:

-oprirea respirației sau a inimii cu sau fără pierderea conștiinței;

-arsuri, care pot fi:

arsuri localizate, chiar profunde, dar care afectează doar o mica suprafață a corpului;

arsuri întinse, generalizate, pe o mare parte din suprafața corpului.

Scoaterea de sub acțiunea curentului electric se va executa imediat, prin oprirea alimentării cu tensiune a instalației la care s-a produs accidentul, prin dispozitivele de întrerupere din imediata apropiere a accidentatului. Nu se abandonează niciodată acțiunea de aducere la viață a victimei înainte de a se cunoaște cert starea lui, sau până la intervenția serviciilor medicale specializate. Readucerea la viață prin respirație artificială se poate face prin:

-respirație gură la gură sau gură la nas;

-respirație cu ajutorul aparatelor speciale;

-respirație artificială manuală;

-procedee complementare de reanimare.

Accesul în laborator și modul de activități:

-în laborator se intră cu permisiunea cadrului didactic sau inginerului din laborator;

-aparatura nu se conectează la sursa de curent electric și nu se utilizează înainte de a primi permisiune de la cadrul didactic sau inginer;

-jocurile cu orice fel de aparat de măsurări și echipament din laborator sunt interzise;

-aparatele de măsură se utilizează doar în parametri normali și nu se va încerca forțarea fizică a acestuia în vederea obținerii unor rezultate mai bune;

-efectuarea montajelor se efectuează doar cu întreruperea alimentării;

-pentru a evita deteriorarea consumatorilor aleși și accidentele cauzate de acestea, se va urmări ca tensiunea de alimentare să corespundă cu tensiunea nominală planificată în lucrare;

-după începerea lucrării cu circuitul electric montat și aflat sub tensiune se interzice atingerea părților neizolate cu mâna;

-se va asigura și nu se va deteriora legarea la pământ a tuturor părților metalice ale instalației, aparatelor utilizate;

-nu se va încerca niciun fel de operațiune de modificare/reparare a aparaturii. Orice defecțiune se sesizează cadrului didactic sau inginerului din laborator;

-este interzisă atingerea simultană cu ambele mâini a părților metalice aflate sub tensiune;

-deconectarea consumatorilor aflați sub tensiune se va face numai de la sursa de alimentare;

-în cazul, în care în montajul lucrării sunt incluse condensatoare (capacitori), este interzis a se atinge chiar și după scoaterea lor de sub tensiune, deoarece condensatoarele continuă să rămână încărcate cu sarcini electrice. De aceea, după terminarea lucrării, condensatoarele se vor descărca scurtcircuitând terminalele prin atingerea cu un conductor metalic. Operația se va repeta de 2-3 ori până la descărcarea lor completă.

La terminarea lucrării:

-toate aparatele de măsurări și computerele vor fi deconectate de la sursa de energie electrică;

-nu se va începe desfacerea montajului, decât după ce se vor opri întrerupătoarele de alimentare astfel, încât nicio bornă a aparatului și niciun conductor, care face parte din montaj, să nu se afle sub tensiune.

Procedura admiterii la lucrări de laborator la disciplina MĂSURĂRI ELECTRONICE

Cadrul didactic prezintă laboratorul, echipamentul din laborator, obiectivele majore ale lucrărilor de laborator, care la general sunt:

-familiarizarea cu modul de operare cu aparate de laborator utilizate (surse de tensiune, generatoare de funcții, osciloscoape, multimetre, etc.) și tehnicile de măsurare;

-citirea și explicarea funcționării circuitelor simple electronice;

-altoirea de cunoștințe privind asamblarea circuitelor electronice de complexitate simplă și medie;

-transpunerea cunoștințelor teoretice obținute în abilități practice în măsurări în circuite electronice.

Metodologia de lucru

•In timpul orelor de laborator, studenții vor desfășura activitatea în grupuri (1-3 persoane) nominalizate de cadrul didactic pentru efectuarea unei lucrări de laborator, deci la un set de aparate de măsură.

•Studenții se pregătesc în avans pentru lucrarea de laborator, prin studierea teoriei, obiectivelor lucrării, ghidurilor de funcționare a echipamentelor de măsurare necesare.

•În timpul lucrărilor de laborator studenții vor avea asupra lor textul lucrării (pe hârtie sau în format electronic) și un caiet de notițe. În caiet se vor nota rezultatele experimentale, observații, răspunsuri la întrebările, care apar în text sau care sunt expuse de către cadrul didactic.

•Înainte de începerea propriu-zisă a lucrării, cadrul didactic verifică gradul în care studenții cunosc obiectivele lucrării și ce acțiuni vor întreprinde pentru realizarea lor. Aceste teste vor constitui parte a evaluării studenților, cu ponderea de 50% în nota finală a lucrării concrete. Studenților, care nu dau dovadă de cunoștințe minime, nu li se permite de a continua lucrarea de laborator.

•Cadrul didactic va asigura studenților suportul metodologic necesar și va răspunde la întrebările acestora legate de desfășurarea lucrării.

•Ponderea lucrărilor de laborator finalizate este de 30% în nota finală pentru semestru.

•Restanțele la efectuarea și susținerea lucrărilor sunt permise în cadrul orelor planificate de consultații conform procedurilor stabilite în Universitate.

Condiții de participare la lucrarea de laborator

Participarea la ședințele de laborator este condiționată de existenta referatului pentru lucrarea precedentă, precum și dovada de cunoștințe teoretice pentru efectuarea lucrării de laborator pentru ziua dată.

Procedura de raportare a lucrării executate

Referatul lucrării de laborator este personal și netransmisibil. El trebuie să fie scris de mână cu acuratețe sau tipărit la printer și să fie conform structurii tip prezentată în Anexa 1.

INSTRUMENTARUL DE MĂSURĂRI ELECTRONICE DIN LABORATOR

Obiective:

prezentarea aparatelor de măsură folosite în cadrul laboratorului;

explicarea principiilor de funcționare, a modului de lucru;

selectarea setului de aparate de măsură pentru lucrări;

prezentarea erorilor, ce pot apare în timpul măsurătorilor.

Instrumentarul în cadrul laboratorului constă din

Generatoare de joasă frecvență tip GX1025;

Surse de alimentare tip AX502, GPR306OD;

Osciloscoape tip DOX20140, DS1052E

Multimetre tip 34401A, HMC8012.

Notă: Instrumentarul de măsurări poate conține alte mijloace de măsură, precum și aparate analogice, marcarea, tipurile, prioritățile și neajunsurile cărora sunt prezentate în Anexa 2. Modul de lucru al lor este explicat la necesitate de cadrul didactic

Diverse componente electronice: rezistori, condensatoare, diode, tranzistoare, conectoare, circuite integrate, placheta BreadBoard, etc..

Notă: Identificarea unor componente electronice (rezistori, condensatoare, inductanțe, diode) poate fi efectuat conform informației din Anexele 3-6.

Notă: Identificarea orientării, polarității unor componente electronice este expusă în Anexa 7.

Breviar.

Tensiunea electrică – diferența de potențial între două puncte și proporțională cu energia necesară deplasării a unei sarcini electrice de la un punct la celălalt. Tensiunea electrică este o mărime fizică relativă și se poate măsura numai față de un punct de referință. În general, în electronică, tensiunile sunt date folosind ca punct de referință masa (unirea cu pământul) circuitului, căreia-i atribuim potențialul egal cu zero. Unitatea de măsură a tensiunii electrice în SI este voltul (V).

Intensitatea curentului electric – mărime fizică scalară ce caracterizează curentul electric și măsoară sarcina electrică ce traversează secțiunea unui conductor în unitate de timp. Amperul este o mărime fizică fundamentală, și ca unitatea de măsură în SI este amperul (A).

Notă: Unitățile fundamentale și derivate de măsură din SI sunt descrise în Anexa 8, iar regulile de scriere a lor sunt date în Anexa 9.

Rezistența electrică – mărime fizică prin care se reflectă proprietatea unui conductor electric de a se opune trecerii prin el a curentului electric. Unitatea de măsură a rezistenței electrice în SI este Ohm-ul, notat cu Ω.

Una din legile principale ale electricității este legea lui Ohm, care spune că într-un circuit, intensitatea (I) curentului electric este direct proporțională cu tensiunea (U) aplicată și invers proporțională cu rezistența (R) din circuit (vezi fig.1). Formula matematică a legii lui Ohm este:

I=U/R (1)

unde: I – intensitatea curentului, măsurată în amperi (A);

U – tensiunea aplicată, măsurată în volți (V);

Fig. 1 R – rezistența circuitului, măsurată în ohmi (Ω).

Legile lui Kirchhoff

– Se numește nod de rețea orice punct dintr-un circuit electric, unde se întâlnesc cel puțin trei conductori;

– Se numește ochi de rețea orice porțiune închisă dintr-un circuit electric (care nu conține obligatoriu sursă), dar care nu are nici o ramificație (contururi poligonale închise, formate dintr-o succesiune de rezistori și surse);

– Se numește ramură de rețea, porțiunea din rețeaua electrică cuprinse între două noduri succesive.

Prima Lege a lui Kirchhoff este o expresie a conservării sarcinii electrice într-un nod al unei rețele electrice. Reiese, că sarcina electrică totală ce pătrunde într-un nod de rețea trebuie să fie egală cu sarcina electrica ce părăsește acel nod.

Astfel, prima lege a lui Kirchhoff stipulează, că suma algebrică a curenților dintr-un nod de rețea este egală cu zero (fig. 2-a).

Fig. 2-a

k=1 nIk =0 (1)

– I1 + I2 – I3 + I4= 0 (2)

A doua Lege a lui Kirchhoff se referă la ochiuri de rețea și stipulează, că suma algebrică a tensiunilor electromotoare dintr-un ochi de rețea este egală cu suma algebrică a căderilor de tensiune din acel ochi de rețea.

Pentru scrierea ecuației corespunzătoare alegem arbitrar un sens de referință și considerăm pozitive, atât tensiunile cât și intensitățile curenților care au același sens cu cel ales de referință (fig. 2-b).

E1 – E2 = I1R1 – I2R2

E2-E3 = I2R2 + I3R3 sau

k=1 nVk = 0 (3)

deci – suma algebrică a căderilor de tensiune (în cazul particular a unei rezistențe, căderea de tensiune conform legii

lui Ohm într-o buclă închisă este egală cu tensiunea electromotoare totală disponibilă în acea buclă.

Fig. 2-b

Dacă știm elementele consecutive ale unui circuit (caracteristicile generatoarelor și consumatorilor), ecuațiile obținute prin aplicarea legilor lui Kirchhoff permit aflarea intensităților tuturor curenților, ce străbat acel circuit. Etapele care trebuie parcurse pentru astfel de analizș a circuitelor, aplicând legile lui Kirchhoff sunt:

identificarea nodurilor circuitului;

identificarea laturilor circuitului;

notarea curenților;

alegerea sensurilor pentru acești curenți;

aplicarea legii I-ia a lui Kirchhoff pentru (n-1) noduri de rețea;

alegerea ochiurilor de rețea pentru care aplicăm legea a II-a a lui Kirchhoff;

alegerea sensurilor de referință în acele ochiuri de rețea.

Aplicăm legea a II-a a lui Kirchhoff în acele ochiuri selectate. Cu cele (n-1) ecuații obținem un sistem de ecuații, care este egal cu numărul laturilor, deci egal cu numărul necunoscutelor (în cazul nostru cu intensitățile curenților).

1. Generatorul de joasă frecvență tip GX1025 [8] (fig.3) este o sursă de tensiune variabilă, care poate furniza diferite semnale: sinusoidal periodic, dreptunghiular periodic, tip meandru, triunghiular periodic, puls periodic, zgomot alb etc. (sau de alte 48 forme de semnale arbitrare preinstalate), cu frecvența și amplitudinea reglabile. Gama de frecvență pe care o poate acoperi generatorul este 0,001 – 25MHz. Semnalele sunt furnizate circuitului prin intermediul cablului de semnal, care se conectează la mufa din stânga jos a aparatului.

Fig. 3

Amplitudinea și frecvența semnalului generat pot fi modificate brut cu ajutorul butoanelor de pe panoul frontal al aparatului, sau mai fin cu ajutorul rozetei si butoanelor (+, -) de pe panoul frontal.

În cadrul orelor de laborator, este necesar să se regleze atât amplitudinea, cât și frecvența semnalului generat. Sonda de măsurare a osciloscopului se conectează la cablul, care furnizează semnalul de la generator, ca în fig. 4 de mai jos. Masa sondei se conectează la masa cablului de semnal. Prin conectarea sondei de măsură a osciloscopului la cablul de semnal, semnalul generat (fig. 5) va fi vizualizat pe ecranul osciloscopului și pe ecranul generatorului.

Fig. 4

Fig. 5 Modele de semnale generate

Funcțiile suplimentare ale generatorului de frercvențe sunt:

Modulare: AM si FM, FSK si ASK, PM si PWM.

Funcții SWEEP și BURST interne sau externe, lineare sau logaritmice.

Banda de frecvență externă de 100 mHz până la 200 MHz.

Interfața utilizator și ajutor integrat în limba engleză.

Programabil via link USB cu software-ul SX GENE și stocare de date pe USB pe panoul frontal.

Software-ul SX GENE v2.0 controlează generatorul arbitrar GX1025, salvează și restaurează configurațiile și generează semnale arbitrare.

Ghidul de utilizare (în engleză) poate fi accesat la adresa: http://www.arc.ro/metrix-gx1025#tab-3

2. Sursa de alimentare [8] (fig.6) furnizează tensiune continuă pe 2 canale de ieșire în intervalul 0…30V, cu rezoluția pe ecran de 100 mV, limitarea de curent 0…2,5 A cu rezoluția 10 mA la ambele canale în cazul unui scurtcircuit, la fel ca și controlul temperaturii în cazul unei supraîncălziri. Ieșirile au izolație dublă în raport cu rețeaua de alimentare chiar și pentru împământare.

Fig. 6

Alimentarea bipolară a e.g. AO se efectuează prin conectarea arătată în fig. 7.

Ghidul de utilizare a sursei de alimentare AX502 poate fi accesat (în engleza) la adresa:

http://www.arc.ro/metrix-ax-502#tab-3

Fig. 7 Model de alimentare bipolară

Multimetru digital tip HM 8012 [8]

Parametrii multimetrului digital http://www.arc.ro/hmc-8012-digital-multimeter-with-high-accuracy#tab-3

sunt: Afișaj digital – contorizare: 5 3/4 digiți – 480 000, color

Tensiuni C.C. (domenii): 400mV /4V/40V/400V/1000V/- rezoluție minimă: 1mV /- precizie de bază: 0.015%

Tensiuni C.A. (domenii): 400mV / 4V / 40V / 400V / 750V

– rezoluție minimă: 1mV

– precizie de bază: 0.3%

– banda de frecvență: c.c. 100 KHz

Fig. 8 Multimetru digital model HM 8012

Curent C.C. (domenii): 20mA / 200mA / 2A / 10A/ – rezoluție minimă: 100 nA /- precizie de bază: 0.05%

Curent C.A. (domenii): 20mA / 200mA / 2A / 10A

– rezoluție minimă: 100 nA

– precizie de bază: 0.5%

– banda de frecvență : c.c. … 10KHz

True RMS : Da

Rezistențe (domenii): 400W / 4KW / 40KW / 400KW / 4MW / 40MW / 250 MW/

– rezoluție min. / precizie: 1 mΩ/ 0.015%

Capacități (domenii): 5nF / 50nF / 500nF / 5μF / 50μF / 500μF / – rezoluție min. / precizie: 1 pF / 1%

Frecvență: dom. / precizie: 5Hz…10KHz / 0.01%

Temperaturi (sondă opțională): PT100, PT500, PT1000 / – rezoluție min. / precizie: 0.1 ᵒC

Test diodă / continuitate: Da / Da

Memorie date: Da, 50000 măsurători

Data-logger (înregistrator): Da

Funcții matematice: Măsurători REL, logaritmice (dB, dBm)

Vârf / Rel / Min / Max: Da / Da / Da / Da

Interfețe : USB, Ethernet, ȋn dezvoltare LXI, opțional IEEE488

USB host: Da, pe panoul frontal

Rată măsurare: 200 măsurători / s

Multimetru digital tip NMC8012 [8]

Fig. 9 Multimetru digital tip NMC8012

Caracteristici generale:

interval de măsurare: C.C. până la 100 kHz, rezoluție: 1 μV, 100 nA, 1 mΩ, 1 pF, 1 Hz, 0.1 °C/F

acuratețe : 0,015 % (C.C.),

display cu afișare 5¾ cifre (480 000 numărări), afișare simultană a trei funcții de măsurare (ex:DC+AC+statistici),

interfețe: USB-TMC/-VCP, Ethernet, LXI, IEEE-488 (GPIB)

rata de măsurare: până la 200 valori/s-funcții de măsurare: V (C.C.), I (C.C.), V (C.A.), I (C.A.C),

frecvența, putere C.C. rezistența (2 sau 4 fire), temperatura (PT100/PT500/PT1000),

capacitate, dioda și test de continuitate

funcții matematice: testare limite, min/max , medie, offset, putere DC, dB, dBm

funcție de memorare date în memoria internă sau pe un sticks USB în format CSV

Seria de osciloscoape METRIX® DOX 2000 [8]

Sunt echipate cu ecran lat oferind 18 div. în modul full-screen. Această funcție permite personalizarea display-ului: alegere intre display normal sau persistent, format YT sau XY, ajustarea culorilor, luminozității contrastului, etc. Butoanele rotative și key-urile luminate din spate permit accesul către comenzile de pe panoul frontal ușor. Având un mâner, osciloscopul este ușor de transportat iar picioarele care nu permit alunecarea îl fac foarte stabil.

Fig. 10

Sunt 3 nivele pentru achiziție și analiza în timp real sau echivalent. Memoria pentru achiziții este de 32 kpoints sau 2 Mpoints pentru a optimiza analizele.

Sensibilitatea verticală este de la 2 mV/div. până la 10 V/div. cu 12 game, iar sensibilitatea orizontală este de la 2.5 ns la 50 s/div.

Sunt valabile și funcții avansate: funcții matematice simple ( + /- /x / ÷) și FFT în timp real cu afisaj simultan a urmelor.

Software-ul EASYSCOPE este livrat cu produsul pentru a putea fi folosit la controlul și testarea osciloscopului și pentru a recupera fișierele și urmele.

Specificații tehnice:

Display color VGA de 7 inch si ¼.

Meniu complet în 5 limbi + ajutor contextual pe ecran în engleza.

Captura de măsurători pe 2 canale + declanșări Ext și complexe.

Rezoluție verticală: 8 bits.

32 de măsurători automatice + cursori.

Comunicare prin cablu USB.

IEC 61010-1 / 300 V CAT II.

2 canale x 40 MHz – viteza sweep de la 2.5 ns/div. până la 50 s/div.

Rata de eșanționare: one-shot = 500 MS/s (2 canale), 1 GS/S (un canal) / repetitivă = 50 GS/s.

Adâncime de memorie max.: 2 Mpoints.

Impedanța 1 MOhm/18pF.

Ghidul de utilizare poate fi accesat la adresa: http://www.arc.ro/metrix-dox-2040-osciloscop-digital#tab-3

OSCILOSCOPUL CATODIC [9, 10]

Osciloscopul – dispozitiv care permite vizualizarea pe ecranul unui tub catodic a variației în timp a diferitelor mărimi sau a curbelor ce reprezintă dependența între două mărimi. Imaginile obținute pe ecran se numesc oscilograme. Osciloscopul este unul dintre cele mai răspândite aparate electronice, și are o largă utilizare, fie ca mijloc de măsurare de sine stătător, fie ca parte componentă a altor dispozitive electronice.

Ca mijloc de măsurare de sine stătător, el se utilizează la:

-Vizualizarea și studierea variației în timp a diferitelor semnale electrice (curenți, tensiuni, etc);

-Compararea semnalelor electrice;

-Măsurarea unor mărimi electrice (tensiuni, intensități ale curentului, frecvențe, defazaje, gradului de modulație, distorsiuni etc.);

-Măsurarea valorilor instantanee ale unor semnale necunoscute (tensiuni, curenți) ;

-Măsurarea intervalelor de timp;

-Vizualizarea caracteristicilor componentelor electronice (tuburi electronice, tranzistoare), a curbelor de histerezis ale materialelor magnetice etc.

În cazuri aparte osciloscopul face parte din sisteme de măsurare și control sau din aparate mai complexe: vobuloscopul (vizualizarea caracteristicilor de frecvență ale amplificatoarelor), caracterograful (vizualizarea caracteristicilor tranzistoarelor), selectograful (vizualizarea curbelor de selectivitate) etc.

Împreună cu diferite traductoare, osciloscopul poate fi folosit și la studierea și măsurarea unor mărimi neelectrice, cum ar fi în medicină, fizica nucleară, geofizică etc.

Osciloscoape catodice în timp real se caracterizează prin dependența dintre fiecare punct al imaginii de pe ecran și fiecare valoare a semnalului vizualizat. Majoritatea osciloscoapelor folosite în laboratoare sunt osciloscoape catodice în timp real a căror bandă de frecvențe este la c.c. – până la circa 500 MHz.

Osciloscoape cu eșantionare sunt utilizate pentru vizualizarea semnalelor cu frecvențe mai mari de 500 MHz – 20 GHz. Aceste osciloscoape selectează eșantioane din semnalul de frecvență mare și afișează pe ecran date în legătură cu poziția comutatoarelor (V/div, timp/div), depășirea ecranului etc.

Osciloscoape cu microprocesoare sunt cele mai moderne aparate de măsurat. Pe ecranul acestor osciloscoape se afișează scările de lucru, amplitudinea, valoarea medie sau eficace a tensiunii, durata și frontul unor impulsuri, frecvența semnalelor, efectuarea unor calcule despre semnalele afișate.

Analizoare spectrale sunt tot osciloscoape care permit afișarea pe ecran a distribuției puterilor sau amplitudinilor semnalului pentru spectrul de frecvență corespunzător acestui semnal.

Osciloscoape cu memorie rețin forma semnalelor cu variație periodică sau aperiodică. După memorare se poate studia variația în timp a semnalului, se pot compara semnale apărute la momente diferite. După felul memoriei pot fi osciloscoape cu memorie analogică și cu memorie numerică.

Osciloscoape multicanale se folosesc pentru vizualizarea simultană a două sau mai multe mărimi pe ecran. Majoritatea au două canale de semnal dar sunt osciloscoape cu 4 sau 8 canale. La aceste osciloscoape se folosește tubul catodic monospot cu comutator electronic sau tubul catodic multispot.

Să analizăm un exemplu al controlului panoului frontal pentru osciloscop catodic (Fig. 11)

Fig. 11 Panoul frontal al osciloscopului catodic

1 – Intensitatea spotului luminos permite ajustarea luminozității spotului luminos de pe ecranul osciloscopului prin mărirea numărului electronilor ejectați de tunul electronic.

2 – Focusarea spotului luminos permite vizualizarea urmelor spotului luminos pe ecran mai clare prin aplicarea tensiunii la tunul electronilor cu scopul colimării fascicolului de electroni.

3 – Ajustarea poziției verticale și orizontale permite poziționarea fasciculului la pozițiile verticale / orizontale, variabile după cum se dorește. Aceste butoane modifică tensiunea de curent continuu aplicată la plăcile de deflexie verticală și orizontală.

4 – V(olt) / Div(iziune – acest buton este utilizat pentru a controla sensibilitatea la tensiune. Acest lucru este conectat intern la un atenuator al sistemului vertical și determină tensiunea necesară aplicată plăcilor verticale pentru a devia fasciculul vertical pe o diviziune.

5 – Butonul Timp /Div(iziune) – determină timpul necesar pentru spotul luminos să se deplaseze orizontal pe o divizie a ecranului atunci, când baleiajul este generat de procesul de declanșare. Semnalul care este alimentat la plăcile de deflexie verticală asigură declanșarea la forma de undă. Fiecare poziție a butonului time/div se aplică pentru o anumită frecvență, ce determină sensibilitatea orizontală a semnalului observat.

6 – Butonul Trigger Source (Sursa de declanșare) permite selectarea sursei de declanșare, ce urmează să fie aplicată la forma de undă de tip dinți de ferăstrău. De regulă există următoarele trei surse posibile:

(i) Internă (Internal) – mod pentru toate aplicațiile și semnalul vertical se aplică semnalului de declanșare.

(ii) Liniar (Line) – utilizată când tensiunea măsurată este direct proporțională tensiunii rețelei (50Hz).

(iii) Ext (Extern) – în acest caz, un semnal extern este aplicat pentru a declanșa unda de tip dinte de ferăstrău.

7 – Pantă (Slope) – determină dacă circuitul de bază răspunde la timp pantei pozitive / negative al formei de undă de declanșare.

8 – Nivelul (Level) – determină nivelul de amplitudine al undei de declanșare care poate porni baleajul.

9 – AC, DC, GND: Aceasta selectează mecanismul de cuplare pentru semnalul de intrare.

10 – X-Y mode (modul X-Y). În acest mod de operare, două semnale sunt suprapuse în unghi drept unul față de celălalt. Circuitul de bază pe perioada undei dinți de ferăstrău este deconectat de la plăcile de deflexie pe orizontală și semnalul extern care s-a unit la canalul doi este dat în locul bazei de timp. Prin urmare, dacă două unde sinusoidale sunt unite la două canale, respectiv, atunci fasciculul de electroni va fi supus deformării în funcție de unghiul drept de superpoziție a două unde sinusoidale. Se vor urmări figurile Lissajous.

Exemplu de determinare a tensiunii și frecvenței unui semnal de curent alternativ

Măsurarea tensiunii. Inițial conectează ieșirea unui semnal alternativ de la generator extern la canalul 1 al osciloscopului. Forma stabilă a semnalului este în fig. 12. Aici Vpp tensiunea peak – peak iar Vm este tensiunea maximă.

Admitem volts / div este 1V per divizie, atunci Vpp = 4 div x 1 V = 4V

iar Vm = 2div x 1V = 2V.

Valoarea efectivă este V ef. = V rms= Vm X 0.7. = 1.4 V

Dacă un voltmetru de CA este conectat la aceste măsurări, vom obține aceleași valori de 1.4V.

Fig. 12 Definirea amplitudinii, perioadei semnalului sinusoidal

Exemplu de determinare a frecvenței.

Distanța parcursă de undă în fig. 12 , ne indică perioada (T) undei.

Admitem time / div este 1 ms per divizie atunci T = 2div x 1 ms = 2 msec.

De unde găsim frecvența:

f = 1/T = 1/2msec = 0.5 kHz = 500 Hz.

Utilizarea osciloscopului pentru interpretarea diferitelor semnale electrice

Fig. 13 Schema bloc a unui osciloscop catodic

Schema bloc a osciloscopului (fig. 13), blocuri componente, rolul blocurilor componente.

Osciloscoapele moderne sunt alcătuite din mai multe elemente componente, conectate între ele după o schemă bloc reprezentată mai sus, care conține componenta principală a unui osciloscop – tubul catodic (TC), (un tub electronic cu vid pe ecranul căruia se formează imaginea). Elementele principale ale unui tub catodic sunt :

C – catodul: emitor de electroni;

G – grila pentru controlul intensității spotului luminos;

AC, AF, AS- anozi de accelerare, focalizare, corectare a astigmatismului în tunul electronic;

PA – anodul de postaccelerare;

XX’ si YY’ – plăcile de deflexie respectiv pe orizontală și pe verticală.

In scopul obținerii unei intensități și a unei grosimi convenabile a urmei imaginii, electrozii G, AF, AS, sunt prevăzuți cu dispozitivele de reglaj (fig. 13) ale luminozității, focusării și astigmatismului. In exteriorul tubului se află o bobina RT (fig. 13), care prin deflexie electromagnetică corectează abateri de la orizontalitate ale deflexiei pe axa XX. Aceste corectări se efectuează cu potențiometrul de reglaj: rotire trasă. La partea frontală a TC se află ecranul E, pe stratul luminofor al căruia se formează imaginea. Pentru efectuarea de măsurări pe ecranul E (fig. 13) se află trasat un caroiaj, cuprinzând 10 diviziuni pe orizontală și 6 pe verticală pentru citirea corectă a valorilor respective.

Comutatorul de intrare pe canalul Y (K1) permite aplicarea tensiunii de vizualizat uy(t). Poziția “a” este pentru conectarea tensiunii continue (sau alternative cu componenta continuă), iar poziția “b” este pentru conectarea tensiunii alternative, pe când poziția ”c” – pentru unirea la masă a intrării în vederea poziționării.

ATY este atenuatorul în trepte, prin care tensiunea uy(t) se poziționează în gama corespunzătoare deflexiei admise pe verticală, asigurându-se totodată o impedanță de intrare mare. Treptele de atenuare se asigură prin intermediul unui comutator gradat V/DIV, poziția căruia determină valorile coeficienților de deviație pe verticală.

PAY- preamplificatorul de pe canalul Y cu o impedanță de intrare ridicată (corelată cu a atenuatorului), care pe lângă o primă amplificare permite și deplasarea spotului luminos pe verticală, dispunând pentru aceasta de un potențiometru POZ. Y. Pentru efectuarea de corecții ale factorului de amplificare al canalului, astfel încât să se respecte valoarea afișată de comutatorul V/DIV, preamplificatorul este prevăzut cu un potențiometru de etalonare ET.Y.

ADY- amplificatorul diferențial de deviație pe verticală amplifică semnalul de vizualizat la nivelul necesar plăcilor de deflexie pe verticală YY’.

Comutatorul K2 permite alegerea modului de sincronizare cu semnalul de vizualizat (pe poz. INT), sau cu un semnal extern (EXT) sau cu rețeaua (REȚEA).

Circuitul de sincronizare CS este compus dintr-un amplificator, un circuit formator, un circuit poartă și un circuit de reținere, prin intermediul cărora se comandă pornirea și oprirea bazei de timp. Pentru ca imaginea de pe ecran să fie stabilă, este necesar ca frecvența semnalului de vizualizat să fie un multiplu întreg al frecvenței bazei de timp: fA=n·fBT. Pentru realizarea acestei condiții, generatorul bazei de timp are frecvența variabilă cu posibilitatea sincronizării prin circuitul de sincronizare cu semnalul de vizualizat sau cu un alt semnal extern.

Generatorul tensiunii liniar variabile, GTLV, constituie baza de timp a osciloscopului, prin intermediul căruia se obține imaginea desfășurată a tensiunii Uy(t). Viteza de deplasare a spotului pe orizontală poate fi modificată în trepte cu comutatorul TIMP/DIV. Valorile indicate de acest comutator exprimă inversul vitezei de deplasare a fascicolului de electroni pe orizontală și care se numesc coeficienți de baleiaj.

Deviația fasciculului de electroni se realizează cu câmpuri electrostatice sau magnetice. La tuburile catodice din osciloscoape se utilizează deviația cu câmpuri electrostatice, dispozitivul de defiexie fiind format din două perechi de plăci de deflexie dispuse perpendicular una pe alta, pentru devierea fasciculului de electroni după cele doua direcții, x si y. Când plăcile sunt la același potențial, fascicolul de electroni trece printre ele fără

Fig. 14

a fi deviat și lovește ecranul în centru. Dacă plăcilor de deflexie 5 se aplică o tensiune Uy (fig. 14), între ele apare un câmp electric Ey, sub acțiunea căruia electronii vor fi atrași de placa mai pozitivă și respinși de placa aflată sub potențial mai negativ cu o forță Fy=e Ey. Aceasta va imprima electronilor o accelerație ay în direcția y. Când electronii ies dintre plăci, acțiunea câmpului Ey încetează și ei își continuă mișcarea după o direcție tangentă traiectoriei parabolice, întâlnind ecranul la o distanța Dy față de centru. Deviația spotului pe ecran Dy este cu atât mai mare cu cât tensiunea Uy aplicată plăcilor y este mai mare. Amplificatorul de deflexie pe orizontală ADx, îndeplinește funcții similare amplificatorului ADy, fiind prevăzut cu potențiometrul POZ. X cu ajutorul căruia se deplasează imaginea pe orizontală. Poziționând comutatorul K3 pe poziția 1, la intrarea ADx se aplică tensiunea liniar variabilă (proporțională cu timpul) de la baza de timp, caz în care se vizualizează Uy=f(t). Cu comutatorul K3 pe poziția 2, la intrarea ADX se poate aplica o tensiune Ux, caz în care pe ecranul osciloscopului obținem graficul Uy=f(Ux).

Blocul de calibrare internă BCI, constă dintr-un circuit astabil, ce generează o tensiune dreptunghiulară cu amplitudine și frecvență constante. Blocul de calibrare servește pentru verificarea și corectarea etalonării deviației pe verticală (cu potențiometrul ET.Y) și deviației pe orizontală (cu potențiometrul ET. BT). Calibrarea pe orizontală. Măsurarea intervalelor de timp se poate realiza cunoscând viteza de deplasare a spotului și măsurând pe ecran lungimea segmentului care corespunde intervalului de timp considerat.

Osciloscoapele moderne au bază de timp calibrată în ms/cm sau μs/cm, adică se indică pentru fiecare poziție a comutatorului ce reglează în trepte frecvența bazei de timp, timpul necesar ca spotul să se deplaseze pe direcția orizontală cu un centimetru. Această calibrare este corectă numai dacă reglajul fin al bazei de timp este la maxim.

Calibrarea pe verticală. Măsurarea tensiunilor cu osciloscopul catodic se bazează pe faptul că deviația spotului este proporțională cu amplitudinea tensiunii aplicate plăcilor de deflexie. Înainte de utilizare, se recomandă să se verifice calibrarea atenuatorului Aty. În acest scop, osciloscoapele dispun, la o bornă de pe panoul frontal, de o tensiune de calibrare. Cu ajutorul unei sonde (cordon de legătură), se aplică tensiunea de calibrare la intrarea oscilosopului și se verifică dacă variația obținută pe ecran corespunde indicației atenuatorului.

Pentru măsurări precise, sursa de tensiune internă are frecvența de 1 kHz și amplitudinea tensiunii egală cu 1 sau 2 V.

Blocul de alimentare BA constă dintr-un transformator de rețea cu blocuri de redresare, de stabilizare și convertor de tensiuni continue, necesare pentru alimentarea circuitelor electronice.

Funcționarea cu baza de timp declanșată. Pentru a vizualiza și semnale neperiodice, la osciloscoapele moderne generatorul bazei de timp poate funcționa la alegere: continuu (relaxat) generând un semnal periodic chiar și în absența semnalului de vizualizat, fie declanșat. Spre deosebire de funcționarea periodică, funcționarea declanșată este comandată de semnalul de vizualizat. În lipsa semnalului baza de timp nu funcționează. La apariția unui semnal la intrare, baza de timp se declanșează, generând un semnal cu un singur dinte de ferăstrău și apoi se blochează din nou în așteptarea unui alt semnal de comandă. În cazul în care la intrare se aplică un semnal periodic, baza de timp urmărește semnalul de la intrare și devine periodică. În fig.15 sunt reprezentate diagramele tensiunilor în diferite puncte ale schemei unui osciloscop funcționând cu baza de timp declanșată.

Fig. 15 Diagramele tensiunilor

Tensiunea la intrare

Tensiunea generată de baza de timp

Tensiunea pe cilindru Wehnelt

Tensiunea după circuitul de întârziere

Circuitul pentru controlul intensității spotului luminos. În cazul funcționării cu baza de timp declanșată, în lipsa semnalului de intrare, baza de timp este blocată și plăcilor de deflexie Y cât și plăcilor de deflexie X nu li se aplică nici un semnal de comandă. În aceast caz fasciculul de electroni ar bombarda ecranul într-un singur punct, în centru, ceea ce ar conduce la distrugerea luminoforului în punctul respectiv. Pentru a proteja ecranul de distrugere osciloscopul este prevăzut cu un circuit pentru controlul intensității spotului. Acesta asigură cilindrului Wehnelt o tensiune negativă pentru ștergerea spotului, când baza de timp este blocată (fig. 15-c). Astfel când generatorul funcționează cu baza de timp declanșată și la intrare nu se aplică semnal, spotul nu se vede deoarece este stins. Circuitul pentru controlul intensității spotului mai este folosit și la stingerea spotului pe durata cursei de întoarcere și uneori la modularea intensității spotului cu semnal exterior.

Circuitul de întârziere are rolul de a întârzia semnalul astfel încât acesta să se aplice plăcilor Y după ce baza de timp a început să funcționeze. În desenul d este reprezentată diagrama tensiunii Uy întârziată față de tensiunea de la intrare Ui cu timpul τ. Dacă nu s-ar folosi circuitul de întârziere, semnalul s-ar aplica plăcilor Y când spotul este stins și baza de timp blocată, ceea ce ar face ca începutul semnalului să nu apară pe ecran (vedeți mai jos fig. 16-a). Efectele circuitul de întârziere (fig. 16): Cu circuitul de întârziere, semnalul se vizualizează corect (fig. 16-b).

Fig. 16 Vizualizarea efectelor de întârziere ale semnalului

a – oscilograma fără circuit de întârziere;

Sincronizarea osciloscopului. Durata unui dinte de ferăstrău corespunde (fig. 17) intervalului de timp t1 – t0 în care tensiunea pe condensator crește până la Uc, necesară devierii fasciculului de electroni, astfel încât spotul să se deplaseze pe tot ecranul de la stânga la dreapta. Ea depinde de constanta de timp τ=RC. Dacă se variază valorile lui R și C, se pot obține durate diferite pentru dinții de ferăstrău. De obicei această durată se variază în trepte cu un comutator ce introduce în circuit condensatoare de diferite valori și fin prin variația continuă a rezistenței R. Comutatorul este calibrat în ms/cm sau μs/cm, corespunzător timpului necesar, ca spotul să se deplaseze pe direcția orizontală cu 1 cm. b – oscilograma cu circuit de întârziere.

Această calibrare este valabilă numai dacă reglajul fin este la maxim. În cazul funcționării periodice, se poate considera că durata unui dinte de ferăstrău corespunde unei perioade a semnalului generat de baza de timp, deci variind durata dinților de ferăstrău se variază frecvența bazei de timp În fig. B este prezentată tensiunea care trebuie să fie aplicată cilindrului Wehnelt Uw pentru ca forma semnalului să fie cât mai apropiată celei inițiale.

Fig. 17 Variația duratei dinților de ferăstrău în funcție de constanta de timp.

Utilizează osciloscopul pentru interpretarea diferitelor semnale electrice.

Măsurarea tensiunii și intensității curentului electric.

Măsurarea tensiunilor cu osciloscopul catodic se bazează pe faptul că deviația spotului este proporțională cu amplitudinea tensiunii aplicate plăcilor de deflexie.

Metoda directă se utilizează în cazul osciloscoapelor moderne prevăzute cu ecran caroiat (împărțirea în pătrate cu latura de obicei de 1 cm) și care au atenuatorul Aty etalonat în mV/cm sau V/cm.

Modul de lucru. Se aplică semnalul de măsurat la intrarea Y a osciloscopului, se controlează dacă reglajul amplificării este la maxim și se reglează atenuatorul Aty și baza de timp astfel încât să se obțină o oscilogramă corect încadrată pe ecran (fig. 17). Se măsoară cu ajutorul caroiajului de pe ecran înălțimea oscilogramei în centimetri și se înmulțește cu indicația atenuatorului, obținându-se astfel direct valoarea tensiunii măsurate.

Fig. 18 Tensiunile măsurate prin metoda comparației

Metoda comparației. Când osciloscopul nu are atenuatorul calibrat sau calibrarea nu mai este corectă, se poate folosi metoda comparației. La această metodă, tensiunea de măsurat de o formă oarecare, se compară cu o tensiune sinusoidală de joasă frecvență, care poate fi măsurată cu un voltmetru obișnuit.

Modul de lucru. Se realizează montajul din fig. 18, comutatorul K pe poziția 1 se aplică la intrarea Y a osciloscopului tensiunea Uy de măsurat. Se reglează amplificarea și baza de timp până se obține o oscilogramă corect încadrată în ecran și se măsoară înălțimea oscilogramei, cu o riglă sau un compas.

Fără a interveni în reglajul amplificării, se trece comutatorul K pe poziția 2, aplicându-se la intrarea Y a osciloscopului o tensiune sinusoidală de joasă frecvență. Aceasta se reglează până când oscilograma obținută pe ecran are aceeași înălțime l ca și în cazul vizualizării tensiunii Uy (ex. fig. 19, cazul tensiunii dreptunghiulară).

Fig. 19

Fig. 20

Cele două oscilograme având aceeași înălțime, înseamnă că amplitudinea tensiunii Uy este egală cu amplitudinea vârf la vârf a tensiunii sinusoidale.

Tensiunea sinusoidală se măsoară cu voltmetrul V, care de obicei este etalonat în valori eficace. Dacă U este tensiunea citită pe un voltmetru, atunci:

unde .

Măsurarea intensității curentului electric. Întrucât osciloscopul catodic funcționează cu deflexie electrostatică, semnalele ce se aplică la intrarea lui sunt de natura unor tensiuni. Pentru măsurarea intensității curentului cu osciloscopul catodic se trece curentul de măsurat printr-o rezistență de valoare cunoscută și se măsoară cu una din metodele studiate căderea de tensiune la bornele rezistenței.

Schema măsurării intensității curentului electric cu osciloscopul este prezentată în fig. 21.

Fig. 21 Schema măsurării intensității curentului electric

unde R- este o rezistență etalon de valoare cunoscută.

Ulterior, aplicând legea lui Ohm, se calculează valoarea intensității curentului de măsurat.

Măsurarea intervalelor de timp. Măsurarea intervalelor de timp (fig. 22) se poate realiza cunoscând viteza de deplasare a spotului și măsurând pe ecran lungimea segmentului care corespunde intervalului de timp considerat.

Fig. 22 Măsurarea intervalelor de timp

Osciloscoapele moderne au baza de timp calibrate în ms/cm sau μs/cm, adică se indică pentru fiecare poziție a comutatorului ce reglează în trepte frecvența bazei de timp, timpul necesar pentru ca spotul să se deplaseze pe direcția orizontală cu un centimetru. Această calibrare este corectă numai dacă reglajul fin al bazei de timp este la maxim.

Măsurarea duratei unui semnal. Pentru măsurarea duratei unui semnal acesta se aplică la intrarea Y a osciloscopului și se reglează amplificarea și baza de timp până când se obține o oscilogramă corect încadrată în ecran. Se verifică dacă reglajul fin al bazei de timp este la maxim. Apoi se măsoară (fig. 22) lățimea semnalului pe ecran, în centimetri, și se înmulțește cu indicația reglajului în trepte al bazei de timp, obținându-se astfel durata semnalului de măsurat.

În mod analog se poate măsura și durata unei părți din semnal, cum ar fi durata timpului de creștere a unui impuls (timpul în care semnalul crește de la 10% la 90% din amplitudinea sa).

Măsurarea perioadei unui semnal. Pentru măsurarea perioadei, este necesar ca baza de timp să fie astfel reglată încât oscilograma să conțină cel puțin două perioade succesive ale semnalului. În acest caz, dacă reglajul fin al bazei de timp este la maxim, se măsoară pe ecran în centimetri (fig. 23) distanța între două treceri succesive ale semnalului prin aceeași valoare și cu același sens de variație, și se înmulțește cu indicația reglajului în trepte al bazei de timp. În acest fel se obține direct perioada semnalului.

Fig. 23 Măsurarea perioadei de timp

Măsurarea frecvențelor. Frecvența se poate măsura cu osciloscopul catodic, măsurând perioada semnalului ca la punctul precedent și apoi calculând frecvența cu relația: f=T-1.

Metoda figurilor Lissajous. Traiectoria unui sistem supus acțiunii simultane a 2 oscilații perpendiculare (ca în fig. 24) de pulsații diferite poate fi o curbă închisă sau deschisă. Este închisă atunci, când după un interval de timp, sistemul trece prin același punct în aceiași direcție și sens.

Dacă două oscilații sunt descrise ca

u1(t)=Umsin ωt

și u2(t)=Umsinω(t-Δt) (4)

atunci, condiția ca traiectoria să fie o curbă închisă cere ca intervalul minim de timp după care mișcarea sistemului se repetă identic să fie multiplu întreg atât al perioadei primei oscilații, cât și al perioadei celei de-a doua oscilații. Dacă raportul celor 2 pulsații este un număr rațional, traiectoria sistemului

este o curbă închisă.

Fig. 24

Forma traiectoriei depinde de raportul amplitudinilor celor 2 oscilații, de raportul pulsațiilor lor și de diferența de fază dintre cele 2 oscilații perpendiculare. Figurile care descriu traiectoriile sistemului sub acțiunea simultana a doua oscilații perpendiculare de pulsații diferite (fiind îndeplinită relația (4) sunt cunoscute sub numele de “figuri Lissajous“ si permit determinarea raportului frecventelor celor 2 oscilații. Metoda are la bază determinarea prealabilă a raportului frecvențelor prin analiza figurii Lissajous corespunzătoare.

Fig. 25 Determinarea raportului frecvențelor cu figurile Lissajous cu ajutorul

punctelor de intersecții (figura din stânga)

punctelor tangente (figura din dreapta)

cu axele X și Y ale ecranului osciloscopului

Pentru obținerea figurilor Lissajous (în literatură mai figurează ca figuri Bowditch) (Anexa 10) semnalul cu o frecvență necunoscută se aplică (fig. 24) la intrarea Y a osciloscopului. Sincronizarea internă al osciloscopului în acest caz este deconectată.

Ieșirea de la un generator de frecvență înaltă (generator etalon sau cu precizie înaltă) se conectează (fig. 24) la intrarea Х a osciloscopului. Sensibilitatea ambelor intrări ale osciloscopului se reglează astfel, ca să ocupe tot ecranul osciloscopului. Frecvența generatorului se selectează astfel, ca pe ecran să avem o imagine stabilă (staționară) a semnalului. Aceasta va fi posibil când raportul frecvențelor de intrare va fi un număr rațional. Acest număr se identifică ca raportul numărului punctelor de intersecție a figurii pe ecran cu axele X și Y (fig. 25, din stânga).

Altă metodă este determinarea punctelor tangente axelor X și Y în caz de amplasare a figurilor in cadranul format de axele X și Y (fig. 25, din dreapta).

Forma imaginii obținute depinde de raportul frecvențelor și fazelor a două semnale de intrare, dar în orice caz este îndeplinită condiția

Fy = numărul de intersecții a axei orizontale X ,

Fx = numărul de intersecții a axei verticale Y.

Precizia metodei de determinare a frecvenței semnalului este foarte înaltă și este cauzată de stabilitatea generatorului.

Determinarea fazei. Figurile Lissajous pot fi utile la determinarea diferenței de faza (defazajului) a două semnale. De exemplu, avem două semnale cu frecvențe egale și amplitudini egale. În acest caz, modificarea diferenței de faze de la 0 la 180o va modifica forma figurii Lissajoux de la linie dreaptă la elipsă și mai departe la cerc. Cercul se obține la diferența de fază de 90o sau 270o, la amplitudini egale ale semnalelor. Dacă amplitudinile nu sunt egale, obținem o elipsă cu două osii (axe) verticale, dintre care una este mai mare (principală) în dependență, care semnal de intrare are amplitudinea mai mare.

Diferența de fază se determină prin așa numita metoda elipsei (fig. 26). Coeficienții de amplificare pe axele X și Y se selectează astfel, ca elipsa să se încadreze într-un pătrat. Valoarea diferenței de fază se determină ca raportul parametrilor elipsei conform formulei

Δφ = arcsin (Y1/Y2) = arcsin (X1/X2) (5)

Fig. 26 Determinarea diferenței de fază după metoda elipsei.

Deoarece faza și timpul sunt direct proporționale, diferența de fază se utilizează frecvent pentru evaluarea cantitativă a timpului de întârziere a trecerii semnalului prin circuitul electric.

În practică, de regulă este determinată diferența de fază a două semnale armonice (sinusoidale) cu aceiași frecvență. În acest caz diferența de fază este comod să o prezentăm în dependență de diferența semnalelor în timp Δt. Astfel, pentru semnalele sinusoidale

u1(t) = Um sin ωt și u2(t) = Um sin ω(t -Δt) (6)

caracterizate cu aceiași perioadă T= 2π/ω diferența de fază în radiani (Fig. 27) va fi Δφ=ωΔt=2πΔt/T (7)

Determinând experimental din grafic Δt și Т, calculăm diferența de fază a semnalelor în radiani conform formulei Δφ=2πΔt/T sau in grade conform formulei Δφ=360 Δt/T.

Fig. 27

Osciloscop digital model DS1052E

Fig. 28

În fig. 28 avem un Osciloscop model Rigol DS1052E – instrument apreciat de inginerii/electricienii din Republica Moldova.

Succint descriem funcțiile butoanelor de pe panoul frontal (fig. 29) și proceduri de măsurări.

Butoane

casetă, care prezintă funcțiile meniului, cum ar fi funcția „Măsurare”

© un buton cu mai multe funcții

POSITION – indică cele două poziții ale butonului

SCALE – indică cele doua poziții de scală

LEVEL – indică nivelul butonului

Fig. 29

Realizarea verificării funcționale pentru a ne asigura că osciloscopul funcționează corect.

Porniți instrumentul de măsurare

apăsați butonul de pornire a instrumentului localizat în partea stângă (fig. 30);

folosiți o sursă de putere, care livrează de la 100 până la 240 VAC RMS, 45Hz până la 440Hz;

porniți instrumentele și așteptați până când ecranul va arăta undele;

apăsați butonul „STORAGE”, selectați „STORAGE” din meniu și apoi apăsați butonul „FACTORY”

Fig. 30

2. Introduceți un semnal la unul din canalele (X sau Y) osciloscopului
– setați comutatorul sondei la 10X și conectați comutatorul la Canalul 1 al osciloscopului;

– aliniați fanta comutatorului sondei cu cheia de la Canalul 1 BNC;
– apăsați pentru a conecta și răsuciți spre dreapta pentru a fixa sonda.

Fig. 31

3. Setați sonda la 10X (fig 32). Pentru a face aceasta apăsați consecutive CH1 → Probe → 10X

4. Apăsați butonul „AUTO”. În câteva secunde veți observa câteva unde de semnal pe ecran.
5. Apăsați butonul „OFF” sau apăsați din nou butonul „CH1” pentru a închide Canalul 1.

Pentru mai multe informații consultați manualul osciloscopului DS1052E la adresa:

http://www.colorado.edu/physics/phys3340/phys3340_sp14/manuals_and_datasheets/Rigol%20DS1052E%20Oscilloscope%20Manual.PDF

Parametrii de bază a osciloscopului digital Rigol DS1052E sunt prezentați întabelul de mai jos.

Fig. 32

Pentru familiarizarea măsurărilor cu aparate de măsurări este necesar de asamblat unele circuite electronice recomandate de lucrarea de laborator respectivă. Asamblarea circuitelor electronice pentru lucrați de laborator se efectuează pe plachete standard tip Solderless BreadBoard (Fig. 33).

(a)

(b)

Fig. 33 Imagini ale plachetei tip Solderless BreadBoard pentru asamblarea circuitelor electronice

(a) vederea de sus, (b) conexiuni interne, (c) modele de asamblare.

Notă: Înainte de asamblarea unui circuit analizați atent conexiunile interne ale plachetei, care depind și de modelul plachetei.

Lucrarea nr. 1

METODE ȘI MIJLOACE DE MĂSURĂRI ELECTRONICE

ÎN PRACTICA UZUALĂ

Obiective

cunoașterea principalelor mijloace și proceduri de măsurări, metodelor de verificare metrologică, de calibrare a mijloacelor de măsură

Instrumentar din laborator: ampermetru, voltmetru sau multimetru, rezistențe, diode.

Breviar.

Procesul de măsurare. Măsurarea este ansamblu de operații având ca scop determinarea unei valori a unei mărimi. Pentru măsurarea unei mărimi fizice x, aceasta se compară cu unitatea de măsură Um , rezultatul fiind valoarea numerică a mărimii măsurate Xm. Ecuația fundamentală a măsurării se poate scrie:

x = Xm·Um (1)

Mărimea de măsurat x se mai numește și măsurand.

Din punct de vedere practic, măsurarea poate fi o:

operație, atunci când operatorul execută manevrele necesare (măsurarea lungimii cu șublerul)

proces, atunci când odată realizate anumite condiții, măsurarea se efectuează pe baza energiei proprii a sistemului (măsurarea tensiunii electrice cu voltmetrul)

Fig.1 Procesul de măsurare

Exista 2 tipuri de mărimi fizice:

definibile – cele pentru care se poate obține o informație, ce să permită definirea lor;

măsurabile – mărimi, pentru care este posibilă atribuirea numerelor și pentru care s-au elaborat metode de măsurare și mijlocul de măsurare, prin care este posibilă această atribuire.

Mărimile măsurabile pot fi clasificate la rândul lor conform Anexei 11.

Principalele elemente ale procesului de măsurare sunt:

Mărimea de măsurat (măsurandul) care reprezintă un atribut al unui fenomen, corp sau substanță, care este susceptibil de a fi diferențiat calitativ și determinat cantitativ.

Mijloacele de măsurare care reprezintă mijloacele tehnice utilizate pentru obținerea, prelucrarea, transmiterea și stocarea unor informații.

Metode de măsurare care reprezintă succesiunea logică a operațiilor utilizată în efectuarea măsurărilor.

măsura reprezintă mijlocul de măsurare ce materializeză una sau mai multe valori ale unei mărimi fizice. Exemple: riglă gradată, măsură de volum, de masă etc.

aparatul de măsurat este un dispozitiv destinat a fi utilizat pentru a efectua măsurări, singur sau asociat cu unul sau mai multe dispozitive suplimentare (exemple: voltmetru, termometru, ceas, micrometrul, etc.).

sistemul de măsurare este un ansamblu complet de mijloace de măsurare și alte echipamente reunite pentru efectuarea unor măsurări specificate (exemple: tomograful, electrocardiograful, etc.).

Elementele componente ale aparatelor de măsurat sunt:

– dispozitivul de măsurat: ansamblul părților constructive care produce mișcarea sistemului mobil, a cărui deplasare depinde de mărimea de măsurat;

– elemente de prelucrare a semnalelor: accesorii sau componente care produc modificarea semnalelor (ca mărime, formă, fază) sau realizează diferite operații matematice asupra semnalelor (adunare, scădere, înmulțire, împărțire, logaritmare, derivare, integrare) în scopul adaptării lor la dispozitivele de măsurat utilizate;

– traductor: element de intrare în lanțul de măsurare, care transformă mărimea de măsurat într-o mărime electrică, adecvată schemei funcționale sau instalației de măsurat respective;

– elemente de referință: părți constructive care furnizează mărimi cu parametri caracteristici de valoare cunoscută cu precizie (tensiune, curent, rezistența, inductivitate, capacitate, durata) utilizate în aparate bazate pe metode de compensație sau de punte;

– elemente auxiliare: părți constructive care participă la realizarea și corecta funcționare a aparatului: surse de alimentare, elemente de protejare împotriva factorilor perturbatori (temperatura, câmpuri electromagnetice, vibrații, umiditate), elemente de fixare și consolidare a părților constructive distincte, elemente de conectare, etc. Elementele menționate pot fi interioare sau exterioare (caz în care se numesc accesorii).

Clasificarea aparatelor de măsură se efectuează în funcție de:

– mărimea electrică măsurată: galvanometre, ampermetre, voltmetre, ohmmetre, wattmetre, frecvențmetre, contoare, punți (de rezistențe, de capacități, de inductivități) etc.;

– după construcție și principiu de funcționare:

După construcție există dispozitive

– pentru obținerea unei singure interacțiuni (simple);

– pentru producerea a două interacțiuni (cupluri) de sensuri contrare (logometre).

După principiul de funcționare (Anexa 2):

În funcție de destinație:

-mijloace de măsurare etalon care servesc la materializarea, conservarea legală și transmiterea unităților de măsură altor mijloace de măsurare.

-mijloace de măsurare de lucru care sunt utilizate în toate domeniile de activitate pentru efectuarea măsurărilor.

După forma prezentării rezultatului:

-mijloace de măsurare analogice (Anexa 2) la care rezultatul măsurării este o funcție continuă. Valoarea măsurată este obținută prin aprecierea poziției unui indice în raport cu reperele unei scări gradate.

-mijloace de măsurare digitale (numerice) la care rezultatul măsurării este prezentat direct sub formă numerică.

La aparate digitale rezultatul poate avea numai anumite valori din domeniul de măsurare, fiind deci o mărime discontinuă. Prin operația de cuantificare, domeniul este împărțit într-un număr de subdomenii egale (cuante sau unități de cuantificare), iar procesul de măsurare constă în numărarea cuantelor corespunzătoare măsurandului, codificarea rezultatului într-un sistem de numerație și afișarea lui pe un dispozitiv specializat, sub forma unui număr

Etalonul este o măsură, aparat de măsurat sau sistem de măsurare, destinat a defini, realiza, conserva, sau reproduce o unitate sau una sau mai multe valori ale unei mărimi pentru a servi ca referință.

După rolul lor există următoarele categorii de etaloane:

-Etaloane de definiție care materializează definiția unei anumite unități de măsură printr-un obiect sau experiment. Exemplu: generarea unității de măsură pentru masă – kilogramul etalon.

-Etaloanele de conservare sunt caracterizate de un parametru fizic foarte stabil în timp și fată de influențele exterioare.

-Etalonul de transfer este utilizat ca intermediar pentru a compara între ele etaloane.

-Etalonul de lucru este utilizat în mod curent pentru a etalona sau verifica mijloace de măsurare, a le compara.

În funcție de exactitate etaloanele pot fi:

-Etaloane primare care sunt recunoscute ca având cele mai înalte calități metrologice și a căror valoare este atribuită fără raportare la alte etaloane ale aceleiași mărimi. Sunt cunoscute sub forma etaloanelor internaționale și naționale.

-Etaloane secundare, a căror valoare este atribuită prin comparare cu etalonul primar al aceleiași mărimi.

-Etaloane de referință, care sunt disponibile într-un loc dat și de la care derivă măsurările care sunt efectuate în acel loc.

Metodele de măsurare cuprind ansamblu de relații teoretice și operații practice folosite la efectuarea măsurării pe baza unui principiu dat.

Clasificarea metodelor de măsurare

după exactitatea obținută

-metode de măsurare de laborator: metode utilizate în mod repetat, cu mijloace de exactitate ridicată, asupra rezultatului efectuându-se calculul erorilor.

-metode de măsurare industriale: metode utilizate cu aparate mai puțin sensibile, dar robuste, integrate procesului tehnologic, urmărindu-se menținerea sub control a mărimii măsurate.

Modul de prezentare a rezultatului măsurării:

– metode de măsurare analogice la care mărimea de ieșire (rezultatul măsurării) variază în mod continuu.

– metode de măsurare digitale la care mărimea de ieșire variază în mod discontinuu sub formă de cifre.

Modul de obținere a valorii măsurate:

– metode directe la care se obține nemijlocit valoarea măsurată. Exemplu măsurarea lungimii cu șublerul, măsurarea tensiunii cu voltmetrul.

– metode indirecte: valoarea mărimii de măsurat rezultă prin calculul în funcție de alte mărimi efectiv măsurate. Exemplu măsurarea rezistenței electrice cu ampermetrul și voltmetrul, măsurarea volumului folosind rigla.

– metode de comparație: mărimea de măsurat este comparată cu o mărime de referință. (e.g. măsurarea rezistenței electrice cu puntea Wheatstone).

modul de sesizare a valorii măsurandului:

– cu contact: suprafețele de măsurare ale aparatului vin în contact direct cu suprafața piesei.

– fără contact: mijlocul de măsurare nu este prevăzut cu sistem de palpare, transmitere și amplificare.

Erorile măsurărilor, eroarea absolută, relativă, raportată, tolerată, clasa de precizie.

Erori de măsurare. Din cauza imperfecțiunii aparatului de măsurat și operatorului, precum și datorită prezentei unor factori perturbatori (temperatură, umiditate, câmpuri electrice etc) rezultatul măsurării este întotdeauna afectat de o eroare. Cu cât eroarea este mai mică, exactitatea măsurării este mai bună.

Exactitatea măsurării este gradul de concordanță între rezultatul măsurării și valoarea adevărată a mărimii. Deoarece valoarea adevărată nu poate fi cunoscută, pentru aprecierea calității unei măsurări se compară valoarea măsurată cu o valoare de referință xo obținută prin măsurări efectuate cu mijloace de măsurare etalon.

Eroarea absolută este diferența dintre valoarea măsurată și valoarea de referință Δx = xm – xo. Ea se exprimă în aceleași unități de măsură ca și mărimea de măsurat. Poate fi pozitivă, negativă sau zero. Arată cu cât diferă valoarea măsurată față de valoarea de referință.

Eroarea relativă este raportul dintre eroarea absolută și valoarea de referință:

(2)

Eroarea relativă, fiind un raport între două mărimi fizice de aceeași natură, este un număr și se exprimă în procente. Eroarea relativă arată precizia cu care se efectuează măsurarea.

Fig. 2 Valoarea măsurandului

Erorile aparatelor de măsurat

Eroarea instrumentală este diferența între indicația în momentul măsurării și indicația exactă (de referință) a aparatului (instrumentului) de măsurat: Δa = am – a (3)

Eroarea instrumentală se exprimă în aceleași unități de măsură ca și mărimea de măsurat.

Eroarea instrumentală tolerată reprezintă valoarea maximă admisibilă a erorii instrumentale. Această eroare caracterizează fiecare aparat și este stabilită constructiv de producător.

Eroarea absolută cu semn schimbat se numește corecție c : c = – Δx (4)

Corecția este adăugată la rezultatul măsurării pentru a obține valoarea mărimii de măsurat: x = xm + c (6)

Eroarea raportată tolerată este raportul între eroarea instrumentală tolerată și valoarea maximă pe care o indică aparatul respectiv, exprimat de obicei în procente:

. (7)

unde amax este indicația (valoarea de la capătul scării)

Eroarea raportată tolerată este o mărime specifică fiecărui aparat de măsurat și, în funcție de ea, se stabilește clasa de precizie.

Verificarea metrologică a mijloacelor de măsurare este impusă de necesitatea determinării calității acestora, în raport cu măsurandul (mărimea de măsurat) și cu mediul ambiant.

În general, prin verificarea metrologică a unui mijloc electric de măsurare, se urmărește determinarea caracteristicilor metrologice ale acestuia:

intervalul de măsurare;

capacitatea de suprasarcină;

rezoluția;

sensibilitatea;

exactitatea;

puterea consumată;

timpul de răspuns;

stabilitatea în timp.

Verificarea metrologică vizează calitatea mijlocului de măsurare, ca indice al totalității caracteristicilor metrologice, conform standardelor.

Exactitatea este o caracteristică metrologică deosebit de importantă pentru un mijloc de măsurare.

Clasa de exactitate, simbolizată prin indicele c, permite estimarea erorii limită de măsurare.

Eroarea limită de măsurare, ΔXl, reprezintă valoarea maximă posibilă pentru eroarea mijlocului de măsurare, garantându-se ca, pentru întreg intervalul de măsurare, erorile sunt mai mici sau cel mult egale cu ΔXl.

Eroarea limită de măsurare se determină ca: ΔXl = ΔXi + ΔXv (8)

unde: Xi este eroarea intrinsecă a mijlocului de măsurare, determinată în condiții de referință și stabilite prin norme;

Xv este eroarea suplimentară a mijlocului de măsurare, considerată ca un cumul al erorilor datorate variației fiecărei mărimi de influență în afara intervalului de referință, stabilit prin norme metrologice, dar în intervalul de utilizare al mijlocului de măsurare.

Valorile standardizate ale indicelui de clasă:

0,0005; 0,001; 0,002; 0,005; 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 5.

Clasa de precizie (exactitate) a aparatelor de măsurări este un număr egal cu eroarea raportată tolerată (maxim admisă) exprimată în procente și este indicată pe cadranul fiecărui aparat de măsurat. Clasa de precizie caracterizează aparatul și nu măsurarea. Pentru a obține o precizie cât mai bună a măsurării se recomandă să se folosească aparatul de măsurat astfel încât să se obțină o indicație cât mai mare (în cea de-a doua jumătate a scării gradate )

Aparatele de măsurat sunt mijloace de măsurat realizate pe baza unei scheme electrice de conversie a energiei și a unui instrument de măsurat (exemplu: termometrul electric, ampermetrul etc.).

Un aparat de măsurat primește (Fig. 3) o mărime de intrare și furnizează o mărime de ieșire. Mărimea de ieșire depinde și de alte mărimi denumite mărimi de influenta: temperatură, presiune, umiditate, câmpuri electrice și magnetice etc. De asemenea, mărimea de ieșire a aparatului depinde și de comenzile care au fost date aparatului din exterior.

Fig. 3 Reprezentarea schematică a aparatului de măsurări

Mărimile de intrare ale aparatului de măsurat sunt caracterizate prin:

natura mărimii (temperatură, tensiune, curent etc)

intervalul de valori măsurabile (valoarea minimă, valoarea maximă)

variația în timp (mărimi constante, mărimi variabile)

Comenzile primite din exterior de un aparat de măsurat pot fi:

funcțiune (măsurarea timpului, temperaturii, curentului, tensiunii etc)

game de măsurare

calibrare internă

reglarea zeroului

echilibrare (la compensatoare, punți)

repetarea măsurării

În general comenzile aparatelor de măsurat pot fi grupate astfel:

pentru introducerea de date

pentru manevrarea aparatului

Ambele grupe de comenzi pot fi automatizate parțial sau complet. Mărimile de ieșire ale unui aparat de măsurat pot fi recepționate de om sau de un dispozitiv conectat aparatului (înregistrare, comandă, prelucrare ulterioară, etc).

Calibrarea aparatelor de măsură

Aparatele de măsurat, după felul cum furnizează mărimea de ieșire pot fi: analogice și numerice (digitale).

Aparatul analogic furnizează informația de măsurare sub forma unei mărimi fizice variabile continue și în baza indicației aparatului cu ac sau spot luminos, exprimate sub forma unui număr.

Aparatul numeric prezintă rezultatul măsurării la ieșire direct sub forma unui număr care este citit de operator.

La măsurarea mărimilor electrice, se are în vedere respectarea următoarelor criterii:

verificarea integrității aparatelor de măsurat și control utilizate în măsurare

verificarea accesoriilor necesare măsurării

alegerea domeniului de măsurare

Realizarea reglajelor pregătitoare pentru efectuarea măsurărilor

precizarea unităților de măsură pentru mărimile măsurate

utilizarea limbajului de specialitate

respectarea normelor de protecția muncii

Efectuarea reglajelor inițiale și alegerea domeniului de măsurare la ampermetre și voltmetre

Când dorim să măsurăm o anumită mărime electrică trebuie să estimăm cu aproximație valoarea ei. Această valoare o determinăm pe baza diferitelor date ca: marcaje, calcule etc. Dacă vrem, să determinăm cu aproximație curentul, în amperi, care trece printr-o instalație, piesă sau circuit și cunoaștem tensiunea aplicată și puterea dezvoltată, folosim formula

I=P/U (9),

unde P este puterea în Watt și U este tensiunea în volți.

După ce determinăm cu aproximație valoarea mărimii care trebuie măsurată, alegem aparatul de măsurat astfel încât pe una din scările lui de măsurare să fie cuprinsă și valoarea calculată de noi. În cazul în care se cunosc precis valorile necesare, este mai bine să se aleagă la început o scară cu valori mai mari de măsurare, în care să se incadreze valoarea căutată și abia atunci să se utilizeze aparatul de măsurat corespunzător, decât să se folosească instrumentul cu o scară de valori prea mică, ce poate provoca deteriorarea lui.

Aparatele de măsurat, care au mai multe scări de măsurare, se conectează inițial pe scara cea mai mare și apoi după măsurarea aproximativă le comutăm pe scara pe care se poate face citirea cu o precizie mai înaltă. Scara de măsurare va fi aleasă corect în momentul în care acul indicator al aparatului de măsurat se va afla între mijlocul scării și capătul scării, cu indicația maximă, deoarece la majoritatea instrumentelor analogice, pe această jumătate de scară precizia măsurărilor este mai mare.

Dacă este cazul, înainte de începerea măsurărilor, se face reglarea zeroului mecanic. Se roteste butonul de reglaj al zeroului mecanic al aparatului indicator și se verifică posibilitatea de a deplasa acul indicator în jurul reperului zero, la stânga și la dreapta acestuia, în mod continuu și fără dificultăți.

Pentru măsurări în curent continuu, se va respecta polaritatea bornelor și anume: borna cu semnul + se leagă la plusul sursei de tensiune, iar borna “–„ la minusul sursei. Dacă polaritatea nu se respectă riscăm să deteriorăm dispozitivul de măsurare.

La multimetrele digitale se va verifica tensiunea livrată de bateria încorporată pentru toate modurile de funcționare.

Deoarece multimetrele sunt aparate portabile, manevrarea lor se va face respectând instrucțiunile de utilizare. La aparatele analogice se va calcula constanta scării atât pentru ampermetru cât și pentru voltmetru, după care se va înmulți cu numărul diviziunilor arătate de acul indicator.

Efectuarea reglajelor inițiale la ohmmetru. Reglarea zeroului electric este necesară în cazul ohmmetrelor, deoarece reducereqa în timp a capacității bateriei cauzează micșorarea tensiunii de alimentare a dispozitivului de măsurare și prin urmare creșterea erorii de măsurare.

Pentru ohmmetrul serie reglarea se realizează pentru valorile de la capetele scalei astfel:

pentru Rx = 0 se realizează un scurtcircuit între bornele cablurilor de măsurare conectate la multimetru. Dacă acul indicator nu indică 0 Ω, se reglează rezistența variabilă Rp de pe panoul frontal până se obține indicația corectă de 0 Ω. Nu folosiți butonul dispozitivului mecanic de reglare a zeroului pentru această operațiune. Această operațiune se efectuează pe toate scările de măsurare și pe toate modurile de lucru ale ohmmetrului (operațiunea valabilă și pentru voltmetru și ampermetru);

pentru Rx = ∞ se lasă bornele aparatului în gol și se reglează poziția acului indicator cu ajutorul corectorului de zero electric al aparatului magnetoelectric.

Pentru ohmmetrul derivație reglarea se face tot pentru valorile de la capetele scării:

pentru Rx = 0 se reglează din corectorul de zero electric al aparatului magnetoelectric

pentru Rx = ∞ se lasă bornele aparatului în gol și se variază rezistența Rp până se obține indicația corectă.

La megohmmetrul cu logometru indicațiile sunt în funcție de rezistența de măsurat, fiind independente de tensiunea sursei și ca urmare aceste aparate nu necesită nici o reglare prealabilă a măsurării.

Efectuarea reglajelor inițiale și alegerea domeniului de măsurare la multimetre.

Multimetrele analogice au obligatoriu un selector cu mai multe poziții pentru conectarea tipului aparatului, felul curentului și domeniul de măsurare. Când efectuăm o măsurare cu multimetru, punem inițial selectorul pe domeniul cel mai mare și apoi micșorăm domeniul, până când indicația ajunge să fie ușor de citit. Dacă procedăm invers, putem distruge dispozitivul de măsurare.

La măsurările în c.c. obligatoriu respectăm polaritatea conectării acestuia, adică plusul sursei la plusul aparatului și minusul sursei la minusul aparatului. Dacă polaritatea nu se respectă, acul deviază în sens contrar celui normal și într-o perioada de timp mai îndelungată aparatul va ieși din funcție. În c.a. modul de conectare este indiferent. Când funcționează ca ampermetru și voltmetru, multimetrul analogic nu are nevoie de alimentare. Pentru funcționarea ca ohmmetru, multimetrul analogic este alimentat de la o baterie încorporată, care trebuie periodic verificată.

Multimetrele digitale au pe panoul frontal comutatoare (sau butoane) pentru alegerea tipului de măsurări, curentului și domeniului de măsurare. Bornele nu au + și – , dar există o bornă notată “COM” (comună sau masă/împământarea). În curent continuu, borna COM poate fi conectată la oricare din punctele de măsurare, iar semnul mărimii se va afișa automat.

Dacă domeniul ales este mai mic ca valoarea măsurată, operatorul este atenționat că alegerea este greșită prin afișarea unei anumite combinații de semne și cifre, sau prin stingerea intermitentă a afișării. Unele aparate au regimul de schimbare automată a domeniului de măsurare, în funcție de valoarea mărimii măsurate. Multimetrul digital este alimentat de o baterie încorporată, pentru toate modurile de funcționare.

Voltmetrul este un mijloc de măsurare folosit pentru măsurarea tensiunii electrice. Voltmetrul poate fi analogic sau digital.

Fig. 4. Conectarea corectă a voltmetrului în circuit

Voltmetrul se conectează în paralel cu circuitul, sursa sau consumatorul (fig. 4). Prin introducerea voltmetrului în circuit se produc erori sistematice de metodă prin faptul că voltmetrul are o rezistență internă proprie notată Rv. Pentru ca erorile făcute în măsurători să fie cât mai mici trebuie ca Rv >> R rezistența circuitului (sursei sau consumatorului supuse măsurării). În practică Rv ≥ kΩ ÷ sute kΩ .

În cazul conectărilor greșite, adică voltmetrul este montat în serie cu circuitul, curentul prin circuit scade foarte mult și consumatorul poate să nu mai funcționeze adequa.

Voltmetre de curent continuu se conectează în paralel cu circuitul. Sursa este de curent continuu (baterie) iar consumatorul este un rezistor R. La conectare se va respecta polaritatea curentului continuu adică plusul sursei se va conecta la plusul voltmetrului și minusul sursei se va la minusul voltmetrului. În caz de nerespectare a polarității, acul indicator (pentru aparate analogice) se va deplasa brusc spre zero și se va putea rupe.

Ca aparat indicator în curent continuu se va folosi, de regulă, un voltmetru magnetoelectric.

Voltmetre de curent alternativ se conectează în paralel cu circuitul. Sursa este un generator de semnal alternativ G iar consumatorul este o impedanță Z (mărime complexă formată din rezistență, inductanță și capacitate). În curent alternativ nu contează polaritatea bornelor. În curent alternativ se poate folosi un voltmetru magnetoelectric asociat cu un dispozitiv redresor care transformă curentul alternativă în curent continuu. Se poate folosi și un dispozitiv feromagnetic pentru sute de volți. Pentru valori mai mari ale tensiunii se va asigura extinderea domeniului de măsurări, prin asocierea unei rezistențe adiționale sau a unui transformator de măsură de tensiune. Voltmetrul electrodinamic are cea mai bună clasă de precizie. Voltmetrele măsoară valoarea efectivă a tensiunii alternative sinusoidale.

Voltmetre cu mai multe domenii de măsurare sunt prevăzute cu un comutator (butoane) sau cu mai multe borne cu ajutorul cărora se alege domeniul în funcție de valoarea tensiunii ce trebuie măsurată. Pentru fiecare scară și domeniu de măsurare, la voltmetrele analogice, se va calcula constanta scării:

; U = Cu·α [V] ,

unde : Un – valoarea tensiunii nominale pentru domeniul respectiv

αmax – numărul maxim de diviziuni ale scării gradate

α – numărul de diviziuni arătate de acul indicator

Măsurarea tensiunilor în echipamente și instalații de comunicații ocupă o pondere însemnată, ceea ce explică varietatea de metode și aparate utilizate atât în curent continuu cât și în curent alternativ (în special de înaltă frecvență). Tensiunea alternativă sinusoidală se poate scrie sub forma:

(10)

în care : u – valoarea instantanee a tensiunii electrice la timpul t

Um – valoarea eficace a tensiunii (V)

ω – pulsația sau frecvența unghiulară (rad/s)

ω = 2πf (f – frecvența curentului alternativ, Hz)

sau ω = 2π/T (T – perioada, s)

t – timpul (s)

β – faza inițială (rad)

Fig 5. Reprezentarea grafică a tensiunii alternative sinusoidale

Voltmetrele electronice se utilizează în special pentru măsurarea tensiunilor (amplitudinii) instalații de comunicații de frecvență diferită. Ele conțin (fig. 6) partea de detecție care transformă semnalul alternativ de măsurat într-un semnal continuu proporțional cu acesta și partea de măsurare. Aparatele pot fi dotate (fig. 6) cu un amplificator instalat înainte sau după circuitul de detecție.

Fig. 6. Scheme bloc de voltmetre electronice

de curent alternativ

Voltmetre electronice de valori medii, cu diode

Fig. 7. Voltmetre de valori medii cu diode

Voltmetre electronice de valori medii cu diode conțin un instrument indicator magnetoelectric, o rezistență R de valoare foarte mare și o diodă. În cazul de varianta serie, aplicând la intrare o tensiune alternativă u = f(t), în timpul alternanței pozitive pe anodul diodei, aceasta conduce și prin circuit va trece un curent I proporțional variațiilor tensiunii i = U/R.

La aplicarea pe anodul diodei a alternanței negative, dioda este blocată, deci nu conduce și curentul în circuit este nul. La aplicarea unei tensiuni alternative la intrarea voltmetrului, prin instrumentul indicator va trece un curent pulsatoriu. Dar echipajul mobil al instrumentului indicator nu are capacitatea de a urmări pulsațiile acestui curent și astfel, va fi acționat de un cuplu mediu proporțional (conform legii lui Ohm) cu valoarea medie a curentului. (11)

Voltmetre electronice cu diode, de valori maxime (de vârf) se caracterizează prin prezența constructivă a unui condensator C, ce se încarcă rapid prin diodă când aceasta conduce și se descarcă foarte încet (grație valorii mari a capacității) când dioda este blocată, menținând la bornele sale o tensiune aproximativ egală cu valoarea maximă a tensiunii măsurate.

Se poate folosi în varianta serie sau paralel. La aplicarea alternanței pozitive aplicate pe anodul diodei, ultima se deschide și conduce curentul încărcînd astfel rapid condensatorul C până la valoarea maximă a lui u. Când amplitudinea semnalului (tensiunea la intrare) trece în faza micșorării, tensiunea pe condensatorul uc conectat la catodul diodei, devine mai mare decât tensiunea aplicată pe anod, astfel dioda va fi polarizată invers și se blochează (tl ). Din acest moment, condensatorul C începe să se descarce lent pe rezistența R (τd=RC>> Tmax ).

Fig. 8. Voltmetre de valori maxime cu diode

În timpul t2 (fig 8, desenul din dreapta), tensiunea aplicată este mai mare decât tensiunea uc de pe condensator, dioda devine polarizată direct și iarăși va conduce încărcînd rapid condensatorul C până în momentul t3. Apoi ciclul repetă. Prin alegerea unei constante de timp foarte mare dictate de valorile

RC >>Tmax (unde Tmax – perioada corespunzătoare celor mai joase frecvențe la care se folosește voltmetrul), între două alternanțe pozitive condensatorul se va descarca foarte puțin (vezi fig. 8, desenul din dreapta) și valoarea tensiunii la bornele lui rămânînd foarte aproape de valoarea maximă a tensiunii măsurate I= Umax/R

În practică se folosesc voltmetre de valori medii sau de valori maxime gradate în valori efective, ce este valabil doar pentru tensiuni sinusoidale.

Ampermetrul este un mijloc de măsurare folosit pentru măsurarea intensității curentului electric. Ampermetrul poate fi analogic sau digital.

Fig. 9 Conectarea corectă a ampermetrului în circuit

Ampermetrul se conectează în serie cu circuitul. Prin introducerea ampermetrului în circuit se produc erori sistematice de metodă prin faptul că ampermetrul are o rezistență internă proprie notată cu rA . Pentru ca erorile făcute în măsurări să fie cât mai mici, trebuie ca rA << R (rezistența circuitului). În practică rA ≤ Ω sau zeci de Ω.

În cazul conectării greșite a ampermetrului în circuit, adică în paralel cu circuitul, curentul prin ampermetru crește foarte mult ceea ce poate duce la deteriorarea sau chiar distrugerea aparatului.

Ampermetre de curent continuu se conectează în serie cu circuitul. Sursa este de curent continuu (baterie) iar consumatorul este un rezistor R. Se va respecta polaritatea curentului continuu adică plusul sursei se va conecta la plusul ampermetrului și minusul sursei – minusul ampermetrului. În caz de nerespectare a polarității, acul indicator se va deplasa spre zero și se va putea rupe.

Ca aparat indicator în curent continuu se va folosi, de regulă, un ampermetru magnetoelectric.

Ampermetre de curent alternativ se conectează în serie cu circuitul. Sursa este un generator de semnal alternativ G iar consumatorul este o impedanță Z (mărime complexă formată din rezistență, inductanță și capacitate). În curent alternativ nu contează polaritatea bornelor. Ampermetrul măsoară valoarea efectivă a intensității curentului alternativ. În curent alternativ se poate folosi un ampermetru magnetoelectric asociat cu un dispozitiv redresor care transformă curentul alternativ în curent continuu. Se poate folosi un dispozitiv feromagnetic pentru aparate de tablou, pentru curenți de 1-5A. Pentru valori mari ale curentului alternativ de sute de amperi, se asociază cu șunturi sau transformatoare de măsură de curent. Ampermetrul electrodinamic are cea mai bună clasă de precizie.

Ampermetre cu mai multe domenii de măsurare sunt prevăzute cu un selector (comutator) sau cu mai multe borne cu ajutorul cărora se alege domeniul în funcție de valoarea curentului ce trebuie măsurat. Pentru fiecare scară și domeniu de măsurare, la ampermetrele analogice, se va calcula constanta scării:

; In = CI·α [A] (12)

unde : In – valoarea tensiunii nominale pentru domeniul respectiv

αmax – numărul maxim de diviziuni ale scării gradate

α – numărul de diviziuni arătate de acul indicator

Măsurarea rezistențelor electrice.

Metoda apermetrului și voltmetrului este o metodă indirectă: se măsoară tensiunea la bornele rezistenței cu voltmetrul și intensitatea curentului ce trece prin rezistență, cu ampermetrul. Valoarea rezistenței de măsurat se obține aplicând legea lui Ohm R = U/I. Deoarece se folosesc două aparate de măsurat, se pune problema poziționării lor reciproce. Este posibil să se realizeze două variante (fig. 10) care diferă între ele prin poziția voltmetrului față de ampermetru și sursa de alimentare. Cele două montaje sunt în aval și în amonte.

Fig. 10. Măsurarea rezistențelor prin metoda ampermetrului și voltmetrului

a – montaj în aval b – montaj în amonte

La montajul aval voltmetrul se conectează în urma ampermetrului față de sursa de alimentare (fig.10a).

Deoarece voltmetrul este conectat în paralel cu Rx , tensiunea la bornele lor va fi aceeași: U=Ux .

Conform legii I a lui Kirchhoff, în nodul de rețea I = Iv+Ix (13)

Conform legii lui Ohm: (14)

La montajul amonte voltmetrul se conectează înaintea ampermetrului față de sursa de alimentare (fig. 10.b).

Deoarece ampermetrul este conectat în serie cu Rx, curentul care le străbate este același: I=Ix .

Conform legii a II-a a lui Kirchhoff, în ochiul de rețea U = UA+Ux (15)

Conform legii lui Ohm: UA=rA·I (16)

Ambele montaje introduc o eroare sistematică de metodă prin faptul că aparatele au rezistențe proprii deci au un consum propriu de curent sau tensiune. Pentru ca erorile făcute în măsurări să fie cât mai mici, trebuie ca la ambele montaje să se facă o corecție astfel: la montajul aval se va scădea consumul de curent al voltmetrului, iar la montajul amonte se va scădea căderea de tensiune pe ampermetru.

Corecția la montajul aval: (17)

Corecția la montajul amonte: (18)

Concluzii: Pentru ca erorile făcute în măsurări să fie cât mai mici, trebuie ca la montajul aval Rv să fie cât mai mare (Rv – rezistența internă a voltmetrului este de ordinul kiloohmilor – sute de kiloohmi), iar la montajul aval rA să fie cât mai mică (rA– rezistența internă a ampermetrului este de ordinul ohmilor – zeci de ohmi).

Cu montajul aval se măsoară rezistențe mici de ordinul ohmilor, iar cu montajul amonte se măsoară rezistențe mari de ordinul kiloohmilor.

Măsurarea rezistențelor cu ohmmetrul

Ohmmetrele sunt aparate cu ajutorul cărora se măsoară direct valoarea rezistențelor electrice.

Principiul de funcționare constă în măsurarea curentului ce străbate circuitul ohmmetrului și a cărui valoare depinde de rezistența de măsurat, conform legii lui Ohm : I=U/R, U=constant.

Ohmmetrul are următoarele componente :

un miliampermetru magnetoelectric, mA

sursă de tensiune continuă(baterie) E între 1,5 ÷ 18 V

rezistoare pentru protecția instrumentului magnetoelectric și pentru schimbarea domeniilor de măsurare

borne pentru conectarea rezistențelor de măsurare

După modul în care este montat miliampermetrul, ohmmetrele pot fi aparate cu o singură funcție, analogice sau digitale, sau pot face parte dintr-un multimetru.

Ohmmetrul serie se caracterizează prin faptul că toate elementele sunt conectate în serie.

Fig. 11. Ohmmetru serie

Schema ohmmetrului serie este reprezentată în figura 11 în care E este o baterie de curent continuu 1,5 ÷ 18 V cu rezistența ri, R – rezistență fixă pentru limitarea curentului, Rl – rezistență variabilă, mA – miliampermetru magnetoelectric, cu rezistența de măsurat ra , A, B bornele la care se montează rezistența de măsurat Rx

Funcționarea. La montarea unei rezistențe Rx între bornele A B, intensitatea curentului în circuitul ohmmetrului va fi : (19)

Valorile extreme se vor obține pentru Rx=0 și Rx=∞. Pentru Rx=0, bornele A B sunt în scurtcircuit și I=Imax. Pentru Rx=∞ la borne nu este conectată nici o rezistență și I=0.

Concluzii:

Scara gradată a ohmmetrului serie este inversă și foarte neuniformă

Citirea indicațiilor la ohmmetrul serie se face de la dreapta la stânga

Se folosește pentru măsurarea rezistențelor mari.

Reglarea ohmmetrelor serie. O problemă deosebită pe care o prezintă ohmmetrele este determinată de alimentarea lor de la bateriile chimice. Acestea cu timpul îmbătrânesc (își măresc rezistența internă) , ceea ce duce la indicații eronate. Pentru a evita înrăutățirea preciziei măsurării, înainte de utilizare este necesar să se regleze indicația corespunzătoare pentru Rx=0, făcând scurtcircuit între bornele A B. Indicația corespunzătoare valorii Rx=∞ (bornele A B în gol) se reglează cu ajutorul corectorului de zero al aparatului magnetoelectric.

Ohmmetrul derivație se caracterizează prin faptul că miliampermetrul este conectat în derivație cu porțiunea de circuit A B supusă măsurării.

Schema aparatului (fig. 13) în care: E este o baterie de curent continuu 1,5 ÷ 18 V cu rezistența ri,

R – rezistență fixă pentru limitarea intensității curentului

Rl – rezistență variabilă,

mA – miliampermetru magnetoelectric cu rezistența ro,

A ,B – bornele la care se montează rezistența de măsurat, Rx

K – întrerupător, pentru întreruperea circuitului când

Fig. 13. Ohmmetru derivație ohmmetrul nu funcționează pentru evitarea consumării bateriei.

Funcționarea. După închiderea întrerupătorului K la montarea unei rezistențe la bornele A B, curentul debitat de sursa E se distribuie prin miliampermetru și prin Rx. Pentru Rx=0 (bornele AB în scurtcircuit) I=0 iar pentru Rx=∞ (bornele AB în gol), I=Imax .

Concluzii: Scara ohmmetrului derivație este normală dar rămâne foarte neuniformă.

Citirea indicațiilor la ohmmetrul serie se face de la stânga la dreapta.

Ohmmetrul derivație măsoară valori mici ale rezistențelor ,comparabile cu ra.

Reglarea ohmmetrelor derivație. La ohmmetrul derivație de asemenea intervine problema îmbătrânirii bateriilor chimice. De aceea, înainte de folosire, este necesară reglarea ohmmetrului. Reglarea se face pentru Rx=∞ (bornele A B în gol), variind rezistența Rl până se obține indicația corectă. Indicația corespunzătoare valorii Rx=0 se reglează din corectorul de zero al aparatului magnetoelectric.

Megoohmmetrul. Pentru măsurarea rezistențelor foarte mari, peste 105Ω, se folosesc megoohmmetre. Se construiesc asemănător cu ohmmetrele serie, dar au ca sursă interioară de tensiune un mic generator c.c. cu magnet permanent (magnetou) acționat manual, care generează o tensiune înaltă de 500, 1000 sau 2500V, sau un convertor electronic care transformă tensiunea continuă de la o baterie obișnuită (9V) într-una alternativă care, după ridicarea la valoarea necesară cu ajutorul unui transformator este redresată și filtrată. Ca aparat indicator se utilizează un miliampermetru magnetoelectric cu bobină simplă sau de tip logometru. Limitele de măsurare ale megoohmmetrelor sunt cuprinse între 0,2 – 500 MΩ, uneori până la 10000 MΩ. Cea mai bună clasă de precizie a acestor instrumente este de ±1%.

Megohmmetrul cu logometru magnetoelectric (fig. 14, 15) prezintă avantajul că indicația sa este independentă de tensiunea sursei de alimentare. La aceste aparate, rezistența de măsurat Rx se conectează, fie în serie, fie în paralel, cu una dintre bobinele mobile ale logometrului, așezate la 90o și fixate pe același ax. La echilibru, momentele celor două cupluri care acționează asupra celor două bobine devin egale, iar deviația este o funcție de raportul curenților ce parcurg bobinele.

Ca urmare, curentul prin una dintre bobinele mobile ale logometrului depinde de valoarea rezistenței de măsurat, curentul prin cealaltă bobină fiind independent de aceasta. Deviația logometrului este determinată de raportul curenților din cele două bobine. Ambii curenți fiind proporționali cu tensiunea sursei, raportul lor nu depinde de aceasta.

Fig. 14. Dispozitiv logometric Fig. 15. Schema electrică a megohmetrului

(20)

în care R1 și R2 sunt rezistențele bobinelor logometrului.

Indicațiile megohmmetrului cu logometru sunt în funcție numai de rezistența de măsurat, fiind independente de tensiunea sursei, adică de viteza de rotație a manivelei inductorului. Ca urmare, aceste megoohmmetre nu necesită nici o reglare prealabilă măsurării.

Punți digitale (vezi fig. 16, a, b). Apariția aparaturii numerice a dus la realizarea unor punți a căror performanță se impune tot mai mult în raport cu punțile anterioare. Cunoscute sub denumirea de punți digitale, acestea se caracterizează prin clasă de precizie net superioară punților analogice și prin gamă de măsură lărgită. Aceste punți digitale au posibilitatea ca rezultatul măsurării să fie afișat, cu un display LCD, direct pe ecran.

Fig. 16 a, b

Impedanțmetrul (zetmetrul). Măsurarea exactă a impedanței este importantă pentru cunoașterea comportării elementelor de circuit, precum și a subansamblurilor funcționale, a liniilor de transmisie aeriene sau în cablu, a antenelor etc. Impedanța Z este o mărime vectorială exprimată prin modulul și argument φ sau prin componenta reală (rezistivă) R și componenta imaginară (reactivă) X.

. (22)

Componentele impedanței variază de obicei cu frecvența deci trebuie specificată frecvența de măsură, aleasă de obicei în domeniul de frecvențe în care este folosită acea impedanță. Trebuie apreciat după specificul măsurării, dacă nu este suficientă cunoașterea numai a modulului impedanței, care se măsoară mai ușor decât componenetele R și X sau modulul și argumentul.

Zetmetrul folosește o măsurare indirectă de curent (fig. 17): Un generator cu rezistența internă și tensiunea cunoscută V alimentează un circuit serie format din impedanța Zx al cărui modul se măsoară și o rezistență etalon de valoare comparativ mică r<<.Curentul prin circuit: (23)

Intensitatea curentului prin circuit este invers proporțională cu modulul impedanței Zx . Se măsoară indirect curentul prin căderea de tensiune ce apare la bornele rezistenței r: (24)

Indicația voltmetrului electronic este invers proporțională cu modulul impedanței Zx , deci scara sa se poate grada direct în valoari de modul ale impedanței Zx

Fig. 17 Principiul măsurării cu impedanțmetrul (zetmetrul)

Pentru a extinde domeniul de măsurare, trebuie să se modifice tensiunea generatorului sau sensibilitatea voltmetrului electronic. De obicei se utilizează un montaj în care impedanța ce se măsoară se introduce printr-un autotransformator. Această variantă prezintă avantajul că impedanța care apare între capetele autotransformatorului depinde de raportul de transformare, care poate fi variat prin prize convenabil alese.

Montajul cu autotransformator (fig. 18) are neajunsul că, atunci când în circuit nu este montată nici o impedanță (Zx = ), circuitul este parcurs de curentul prin autotransformator, deci există totuși o indicație la voltmetrul electronic. Spre a evita acest neajuns, s-au introdus două autotransformatoare cu prize (Fig. 19)

Fig. 18 Fig. 19

Impedanța Zx se introduce între prizele cu același număr ale autotransformatoarelor și care corespund la aceleași rapoarte de transformare. Se pot măsura astfel impedanțe între limite largi de valori.

Măsurarea elementelor de circuit: R, L, C, Z

Măsurarea inductanțelor prin metoda ampermetrului și voltmetrului (fig. 20)

Măsurarea inductanțelor proprii ale bobinelor folosind metoda ampermetrului și voltmetrului se bazează pe comportarea diferită a bobinelor în curent continuu și curent alternativ. Întrucât bobinele au de obicei impedanțe mult mai mici decât rezistența voltmetrului se folosește varianta aval.

Fig. 20. Măsurarea inductanțelor proprii prin metoda ampermetrului și voltmetrului

Montajul folosit este reprezentat în fig. 20. Comutatorul K are două poziții și permite alimentarea succesivă a circuitului în c.c. și c.a.

Modul de lucru: Măsurarea se desfășoară în trei etape:

Se închide comutatorul K pe poziția 1 și montajul se alimentează în c.c.

Se măsoară intensitatea curentului I cu ampermetrul, tensiunea U cu tensiunea și aplicând legea lui Ohm, se calculează (25)

Cunoscând valorile Rx și Zx și cunoscând sau măsurând frecvența, se poate deduce valoarea inductanței (26)

de unde: (27)

Partea experimentală. Determinarea valorii rezistenței prin metoda indirectă

Această metodă se folosește pentru măsurarea rezistentelor cu valori mijlocii. Este o metodă industrială de precizie redusă, ce se bazează pe legea lui Ohm: Rx = Ux/Ix (21)

unde: Ux- căderea de tensiune dintre bornele rezistenței, iar Ix- curentul prin rezistență.

Fig. 21 Schemele de principiu pentru măsurarea rezistențelor cu voltmetru și ampermetru

pentru montaj (a) – aval, (b) – amonte

Circuitul de măsurare poate fi asamblat in două variante aval (Fig. 21a) și amonte (Fig. 21b)

Pentru montajul aval (fig. 2 a) calcului rezistenței Rx se va efectua cu relația:

(28) (29)

unde IV – curentul care trece prin voltmetru; RV – rezistența internă a voltmetrului;

U, I -valorile indicate de voltmetru / ampermetru.

Eroarea de măsurare a rezistenței Rx, conform montajului aval, se calculează cu relația:

(30)

Dacă se neglijează termenul Rx/rv comitem o eroare de metodă care este mai mică când Rx va fi mult mai mic decât rv (a cărei valoare măsurată este ordinul 102….103 Ohmi).

Pentru montajul amonte calculul rezistenței măsurate Rx se efectuează cu relația:

(31)

Eroarea de măsură a rezistenței Rx, conform montajului amonte, se calculează cu relația:

(32)

Dacă se neglijează rezistența internă a ampermetrului rA, comitem o eroare de metodă care este mică când Rx este mai mare ca rA (a cărei valoare este de ordinul mărimilor 10-2 – 10 Ohm. In consecință, montajul aval se aplică când rezistențele au valori de cel mult 10 Ohmi, iar montajul amonte se aplică când rezistențele supuse măsurării au valori mai mari ca 10 Ohm. Respectând aceste condiții, erorile de metodă sunt de aproximativ 0,1%.

În cazul montajului amonte avem: (33)

unde: RA este rezistența internă a ampermetrului, iar IA și UV sunt curentul, respectiv tensiunea măsurate de ampermetrul A și voltmetrul V.

Valoarea măsurată a rezistenței va fi: (34)

Eroarea absolută va fi: (35)

și exprimată ca eroare relativă (36)

Astfel eroarea este pozitivă (măsurarea se face prin adaos) și că este cu atât mai mică cu cât RA este mai mică.

În cazul montajului aval avem: și (37)

Valoarea măsurată a rezistenței va fi: ( 38)

unde Rv este rezistența internă a voltmetrului.

Eroarea absolută va fi: (39)

și exprimată ca eroare relativă : (40)

Astfel, eroarea este negativă (măsurarea se face prin lipsă) și că este cu atât mai mică cu cât Rv este mai mare. În afara erorii sistematice de metodă există și erori introduse la măsurarea curentului și a tensiunii de dispozitivele respective ampermetrul A și voltmetrul V. Aceste erori se determină ca valori admisibile și au fiecare câte două componente de construcție și de apreciere:

și (41)

unde: CA- clasele de precizie ale ampermetrului și voltmetrului;

’n”n [div]- deviațiile nominale ale celor două aparate;

Un, In- limitele maxime (nominale) de măsurare pentru cele două aparate;

– eroarea absolută de citire pentru ampermetru și voltmetru.

Din analiza erorilor observăm, că pentru cele două erori sistematice corespunzătoare la două tipuri de măsurări sunt egale în valoarea absolută.

Ca concluzie se recomandă montajul în amonte pentru valori ale rezistențelor necunoscute iar montajul în aval – pentru valori ale rezistențelor necunoscute

Eroarea totală de măsurare prin această metodă nu este mai mică de 2%.

Efectuarea fazei lucrării:

Se alege o rezistență cu valori, care respectă recomandările de mai sus pentru măsurarea în amonte.

Se asamblează circuitul de mai sus (în amonte respectiv) pe baza unei plăci de testare BreadBoard.

Setați tensiunea de la sursa de curent continuu în intervalul 1 – 10 V.

Măsurați valorile curentului și căderii de tensiune respective.

Întrerupeți alimentarea circuitului. Întrerupeți circuitul, asamblați circuitul de măsurare în aval.

Măsurați valorile curentului și căderii de tensiune respective.

Completați datele măsurate în tabelul de forma pentru 3-4 măsurări:

Determinați eroarea absolută și relativă pentru ambele metode de măsurare.

Comparați rezultatele măsurărilor rezistenței în circuit în amonte și în circuit în aval.

Formulați concluziile și recomandările practice pentru măsurări uzuale.

Lucrarea nr. 2

MĂSURĂRI CU MULTIMETRE DIGITALE

Obiective:

Dezvoltarea capacităților de utilizare a multimetrului digital pe exemplul măsurării rezistențelor și diodei.

Dezvoltarea capacitaților de citire și asamblare a circuitelor electronice simple pe placheta tip BreadBoard.

Determinarea erorii absolute și erorii relative.

Materiale necesare: placheta tip BreadBoard, multimetru digital, bloc de alimentare curent continuu (1…30 V), rezistențe (1…100 kOhm), diode redresoare, tranzistoare bipolare tip .

Breviar.

Se experimentează asamblarea circuitelor simple pe o placheta BreadBoard cu rezistențe single, unite în serie, paralel și cu dioda single.

Unul din dispozitivele, aparatele necesare pentru un inginer electronist este multimetrul digital.

Utilizarea multimetrului digital este necesară oricărui electronist, pentru efectuarea unor măsurători în cazul în care este nevoie a se verifica anumiți parametri de funcționare ai dispozitivelor electronice.

Multimetrul digital este un dispozitiv cu ajutorul căruia se poate determina și măsura valori ale unor mărimi electrice. Utilizarea multimetrului digital nu este complicată, dar presupune respectarea anumitor reguli de bază.

Principalele mărimi electrice măsurabile cu un multimetru digital sunt: rezistența electrică (Ohm, Ω), tensiunea electrică (volt, V) alternativă (~) sau continuă (=), intensitatea curentului electric (amper, A) continuu (=) sau alternativ (~).

Pe lângă determinarea valorilor acestor mărimi electrice multimetrele moderne oferă posibilitatea verificării funcționalității unor componente radioelectronici ca: rezistențe, diode semiconductoare, capacități electrice , tranzistoare bipolare.

Măsurarea tensiunilor. Pentru măsurarea tensiunilor multimetrul se conectează în circuit în paralel cu sursa de tensiune, valoarea afișată reprezentând diferența de potențial dintre cele două puncte de test .

Măsurarea tensiunii continue V=. Pentru a se măsura o tensiune continuă se comută selectorul de game în zona tensiunii continue în dreptul unei valori mai mare decât tensiunea, care se dorește a fi determinată (valoarea din dreptul selectorului inscripționată pe aparat reprezintă valoarea maximă, care poate fi măsurată în acea poziție), și se poziționează cele două sonde, cu care se măsoară, între punctele unde se dorește măsurarea diferenței de potențial. Dacă valoarea afișată pe ecran este cu minus, înseamnă că polaritatea tensiunii măsurate este inversă.

Măsurarea tensiunii alternative V~. Pentru măsurarea tensiunii alternative se comută selectorul de game pe una din pozițiile pentru măsurarea tensiunii alternative și se conectează sondele în punctele de măsurare. Valoarea afișată pe ecran reprezintă valoarea efectivă a tensiunii alternative măsurate.

Măsurarea curenților electrici. Pentru măsurarea curenților electrici se comută selectorul de game pe Amperi (A). Pentru unele aparate, pentru a măsura curenți de câțiva amperi, este necesar ca sonda respectivă să fie conectată în mufa corespunzătoare pentru curenți mari. Pentru a măsura un anumit curent electric aparatul se conectează în serie. Pentru a nu deteriora aparatul este bine ca măsurarea curenților mari să se efectueze printr-o rezistență (nu utilizați multimetrul pentru a scurtcircuita o sursă).

Măsurarea rezistenței electrice. Pentru măsurarea rezistenței cu ajutorul multimetrului este necesar să se comute selectorul de game pe Ohmi, iar cele două sonde se poziționează între cele două puncte, între care se dorește măsurarea rezistenței (în cazul unui rezistor între terminalele sale). În cazul, în care este măsurat un rezistor, valoarea afișată pe ecranul multimetrului va fi cea inscripționată pe acesta (desigur cu „+ -„ toleranța înscrisă pe el (5%,10%, etc.). Când sondele se pun în scurtcircuit, iar selectorul de game este pe Ohmi, valoarea indicată de multimetru trebuie să fie 0 (practic – cât mai aproape de 0). Măsurarea rezistențelor electrice nu se efectuează pe un circuit alimentat.

Determinarea funcționării dispozitivelor semiconductoare (diode, tranzistori bipolari).

Dioda semiconductoare este un dispozitiv electronic cu două borne de conectare realizat dintr-o joncțiune p-n (Fig. 1). Părțile componente și simbolul diodei sunt prezentate în figura de mai sus. De la semiconductorul tip p către semiconductorul de tip n dioda conduce în sens direct, având o rezistență mică, astfel curentul electric trece ușor prin ea. În sensul opus, de la

Fig. 1 Fig. 2

conductorul de tip n la conductorul de tip p (sens invers) dioda prezintă o rezistență electrică mare, conducând rău curentul electric.

Pentru verificarea diodelor se conectează selectorul de game în dreptul simbolului diodei (Vezi semnul de pe multimetru din fig. 2) și se conectează sonda respectivă pe ANOD și cealaltă pe CATOD, ca în Fig.3.1 , dioda va fi în conducției iar pe afișor se va indica tensiunea directă la bornele diodei de aproximativ 0.67 V (pentru diode din Si). Multimetrul are o sursă internă de curent (de aproximativ 2 mA) care va determina un nivel de tensiune după cum se arată în Fig.3. Dacă multimetrul afișează OL atunci când este conectat la bornele diodei ca în Fig.3, atunci aceasta este defectă (adică este întreruptă).

Dacă tensiunea afișată este 0 dioda este în scurtcircuit. Dacă se inversează sondele afișajul va indica OL, adică un circuit întrerupt pentru o diodă care funcționează corect. La o afișare OL în ambele direclii se indică o diodă defectă, deci întreruptă.

Fig. 3 Fig. 4

Determinarea Anodului sau Catodului diodei de asemenea poate fi cu ajutorul multimetrului în regim de măsurare a rezistenței. Deoarece dioda reprezintă o joncțiune p-n, prin intermediul multimetrului vor fi măsurate rezistențele la conectare arbitrara directă și indirectă.

Conform indicațiilor multimetrului, conectarea cu indicația de valori înalte ale rezistenței va indica conectarea inversă a diodei, iar valori mai mici de mărimi de ordine – va indica conectare directă a diodei. În teorie a fost menționat, că rezistența la polarizare directă a unei diode este mult mai mică față de rezistența la polarizare inversă. Prin urmare, dacă se măsoară rezistența unei diode conform Fig. 4 va rezulta o valoare mică. Indicația ohmmetrului este în funcție de curentul, care se stabilește prin diodă de către bateria internă a ohmmetrului (care are de multe ori 1,5V). Cu cât curentul este mai mare, cu atât va rezulta o valoare de rezistență mai mică. La o polarizare inversă, conform Fig. 4 va rezulta o valoare mare a rezistenței diodei. O valoare mare a rezistenței diodei în ambele sensuri indică o diodă defectă (diodă întreruptă), iar o valoare mică a rezistenței în ambele direcții indică o diodă defectă (diodă în scurtcircuit).

Altă metodă de testare a diodelor cu un trasator de curbe curent-tensiune este utilizată în situații speciale, când se dorește să se cunoască caracteristica curent-tensiune a diodei.

Pentru a verifica tranzistoarele bipolare putem proceda ca și în cazul diodelor, deoarece un tranzistor este compus din două diode (dioda Baza-Emitor ți dioda Baza-Colector) conectate.

Partea experimentală.

Măsurarea valorii unei rezistențe prin metoda directă cu multimetru (fig. 5)

Alegeți o rezistență de ordinul kOhmilor (1 … 200 kΩ).

Conectați sondele de măsurare la bornele multimetrului digital identificate pentru măsurarea rezistențelor.

Conectați multimetrul la rețeaua de alimentare.

Setați la multimetru regimul de măsurare a rezistențelor.

Setați la multimetru intervalul necesar de măsurări. Fig. 5

Asamblați circuitul din fig. 5 pe baza unei plăci BreadBoard.

Măsurați valoarea rezistorului cu ajutorul multimetrului și înregistrați în tabel valoarea măsurată.

Datele măsurate se includ în tabel după cum urmează:

Efectuați calculele măsurării indirecte a rezistenței pentru valorile măsurate și comparațiile cu valorile indicate pe rezistențe.

Determinați erorile absolute și relative, conform formulelor:

Eroarea absolută:

Eroarea relativă:

Unde m – mărimea măsurată (rezistență).

Măsurarea rezistenței la conectarea în serie a rezistențelor.

Alegeți trei rezistențe de ordinul kOhmilor (1 … 200 kΩ).

Măsurați valorile rezistențelor cu ajutorul multimetrului în regim de măsurat rezistența și înregistrați valorile măsurate.

Asamblați circuitul din fig. 6 pe baza unei plăci BreadBoard

Setați tensiunea de la sursa de alimentare în intervalul 1 – 10 V.

Setați la multimetru regimul de măsurare a tensiunii continue. Măsurați tensiunii continue U1, U2, U3, U4

Întrerupeți alimentarea circuitului. Întrerupeți circuitul, conectați în circuit multimetrul (în regim de măsurare a curentului) și măsurați valoarea curentului în punctele A, B, C și D după reconectarea sursei de c.c.

Fig. 6

Notă: La conectare în serie a trei rezistențe, curentul prin acestea trebuie să fie egal, iar tensiunea totală reprezintă suma căderilor de tensiune pe rezistențele R1, R2, R3.

Repetați punctele 4) și 5) pentru minim 3 valori de tensiune.

Se completează un tabel conform celui de mai jos:

Efectuați calculele erorilor absolute și relative de măsurare:

Determinați valoarea curentului cu ajutorul legii lui Ohm (R=U/I).

Determinați eroarea absolută și relativă de măsurare a curentului (vezi expunerea de mai sus)

Calculați care trebuie să fie căderea de tensiune pe rezistențe și determinați eroarea absolută și relativă de măsurare a căderii de tensiuni pe fiecare din rezistențe.

Măsurarea rezistentei la conectarea în paralel a rezistențelor.

Alegeți trei rezistențe de ordinul kOhmilor (1 … 200 kΩ).

Măsurați valorile rezistențelor cu ajutorul multimetrului în regim de măsurat rezistența și înregistrați valorile măsurate.

Asamblați circuitul din Fig. 7 pe baza unei plăci de testare BreadBoard

Fig. 7

Setați tensiunea de la sursa de curent continuu în intervalul 1 – 10 V.

Setați la multimetru regimul de măsurare a tensiunii continue. Măsurați valorile tensiunii continue U1, U2, U3, U4.

Întrerupeți alimentarea circuitului. Întrerupeți circuitul, conectați în circuit multimetrul (în regim de măsurare a curentului) și măsurați valorile curentului I în punctele A, B, C și D după reconectarea sursei de curent continuu.

Notă. La conectarea în paralel, de exemplu, a două rezistențe, valoarea căderii de tensiune pe acestea trebuie să fie egală, iar curentul total reprezintă suma valorilor de curent prin rezistențele R1 și R2.

Completați datele măsurate în tabelul de forma:

Efectuați calculele erorilor absolute și relative de măsurare:

Calculați valoarea rezistenței totale, cunoscând valoarea fiecărei rezistențe:

Calculați valoarea curentului prin fiecare rezistență cu ajutorul legii lui Ohm (R=U/I).

Determinați eroarea absolută și relativă de măsurare a curentului prin fiecare rezistor în parte.

Determinarea polarității diodei.

Dioda semiconductoare – este un dispozitiv electronic format dintr-o joncțiune PN și este prevăzută cu 2 terminale numite Anod (+) și Catod(-).

Simboluri grafice.

Dioda redresoare Dioda stabilizatoare

Alegeți o diodă. Setați multimetrul la regim de măsurare a diodei. Determinați cu ajutorul multimetrului care este Anodul și care este Catodul prin măsurarea rezistenței la polarizare directă și indirectă.

Verificarea diodei semiconductoare. Pentru verificarea unei diode se măsoară rezistența electrică în ambele sensuri (tastele ohmmetrului se conectează la terminalele diodei apoi fie se inversează tastele între ele fie se schimbă poziția terminalelor diodei).

Dioda este în stare de funcționare dacă într-un sens ohmmetrul indică rezistență foarte mare (pe display apare fie 0 (L.) fie 1.) iar în celălalt sens indică o anumită rezistență electrică (pe display apare un număr din mai multe cifre).

Identificarea terminalelor diodei. Se conectează ohmmetrul la terminalele diodei în sensul în care acesta indică o anumită rezistență. În această situație terminalul la care este conectată tasta (+) a ohmmetrului este anodul (+) diodei.

Identificarea terminalelor diodei semiconductoare în funcție de tipul capsulei

Pentru diodele în capsulă din plastic sau din sticlă terminalul spre care este inelul cilindric de culoare albă sau neagră de pe capsulă este catodul (-) diodei.

DIODA LUMINISCENTĂ (LED – ul)

LED – urile sunt diode care la polarizare directă emit lumină.

Identificarea terminalelor și verificarea funcționării.

Pentru verificarea LED – ului utilizăm un multimetru digital și procedez astfel:

• Fixăm comutatorul pe poziția și apăsăm butonul până ce apare pe display în stânga sus simbolul diodei redresoare;

• Cu tastele multimetrului măsurăm tensiunea la bornele LED – ului în ambele sensuri;

• Dacă LED – ul funcționează corect, multimetrul indică într-un sens 0 V iar în celălalt sens indică o anumită valoare (e.g. 1,68 V).

La un LED în general terminalul mai lung sau electrodul mai subțire este PLUS iar terminalul mai scurt sau electrodul mai gros este MINUS. Pentru identificarea terminalelor cu multimetrul LED – ul se conectează la bornele multimetrului în sensul în care acesta indică tensiune. În această situație terminalul PLUS al LED – ului este conectat la borna PLUS a multimetrului.

Parametrii electrici:

– curentul direct (IF), la diodele ce emit în vizibil max. 50mA, iar la cele în infraroșu max 100mA

– tensiunea de deschidere (VF) este de la 1,6V (LED – roșu) până la 2,3V (LED – verde)

– tensiunea inversă (VR) – este cuprinsă între 3 și 5VÎn orice circuit LED – ul trebuie montat în serie cu un rezistor, calculul acestuia se face în funcție de tipul LED – ului utilizat de valoarea curentului care dorim să treacă prin LED și de tensiunea de alimentare a circuitului în care se montează LED – ul.

R = (V-VF) / IF,

unde V – tensiunea de alimentare a circuitului;

VF – tensiunea de deschidere a LED-ului;

IF – curentul direct prin LED.

e.g. – pentru un LED roșu: V = 12 V, IF= 40 mA, R = 260 Ohmi;

pentru un LED verde: V=12 V, IF = 40 mA, R = 242 Ohmi.

Identificarea terminalelor unui transistor bipolar prin măsurarea resiztenței electrice a joncțiunilor. Pentru identificarea terminalelor tranzistorului prin această metodă se parcurg 3 etape:

În prima etapă se identifică baza tranzistorului BP:

Fig. 8 Structura tranzistoarele bipolare exprimată prin diode

Din structura tranzistoarelor cu diode se observă că rezistențele electrice între bază și celelalte două terminale ale tranzistorului trebuie să fie egale, într-un sens au valoare mică iar în sens opus au valoare foarte mare. Prin cele două sensuri se înțelege modul de plasare a tastelor multimetrului față de terminalele tranzistorului (într-un sens se plasează cu borna plus pe bază iar în celălalt sens se plasează cu borna minus pe bază).

Se fixează comutatorul unui multimetru digital pe poziția Ω (pentru măsurarea rezistenței electrice).

Se plasează o tastă a multimetrului pe unul din terminalele tranzistorului iar cu cealaltă tastă se măsoară rezistențele electrice față de celelalte două terminale. Dacă rezistențele electrice sunt aproximativ egale (într-un sens rezistențe mici iar în celălalt sens rezistențe foarte mari) tasta multimetrului este plasată pe baza tranzistorului.

În a doua etapă identificați tipul unui tranzistor BP:

Fig. 9 Identificarea bazei tranzistorului bipolar

Se plasează o tastă a multimetrului pe bază și cealaltă tastă pe unul din celelalte două terminale ale tranzistorului în sensul în care multimetrul indică rezistență mică. Dacă pe bază este tasta COM (minus) tranzistorul este de tip PNP. Dacă pe bază este tasta PLUS tranzistorul este de tip NPN.

Deoarece baza este în mijloc, se pune în mijloc litera corespunzătoare polarității care este pe bază (N pentru MINUS și P pentru PLUS) iar pe margini literele corespunzătoare celeilalte polarități (doi de P sau doi de N) și astfel se obține configurarea existentă a tranzistorului PNP sau NPN.

Fig. 10. Identificarea tipului de tranzistor (PNP sau NPN)

În a treia etapă se identifică Emitorul și Colectorul tranzistorului:

Rezistența electrică dintre Bază și Emitor este întotdeauna mai mare decât rezistența electrică dintre Bază și Colector. Se plasează o tastă a multimetrului pe bază iar cu cealaltă tastă se măsoară și se notează valoarea rezistențelor față de celelalte două terminale. Terminalul față de care rezistența este mai mare va fi Emitorul TB iar celălalt Colectorul TB.

Fig. 11. Identificarea emitorului și colectorului TB

Rezistența BAZĂ-EMITOR este mai mare decât rezistența BAZĂ- COLECTOR. De exemplu, la tranzistorul model BC 547 de tip NPN, RBE = 5,32 Mohm, RBC = 5,15 Mohm, RBE ˃ RBC. Verificați rezultatele obținute pentru diode și tranzistoare bipolare cu datele pașapoartelor componentelor electronice din Internet. Expuneți rezultatele obținute în raport.

Lucrarea nr. 3

PUNȚI DE MĂSURARE ELECTRICE

Obiectivele lucrării

– Consolidarea cunoștințelor studenților asupra principiului de funcționare a diverselor tipuri de punți de măsurare alimentate în curent continuu și în curent alternativ;

– Însușirea deprinderilor de folosire a acestor punți în diverse măsurări și verificări statice și dinamice;

– Efectuarea de măsurări cu punți cu echilibrare manuală si cu punți cu echilibrare automată.

Echipamente de măsură Voltmetru, ampermetru, sursă de alimentare de curent continuu și alternativ, puntea Wheatstone cu cutia cu rezistențe etalon decadale.

Breviar.

Punțile de măsurare sunt circuite electrice cu patru laturi (brațe) și cu două diagonale. Pe brațe se conectează una sau mai multe componente pasive de tip rezistor, condensator și/sau bobină. Pe o diagonală se plasează o sursă de alimentare a punții, iar pe cealaltă diagonală se amplasează un indicator de nul (indicator de echilibru) în cazul punții echilibrate sau un milivoltmetru sau voltmetru în cazul punților neechilibrate. Cu punțile electrice se pot măsura rezistențe, inductanțe și capacități sau orice altă mărime convertită în prealabil în una din cele trei mărimi. Punțile echilibrate, la care diferența de potențial pe diagonala de măsură este nulă au o aplicabilitate foarte largă, deoarece au la bază metode de zero, care asigură performanțe superioare: sensibilitate și precizie înalte, domeniu de măsurare foarte larg, posibilități de compensare a efectelor factorilor perturbatori ș.a.

Punți R, L, C. În practică se întâlnesc frecvent punți care permit măsurarea rezistențelor, inductanțelor și capacităților cunoscute sub numele de punți universale sau punți RLC. Schema punților universale permite realizarea, printr-o simplă manevrare a unui comutator, fie a unui montaj de punte de curent continuu (puntea Wheatstone), fie a unor montaje de punți de curent alternativ (punți Maxwell, Wien, Sauty, Nernst).

Măsurarea rezistențelor se face cu montajul de punte Wheatstone (fig. 1 a). Se pot măsura rezistențe între 0,1Ω și 106Ω, cu o precizie de ±1%. Pentru măsurarea rezistențelor mai mici de 1Ω, din valoarea obținută trebuie luate în considerare (scăzute) rezistențele conductoarelor de legătură și a contactelor din interiorul punții, precum și a celor din exterior.

Inductanțele se măsoară cu un montaj de punte Maxwell (fig. 1 b). Se pot măsura inductanțe cuprinse între 10-6 – 100H, cu o eroare de ±1%.

Capacitățile se măsoară cu un montaj de punte Sauty (fig. 1 c), unde ca element de comparație se folosește condensatorul Co, montat în brațul alăturat condensatorului de măsurat. Domeniul de măsurare este cuprins între 10-5 – 10-6 F, cu o eroare de măsurare ±1%. Odată cu măsurarea capacităților se poate determina și tangenta unghiului de pierderi.

Puntea alimentată în curent continuu. Aceasta este o punte Wheatstone echilibrată sau neechilibrată (fig. 2). Are pe cele patru laturi rezistoare, pe diagonala de măsură puntea neechilibrată are un voltmetru, iar cea echilibrată, în mod obișnuit, un galvanometru de zero. Servește la măsurarea rezistenței.

a)                                                         b)

Fig. 2. Puntea Wheatstone pentru măsurat rezistențe: a) punte neechilibrată; b) punte echilibrată.

Aplicând legile lui Kirchhoff la puntea neechilibrată din fig. 2a și considerând, că rezistența internă a sursei de c.c. este nulă, iar rezistența indicatorului de echilibru este infinită, obținem următoarea relație între tensiunea la bornele diagonalei de măsură și celelalte elemente de circuit:

(1),

unde R3 = Rx este rezistența de măsurat, iar R1, R2 și R4 – rezistențele celorlalte brațe – cunoscute și constante.

Aplicând legile lui Kirchhoff la puntea echilibrată din fig. 2 b, adoptând aceleași ipoteze simplificatoare obținem condiția (ecuația) de echilibru sub forma:

(2) ,

unde Rx este rezistența de măsurat, R2 este rezistența de comparare, cunoscută și reglabilă, iar R1 și R4 sunt rezistențe auxiliare și constante, care determină raportul de proporționalitate între Rx și R2 adică raportul R4/R1.

Rezistența necunoscută se determină după valoarea de echilibru a rezistenței R2 prin multiplicare cu raportul R4/R1. Echilibrul punții poate fi constatat cu indicatorul de echilibru IE, care în cazul echilibrului punții indică valoarea zero. Pentru echilibrare este suficient să se modifice rezistența unui braț, brațul 2, dar se pot modifica simultan rezistențele a două brațe alăturate.

Condiția de echilibru nu se modifică, dacă diagonala de măsură schimbă locul cu diagonala de alimentare.

Punțile de acest fel se realizează atât ca aparate portabile, cât și ca aparate de panou stabile. Aparatele multimetre conțin, de regulă, două, trei sau mai multe tipuri de punți de măsurare incorporate, precum și alte blocuri conexe, ca surse de alimentare a circuitelor electronice, amplificatoare ș.a.

Punți alimentate în curent alternativ. Acestea sunt diverse variante de punți pe brațele cărora se conectează câte cel puțin o componentă pasivă de tip rezistor, condensator și/sau bobină. Pe o diagonală se conectează o sursă de curent alternativ, iar pe cealaltă diagonală se conectează indicatorul de echilibru.

Punțile de c.a. practic utilizabile sunt punți echilibrate.

Fig. 3. Punte echilibrată pentru măsurat impedanțe.

Condiția de echilibru a unei astfel de punți (fig.3) este data de relația:

(3),

unde Z1, Z2, Zx și Z4 sunt impedanțele pe cele patru brațe, de formă complexă Z =/Z/ eiφ. Această condiție, scrisă în mărimi complexe, este echivalentă cu următoarele două relații scrise în mărimi scalare:

(4) condiția de modul

(5) condiția de faza

Pentru ca o punte de c.a. să poată fi echilibrată, este necesar să se aleagă în mod corespunzător natura elementelor de pe brațele sale pentru a îndeplini condiția de echilibru de fază și în punte să existe două elemente pasive modificabile și cunoscute pentru a face posibilă îndeplinirea condiției de echilibru de modul.

Descrierea punții automate tip e-135. Puntea cu echilibrare automată tip E-135 este o punte Wheatstone pentru măsurat rezistențe, adaptată să măsoare rezistența unor traductoare rezistive în intervalul 100-140 Ohmi și având scala gradată în procente. Dispozitivul de echilibrare automată este de tip integrator cu viteza de echilibrare constantă și funcționează pe baza tensiunii de dezechilibru a punții.

Rezistența corespunzătoare indicației 0% este de 100 Ohmi și cuprinde și rezistența traductorului Rx, rezistența conductoarelor de legătură și o rezistență adițională Ra. Legarea traductorului rezistiv la punte se face prin trei conductori (doi pe brațele adiacente, iar al treilea – pe diagonala de alimentare) pentru a compensa influența temperaturii asupra conductorilor de legătură (fig. 4).

Fig.4. Schema electrică de principiu a unei punți automate pentru măsurat rezistențe.

Măsurarea cu puntea automată. După etalonarea și reglajele inițiale executate în laboratorul de verificări metrologice, puntea de măsurat (de panou) este montată în panoul respectiv și conectată permanent la traductorul rezistiv de temperatură, de presiune ș.a. Prin urmare, puntea măsoară în permanent valoarea rezistenței traductorului rezistiv.

În cadrul lucrării de laborator, în locul traductorului rezistiv se folosește o cutie cu rezistențe etalon decadale și se vor executa următoarele operații:

– se va conecta puntea la cutia de rezistențe;

– se va porni puntea pe regim de indicare;

– se va preleva de la cutia de rezistențe, rezistențe de 100, 110, 120, 130 și 140 Ohmi și se vor citi și consemna într-un tabel rezultatele măsurării;

– se va construi caracteristica de transfer reală și caracteristica de transfer ideală in coordonate % -Ohmi;

– se vor determina erorile absolute D pentru cele cinci măsurări;

– pe baza erorii normate maxime constatate, emax = 100Dmax/ D, se va determina clasa de precizie a punții de măsurare, D este domeniul de măsurare al punții: 40 Ω pentru rezistențe și 100 pentru valori procentuale.

Lucrarea nr. 4

MĂSURAREA VALORII EFECTIVE, DE VÂRF ȘI MEDII A TENSIUNII ELECTRICE

Scopul lucrării:

Determinarea valorii efective, medii și de vârf a tensiunii prin montarea diferitor scheme de testare.

Echipament: Multimetru (voltmetru) digital, Generator de curent alternativ. Rezistențe de sarcină. Osciloscop, Sursă de curent continuu.

Breviar.

Definirea tensiunii electrice. Prin definiție, diferența de potențial electric (tensiunea electrică) dintre două puncte ale unui câmp electric este mărimea fizică scalară egală cu raportul dintre lucrul mecanic efectuat de câmp pentru a deplasa o sarcină de probă între cele două puncte și valoarea sarcinii de probă. În sistemul internațional, unitatea de măsură pentru U este 1 V (Volt).

Potențialul unui punct dintr-un câmp electric se poate evalua sau exprima față de un potențial ales de referință (de obicei se alege potențial = 0, al pământului).

Măsurarea tensiunii electrice se efectuează cu ajutorul (de exemplu) următoarelor aparate: multimetre fig. 1, voltmetre fig. 2, testere fig. 3

Fig.1 – Model de multimetru portabil Fig.2 – Model de voltmetru Fig. 3 – Model de tester

Sunt aparate destinate măsurării de tensiuni continue, alternative și în impulsuri, în gamă largă de frecvențe. Deși în prezent nu se mai produc ca aparate individuale, ci în variante de multimetre, destinate măsurării mai multor mărimi (tensiuni, curenți, rezistențe, inductanțe, capacități), studiul lor este important prin aceea că tensiunile reprezintă o clasă de mărimi, care interesează în mod frecvent.

Clasificări: – după modul prelucrării tensiunii măsurate: analogice sau numerice.

– după natura tensiunii măsurate: de c.c. sau de c.a.

Fig. 4 Schema de bază de măsurare a tensiunilor

Schema de bază de măsurare a tensiunilor cu un dispozitiv magnetoelectric este dată în fig.4, în care: Ra este rezistența adițională; Rbm este rezistența proprie a bobinei mobile a indicatorului; I – dispozitivul magnetoelectric.

Unitatea de măsură a tensiunii electrice denumită astfel în cinstea lui Alessandro Volta (1745 – 1827) este voltul.

Metode de măsurare. Scopul măsurării este obținerea experimentală a unei informații cantitative asupra anumitor proprietăți ale unui obiect sau sistem și exprimarea ei sub o formă adecvată pentru utilizator.

Procesul de măsurare conține următoarele elemente principale: măsurandul, metoda de măsurare, aparatul de măsurat și etalonul. În funcție de natura, precizia și scopul măsurării aceste elemente au o importanță diferită și determină varietatea măsurărilor electrice.

La metoda de măsurare prezența mărimii de referință (a etalonului), chiar dacă uneori este mai puțin evidentă, este indispensabilă. Se pot deosebi măsurări prin comparație simultană și măsurări prin comparație succesivă.

La aparatul de măsurat mărimea de ieșire depinde nu numai de mărimea de intrare dar și de alte mărimi care influențează aparatul.

Măsurarea tensiunii continue. Tensiunea continuă este mărime, a cărui măsurare este necesară atât în sisteme de transmitere a energiei electrice, cât și în cele de transmitere a informației pe suport electric. În cazuri simple, în care generatorul de tensiune de referință trebuie să debiteze un curent neglijabil se pot folosi (generatoare de tensiune de referință) elemente normale sau circuite cu diode Zener, care furnizează o tensiune de referință fixă, dar cu valori mici. În caz, cînd este necesar ca generatorul de tensiune de referință să furnizeze un curent apreciabil fără să-și modifice tensiunea de ieșire, se recurge la stabilitoare de tensiune calibrate.

Metoda compensării complete constă în măsurarea tensiunii continue prin procedeu numit de zero, prin care tensiunea de măsurat Ux se echilibrează cu o tensiune cunoscută Ue egală cu Ux, obținută prin trecerea unui curent constant printr-un rezistor variabil, sau prin trecerea unui curent variabil printr-un rezistor constant.

Metoda compensării incomplete (voltmetre diferențiale) pentru măsurarea tensiunii continue este o metodă diferențială, constând în măsurarea cu un voltmetru indicator a diferenței dintre tensiunea necunoscută și o tensiune cunoscută de compensare reglabilă, astfel, rezultă că tensiunea de măsurat va fi egală cu tensiunea de compensare + tensiunea măsurată cu voltmetrul indicator.

Măsurarea curentului continuu. Măsurarea directă a curentului continuu se efectuează cu ajutorul ampermetrelor magnetoelectrice și electrodinamice. Măsurarea indirectă se efectuează cu șunturi, sau prin intermediul convertoarelor magnetice de c.c.

Măsurarea tensiunii alternative. Tensiunea alternativă se măsoară cu precizie mare la frecvențe între 10 Hz și 10 kHz.

Un semnal alternativ în regim staționar poate fi caracterizat prin valoare efectivă, valoare medie și valoare de vârf.

Valoarea efectivă (Root Mean Squared) a unei tensiuni alternative este egală cu valoarea unei tensiuni continue, care ar dezvolta aceiași putere medie în aceeași rezistență.

Valoarea medie (mean) a unei tensiuni alternative este valoarea medie în timp a modulului tensiunii.

Valoarea de vârf a unei tensiuni alternative este valoarea extremă UV+ sau UV- a semnalului.

Măsurarea tensiunii alternative prin comparare este cea mai precisă măsurare prin compararea cu mărimea continuă corespunzatoare observând egalitatea efectelor produse (termice, electrodinamice sau altele) asupra unui element sensibil la aceste efecte. Metoda se numește comparare c.a.-c.c., elementul sensibil se numește element de transfer c.a-c.c., iar aparatul bazat pe aceasta metodă este un comparator c.a-c.c.

Măsurarea tensiunii alternative prin conversiune c.a.-c.c. se folosește pentru calibrarea aparatelor și în măsurări speciale de mare precizie. Măsurarea tensiunii alternative se face prin conversiune c.a-c.c. cu ajutorul unui convertor c.a.-c.c., care furnizează la ieșire o tensiune continuă egală sau proporțională cu valoarea efectivă, valoarea medie sau valoarea de vârf a tensiunii alternative de intrare.

Fig. 5 Schema de măsurare a tensiunii

Exemple de măsurări. În cadrul măsurărilor electrice măsurarea tensiunii are cea mai mare pondere, deoarece conectarea mijlocului de măsurat nu modifică structura constructivă a circuitului electric. Măsurarea tensiunii electrice se efectuează cu metode directe, dar sunt posibile și metode indirecte de măsurare. În toate măsurările de tensiune introducerea mijlocului de măsurare (în paralel între două puncte din circuit (fig. 5)) urmăresc ca perturbațiile acestuia să fie minimale.

Considerând o sursă de tensiune E, cu rezistența interioară ri, eroarea suplimentară ce apare ca urmare a introducerii voltmetrului în schema de măsurare, este:

(1)

de unde rezultă, că pentru a avea erori minime la includerea voltmetrului în circuit este necesar ca Rv>>ri.

În circuitele de c.c. și c.a. unde nu se solicită precizii prea mari, pentru măsurarea tensiunii se utilizează aparatele cu citire directă. Astfel, în circuitele de c.c. se folosesc voltmetre construite pe baza dispozitivului magnetoelectric, măsurarea tensiunii efectuându-se prin intermediul efectului produs de curentul ce parcurge bobina instrumentului. Într-adevăr, dacă I este curentul ce parcurge bobina și R0 rezistența sa interioară, căderea de tensiune de la bornele instrumentului va fi U=IRo, iar deviația permanentă a acului va fi

α = kU (2)

Pentru măsurarea tensiunilor alternative de frecvențe mai mari se folosesc

voltmetre electronice de valori efective;

voltmetre electronice cu diode în clasa B (de valori medii);

voltmetre electronice cu diode în clasa C (de vârf).

Voltmetrele electronice de valori efective – permit măsurarea directă a valorii efective a tensiunii pe baza definiției termice a valorii efective sau a relației:

(3)

Unde t este un moment de timp oarecare

Voltmetrele electronice bazate pe această definiție termică a valorii efective au în construcția (componența) lor dispozitive de măsurare a temperaturi cu unele rezistoare, ca urmare a puterii disipate de către acestea, proporțională cu valoarea efectivă a tensiunii necunoscute.

Voltmetrele elctronice bazate pe relația de definiție a valorii efective au în componența lor dispozitive de ridicare la pătrat, mediere și extragerea rădăcinii pătrate.

Voltmetrele electronice cu diode în clasa B (sau de valori medii) se caracterizează prin schema funcțională prezentată în fig. 6 precum și prin aceea, că dioda conduce o semiperioadă dintr-un semnal sinusoidal (numai la semialternanța pozitivă). Indicația acestor voltmetre este proporțională cu valoarea medie și ele sunt etalonate direct în valori efective pentru forme de undă sinusoidale, conform relației:

(4)

Fig. 6. Voltmetru electronic cu diodă în clasa B

Măsurarea cu astfel de voltmetre a altor forme de undă nesinusoidale sau cu un conținut bogat în armonici cu faze diferite, conduce la apariția unor erori suplimentare.

Voltmetrele electronice cu diode în clasa C (de vârf) se deosebesc de cele din clasa B prin aceea, că dioda conduce mai puțin decât o jumătate de perioadă a unui semnal sinusoidal ca urmare a rolului încărcării condensatorului C la valoarea de vârf a tensiunii de intrare. Schema electrică a unui voltmetru cu dioda în clasa C este prezentată în fig. 7-a.

Fig. 7 Schema voltmetrului

cu dioda în clasa C.

Analizînd lucrul circuitului electric din fig.7, presupunem că dioda D este ideală și condensatorul C are condiții inițiale nule. Astfel, dacă la intrare se aplică o tensiune sinusoidală, la semiperioada pozitivă dioda D este direct polarizată, permițând curentului ce trece să încarce condensatorul cu polaritatea din figura 7a. În acest caz, tensiunea la bornele condensatorului C va urmări variația tensiunii de intrare. La un moment dat, când tensiunea de intrare a atins valoarea de vârf (punctul A din diagrama tensiunilor (fig. 7b)), dioda trece la polarizarea inversă, deoarece tensiunea de la bornele condensatorului este mai mare decât tensiunea aplicată la intrare. În acest moment condensatorul începe să se descarce exponențial pe rezistența voltmetrului Rv. Descărcarea are loc până în momentul cînd tensiunea de la intrare devine iarăși mare ca tensiunea de la bornele condensatorului (punctul B din diagrama de tensiuni, fig. 7b). Din acest moment, dioda devenind polarizată direct se redeschide și permite reîncărcarea condensatorului la valoarea de vârf a tensiunii (porțiunea BC, fig. 7b), după care procesul se repetă periodic

La alegerea constantei de timp a circuitului în condiții de CRv>>To (unde To=1/fo – perioada semnalului aplicat la intrare), timpul în care dioda va fi polarizată direct (deschisă) va fi foarte mică și astfel tensiunea la bornele condensatorului se menține aproximativ constantă, cu valoarea aproximativ egală cu valoarea de vârf a tensiunii aplicate la intrare, de unde provine și denumirea de voltmetru de vârf.

Pentru o tensiune sinusoidală se poate scrie: Um = 2Uef – relație pe baza căreia se etalonează voltmetrul.

În cazul măsurării altor forme de undă, diferite de cea sinusoidală, apar erori de măsurare, ce depind de amplitudinea și faza armonicelor, deoarece nu mai este valabilă relația de etalonare a scării.

Voltmetre electronice analogice. In prezent voltmetrele electronice analogice (cu ac indicator) nu se mai confecționează, fiind aproape integral înlocuite de voltmetrele numerice, însă acestea se găsesc încă în număr mare atât în tehnica de laborator cât și instrumentația industrială.

Voltmetrele electronice au sensibilitate mult mai mare ca voltmetrele electromecanice, dar sunt mai complicate și vulnerabile la perturbații electromagnetice.

Între valorile efectiva, medie și de vârf (maximă) ale unui semnal periodic cu variație sinusoidală subzistă relațiile de legătura prin formulele (8-12):

Valoarea vârf – la – vârf a unui semnal sinusoidal este: VV-V = 2Vmax

Voltmetrele de valori medii se etalonează în valori efective, pe baza relației de legătură dintre valoarea medie și cea efectivă în regim sinusoidal. Voltmetrele de valori medii sunt mai simple și mai ieftine decât cele de valori efective. Semnalul sinusoidal se aplică unui amplificator (fig. 9-a) cu amplificare și impedanța de intrare ridicate, este apoi atenuat, corespunzător scărilor VE. Tensiunea alternativă este redresată de puntea cu diode, curentul variază în instrument ca în fig. 9-b. Deplasarea indicatorului se produce sub acțiunea unui cuplu mediu proporțional cu valoarea medie a curentului redresat. Circuitul folosit este de fapt un convertor tensiune-curent cu redresare dublă alternantă.

Fig.9a Fig. 9b

Etalonarea se face în valori efective, pe baza relației dintre valoarea medie și cea efectivă la redresarea dublă alternantă:

(13) (14)

Voltmetre de valori de vârf sunt voltmetre universale (de c.c. și c.a.), funcționând după principiul măsurării valorii de vârf.

Fig. 10

unde : ACR- atenuator calibrat rezistiv;   ACC – amplificator de c.c.; I – instrument indicator.

Tensiunile continue se măsoară (fig. 10) cu voltmetrul de c.c., constituit din ACR, ACC, I. Tensiunea alternativă se convertește într-o tensiune continuă de valoare proporțională cu detectorul de vârf DV, apoi este măsurată cu voltmetrul de c.c. DV poate fi realizat sub forma de sondă, ceea ce constituie un avantaj al acestui tip de voltmetru.

Detectorul de vârf poate fi: – serie; – paralel;

Fig. 11 – Detector vârf – vârf

Ultima variantă prezintă avantajul eliminării erorilor datorate unor semnale nesimetrice. Schema unui detector vârf – la – vârf de tensiune este prezentă în Fig. 11. Condensatorul C1 se încarcă la valoarea de vârf a semialternanței negative. În semiperioada pozitivă sarcina lui C1 este transferată condensatorului C2, căruia i se aplică adițional tensiunea de vârf a semialternanței pozitive, deci se va încărca la valoarea vârf – la – vârf a tensiunii sinusoidale de intrare. C1 si C2 trebuie să fie de valori suficient de mari, pentru ca tensiunea la bornele lor să se mențină constantă în decursul unei perioade.

Avantajul voltmetrelor de vârf îl constituie capul de probă, care permite măsurarea tensiunilor acolo unde apar, prin conductorul de legătura cu aparatul circulând c.c. Acest mod de măsurare este indicat în special la frecvențe mari.

Voltmetre de valori efective. Valoarea medie pătratică sau valoarea efectivă (în engleza rms – root mean square) se definește ca acea valoare a tensiunii alternative, care are același efect termic ca o tensiune continuă dată, e.g. 10 V c.c. dau același efect termic într-o rezistență ca și o tensiune alternativă de 14,14 V. Deci se poate scrie:

(15)

sau (16)

Dintre tensiunile definite, cea efectivă este cea mai importantă formă, întrucât este singura, care oferă o relație directă între efectele tensiunilor alternative și continue, indiferent de forma de undă.

Voltmetrele de valori efective pot fi:

voltmetre cu termocuplu;

voltmetre de valori efective cu scheme speciale, folosind detector pătratic.

Fig.12

Schemele, folosind detecția pătratica, se aseamănă cu cea din fig. 12

Ca detector pătratic poate fi folosită dioda semiconductoare, a cărei caracteristică volt-amperică are neliniaritate de ordinul doi la valori mici ale tensiunii de intrare (Fig. 13).

Fig. 13. Caracteristica volt-amperică a diodei cu neliniaritatea de ordinul 2

O altă posibilitate de obținere a unui voltmetru de valori efective o constituie combinarea unei detecții de vârf cu o detecție de valori medii (Fig. 14), după o relație de forma (17):

(17)

Fig. 14. Combinarea unei detecții de vârf cu o detecție de valori medii

Relația (17) este valabilă pentru orice formă de undă. Coeficienții sunt determinați pentru o anumită formă de undă, de regulă pentru cea sinusoidală.

Când forma de undă nu va fi sinusoidală aparatul nu va indica valoarea medie pătratică adevărată a tensiunii măsurate, ci o valoare datorată valorii medii a formei de undă respective. La voltmetrele, a căror scară este calibrată pentru o formă de unda specificată, indicația este corectă doar pentru acea formă, în alte situații indicația este mai mică.

Voltmetrele numerice, multimetrele numerice – sunt aparate, care afișează rezultatul măsurării direct sub forma numerică. și sunt destinate măsurării tensiunilor continue.

Multimetrele numerice sunt variante multifuncționale, care mai pot măsura în plus tensiuni alternative, curenți continui și alternativi, rezistențe. Toate aceste mărimi sunt convertite în prealabil într-o tensiune continuă, de valoare proporțională, care este apoi măsurată cu partea de voltmetru numeric a multimetrului.

Avantaje ale folosirii voltmetrelor numerice:

precizie foarte bună (0,001 în c.c și 0,1 în c.a.);

rezoluție ridicată (de ordinul nV);

frecvența mare de repetiție a măsurătorilor (zeci, sute/sec);

impedanțe de intrare de ordinul GW.

În plus au avantajele aparatelor numerice:

posibilitatea transmiterii cu ușurință la distanță a rezultatului;

Fig.15 Schema bloc a unui voltmetru numeric

Schema bloc simplificată a unui voltmetru numeric este prezentată în Fig. 15.

Elementul principal îl constituie un convertor analog – numeric (CAN), ce realizează conversia sub forma numerică a tensiunii de măsurat Ux, rezultatul fiind afișat în cod binar – zecimal (BCD) pe dispozitivul de afișare (DA). Ddispozitivul de comandă (DC) are rolul de a iniția la momente bine stabilite operația de conversie și de a relua în mod automat măsurătoarea.

Cele mai întâlnite variante de CAN sunt:

cu comparare:

cu tensiunea de comparat:

cu trepte egale;

cu trepte inegale;

cu urmărire;

cu aproximare succesivă;

cu conversie tensiune – timp:

cu integrarea tensiunii de referință;

cu dubla integrare;

cu conversie tensiune-frecvență;

cu modulație D a impulsurilor;

combinații ale celor de mai sus.

Cele mai utilizate sunt cele cu comparare și cu dublă integrare.

Pentru aprecierea preciziei de conversie, trebuie de avut în vedere, ca tensiunea de măsurat este discretizată într-un număr de trepte elementare, ușor numărabile. Treapta trebuie să corespundă unei tensiuni de valoare bine precizată. Ea reprezintă cea mai mică valoare diferită de zero, indicată de aparat. De asemenea, două indicații adiacente diferă între ele tot prin această treaptă elementară. Ea reprezintă, ceea ce se denumește rezoluția voltmetrului numeric. Ca parametru, ea este specificată:

prin valori absolute de tensiune;

prin numărul de cifre zecimale ale afisajului, cu terminologia 3½, 4½, etc. digiți, cu

semnificația: 3½ corespunde unei indicații maxime 1999, 4½ la 19999, etc.

Se exemplifică cu schema bloc a unui voltmetru numeric cu comparație cu aproximații succesive (Fig. 16), caracterizat printr-o precizie ridicată, fiind unul din tipurile cele mai răspândite.

Fig. 16. loc schema voltmetrului numeric cu comparație cu aproximare succesivă

La intrarea comparatorului se aplică tensiunea de măsurat și o tensiune de referință variabilă, care se obține ca tensiune de ieșire a unui convertor numeric – analogic. Ea este comandată de un bloc logic de control, care sesizează indicațiile comparatorului și urmărește egalizarea celor două tensiuni de la intrarea comparatorului. Această egalizare se face prin aproximații succesive, adică prin varierea în trepte a tensiunii de referință, începând cu rangul cel mai semnificativ al CNA și continuând cu rangurile imediat inferioare.

Caracteristicile voltmetrelor numerice.

Precizia – nu poate fi caracterizată printr-un singur indice de clasă, similar cu cel de la voltmetrele analogice. Unele erori sunt independente de valoarea măsurată, iar altele depind de aceasta. Se introduce un indice global de caracterizare a erorii:

unde: ed [%] – eroarea constantă maximă raportată la limita superioară a domeniului de măsurare,

ex [%] este eroarea raportată la valoarea măsurată,

DSMin – digit de semnificație minimă (engl. LSB – Least Significant Bit) este cea mai mică variație a mărimii analogice de intrare, care produce la mărimea numerică de ieșire o variație de un bit. El desemnează eroarea de cuantificare.

Sensibilitatea voltmetrului pe o anumită scară este egală cu jumătate din valoarea rezoluției și reprezintă limita de incertitudine asupra valorii adevărate a mărimii măsurate, aparatul fiind insensibil la variațiile în interiorul acestei limite.

Viteza de măsurare – este raportul dintre numărul de ordine numerice m afișate și timpul de măsurare sau de decizie (Td):

Viteza de măsurare este limitată superior de viteza de comutație a elementelor schemei și inferior de viteza de variație a mărimii măsurate.

Rejecția zgomotului serie (de mod normal – engl. NMR – Normal Mode Rejection). Aceste zgomote sunt reprezentate de semnalele parazite, care apar în serie cu semnalul de măsurat. De obicei, ele provin din brumul de rețea, dar pot fi și de altă natură, având o frecvență oarecare. Metodele de rejecție sunt în funcție de tipul de conversie adoptată, e.g. mediere prin integrare la VN cu integrare, și dacă intervalul de integrare este multiplu al perioadei tensiunii de rețea, brumul se atenuează complet. Atenuarea zgomotelor de alte frecvențe se exprimă în dB față de nivelul corespunzător al unei tensiuni continue egală cu amplitudinea zgomotului.

Rejecția zgomotului de mod comun (- engl. CMR – Common Mode Rejection). Acest tip de zgomot este dat de semnalele parazite, care apar între ambele borne de intrare și masa și se manifestă în cazul măsurărilor flotante – când nici una din bornele de intrare nu este pusă la masă (e.g. ieșirile unui etaj diferențial, ieșirile unei punți).

Numărul de domenii – asigura măsurări de la mV la sute de V.

Rezoluția, dată de numărul de digiți ai afișajului.

Tipul de afișaj – elemente cu LED – uri, cristale lichide.

Impedanța de intrare – de ordinul 106…109 W.

Gradul de automatizare:

schimbarea automată a scării;

recalibrarea automată;

indicarea depășirii de domeniu.

Stabilitatea – se referă la variația etalonării în funcție de temperatură.

Ca rezumat succint al breviarului valorile de vârf, medie, medie absolută (redresare monoalternanță – RMA și dublă alternanță – RDA) și efectivă, pentru semnalele periodice uzuale de o amplitudine A, sunt prezentate în Tabelul 1.

Definim următorii coeficienți:

• coeficientul de formă (numit și factor de formă FF) kF = U ef / Uma

• coeficientul de vârf (numit și factor de creastă FC): kV = UV /Uef.

Valorile acestora pentru semnalele simetrice de forme frecvent folosite se pot calcula pe baza tabelului 1 și sunt date în tabelul 2. Acest tabel permite determinarea unei valori pe baza oricărei alte valori, dar pot fi folosite exclusiv când cunoaștem exact forma de undă!

Mersul lucrării:

I. Măsurarea tensiunii efective pentru semnal sinusoidal. Cu generatorul de semnal generăm o tensiune sinusoidală cu amplitudinea U (dictate de cadrul didactic) și f = 1kHz. Amplitudinea semnalului se reglează de la generator, și se aplică canalului 1 (CH1) al osciloscopului cu un coeficient de deflexie pe verticală, Cy ales arbitrar cu scopul maximizării dimensiunii verticale a semnalului. Coeficientul de deflexie pe orizontală se alege de ex. Cx=500µs/div.

Determinăm câte diviziuni Ny ocupă amplitudinea semnalului.

Măsurăm semnalul cu ajutorul milivoltmetrului analogic de curent alternativ (Uva).

Măsurăm tensiunea efectivă (în volți) a semnalului cu ajutorul multimetrului digital (Umd), setat pe modul voltmetru (butonul ACV).

Măsurăm cu osciloscopul tensiunea efectivă (Uc.rms) și valoarea vârf-vârf (Upk-pk). Selectarea meniului se asigură prin butoanele: MEASURE SOURCE=CH1 TYPE=Cyc RMS respectiv Pk-Pk.

Determinăm relația între amplitudine și valoarea vârf-vîrf.

Calculăm tensiunea efectivă pentru semnalul dat (Uef.calc) pe baza valorii amplitudinii setate inițial U.

Calculăm erorile relative ale indicației tensiunii efective pentru valorile măsurate cu cele trei mijloace de măsură utilizate în raport cu valoarea calculată (Uef.calc):

ε =(|Umăs – Uef.calc| / Uef.calc ) •100%

II. Măsurarea tensiunii efective pentru semnale triunghiular și dreptunghiular. Repetăm măsurătorile și calculele de la pct. 1 pentru un semnal triunghiular simetric cu amplitudinea Utr precum și pentru un semnal dreptunghiular cu amplitudinea Udr (cu factorul de umplere η=50% și f =1kHz). Calculăm valoarea efectivă în funcție de amplitudine și datele tabelului I,II. Analizăm și concludem la care aparate erorile sînt mai mari față de cele pentru semnal sinusoidal.

III. Măsurarea nivelului tensiunii efective (în dB). Generăm cu generatorul un semnal sinusoidal, cu amplitudinea U și f = 1kHz. Stabilim coeficientul de deflexie la valoarea la care semnalul ocupă cât mai mult din ecran și se reglează amplitudinea de la generator până la valoarea cerută. Măsurăm nivelul semnalului în dB și în dBm, folosind milivoltmetrul analogic (Uva [dB], și Uva [dBm]) și multimetrul digital (Umd [dB] și Umd [dBm]).

Notă: În cazul multimetrului digital, afisajul secundar în dBm se activează în modul ACV cu tasta SHIFT dBm:

pentru măsurarea valorilor în decibeli (dB) se va selecta rezistența de referință de 1kΩ, iar pentru cea a valorilor în dBm se va selecta rezistența de 600Ω.

Modificarea valorilor rezistențelor: SHIFT SET →Ω →valoare 600Ω, 1kΩ,cu săgețile → SET.

Citto! Indiferent de valoarea selectată, sub afisaj apare aceeași indicație luminoasă „dBm”. Prin urmare, doar verificând rezistența de referință putem ști ce valoare indică aparatul. Observăm deci avantajul aparatului analogic, pentru care se desenează ușor câte o scară pentru fiecare indicație dorită!

Calculăm valoarea teoretică pentru tensiunea efectivă în V, pe baza amplitudinii specificate, apoi se transformă în dB, dBm (Ucalc[dB], Ucalc[dBm]).

Notă: se ține cont de tensiunea de referință pentru fiecare nivel în parte.

IV. Măsurarea unui semnal sinusoidal redresat monoalternanță

Se realizează pe machetă redresorul monoalternanță din fig. 17 de mai jos. Rezistența nu face parte din redresor, ea este o rezistență de sarcină (în acest fel, circuitul nu funcționează în gol, care ar fi o situatie ne-întâlnită în practică).

Fig. 17 Schema redresorului monoalternanță;

Se generează cu generatorul de semnal o tensiune sinusoidală având amplitudinea de 5V, frecvența 1kHz, fără componentă continuă, care se aplică la intrarea redresorului. Se verifică CH1/2 Menu -> Coupling->DC, pentru ambele canale.

Se vizualizează simultan semnalul de la intrarea circuitului pe CH1 și de la ieșirea circuitului pe CH2 folosind osciloscopul cu ambii coeficienți de deflexie pe verticală Cy=5V/div. Se memorizează cele 2 semnale trecându-le ulterior pe același grafic. Se măsoară componenta continuă a semnalului de ieșire (Uo ) cu voltmetrul de curent continuu din multimetrul numeric (tasta DCV) (Uccmono).

Citto. Dioda reală va introduce o cădere de tensiune de aproximativ 0.6V, ceea ce face ca semnalul obținut pe ecran să difere puțin de semnalul redresat monoalternanță ideal.

-Se calculează teoretic componenta continuă a semnalului (Utccmono).

V. Măsurători pentru detectorul de vârf serie/derivație

Un circuit detector de vârf are rolul de a permite măsurarea valorii de vârf a tensiunii aplicate la intrare.

a) Se aplică la intrarea circuitului din figura a un semnal sinusoidal de amplitudine (valoare de vârf) 5V și frecvență 10kHz, fără componentă continuă.

Fig.18 a: detector de vârf serie Fig.18 b: detector de vârf derivație

Să se vizualizeze simultan pe cele 2 canale ale osciloscopului (ambele Cy = 5V/div) tensiunile Ui și Uo de la intrarea și ieșirea circuitului. Se verifică că cele 2 nivele de zero să fie la centrul ecranului. În acest fel, se pot compara ușor componentele continue ale celor 2 semnale. CX se va seta astfel ca să se observe 2-3 perioade pe ecran.

Se conectează la ieșire (Uo) multimetrul numeric setat pe modul de voltmetru de curent continuu (butonul DCV). Vedeți ce valoare măsoară voltmetrul. Comparați cu valoarea de vârf a tensiunii de la intrare. Notați diferența și concludeți de ce circuitul se numește detector de vârf.

Indicație: se va ține, în continuare, cont de căderea de tensiune de pe diodă.

Verificați funcționarea detectorului de vârf serie în prezența unei componente continue: se adaugă de la generator, o componentă continuă (OFFSET) de 2V peste semnalul alternativ de amplitudine 5V (nemodificată). Observați valoarea indicate de voltmetrul de c.c. și modificarea imaginii.

Repetați observațiile și măsurătorile de la punctul a) pe circuitul din fig. 3b (detector de vârf paralel). folosind același semnal ca la pct. a), amplitudine 5V, componentă continuă nulă. Pe baza imaginii de la ieșire, de ce circuitul paralel se numește atât detector de vârf, cât și „circuit de axare” (în cazul nostru pe axa Ox). Indicație: circuitul paralel produce la ieșire un semnal variabil (semnalul de intrare axat), în timp ce circuitul serie produce un semnal continuu; evident, cele 2 semnale sunt total diferite, dar măsurarea lor cu un voltmetru de c.c., care efectuează media semnalului măsurat, permite obținerea efectului observat, și justifică faptul că amândouă circuitele se numesc detector de vârf.

Lucrarea nr. 5

EXTINDEREA INTERVALELOR DE MĂSURARE A VOLTMETRULUI.

PROTECȚIA DE SUPRASARCINI

Obiective:

Familiarizarea cu metode de extindere a intervalului de măsurare la curent continuu și curent alternativ.

Dezvoltarea abilităților de citire și asamblare a circuitelor electronice.

Familiarizarea cu multimetru în regim de măsurare a capacităților sau cu RLC-metru.

Instrumentar necesar: Multimetru digital, sursa de curent continuu, sursa de curent alternativ sau generator de semnale sinusoidale periodice, rezistențe, condensatoare.

Breviar.

Pentru măsurarea curenților și tensiunilor până la valori 10-6 – 10-4 se folosesc galvanometrele de c.c. Valori mai mari se măsoară cu ampermetre și voltmetre, care acoperă gama de valori până la curenți de ordinul 50-100A și tensiuni de 600-750V. Pentru valori mai mari decât acestea, se utilizează ampermetre asociate cu șunturi, respectiv voltmetre asociate cu rezistențe adiționale, divizoare de tensiune etc. Aceste aparate sunt utilizate numai în c.c.

Șuntul (vezi în Fig. 1) este un rezistor de valoare mică, care are rolul de a prelua o parte din curentul de măsurat. El se folosește atunci, când valoarea maximă a curentului de măsurat depășește intervalul de măsurare al următorului element din lanțul de măsurare. In fig. dată se prezintă un dispozitiv magnetoelectric cu șunt simplu. În general șuntul are rezistență mică și se confecționează cu patru borne. Bornele notate cu a sunt borne de curent, iar cele notate cu b sunt borne de tensiune. În

Fig. 1

acest fel rezistențele de contact ce apar la întroducerea șuntului în circuitul de curent (rezistențele legăturilor la bornele a) sunt scoase în afara circuitului de măsură. Rezistențele de contact de la borna b sunt în serie cu rezistența Ra a cărei valoare este de obicei mult mai mare decât rs și deci valoarea rezistenței de contact la aceste borne poate fi neglijată.

Scriind căderile de tensiune pe cele doua rezistențe se obține: Ia×Ra = Is×rs = (I-IA) ×Rs (1)

Pe seama relației date se poate calcula raportul de șuntare: (2)

în cele mai multe cazuri, datele de proiectare a șuntului sunt n si Ra. Din ultima relație se poate calcula valoarea șuntului: (3)

In practica șuntul este caracterizat de valoarea nominală a curentului admis și de căderea de tensiune pe șunt la valoarea nominală a curentului. Cele mai multe șunturi se construiesc în așa fel încât la curentul nominal să se realizeze o cădere de tensiune de 75 mV. Plaja în care se găsesc valorile nominale ale șunturilor este de la miliamperi la sute, chiar mii de amperi. Chiar dacă rs << Ra, curentul mare, care trece prin șunt determină o valoare mare a puterii disipate și prin urmare o încălzire a șuntului. Pentru a micșora influența temperaturii asupra rezistenței șuntului, șuntul se construiește din material, ce au un coeficient de variație cu temperatura a rezistivității mic, cum este manganinul. De cele mai multe ori rezistorul Ra este confecționat din cupru și are o valoare a rezistenței, care depinde de temperatură. Dependența de temperatură a raportului de șuntare se exprimă prin relația:

(4)

unde: – rS0, Ra0 sunt valorile rezistențelor la temperatura de referință (20°C);

– α, β sunt coeficienții de variație cu temperatura a lui rs și Ra;

– θ1, θ2 sunt temperaturile de echilibru ale șuntului și rezistorului Ra.

Daca rs este confecționat din manganin, atunci α este neglijabil și rezultă o expresie mai simplă pentru eroarea relativă procentuală raportului de șuntare cauzați de temperatură:

(5)

De exemplu, dacă rezistorul este confecționat din cupru (β=4×10-3) și se încălzește cu 10°C peste temperatura de referință, eroarea relativă a raportului de șuntare este de 4%, eroare care nu poate fi neglijată. Reducerea dependenței de temperatură a raportului de șuntare se realizează prin înserierea la rezistența Ra a unei rezistențe R1 din manganină, practic independentă de temperatură (vezi fig. 2 alăturată).

Fig. 2

Eroarea relativă a raportului de șuntare față de temperatura de referință devine:

(6)

Cu cât R1 este mai mare, cu atât eroarea relativă este mai mică. Dezavantajul compensării este acela, că conduce la creșterea valorii șuntului și concomitent a puterii disipate.

(7)

In practică, la ampermetrele magnetoelectrice în serie cu bobina din cupru a dispozitivului se conectează un termistor NTC și un rezistor din manganin. Nu se renunță întru totul la rezistența invariabilă cu temperatura, deoarece rezistența termistorului degradează în timp.

Circuite pentru extinderea domeniului de măsurare. Un aparat de măsurare se caracterizează din punct de vedere al utilizării sale în circuit prin curentul maxim admisibil sau curentul nominal In și prin valoarea rezistenței sale interne ri. Pe baza acestor date rezultă tensiunea nominală la bornele aparatului:

Un = ri In . (8)

Aparatele cu rezistență internă mică (ohmi, zeci de ohmi) se utilizează ca ampermetre și se introduc în serie în circuitul în care se măsoară curentul. Aparatele cu rezistență internă mare (mii de ohmi) se utilizează ca voltmetre și se conectează în paralel la bornele la care se măsoară tensiunea. Astfel, dacă curentul de măsurat depășește valoarea In sau tensiunea de măsurat depășește valoarea Un , se pune problema extinderii posibilităților de măsurare ale aparatului utilizat ca ampermetru sau ca voltmetru.

Extinderea domeniului de măsurare al voltmetrelor. Extinderea domeniului de măsurare al voltmetrelor se realizează prin conectarea în serie cu aparatul a unor rezistențe adiționale, care preiau o parte din tensiunea necesară a fi măsurată.

In , ir Ra

Rezistența adițională este o rezistență de valoare mare, care se montează în serie cu mijlocul de măsură, și pe care cade o parte din tensiunea de măsurat.

Fig. 3 Schema voltmetrului cu domeniu de măsurare extins.

U

Observăm, că atât prin instrumentul de măsurat, cât și prin rezistența adițională, trece același curent. Dacă U este tensiunea de măsurat, aplicând legea lui Ohm în acest ochi de rețea obținem relația:

U = Ri In + Ra In . (9)

Luând în considerare faptul, că Ua = RiIn și notând cu n =U/Un, obținem din raportul celor două formule de mai sus relația de calcul a rezistenței adiționale: Ra = Ri (n − 1) . (10)

În cazul unui voltmetru cu mai multe scări, din considerente analoage, rezultă valoarea rezistenței adiționale Rk pentru măsurarea tensiunii Uk = nkUa:

Rk = Ri(n-1) . (11)

Rezistenta in ohmi pe volt. Aparatele utilizate ca voltmetre sunt caracterizate adesea prin rezistenta necesara pentru a extinde domeniul de măsurare cu un volt, cunoscuta sub denumirea de "rezistenta in Ω/V. Dacă considerăm U=1V o să obținem relația R(Ω/V)= 1/Ia. Astfel, rezultă, că rezistența în Ohmi/Volt ce caracterizează un aparat este inversul curentului său nominal. Rezistența adițională pentru un anumit domeniu de măsurare se va obține înmulțind rezistența în Ohmi/Volt cu tensiunea corespunzătoare intervalului respectiv, sau Rk = U /Ia.

Având în vedere, că voltmetrele trebuie să îndeplinească condiția rv > R, cu cât voltmetrul are rezistența în Ohmi/Volt mai mare, cu atât el este mai bun.

Circuite pentru extinderea sau comprimarea scării de măsurare. În figura de mai jos se prezintă schema unui voltmetru de curent alternativ format dintr-un instrument de măsurare în curent continuu, o punte cu elemente redresoare și o diodă Zener, a cărei caracteristică se dă în figura b. Pentru tensiuni redresate mai mici decât Uz (tensiunea de străpungere a diodei Zener) instrumentul nu indică nimic, căci dioda Zener este practic blocată. Pentru valori Uo ≥ U z , dioda se deblochează și începe să indice, scara fiind liniară:

Ii = k(Uo − Ux ).

Fig. 4

Dacă se alege Uz = 0,9Uo max , unde Uo max reprezintă valoarea maximă a tensiunii de măsurat, valorile cuprinse între 0,9Uomax și Uomax vor putea fi citite pe întreaga scară a aparatului.

Pentru comprimarea scării aparatului se poate folosi schema din fig. 5, în care Diodele D1, D2, …Dn conduc succesiv pe măsură ce crește tensiunea continuă Ui, de la intrare. Prin intrarea în regim de conducție, fiecare diodă absoarbe o parte din curentul aparatului, determinând ca indicația sa să nu crească proporțional cu tensiunea de intrare. Se poate realiza astfel o scară logaritmică reprezentată în figura următoare

Ue

Fig. 5 Ui

Circuite pentru protecția aparatelor la suprasarcină. În fig. 6a de mai jos se reprezintă schema de protecție a unui voltmetru de curent continuu. Dioda Zener, conectată în paralel cu aparatul, are o tensiune de străpungere egală cu tensiunea maximă pe care o poate suporta aparatul. Când această valoare este depășită, dioda se deschide, devine conductoare și, astfel, scurtcircuitează aparatul protejându-l de la suprasarcina. Rezistența R1 inclusa in circuit împiedică scurtcircutarea sursei de tensiune in caz când dioda devine conductoare.

R1 R2 Ii Ri

– a). b).

Fig. 6 Circuite pentru protecția aparatelor la suprasarcini.

În figura 6b se reprezintă schema de protecție a unui ampermetru de curent continuu, realizată cu o diodă cu siliciu. Aceasta începe să conducă în sensul direct, atunci când căderea de tensiune pe aparat depășește valoarea nominală, derivând astfel o parte din curent.

Divizorul de tensiune capacitiv. Divizorul capacitiv este instrumentul cel mai utilizat pentru măsurarea tensiunilor alternative de frecvența industrială. El are avantajul că nu consumă energie activă și se poate utiliza la măsurarea tensiunilor înalte până la milioane de volți. Divizorul este realizat dintr-un șir de condensatoare de capacitați egale, între capetele căruia se aplică tensiunea înaltă. Circuitul de măsură este conectat pe ultimul condensator, care are una din borne la masă.

Divizorul capacitiv are schema indicată în fig. 7 de mai jos, fiind format dintr-un condensator de capacitate mică C1 în serie cu unul de capacitate mare C2 și este utilizat pe scară largă la măsurarea supratensiunilor interne. Coeficientul de divizare depinde de impedanța de sarcină și a aparatului de înregistrare și de frecvența fenomenului de înregistrare conform relației:

η(j,ω)= (12)

Comportarea divizorului poate fi de asemenea apreciată după răspunsul la impuls (treapta, unitate), care este dat de relația:

η(t)= (13) , unde τ2=ZiC2 (14)

Ecuațiile de funcționare ale schemei sunt:

(15)

(16)

unde R=R1+R2. Rezistența R1 este egală cu impedanța cablului de măsurare prin care se trimite semnalul de la divizor la osciloscop și are valoarea de 50-70 Ω, iar R2 este rezistența de intrare în osciloscop, cu valoarea de circa 1MΩ.

Răspunsul divizorului la excitația treptată de tensiune u1=U rezultă

(17)

Fig. 7

Fig. 7 Schema electrică a divizorului de tensiune capacitiv

iar caracteristica de frecvență în amplitudine (18)

τ=R(C1+C2) (19)

Pe legătura între elementul de joasă tensiune al divizorului și cablul de legătură se intercalează o rezistență R neinductivă egală cu impedanța caracteristică a cablului cu scopul de a evita reflexiile succesive la capetele acestuia.

După cum rezultă din relațiile 17 și 19 un divizor capacitiv, al cărui braț de joasă tensiune se închide cu o rezistența, nu poate fi folosit pentru tensiuni continue, dar poate fi folosit cu succes la măsurarea tensiunilor alternative până la frecvențe ridicate, de exemplu 1MHz. Pentru frecvențe mai mari (de ordinul 10-100 MHz ) se folosesc divizoare de tensiune înglobate în structuri coaxiale, încât inductivitatea conexiunilor să fie practic nulă. Utilizându-se ca dielectric gaz sub presiune, se realizează astfel de divizoare până la 30 kV.

La măsurările care se efectuează în telecomunicații ca element de înaltă tensiune al divizorului capacitiv se utilizează condensatoare de cuplaj pentru telefonia de înaltă frecvență, a căror capacitate este de 2000-6000 pF

Necesar de ținut minte:

Radițional / RV = (n-1)

Rșunt / RA = 1 / (n-1)

Mersul experimentului.

Divizorul de tensiune rezistiv. Curent Continuu.

Alegeți două rezistențe, astfel încât una să fie de aproximativ 50 … 200 ori mai mare ca cealaltă.

Măsurați valorile reale ale rezistențelor cu ajutorul multimetrului.

Asamblați circuitul din fig. 8 jos pe baza unei plăci BreadBoard, astfel încât R1 > R2.

Fig. 8

Setați tensiunea de la sursa de alimentare în domeniul 1 – 10 V.

Măsurați valoarea tensiunii de la sursa de tensiune și valoarea căderii de tensiune pe rezistorul R2.

Întrerupeți circuitul și măsurați valoarea curentului.

Repetați punctele 5) și 6) pentru mai multe valori de tensiune de la sursa de alimentare.

Completați tabelul de mai jos:

Determinați coeficientul de divizare al divizorului de tensiune, după formula:

(20)

Calculați care ar trebui să fie valoarea tensiunii de ieșire a divizorului de tensiune pentru fiecare valoare de tensiune de la sursa de alimentare.

Determinați erorile absolute și relative ale tensiunii de ieșire și a coeficientului divizare.

Divizorul de tensiune capacitive pentru c.a.

Alegeți două capacități.

Măsurați valorile reale ale capacităților cu ajutorul multimetrului sau al RLC metrului.

Asamblați circuitul din fig. 9 pe baza unei plăci BreadBoard, astfel încât C1 ≤ C2.

Fig. 9

Comutați generatorul în regim de generare a semnalului sinusoidal. Setați frecvența semnalului generat să fie egală cu 50 Hz, tensiunea de Offset să fie egală cu 0 V.

Setați valoarea tensiunii vârf – vârf a semnalului de la generator în domeniul 1 – 10 V.

Măsurați valoarea tensiunii alternative de la generator și valoarea tensiunii de la ieșirea divizorului de tensiune capacitiv.

Întrerupeți circuitul și măsurați valoarea curentului alternativ prin divizor.

Repetați punctele 5), 6) și 7) pentru mai multe valori de tensiune de la generator.

Completați tabelul de mai jos:

Determinați coeficientul de divizare al divizorului de tensiune, după formula:

(21)

Calculați care ar trebui să fie valoarea tensiunii de ieșire a divizorului de tensiune pentru fiecare valoare de tensiune de la generator.

Determinați erorile absolute și relative ale tensiunii de ieșire și a coeficientului de divizare.

Lucrarea nr. 6

METODE, INSTRUMENTAR DE STUDIU PENTRU CIRCUITE BASCULANTE ASTABILE

Obiective:

Familiarizarea cu osciloscopul digital.

Citirea și asamblarea circuitelor electronice de complexitate medie.

Studierea circuitelor basculante pe pilda multivibratorului astabil.

Măsurarea parametrilor circuitului basculant astabil.

Instrumentar necesar: Osciloscop digital, multimetru digital, generator de frecvențe, sursa de curent continuu (1…10 V), rezistențe (Ohmi-kOhmi), capacități (50-100 μF), tranzistoare (de același tip), Diode LED (pot fi omise).

Breviar.

Circuit basculant astabil. Așa cum îi spune numele, astfel de circuit basculează, deci își modifică starea fără a avea nevoie de impulsuri de comandă din exterior. Este astabil și pentru că nu are o stare fixă, în care să se stabilizeze, oscilând între o stare și alta (închis/deschis).

Fig. 1

Privind circuitul electronic de mai sus observăm, că acesta e compus din două ramuri simetrice. Prima ramură compusă din: R1, R2, LED1, C1, T1, iar a doua din: R3, R4, C2, LED2, T2 (Led-urile sunt incluse pentru a vizualiza (semnaliza) expres deschiderea sau închiderea ramurii respective, dar și pentru protejarea tranzistoarelor la conectarea greșită. În experimentul de laborator ledurile pot fi omise). Acest circuit este alimentat cu o sursă de tensiune continuă Valim, cu valori între 5V și 9V și putem spune că are două ieșiri, prin LED1 și LED2. Funcționarea acestui circuit are la bază imperfecțiunea celor două tranzistoare. Deși au aceeași denumire și caracteristici de catalog, în procesul de fabricare nu se realizează fizic două tranzistoare perfect identice la parametri tehnici. Aceasta nu înseamnă, că ar fi defecte, deoarece valorile acestor caracteristici se încadrează între niște valori maxime și minime admise de producător și control al calității. Doar că și cea mai mică diferență dintre cele două tranzistoare conduce la pornirea basculării circuitului (unul se va deschide mai repede decât celălalt).

În continuare vom descrie modul în care basculează multivibratorul.

În primă fază, condensatorul C1 este încărcat de la sursa de alimentare cu polaritatea corespunzătoare din schemă. T1 este deschis și astfel conectează terminalul pozitiv al C1 la masă, iar LED1 este aprins. De cealaltă parte, terminalul negativ al C1 este conectat la baza T2 aplicând în baza acestuia o tensiune negativă de -9V și menținând T2 închis ferm. Pe măsură ce C1 începe să se încarce încet, prin rezistorul R2 (cu valoare mare), potențialul terminalului negativ conectat la baza T2 începe să crească de la -9V spre +9V. Simultan cu acest proces, condensatorul C2, anterior descărcat, se va încărca rapid prin rezistorul R4 (cu valoare mica) și joncțiunea bază-emitor a T1 va fi polarizată direct (din cauză că R4 < R2 → C2 se va încărca mai repede decât C1). Astfel C2 se va încârca complet și va fi pregătit pentru următorul ciclu, când se va comporta ca un condensator de temporizare. T1 este saturat puternic în prima fază datorită curentului de încărcare forțată al C2 adâugat curentului ce trece prin R3. În final, după ce C2 se încarcă complet, doar R3 va mai asigura curentul de bază. Valoarea acestuia este suficient de mică pentru a menține în saturație T1, după ce C2 se încarcă complet.

Când tensiunea din terminalul negativ al C1 (din baza lui T2) ajunge la o valoare pozitivă de 0,7V, joncțiunea bază-emitor al T2 începe să conducă o parte din curentul, ce trece prin R3. T2 se deschide complet printr-un proces de tip “avalanșă” descris astfel: tensiunea din colectorul T2 începe să scadă, ceea ce afectează încârcarea C2 și implicit polarizarea bazei T1 care nu va mai conduce. Tensiunea de colector al T1 începe să crească, ce conduce la încărcarea C1 (ce înainte era descărcat) și la polarizarea pozitivă a bazei T2. Astfel T2 se va deschide și mai mult. Datorită efectului de avalanșă se ajunge în final la situația în care T1 nu va mai conduce (LED1 este stins) și va fi blocat total, iar T2 va conduce (LED2 este aprins) și va fi deschis total. Polarizarea pozitivă a bazei T2 menține tensiunea terminalului negativ al C1 la 0,7V și nu permite încărcarea acestuia la +9V.

În cea de-a doua fază, C2 este încârcat complet de la +9V. T2 este deschis iar LED2 este aprins și conectează la masă terminalul pozitiv al C2. Terminalul negativ este încărcat cu -9V și fiind conectat la baza T1, î-l menține pe acesta închis ferm (LED1 este stins). C2 începe să se descarce prin rezistorul de valoare mare R3, astfel încât tensiunea din terminalul negativ (conectat în baza T1) începe să crească de la -9V la +9V. Simultan, C1, care înainte era descărcat sau încărcat până la valoarea de 0,7V, se încarcă rapid prin rezistorul de valoare mică R1 din colectorul T2 a cărei joncțiune bază-emitor va fi polarizată direct (din cauză că R1 < R3, C1 se sa încărca mai repede decât C2). Astfel C1 se încarcă complet și va fi pregătit pentru următorul ciclu. În continuare se repetă consecutivitatea fenomenelor descrise anterior și acest comportament se repetă până la deschidere întrerupătorului Int.

Util pentru reținere:

– pornirea basculării circuitului se bazează pe imperfecțiunile constructive tehnologice si electrice ale celor două tranzistoare, astfel, unul se va deschide mai repede decât celălalt.

– rezistoarele R1 și R4 (cu valori mici) au rolul de a reduce curentul de polarizare a Ledurilor și de asigurarea încărcării rapide a condensatoarelor C1, C2.

– rezistoarele R2 și R3 (cu valori mari) au rolul de a proteja joncțiunea bază-emitor a T1, T2 împotriva curenților mari și asigurare a descărcării condensatoarelor C1, C2.

– Led-urile au rolul de protecție a T1, T2 împotriva alimentării greșite a circuitului dar și a semnalizării deschiderii tranzistoarelor.

– condensatoarele pot fi considerate niște baterii, care se încarcă și se descarcă rapid și care au rolul de a deschide și închide tranzistoarelor.

– tranzistoarele au rolul unor întrerupătoare, care se închid și se deschid prin comanda din baza tranzistoarelor declanșata de încărcarea și descărcarea condensatoarelor.

Acest circuit poate fi studiat ca un generator de impulsuri dreptunghiulare. Practic, timpul cât un LED este aprins și celălalt stins, poate fi măsurat cu un osciloscop și reprezintă o perioadă a semnalului generat. Acest timp de deschidere/închidere a tranzistorului e determinat de timpul de încârcare/descărcare a condensatorului corespunzător bazei acestuia. Timpul de încărcare/descărcare a condensatorului depinde de capacitatea acestuia, dar și de valoarea rezistorului cuplat la terminalul pozitiv. Acest timp determinat de cele două componente se mai numește constanta de timp τ = RC. Deci, pentru tranzistorul T1 vom avea constanta de timp τ = R4C2, iar pentru tranzistorul T2 vom avea constanta de timp τ = R1C1. În schema descrisă valorile rezistoarelor și condensatoarelor sunt identice, astfel constantele de timp sunt egale și LED1 va sta aprins tot atâta timp cât va sta și LED2. Modificarea valorilor C1, C2, sau R1, R2 modifica implicit și constantele respective de timp.

Studierea multivibratorului și măsurarea parametrilor.

Alegeți doi tranzistori de tip n-p-n de același model (dacă este posibil și 2 diode Leduri).

Cu ajutorul Multimetrului găsiți care dintre cele trei contacte este Baza tranzistorului.

Găsiți datasheet-ul tranzistorilor selectați și determinați care este Colectorul și Emitorul tranzistoarelor.

Selectați două capacități egale aproximativ cu 50-100 μF.

Asamblați circuitul de mai jos pe baza unei plăci BreadBoard, astfel încât rezistențele să fie de ordinul kOhmilor și R1 = R4, R2 = R3 și R1 < R2.

Fig. 2

Calculați valoarea frecvenței generate de către multivibrator, conform relației:

Aplicați o tensiune de alimentare de la sursa de alimentară, de aproximativ 5 – 10 V.

Conectați Osciloscopul și vedeți pe rând semnalele de la Bazele și Colectoarele tranzistorilor din componența multivibratorului.

Fotografiați sau desenați semnalele generate de către multivibrator.

Conectați ambele probe ale osciloscopului pentru a vedea concomitent semnalele de la Bazele ambelor tranzistori. Apoi de la ambele Colectoare. Observați evoluția concomitentă a semnalelor.

Memorați pe memorie externă, fotografiați, sau desenați semnalele observate.

Măsurați parametrii de tensiune și de timp ale semnalelor generate de către multivibrator.

Completați tabelul de mai jos:

Determinați eroarea absolută și eroarea relativă de măsurare a frecvenței semnalului.

Determinarea erorilor de frecvență și de tensiune ale generatoarelor de laborator.

Conectați ieșirea generatorului de semnale la una din intrările osciloscopului.

Setați generatorul de a genera semnale de tip Meandru cu o amplitudine în domeniul 0,01 – 5 V și o frecvență în domeniul 1Hz – 1 MHz.

Vizualizați semnalul pe ecranul osciloscopului și determinați valoarea perioadei, frecvenței, duratei semnalului cu valori negative și pozitive, tensiunii maxime și minime a semnalului.

Modificați tipul, amplitudinea și frecvența semnalului generat (mV, V, kHz, MHz) și repetați punctele 2) și 3) pentru semnale sinusoidale, dreptunghiulare, triunghiulare in formă de dinți de fierăstrău cu rampă crescătoare și descrescătoare.

Completați tabelul de mai jos:

Determinați erorile absolute și relative de măsurare a frecvenței și amplitudinii semnalului generat de către generator.

Lucrarea nr. 7

INTERPRETAREA SEMNALELOR ELECTRICE

CU OSCILOSCOPUL DIGITAL ÎN REGIM X-Y

Obiective:

Familiarizarea cu osciloscopul digital.

Utilizarea osciloscopului in regim XY.

Sincronizarea interna si externa a osciloscopului.

Determinarea unor parametri ai semnalului

Instrumentar necesar: Osciloscop digital, generator de semnale.

Breviar. Consultați breviarul prezentat anterior și consacrat lucrului osciloscopului catodic.

Partea experimentală

Utilizarea osciloscopului în regim XY.

Setați generatorul de semnale astfel încât să genereze două semnale sinusoidale de aceeași frecvență și amplitudine la ambele ieșiri.

Setați diferența de fază dintre semnale să fie egală cu 0.

Aplicați semnalele generate la ambele intrări ale osciloscopului.

Treceți osciloscopul în regim X-Y și vizualizați figura obținută. Memorați imaginea obținută sau faceți o fotografie pentru raport.

Modificați diferența de fază la 45 și vizualizați forma imaginii. Înregistrați imaginea obținută.

Faceți același lucru pentru 90, 135 și 180.

Modificați frecvența unuia dintre semnale să fie cu 0,01 % mai mare. Observați și comentați ce s-a modificat? Observați imaginile și pentru cazurile în care frecvența unuia dintre semnale este de 2 și 3 ori mai mare ca frecvența celuilalt, pentru 0, 45, 90, 135 și 180.

Sincronizarea internă.

Setați două semnale diferite la ambele ieșiri ale generatorului de semnale, astfel încât tensiunea să fie diferită iar frecvența să difere de 1,1 … 1,9 ori, și aplicați ambele ieșiri la intrările osciloscopului.

Setați tipul sincronizării pe EDGE (front) și modul sincronizării la Auto.

Configurați osciloscopul astfel încât să vizualizați clar cel puțin un semnal pe ecran.

Setați sursa de sincronizare ca fiind semnalul aplicat la prima intrare. Modificați nivelul de Trigger, de la valori foarte mici și până la valori foarte mari, și observați semnalele pe ecran. În ce domeniu semnalele se văd clar pe ecran?

Modificați frontul semnalului (Slope) la care se va declanșa baza de timp și observați semnalele.

Efectuați punctele 3) și 4) și pentru canalul 2.

Modificați modul sincronizării la Normal. Deconectați ieșirea generatorului și observați semnalele.

Porniți generatorul de frecvențe. Modificați modul sincronizării la Single. Modificați careva parametri ai semnalelor generate și observați modificările pe ecran. Folosiți butoanele Force.

Fig. 1

Sincronizarea externă.

Configurați generatorul astfel încât să genereze două semnale de tip impuls și le aplicați la intrările osciloscopului.

Setați frecvența semnalelor să fie de ordinul MHz-lor iar factorul de umplere mai mic de 10 %.

Setați parametrii semnalului generat de canalul doi al generatorului astfel ca defazajul semnalului să fie comparabil cu durata impulsului generat.

Configurați parametrii osciloscopului astfel ca impulsul generat să fie desfășurat pe 3 – 5 diviziuni mari pe orizontala.

Modificați lin defazajul dintre semnalele generate și observați poziția acestora pe ecran.

Mutați semnalul care merge mai înainte de la intrarea osciloscopului la intrarea sursei de sincronizare.

Configurați sursa de sincronizare la Extern.

Configurați lin defazajul de la generator și parametrii osciloscopului astfel încât impulsul să fie vizibil clar pe ecran

Fig. 2

Identificați pe panoul osciloscopului digital butonul ce permite vizualizarea frontalul de creștere a semnalului și tastați-l. Măsurați durata frontului de creștere. Repetați procedura pentru identificarea frontului de descreștere a semnalului. Măsurările le efectuați pentru amplitudinile semnalului de la 0.1 la 0.9 din amplitudinea maximă.

Lucrarea nr. 8

INSTRUMENTE DE MĂSURĂ PENTRU CARACTERIZAREA DIODELOR ZENER ȘI LED

Obiective:

Utilizarea instrumentarului de laborator pentru determinarea caracteristicilor de funcționare ale diferitor tipuri de diode.

Instrumentar necesar: Sursa de curent continuu, Multimetru digital, Osciloscop, Diode Zener, LED-uri de diferite tipuri,

Breviar.

Caracteristica de funcționare a diodei semiconductoare. Dioda semiconductoare este un dispozitiv electronic al cărui simbol electronic este prezentat în Figura 1, împreună cu mărimile electrice de terminal (curent electric și tensiune electrică). Dioda semiconductoare are două terminale, denumite anod și catod, sensul curentului prin diodă fiind prin convenție considerat de la anod spre catod.

Fig. 1. Simbolul electronic și mărimile electrice ale diodei semiconductoare.

Fig. 2. Caracteristica de transfer a diodei semiconductoare.

Din caracteristica de transfer (de funcționare, Figura 2) a diodei se poate deduce modul în care aceasta funcționează. Astfel, dacă se aplică o tensiune pozitivă pe diodă (potențialul electric al anodului este superior potențialului electric al catodului), se spune că aceasta funcționează în conducție directă. Atât timp cât diferența de potențial dintre anod și catod este mai mică decât o anumită valoare de prag notată VD, (în cazul diodelor semiconductoare din Si este de aproximativ 0,6÷0,7 V, iar pentru cele din Ge – 0,2-0,3 V), curentul prin diodă are o valoare foarte mică, care în mod ideal poate fi considerată nulă. Dacă tensiunea pozitivă aplicată la bornele diodei are o valoare apropiată de valoarea tensiunii de prag VD, curentul prin diodă începe să crească exponențial, în funcție de tensiunea aplicată pe terminalele diodei, conform relației de mai jos, care reprezintă ecuația de funcționare a diodei:

Ecuația de funcționare a diodei (1)

unde IS reprezintă curentul de saturație al diodei (IS10-1610-14[A]) egal aproximativ cu curentul, ce trece prin diodă în conducție inversă, VT se numește tensiune termică deoarece valoarea acesteia depinde de temperatura la care lucrează dioda (și are valoarea 25[mV] pentru temperatura T=25o[C]), iar vA și iA sunt tensiunea, respectiv curentul total (curentul continuu plus curentul variabil) prin diodă.

Notă: 1: Funcționarea diodei depinde de temperatura la care aceasta lucrează, (datorită dependenței curentului IA de tensiunea termică VT). La creșterea temperaturii de lucru, curentul prin diodă crește (în special curentul invers prin diodă), iar tensiunea de prag scade (cu aproximativ 2mV/oC).

2: Dioda este un element de circuit NELINIAR → circuitul care conține o diodă semiconductoare devine un CIRCUIT NELINIAR.

După apariția curentului electric prin diodă, așa cum se observă din Figura 2, deși curentul prin diodă crește semnificativ, valoarea tensiunii pe aceasta care rămâne la o valoare aproximativ constantă, în jurul valorii tensiunii de prag VD. Valoarea curentului prin diodă nu trebuie să depășească o anumită valoare maximă, impusă de puterea maximă pe care o poate disipa dioda respectivă, fără a se distruge termic.

Dacă tensiunea aplicată la bornele diodei este negativă (potențialul electric al anodului este inferior potențialului electric al catodului) dar mai mică în modul decât o valoare de prag notată VBR, aceasta funcționează în conducție inversă. În acest caz, valoarea curentului electric prin diodă este foarte mică, aproximativ egală cu valoarea curentului de saturație IS și în mod ideal este considerată ca fiind nulă.

Dacă valoarea tensiunii negative depășește valoarea VBR, numită tensiune de străpungere, dioda semiconductoare se străpunge, iar curentul electric prin ea crește brusc și necontrolat, existând pericolul distrugerii diodei respective. Străpungerea diodei semiconductoare duce la distrugerea acesteia!!!. Din acest motiv, este necesar ca circuitul în care este utilizată dioda semiconductoare să limiteze tensiunea negativă pe aceasta la o valoare mai mică în modul decât valoarea VBR. Fenomenul de străpungere al joncțiunii p-n în polarizare inversă este numit:

efect Zener, dacă valoarea tensiunii inverse de străpungere este mai mică de 5V;

efect de avalanșă, dacă valoarea tensiunii inverse de străpungere este mai mare de 5V;

Modelarea diodei în regim de curent continuu și în regim variabil de semnal mare.

Fig. 3. Aproximarea caracteristicii de (de transfer) funcționare prin 2 segmente.

Modelul dezvoltat se numește modelul LINIAR PE PORȚIUNI al diodei și se bazează pe aproximarea caracteristicii de funcționare a diodei din Fig. 2 prin două segmente de dreaptă (fig. 3).

Acest model se poate aplica numai în cazul în care dioda funcționează în regim de curent continuu (curentul, respectiv tensiunea diodei au valori constante în timp) sau în regim variabil de semnal mare (curentul, respectiv tensiunea diodei au valori care variază în timp, variația fiind mai mare decât o valoare estimativă de 50mV).

Modelul neglijează deliberat regiunea de străpungere a diodei, deoarece acest model nu se utilizează în această regiune.

Modelul are doi parametrii, tensiunea de prag VD și rezistența rD a diodei și este caracterizat de circuitul echivalent din Figura 4a pentru cazul în care dioda funcționează în CONDUCȚIE DIRECTĂ, respectiv cel din Figura 4b, pentru cazul în care dioda funcționează în CONDUCȚIE INVERSĂ

Fig. 4. Circuitele echivalente ale modelului liniar pe porțiuni.

.

Modelarea diodei în regim variabil de semnal mic.

Acest model se poate aplica numai în cazul în care dioda funcționează în regim variabil de semnal mic (curentul, respectiv tensiunea diodei au valori care variază în timp, variația tensiunii pe diodă fiind mai mică decât o valoare estimativă de aproximativ 12,5mV).

Dacă variația mărimilor electrice ale diodei sunt extrem de mici, comportamentul diodei se poate considera ca fiind LINIAR și se bazează pe aproximarea caracteristicii de funcționare a diodei din Figura 2 cu tangenta la aceasta, dusă în PUNCTUL STATIC DE FUNCȚIONARE. Tangenta respectivă reprezintă chiar conductanța diodei, definită conform relației de mai jos:

(2)

unde IA este curentul CONTINUU prin diodă.

Fig. 5. Circuitele echivalente ale modelului în regim variabil de semnal mic.

Modelul depinde de frecvența la care este utilizată dioda. Pentru frecvențe mai mici decât aproximativ 1MHz, modelul este caracterizat de un singur parametru, rd (denumit rezistența de semnal mic a diodei), unde rd se determină ca inversă a conductanței din relația 2:

(3)

iar circuitul echivalent valabil în acest caz este prezentat în Fig. 5a. pentru cazul, în care dioda funcționează în CONDUCȚIE DIRECTĂ, respectiv cel din Fig. 5b, pentru cazul în care dioda funcționează în CONDUCȚIE INVERSĂ.

Pentru frecvențe mai mari decât aproximativ 1MHz, funcționarea diodei este afectată de anumite fenomene dinamice, de natură capacitivă și inductivă, care pot fi modelate prin intermediul unor așa numite CAPACITĂȚI PARAZITE, reunite în parametrul notat cd. Circuitul echivalent valabil în acest caz este prezentat în Figura 5c pentru cazul în care dioda funcționează în CONDUCȚIE DIRECTĂ, respectiv cel din Figura 5d, pentru cazul în care dioda funcționează în CONDUCȚIE INVERSĂ.

Din cele prezentate mai sus, pentru majoritatea aplicațiilor se poate considera că dioda semiconductoare este un dispozitiv electronic care permite trecerea curentului electric într-un singur sens, de la anod spre catod, numai dacă pe aceasta se aplică o tensiune pozitivă de valoare aproximativ egală cu valoarea tensiunii de prag VD.

Dioda semiconductoare este foarte folosită în schemele electronice de amplificatoare, oscilatoare, circuite de detecție și modulație dar și în blocuri de alimentare ca diodă redresoare.

Diodele Schottky se realizează prin contact metal-semiconductor de tip redresor. La contactul metal-semiconductor se formează o barieră de potențial și o regiune de sarcină spațială extinsă numai în semiconductor. Astfel, dioda Schottky funcționează numai cu purtători majoritari, electroni în cazul semiconductorului de tip N și goluri pentru P.

La echilibru termodinamic, curentul prin diodă este nul.

La polarizare directă (UD > 0) bariera de potențial se micșorează și apare un curent prin joncțiune, prin deplasarea electronilor din semiconductor în metal.

ID = Io{(exp (qUp/ ήKT) – 1}, cu ή ~͇ 1 (4)

La polarizare inversă (uD < 0) bariera de potențial crește, iar fluxul de electroni de la semiconductor spre metal scade foarte mult. Nu există curent rezidual.

Proprietăți:

cădere de tensiune directă mai mică (0,4V Schottky, 0,75V diodă de Siliciu) în comparație cu o diodă semiconductoare de tip p-n;

funcționare foarte bună la frecvențe mari și timpi de comutație foarte mici (< 100 ps).

Fig. 6.

Dioda Zener este o diodă de construcție specială, care NU se distruge în cazul în care se străpunge. Mai mult, această diodă este utilizată chiar în regiunea de străpungere.

În circuitele electronice, dioda ZENER este simbolizată ca în Fig.6.

În regiunea de străpungere, așa cum este prezentat, care reprezintă caracteristica de funcționare a diodei Zener (Fig. 7), aceasta menține tensiunea de la terminalele sale la o valoare constantă, în condițiile în care prin ea curentul poate avea valori cuprinse într-un domeniu de valori extins, bine stabilit.

Din fig 6-b remarcăm faptul că, dacă valoarea curentului prin diodă este în intervalul [IZmin, IZmax], tensiunea între catod și anod este aproximativ egală cu tensiunea de străpungere, care pentru această diodă, este notată Vz.

Un astfel de comportament poate fi util pentru construirea unei așa numite referințe de tensiune.

Cu excepția comportamentului nedistructiv în regiunea de străpungere, în rest, dioda Zener se comportă ca o diodă semiconductoare obișnuită. Prin controlul îngrijit al dopării siliciului și al geometriei cristalului diodei, pot fi confectionate diode cu străpungere cu tensiuni de străpungere în domeniul de la mai puțin de 2 V până la peste 200 V. Mărimea cristalului ("chip-ului") și tipul de capsulă folosiți determină disiparea căldurii și prin aceasta puterea de lucru. Valorile tipice de putere sunt între 250 mW și până la peste 50 W.

Mecanismul străpungerii Zener de joasă tensiune apare dintr-un efect tunel, cauzat de un câmp electric intens care smulge electronii din legătura covalentă. Dioda Zener este caracterizată de așa numitul "cot moale", din regiunea de străpungere a caracteristicii, prezentat în Fig. 7. De notat totuși că pentru unele diode cotul este foarte ascuțit sau abrupt. Acest fapt este rezultatul efectului de străpungere în avalanșă care devine predominant în raport cu efectul Zener. Efectul de avalanșă, așa cum arată și numele, implică fenomene de ciocnire. Accelerarea electronilor în diodă, determinată de influiența câmpului electric asigură o energie suficientă ca prin ciocnire să poată rupe și alți electroni din legăturile covalente. Acești electroni liberi pot, la rândul lor, să ciocnească alți electroni și astfel apare o creștere rapidă a curentului invers de străpungere. Punctul de străpungere este în acest caz în general abrupt sau "cot ascuțit.

Figura 7 Caracteristica de funcționare a diodei Zener.

Punctul de străpungere Zener sau al diodei cu străpungere este în general specificat ca IZ la VZ. IZ este un anumit curent, ce trebuie să treacă prin diodă pentru a asigura tensiunea de străpungere specificată, mai mare decât cel cerut pentru a produce o tensiune mai mare decât tensiunea cotului.

Stabilizarea tensiunii. Rolul stabilizatorului de tensiune este de a menține tensiunea la ieșirea sa constantă, în condițiile în care tensiunea de la intrare, sau curentul prin sarcină, sau temperatura de lucru poate varia între anumite limite. Acest circuit este utilizat în sursele de alimentare ale sistemelor electronice.

Fig. 8 Stabilizator de tensiune cu diodă Zener

Elementul principal, care asigură stabilizarea tensiunii la ieșirea stabilizatorului este dioda Zener, care, atunci când funcționează în regiunea de străpungere, menține tensiunea între terminalele sale la o valoare constantă și egală cu tensiunea de străpungere VZ, pentru un domeniu extins de valori [IZMIN÷IZMAX] pe care curentul prin diodă le poate avea.

În Fig. 8 este prezentată schema celui mai simplu stabilizator de tensiune cu diodă Zener. Rezistorul R este rezistorul de polarizare a diodei Zener. Valoarea acestuia trebuie astfel aleasă încât dioda Zener să se mențină permanent în regiunea de străpungere, indiferent de valoarea tensiunii de intrare. Dacă valoarea lui R este corect aleasă, atunci tensiunea de ieșire vo, furnizată sarcinii RL, se menține la o valoare constantă și egală cu tensiunea de străpungere a diodei Zener, deși tensiunea de intrare variază în interiorul domeniului de valori vi € [Vi min÷Vi max] și curentul prin sarcina variază în interiorul domeniului de valori

io € [IoMIN÷IoMAX]:

(5)

Se poate demonstra că, pentru buna funcționare a stabilizatorului, valoarea lui R trebuie să fie aleasă în domeniul de valori:

(6)

unde VZ, IZMIN și IZMAX sunt parametrii diodei alese (luați din catalogul de diode), iar restul valorilor sunt impuse de cerințele de proiectare.

Pentru îmbunătățirea performanțelor stabilizatorului, valoarea lui R se alege cât mai apropiată de valoare maximă a intervalului de valori de mai sus. În cazul în care, după calcularea limitelor intervalului de valori de mai sus, se constată că limita inferioară este mai mare decât limita superioară (numeric este posibil să se ajungă la o asemenea situație), atunci trebuie aleasă o altă diodă Zener, care să aibă un parametru IZ min mai mic și un parametru IZ max mai mare.

În cazul în care valoarea lui R este aleasă după procedura indicată mai sus, formele de undă ale tensiunilor de intrare, respectiv de ieșire vor fi conform Fig. 9.

Stabilizatoarele de tensiune sunt utilizate în sursele de alimentare. Tensiunea de la intrarea stabilizatorului este chiar tensiunea obșinută la ieșirea redresorului (vezi laboratorul – sursa de alimentare cu diode).

Cu excepția comportamentului nedistructiv în regiunea de străpungere, în rest, dioda Zener se comportă ca o diodă semiconductoare obișnuită.

Efecte termice. Toate diodele sunt sensibile cu temperatura Caracteristica de funcționare a diodei Zener se modifică la variația temperaturii de lucru. Parametrul care caracterizează funcționarea diodei Zener în condițiile în care temperatura variază este coeficientul termic al diodei Zener, notat CTVZ. Este de dorit ca acest parametru să fie cât mai mic. În acest caz, funcționarea unei astfel de diode devine independentă de variația temperaturii la care aceasta lucrează.

În conducție directă apare un coeficient de variație negativ cu temperatura. La polarizarea inversă, efectul Zener asigură un coeficient de temperatură negativ. La o tensiune anume, dependentă de tipul diodei, când apare efectul de avalanșă, coeficientul de temperatură trece prin zero, după care la tensiuni mai mari devine pozitiv. Din acest motiv, diodele Zener din regiunea de la 5 la 6 V sunt puțin sensibile cu temperatura și realizează diode stabilizatoare de bună calitate.

Pentru diode cu străpungere în avalanșă de circa 8 V, coeficientul pozitiv de temperatură poate fi compensat într-o oarecare măsură prin plasarea în serie a unei diode polarizate direct. Tensiunea de străpungere va fi cu aproximativ 0,6 V mai mare, ca rezultat al înserierii diodelor, dar nu va mai fi atât de sensibilă cu temperatura.

Fig. 9. Formele de undă pentru tensiunilor de intrare, respectiv de ieșire ale stabilizatorului.

Dioda Zener se poate modela prin intermediul unei surse de tensiune, care generează o tensiune între borne egală cu valoare VZ. ATENȚIE: borna “+” a sursei reprezintă catodul diodei, iar borna “-” reprezintă anodul diodei.

Fig. 10 Circuitul echivalent al diodei Zener în regiunea de străpungere.

LED-ul (abrevierea de la Light Emitting Diode) este un tip de diodă particular, care, în conducție directă, dacă tensiunea care se aplică pe terminalele sale atinge valoarea tensiunii de prag, VD, și în consecință prin aceasta apare un curent electric, luminează. Cu alte cuvinte, LED-ul luminează dacă prin el trece curent electric, intensitatea luminoasă fiind direct proporțională cu valoarea curentului electric.

Fig. 10. Simbolul electronic al LEDului.

În Figura 10 este prezentat simbolul electronic al LEDului, precum și modul în care sunt identificate cele două terminale ale sale, anodul (terminalul mai lung), respectiv catodul (terminalul mai scurt).

LED-urile sunt realizate din joncțiuni GaAs, semiconductor cu banda interzisă de circa 1,6 – 1,7 eV. Ca urmare a recombinărilor directe, se emit cuante de lumină în spectrul vizibil, cu diferite culori, în funcție de lungimea de undă a luminii emise. Diferite lungimi de undă se obțin prin adăugarea de impurități în procesul de dopare. Diodele electroluminiscente funcționează doar la polarizare directă, la curenți de ordinul a 20 mA.

Tabelul 1. Culori și materiale RGB

Se poate observa că tensiunea directă corespunzătoare este mai mare decât cea a diodelor de siliciu.

Fig. 11. Curbe spectrale pentru LED albastru, galben-verzui și roșu

Partea experimentală. Alegerea diodei Zener. Alegerea diodei cu străpungere depinde de tensiunea de ieșire impusă și de valoarea maximă a curentului de sarcină. Când sarcina este deconectată, întreg curentul va trece prin diodă, însumat cu curentul Zener normal IZ. Rezistența serie RS trebuie să preia orice schimbare a tensiunii de intrare și să asigure curentul total IL + IZ

Valoarea sa trebuie să fie: RS = (Vin − VZ ) / (IZ + IL)

Sursă alimentare + mA (0-5mA) R220Ohmi V (0-25V)

_ DZ

Fig. 12 Circuit pentru determinarea caracteristicii de străpungere a diodei Zener

1. Se studiază circuitul din fig. 8. Se observă că dioda cu străpungere este conectată în circuit cu polarizare inversă.

2. Se conectează echipamentele necesare (vezi Fig. 12), folosind mai întâi o diodă cu dublu anod de Cca 6,2 V. Se reglează tensiunea sursei reglabile la valoarea de 0 V.

3. Se conectează sursa și se crește tensiunea până când curentul Zener Iz este de 0,25 mA

4. Se măsoară tensiunea Vz și se notează în Tabelul 2. Ne apropiem de tensiunea Zener.

4. Se reglează tensiunea de alimentare și se completează măsurătorile indicate în Tabelul 1.

5. Se deconectează din circuit dioda de 6,2 V și se conectează aceiasi diodă dar cu polaritatea directă. Se efectuează aceleaăi măsurători. Se construiește graficul I f(U). Se explică rezultatele obținute.

6. Se deconectează dioda cu dublu anod și se înlocuiește cu altă diodă cu tensiunea de stabilizare de cca 8-9V. Se repetă pașii 2 ÷ 4 și se înregistrează valorile în Tabelul 2.

7. Se deconectează din circuit dioda de cca 8 V și se conectează dioda de cca 12 V. Se repetă pașii 2 ÷ 4 și se înregistrează valorile în Tabelul 2. Măsurarea tensiunii în acest caz se efectuează cu osciloscopul.

8. Se construiesc cu ajutorul computerului caracteristicile pentru diodele studiate.

Trebuie să fie o diferență în privința formei cotului din punctul de străpungere pentru diferite diode.

Tabelul 1. Caracteristica inversă a diodelor Zener

Determinarea practică a caracteristicii de funcționare a LEDului.

Fig. 13. Circuitul de polarizare al LEDului.

1. Se verifică dacă sursa de alimentare este deconectată (dacă Led-ul ON de pe panoul frontal al sursei este stins); dacă sursa nu este deconectată, se apasă butonul de conectare de pe panoul frontal (se stinge ledul ON, iar sursa este deconectată);

2. Se setează multimetrul pentru tensiune curent continuu;

3. Se realizează circuitul din Fig. 13, care reprezintă circuitul de polarizare al LED-ului; În acest caz, deoarece pe anodul LED-ului potențialul electric este mai mare decât cel aplicat pe catod, LED-ul este polarizat direct.

În Fig. 13 VALIM reprezintă sursa de tensiune continuă; valoarea tensiunii de alimentare VALIM se reglează la valoarea inițială de 0,5[V].

4. După realizarea montajului electronic se invită cadrul didactic pentru verificarea acestuia.

5. Se cuplează sursa de alimentare la circuit prin apăsarea comutatorului ON de pe panoul frontal al blocului de alimentare.

6. Se conectează voltmetrul digital în circuit, așa cum este sugerat în Fig. 13, astfel încât acesta să măsoare tensiunea pe LED, notată VLed: testerul care este conectat la borna “+” a aparatului se aplică pe anodul LED-ului, iar testerul care este conectat la borna “-” a aparatului se aplică pe catodul LED-ului; în continuare, se citește valoarea de pe ecranul voltmetrului, care apoi se trece în Tabelul 2, în dreptul coloanei care corespunde valorii curente a tensiunii de alimentare VALIM.

7. Se calculează valoarea curentului continuu prin LED cu relația de mai jos, obținută aplicând legea a doua a lui Kirccoff în circuit:

Valoarea calculată pentru curentul prin LED se trece în Tabelul 1, în dreptul coloanei care corespunde valorii curente a tensiunii de alimentare VALIM.

8. Se reglează valoarea tensiunii VALIM la următoarea valoare și se reiau punctele 57 completând tabelul.

9. Se inversează terminalele LED-ului în circuit, caz în care se spune că acesta este polarizat invers. Tensiunea de alimentare VALIM se variază în intervalul 0÷15 V; se constată că în polarizare inversă curentul prin LED este nul și în consecință LED-ul rămâne stins.

10. Se desenează caracteristica de funcționare a LED-ului, în polarizare directă, respectiv inversă.

11. Se deconectează sursa de alimentare de la circuit prin apăsarea butonului OFF de pe panoul surse.

Tabelul 3. Caracteristica de functionare a LED-ului

Se completează Tabelul 3 pentru 2-3 tipuri de Led, ulterior construindu-se graficul caracteristicii de funcționare a LED-ului.

Lucrarea nr. 9

METODE DE STUDIU A CIRCUITELOR DE FORMARE A IMPULSURILOR

Obiectiv:

Circuitele pentru formarea impulsurilor se vor studia în baza limitatoarele de amplitudine cu diode.

Instrumentar, componente electronice: Multimetru, osciloscop, generator, sursă de curent continuu, diode, rezistențe.

Breviar. Circuite pentru formarea impulsurilor.

Metoda formării impulsurilor se bazează pe obținerea unei succesiuni periodice de impulsuri, plecând de la semnale periodice de altă formă, de obicei sinusoidale.

Pentru formarea impulsurilor se utilizează mai multe tipuri de circuite:

¾ circuite de limitare cu limitatoare serie și limitatoare parallel;

¾ circuite de derivare;

¾ circuite de integrare.

Circuitul de limitare – este circuitul care furnizează la ieșire o mărime (tensiune sau curent) proporțională cu mărimea de la intrare în caz, când aceasta se află cuprinsă în anumite limite, numite praguri de limitare.

În cele mai dese cazuri pentru obținerea impulsurilor dreptunghiulare sau trapezoidale se utilizează limitarea oscilațiilor de formă sinusoidală.

Limitarea oscilațiilor sinusoidale se poate face:

cu un prag superior (figura 1 a)

cu un prag inferior (figura 1b)

cu două praguri de limitare (figura 1 c)

Fig1. Oscilații sinusoidale limitate: de la stânga la dreapta a), b), c).

Pentru realizarea limitatoarelor se utilizează componente neliniare de circuit (diode redresoare, diode stabilizatoare, tranzistoare) iar limitarea se realizează prin trecerea acestor componente din funcția stării de blocare în funcția stării de conducție și invers.

Limitatoare cu diode de tip serie se caracterizează cu pragul de limitare = 0 V. În funcție de modul în care se conectează dioda în circuit limitatoarele pot fi cu prag inferior (fig. 2a) când dioda este conectată cu anodul (+) spre sursa de semnal alternativ sau cu prag superior (fig. 2b), când dioda este conectată cu catodul (-) spre sursa de semnal alternativ.

La aplicarea semialternanței pozitive (10V, 50 Hz), dioda D1(e.g. 1N4007GP) intră în conducție și toată tensiunea aplicată la intrare se găsește la ieșire pe rezistența R2 (1 kOhm). La aplicarea semialternanței negative, dioda D1 este blocată și tensiunea de ieșire este 0V. Acest circuit este un limitator de tensiune pozitivă deoarece “taie” partea negativă a tensiunii de intrare.

La aplicarea semialternanței negative, dioda D1 intră în conducție și toată tensiunea aplicată la intrare se găsește la ieșire pe rezistența R2. La aplicarea semialternanței pozitive, dioda D1 este blocată și tensiunea de ieșire este 0V. Acest circuit este un limitator de tensiune negativă deoarece “taie” partea pozitivă a tensiunii de intrare.

cu prag inferior

cu prag superior

Fig. 2 Circuit de limitare tip serie cu prag inferior și superior. R1 = 100 Ohm

Limitatoare cu diode de tip derivație se caracterizează cu pragul de limitare = 0,7 V deoarece dioda este conectată în paralel cu rezistența de sarcină, iar căderea de tensiune pe diodă este egală cu tensiunea de prag a diodei (în acest caz 0,7 V deoarece dioda este din Si). În funcție de modul în care se conectează dioda în circuit, limitatoarele pot fi cu prag inferior (figura 3a), când dioda este conectată cu anodul (+) spre “masa” montajului sau cu prag superior (figura 3b), când dioda este conectată cu catodul (-) spre “masa” montajului. Funcționarea celor două circuite este similară cu funcționarea descrisă mai sus pentru circuite limitatoare de tip serie.

Cu prag inferior

Cu prag superior

Fig. 3 Circuit de limitare tip derivație cu prag inferior și superior

Limitatoare cu referință de tensiune se realizează (Fig. 4a) prin conectarea unei surse de tensiune continuă de 5V (tensiune de referință) în serie cu dioda, nivelul la care este limitată tensiunea de alimentare crește cu valoarea tensiunii de referință. Tensiunea limitată = tensiunea de referință + 0,7 V

Cu prag inferior

Cu prag superior

Fig. 4 Circuit de limitare cu referință de tensiune

Pentru a obține două praguri de limitare se conectează în paralel două circuite de limitare ca în Fig. 4b.

Mersul lucrării. Pentru studierea limitatoarelor de amplitudine asamblăm circuitele din Fig. 5, pentru care se vor determina tensiunile la ieșirile acestor limitatoare Voa, Vob, Voc, Vod, Voe.

Se va aplica la intrare o tensiune liniar variabilă de frecvență 1kHz și amplitudine variabilă între 2 și 10 V. Se va vizualiza la osciloscop tensiunea de la intrare pe canalul 1 și de la ieșire pe canalul 2 și se va memora pe stik sau desena manual toate formele de undă observate.

Toate tensiunile simbolizate în Fig. 5 au 4V, iar rezistențele din circuit au valoarea de 1k.

Se schimbă forma de undă în sinusoidă și se vizualizează din nou tensiunile la intrare și ieșire.

Fig. 5. Limitatoare paralel cu diode

Caracteristicile observate la osciloscop se memorizează pe memorie externă sau se fotografiază pentru a fi incluse în raport și analizate cu explicațiile de rigoare.

Lucrarea nr. 10

AMPLIFICATOARE OPERAȚIONALE ÎN MĂSURAREA SEMNALELOR MICI

Obiectiv:

Amplificarea semnalelor de curent continuu pentru măsurări electronice în bioinginerie

Instrumentar, componente electronice: Multimetru, osciloscop, generator, sursă de curent continuu bipolară, amplificatoare operaționale.

Breviar. Amplificatorul operațional este un amplificator de curent continuu, carese caracterizează cu următoarele caracteristici: amplificare, bandă de frecvență de lucru și impedanța de intrare foarte mare, dar decalaj și impedanță de ieșire foarte mici.

Simbolul utilizat pentru amplificatoare operaționale este prezentat în fig. 1.

Fig. 1. Simbolul amplificatorului operațional, unde borna notată ci U+ se numește intrare neinversoare, iar borna notată cu U- esrte intrarea inversoare.

Aplicând un semnal pe borna inversoare obținem la ieșire un semnal în opoziție de fază cu cel de intrare. Iar, dacă semnalul inițial se aplică la borna neinversoare, la ieșire obținem semnal în aceiași fază.

Cum am menționat, amplificatorul operațional are o amplificare în tensiune foarte mare, de ordinul sutelor de mii, numită și amplificare în buclă deschisă, notată AV_AO. Amplificarea în buclă deschisă se menține la această valoare numai dacă frecvența tensiunii de intrare vID este foarte mică. Pentru valori mari ale acestei frecvențe, se constată că valoarea amplificării în tensiune AV_AO se reduce; la creșterea frecvenței lui vID de 10 ori se observă o reducere a amplificării în tensiune AV_AO de 10 ori (cu 20 dB). Dependența parametrului AV_AO de frecvența lui vID se numește caracteristica de frecvență și este prezentată în Fig. 2. Pe această figură sunt evidențiați 2 parametri importanți ai amplificatorului operațional:

frecvența superioară fsOL, care este frecvența tensiunii vID la care amplificarea în tensiune în buclă deschisă se reduce de 0.707 ori (cu 3 dB) în raport cu valoarea maximă a amplificării în tensiune AV_AO.

frecvența unitate fB, care este frecvența tensiunii vID la care amplificarea în tensiune în buclă deschisă AV_AO devine egală cu unitatea.

Deoarece amplificarea în tensiune a amplificatorului operațional este foarte mare, de îndată ce tensiunile aplicate pe cele 2 intrări diferă doar cu câțiva mV, tensiunea de la ieșirea acestuia se va stabili, în funcție de semnul tensiunii de intrare vID, la o valoare constantă, numită tensiune de saturație pozitivă VSAT+, respectiv tensiune de saturație negativă VSAT-, așa cum este sugerat și în Fig. 3, care reprezintă caracteristica de transfer (sau caracteristica de funcționare) a amplificatorului operațional. În circuitele de amplificare, un element de circuit care se comportă ca un amplificator operațional nu este util, deoarece distorsionează puternic forma de undă a semnalului aplicat la intrare, prin intrarea în saturație a amplificatorului operațional.

Fig. 2. Variația amplificării in tensiune cu frecvența tensiunii de intrare vID în cazurile:

a. în buclă deschisă (fără reacție): amplificare mare, bandă de frecvență mică

b. în buclă închisă (cu reacție negativă): amplificare redusă, bandă de frecvență mare

e.g., pentru un circuit cu un amplificator operațional, dacă tensiunea de intrare vID este sinusoidală și componenta medie egală cu 0[V], atunci, conform caracteristicii de transfer a amplificatorului operațional, dacă vID > 0 => v0 = VSAT+, iar dacă vID < 0 => v0 = VSAT-, deci ieșirea basculează între 2 valori discrete și în consecință forma de undă a acestui semnal este dreptunghiulară.

Fig. 3. Caracteristica de transfer (de funcționare) a AO-ului.

Semnalul de la ieșirea amplificatorului operațional va rezulta nedistorsionată numai dacă tensiunea de intrare diferențială va fi suficient de mică, astfel încât funcționarea amplificatorului operațional să fie plasată în așa numita regiunea de funcționare liniară (vezi Fig. 3 pentru identificarea acestei regiuni: este regiunea în care caracteristica de transfer se află între cele două tensiuni de saturație). Numai în regiunea liniară de funcționare a AO-ului, tensiunea de la ieșirea sa este direct proporțională cu tensiunea de intrare diferențială:

Din caracteristica de transfer a AO-ului, se remarcă faptul că, pentru ca un AO să lucreze în regiunea liniară, valoarea tensiunii vID trebuie să fie extrem de mică, de ordinul [mV]. În aplicațiile practice, este extrem de dificil ca informația utilă să fie reprezentată prin intermediul unei tensiuni de variație atât de redusă și în consecință, utilizarea unui AO în buclă deschisă pentru amplificarea semnalelor nu este recomandată, întrucât distorsionează informația prelucrată. Din acest motiv, este necesară extinderea domeniului de valori a tensiunii de intrare diferențiale vID în care AO-ul să funcționeze liniar.

Soluția pentru problema de mai sus constă în introducerea AO-ului într-o buclă de reacție negativă. Prin acest procedeu, amplificarea AO-ului cu reacție negativă se reduce la valoarea notată AV (vezi Fig. 4, în care amplificarea este egală cu tg), iar domeniul de valori ale tensiunii vID în care AO-ul funcționează liniar (nu intră în regiunile de saturație) se extinde, ceea ce oferă posibilitatea ca, în cazul în care valoarea maximă a tensiunii vID nu depășește un anumit prag, semnalele din circuit să nu se distorsioneze prin intrarea în saturație a AO-ului.

Reducerea amplificării în tensiune a circuitului este însoțită de creșterea semnificativă a benzii de frecvență a amplificatorului, parametru notat B.

Banda de frecvență a unui amplificator se definește ca diferența dintre frecvența superioară și cea inferioară, unde frecvența inferioară are aceeași definiție ca frecvența superioară, dar este considerată pentru valori mici ale frecvenței (când aceasta tinde la 0[Hz]). Se poate demonstra că la un amplificator (așa cum se observă și din Fig. 2), produsul amplificare-bandă este constant, altfel spus: la un amplificator, creșterea amplificării duce la micșorarea benzii de frecvență și reciproc.

Toate rezultatele obținute în cadrul măsurătorilor care urmează a fi efectuate se vor trece în Tabelul 1.

Fig. 4. Caracteristica de transfer a AO-ului care funcționează într-o buclă cu reacție negativă: extinderea domeniului lui vID în care AO-ul funcționează liniar.

Analiza circuitului de amplificare inversor

1. Se verifică dacă sursa de alimentare HM8040 este decuplată (Led-ul ON de pe panoul frontal al aparatului trebuie să fie stins); dacă sursa de alimentare nu este decuplată, atunci se va apăsa butonul OUTPUT de pe panoul frontal al sursei de alimentare HM8040 pentru decuplarea acesteia (se observă stingerea Led-ului ON).

2. Se reglează de la generatorul de semnal o tensiune sinusoidală vI de amplitudine Vi=0,1 -1,0 V și frecvență f= 50 Hz – 1 kHz.

3. Se realizează circuitul din Fig. 5, care reprezintă un circuit de amplificare inversor, realizat cu amplificatorul operațional LM741 (sau alt tip indicat de cadrul didactic). Alegeți două rezistențe de ordinul kOhmilor, astfel încât una să fie de aproximativ 2 … 10 ori mai mare ca cealaltă. Măsurați valorile reale ale rezistențelor selectate cu ajutorul multimetrului.

Circuitul de amplificare se alimentează de la 2 surse de tensiune continuă, setate la valorile de 15 V, pentru a asigura o alimentare bipolară pentru AO. Se reamintește în Fig. 6 modul de alimentare bipolar, necesar alimentării corecte a AO-ului LM741 (sunt utilizate două surse de alimentare conectate în serie).

Fig. 5. Circuit de amplificare inversor cu AO

Fig. 6. Alimentarea bipolară a AO

4. Se cuplează sursa de alimentare HM8040 la montaj, prin apăsarea butonul OUTPUT de pe panoul frontal al acesteia (ledul ON de pe panoul frontal al aparatului se aprinde);

5. Se vizualizează simultan, cu ajutorul osciloscopului, atât tensiunea de intrare vI, cât și tensiunea la ieșire vO. Pentru vizualizarea simultană a celor două forme de undă, se vor utiliza două sonde de măsură, câte una conectată la fiecare canal al osciloscopului. Tensiunea de intrare vI se vizualizează cu sonda de pe canalul 1, conectată între terminalul din stânga al rezistorului R și masa circuitului (masa sondei va fi conectată la masa circuitului), iar tensiunea de ieșire vO se vizualizează cu sonda conectată la canalul 2, conectată la pinul 6 al AO-ului. Pe formele de undă vizualizate se observă defazajul de 1800 dintre cele două tensiuni, care determină ca tensiunea de ieșire vO să “apară” inversată față de cea de intrare, de unde și denumirea circuitului analizat.

6. Pe forma de undă a tensiunii de ieșire vO se va măsura amplitudinea Vo a acesteia.

Deoarece tensiunea de ieșire vO este vizualizată cu sonda de măsură conectată la canalul 2, valoarea Volt/diviziune pentru această formă de undă se va citi de la comutatorul VOLT/DIV de pe panoul frontal al osciloscopului, care corespunde acestui canal (canalul din dreapta).

Tabelul 1

După măsuratori se va calcula amplificarea în tensiune a circuitului cu relația:

unde Vo și Vi sunt amplitudinile tensiunii de ieșire, respectiv tensiunii de intrare. Se va compara rezultatul obținut cu rezultatul teoretic, calculat cu formula:

Datorită proprietăților amplificatorului operațional, coeficientul A nu depinde de amplificator dar numai de reacția circuitului. Acest fapt permite controlul amplificării, conferindu-i o stabilitate înaltă, precum și posibilități de reglajprin alegerea RF/R

Cicuit repetor. Dacă alegem RF = R obținem Uo =- Ui, astfel tensiunea la ieșire reproduce ca valoare tensiunea la intrare dar cu faza opusă. În caz, că montăm în cascada a doua amploficator operațional repetor, obținem reproducerea tensiunii de ieșire în fază cu cera de intrare.

7. Se măsoară frecvența superioară fs a amplificatorului; în acest scop se vor parcurge pașii următori:

a. se calculează cu relația de mai jos valoarea vârf la vârf pe care tensiunea de ieșire vO o va avea la frecvența superioară fs:

unde AV are valoarea amplificării în tensiune a circuitului, obținută prin măsuratorile de la punctul 6, iar Vi este amplitudinea semnalului sinusoidal, stabilită la punctul 2.

b. Se vizualizează cu osciloscopul HM303, prin intermediul sondei de măsură conectată la canalul 2, tensiunea la ieșire vo.

c. Se păstrează amplitudinea tensiunii de intrare nemodificată (nu se modifică poziția potențiometrului AMPLITUDE de la generatorul de semnal) și se crește de la generatorul de semnal valoarea frecvenței semnalului vI (din comutatotul FREQUENCY și săgeata ) până când se constată că valoarea vârf_vârf a tensiunii vO devine egală cu valoarea calculată la punctul a. Deoarece tensiunea de ieșire vO este vizualizată cu sonda de măsură conectată la canalul 2, valoarea Volt/diviziune pentru această formă de undă se va citi în dreptul comutatorului VOLT/DIV de pe panoul frontal al osciloscopului, care corespunde acestui canal (canalul din dreapta). La final, se citește de pe ecranul generatorului de semnal valoarea curentă a frecvenței. Aceasta este valoarea frecvenței superioare fs a circuitului.

8. Se calculează produsul bandă amplificare, înmulțind amplificarea în tensiune obținută prin măsurătorile de la punctul 6 cu valoarea frecvenței superioare, măsurate la punctul 7.

9. Se decuplează sursa de alimentare HM8040 prin apăsarea butonului OUTPUT de pe panoul frontal al sursei de alimentare HM8040 (ledul ON de pe panoul frontal al aparatului se stinge).

10. Se scoate din circuit rezistorul RF (valoarea RF1) și se înlocuiește cu noul rezistor RF (valoarea RF2).

11. După realizarea circuitului se va apăsa din nou butonul OUTPUT al sursei de alimentare HM8040 ledul ON se aprinde, pentru a reconecta sursele de alimentare la placa de testare și se vor relua punctele 5, 6, 7, 8.

12. După efectuarea tuturor măsurătorilor se decuplează sursa de alimentare HM8040 prin apăsarea butonului OUTPUT de pe panoul frontal al acesteia (ledul ON de pe panoul frontal al aparatului se stinge).

III. Analiza circuitului de amplificare neinversor

1. Se reglează de la generatorul de semnal frecvența tensiunii sinusoidale vI la valoarea f=1[kHz]; amplitudinea Vi rămâne neschimbată.

2. Se realizează circuitul din Figura 7, care reprezintă un circuit de amplificare neinversor realizat cu AO;

3. Se cuplează sursa de alimentare HM8040 la montaj, prin apăsarea butonul OUTPUT de pe panoul frontal al acesteia (ledul ON de pe panoul frontal al aparatului se aprinde);

Fig. 7. Amplificator neinversor cu AO.

4. Se vizualizează simultan, cu ajutorul osciloscopului, atât tensiunea de intrare vI, cât și tensiunea la ieșire vO. Pentru vizualizarea simultană a celor două forme de undă, se vor utiliza două sonde de măsură, câte una conectată la fiecare canal al osciloscopului. Tensiunea de intrare vI se vizualizează cu sonda de pe canalul 1, conectată între terminalul din stânga al rezistorului R1 și masa circuitului (masa sondei va fi conectată la masa circuitului), iar tensiunea de ieșire vO se vizualizează cu sonda conectată la canalul 2, conectată la pinul 6 al AO-ului. Pe formele de undă vizualizate se va observa că cele două semnale sunt în fază (defazajul dintre tensiuni este de 00 în acest caz). Așadar, se observă că tensiunea de ieșire vO nu mai este inversată față de cea de intrare vI, de unde și denumirea circuitului.

5. Se completează un tabel similar Tabelului 1 cu valori măsurate și calculate

6. Se determină atât prin măsurători cât și teoretic amplificarea în tensiune a circuitului, procedând la fel ca la punctul 6 al circuitului precedent, cu deosebirea că, pentru amplificatorul neinversor, amplificarea în tensiune ideală (teoretică) se determină cu relația de calcul:

Lucrarea de laborator nr. 11

STUDIEREA GENERĂRII ȘI VIZUALIZĂRII SEMNALELOR

Obiectiv:

Familiarizarea cu funcțiile de bază ale unui osciloscop și generator de semnal. Reglarea și măsurarea parametrilor specifici ai semnalelor de test.

Instrumentar. Osciloscop, generator de semnale.

Breviar teoretic

Osciloscopul este un aparat care permite vizualizarea valorii instantanee a unei tensiuni electrice u(t) în funcție de timp și măsurători cantitative de tensiune și timp pe această formă de undă, avînd astfel largi aplicații în analiza semnalelor electrice. În lucrare se utilizează osciloscopul digital particularitățile care urmează fiind legate de acest model.

Principalii parametri ai unui semnal periodic

– forma semnalului (determinist) în domeniul timp

– perioada și frecvența de repetiție în timp a unui semnal, f = 1/ T

– valoarea maximă a semnalului Umax

– valoarea minimă a semnalului Umin

– valoarea vârf-vârf (engl. peak-to-peak), domeniul de variație al semnalului UVV= UPP = Umax – Umin valoarea medie (componenta continuă sau offset-ul) a semnalului Umed sau UCC

– amplitudinea semnalului U0 = Umax – UCC = UCC – Umin

Observație: dacă UCC = 0, amplitudinea, valoarea maximă și cea minimă sînt egale în modul.

– alți parametri pentru anumite forme de semnal, de exemplu:

• semnal dreptunghiular: factorul de umplere (duty cycle) η = τ/T (t) reprezintă durata impulsului de nivel mare, iar T perioada semnalului), timpul de creștere / de cădere (t rise , t fall )

• semnal triunghiular: panta de creștere / de cădere a semnalului

Fig. 1. Semnale periodice: sinusoidal, dreptunghiular

Reglajele osciloscopului

Pe orizontală, durata corespunzătoare lungimii unei diviziuni de pe ecran este reglabilă din exterior din butonul Cx (coeficient de deflexie pe orizontală). Acesta este gradat în unități de timp pe diviziune. Este valabilă următoarea relație dintre numărul de diviziuni Nx ocupate de un eveniment oarecare și timp:

Tx = Nx∙Cx

Pe verticală se aplică tensiunea U pe borna exterioară Y. Se poate citi pe Y valoarea unei tensiuni U care ocupă Ny diviziuni verticale pe ecran cu relația:

U = Ny∙Cy

Cy se numește coeficient de deflexie pe verticală și este gradat în unități de volt pe diviziune.

Exemplu: O perioadă a sinusoidei din fig. 2 ocupă pe ecran 7 diviziuni pe orizontală, și baza de timp este pe poziția Cx=5ms/div (notată M pe ecran). Perioada semnalului sinsoidal este 35ms. Pe verticală, amplitudinea (valoarea de vîrf) ocupă 3 diviziuni, ceea ce la un Cy= 2V/div înseamnă 6V.

Fig. 2. Diviziuni orizontale și vertical pe ecarnul osciloscopului

Valorile Cx, Cy se numesc calibrate și sunt de forma standard {1, 2, 5}*10+/-K pentru Cy, și {1, 2.5, 5}*10+/-K pentru Cx. Valorile calibrate ale coeficienților de deflexie pentru osciloscoapele uzuale sunt următoarele:

Cy ∈ {5; 10; 20; 50; 100; 200; 500 mV/div; 1; 2; 5 V/div}

Cx ∈ {5; 10; 25; 50; 100; 250; 500 ns/div; 1; 2,5; 5; 10; 25; 50; 100; 250; 500 μs/div;

1; 2,5; 5; 10, 25; 50; 100; 250; 500 ms/div, 1; 2,5; 5; 10 s/div}.

Sincronizarea osciloscopului. O imagine stabilă pe ecranul osciloscopului se numește sincronizată (triggered). Semnificația fizică este următoarea: atunci cînd 2 afișări succesive ale unui semnal periodic se fac începînd de la același moment de timp (relativ la perioada semnalului), cele 2 afișări se vor suprapune perfect, și la fel se va întîmpla și pentru afișările ulterioare. Astfel, ochiul percepe o singură imagine stabilă, deși, de fapt, avem în permanență o imagine nouă suprapusă peste precedenta. Un exemplu în cazul afișarii unui front crescător este dat în fig. 3 (a). Dacă însă fiecare afișare preia semnalul din alt moment de timp, imaginile vor diferi, și ochiul va percepe mai multe imagini diferite și suprapuse – fig. 3 (b). În acest caz imaginea se numește nesincronizată (untriggered) și este greu sau imposibil de urmărit.

a) imagine sincronizată b)imagine nesincronizată

Fig. 3: sincronizarea osciloscopului

Pentru a obține o imagine sincronizată operatorul are la dispoziție reglajele de sincronizare dintre care cele mai importante sînt: semnalul după care se face sincronizarea (Source) – poate fi canalul 1, 2 sau altceva, nivelul acestuia (level) și o pantă sau front (slope) de unde se dorește să înceapă afișarea imaginii. De obicei, aceste reglaje sunt grupate într-un meniu de sincronizare – Trigger Menu.

În general, pentru ca o imagine să fie sincronizată, nivelul Trigger Level trebuie să fie cuprins între valorile [minimă, maximă] ale semnalului. Un nivel prea mic sau prea mare înseamnă că Trigger Level nu intersectează semnalul și deci nu se poate sincroniza.

În această lucrare se vor utiliza în special reglajele de sincronizare: Source = CH1, slope = Rise (crescător), Mode = AUTO. Pentru ajustarea automată a nivelului Trigger Level se apasă butonul Set To 50% . Reglajele generatorului.

Generatorul de funcții Rigol DG1022 permite generarea a mai multe forme de undă (sinus, dreptunghi, triunghi etc) cu diverși parametri reglabili. Tipul de formă de undă se selectează cu butoanele marcate corespunzător:

Fig. 4

Parametrii unei anumite forme de undă se selectează apăsînd butoanele funcționale (Fig.4), ale căror funcții corespund indicațiilor de pe afișaj, de deasupra acestora.

b)

Fig 5

e.g., în cazul în care se apasă butonul funcțional Freq (Fig. 5-b) funcția respectivă (reglajul frecvenței) devine selectată, și valoarea se poate introduce fie de la tastatura numerică, fie se poate modifica din reglajul rotativ.

La butoanele funcționale care au o mică săgeată desenată (cum este Freq mai sus) apăsări succesive permit setarea unor parametri în mai multe variante.

e.g., în afară de setarea amplitudinii (Ampl) se poate seta și valoarea HiLevel care corespunde cu Umax de pe fig. 5-a). După introducerea valorii numerice, se alege unitatea de măsură dorită apăsînd butonul funcțional de dedesubtul acesteia.

Citto! Conform fig. 1a), amplitudinea U0 și valoarea Umax sînt egale numai dacă Ucc = 0 (componenta medie nulă). Pentru a elimina posibilele confuzii, la acest generator amplitudinea se poate seta în valori VPP (peak-to-peak) ceea ce înseamnă că, de fapt, alegînd această unitate de măsură, butonul funcțional Ampl setează valoarea vîrf la vîrf, care este dublul amplitudinii pentru semnale cu componentă medie nulă.

Pentru semnale asimetrice (cu UCC nenul), valoarea vîrf la vîrf se conservă, în timp ce Umax și Umin se modifică (vezi tot figura 5-a).

Observație: nu există mai multe „tipuri de volt”, voltul fiind definit în mod unic. Eventualul indice de după volt, de exemplu VPP, indică faptul că se măsoară tensiunea în volți între anumite limite. De exemplu un semnal simetric de 2V e sinonim cu un semnal de 4VPP , pentru că a doua exprimare semnifică în mod explicit că se măsoară între limitele extreme ale semnalului.

Prescurtarea VRMS se referă la valoarea efectivă studiată în lucrarea „măsurarea tensiunilor”.

Generatorul are 2 canale, pe care se pot genera forme de undă diferite.

Butoanele de mai jos (fig. 6) au efect asupra canalului selectat cu butonul , pe afișaj apărând CH1 sau CH2 după caz. În plus, ieșirea canalului respectiv este activă atunci, când se apasă butonul Output corespunzător, și acesta devine iluminat.

Fig. 6

Desfășurarea lucrării

1. Vizualizarea unei perioade a semnalului

Se generează cu ajutorul generatorului de funcții un semnal cu următorii parametri:

– canalul 1 din butonul (să apară CH1 în dreapta sus pe afișaj)

– butonul Sine – formă sinusoidală

– frecvența Freq – valoarea f1 scrisă pe tablă, în funcție de numărul mesei

– amplitudine AMPL – valoarea A1 scrisă pe tablă, în funcție de numărul mesei (atenție la unitatea de măsură! o amplitudine de 2V este, cum am spus în paragraful precedent, echivalentă cu 4VPP ! unitatea de măsură elimină orice dubiu asupra limitelor între care se specifică tensiunea).

– fără componentă continuă (OFFSET = 0V)

Se apasă Output din dreptul ieșirii CH1 a.î. să fie aprins; se conectează ieșirea CH1 a generatorului la canalul 1 al osciloscopului folosind un cablu coaxial (sau 2 cabluri cu crocodili, legate între ele).

La osciloscop se apasă CH1 MENU pentru a afișa reglajele canalului 1 (la apăsări repetate, canalul 1 este succesiv oprit și pornit). Întrucît se folosește un cablu simplu, se apasă softkey-ul Probe pînă cînd indicația este 1x (există sonde care conțin un divizor care atenuează semnalul de 10..100 ori, în care caz s-ar folosi setările 10x, 100x).

Setați la osciloscop valorile CX1 , CY1 (dictate de cadrul didactic).

Observație: revedeți figura 2; osciloscopul afișează CY al canalului 1 cu notația CH1, iar valoarea CX este prescurtată M (main time base). Observați că pe ecran se vede o singură perioadă a semnalului. Măsurați perioada numărînd numărul de diviziuni și subdiviziuni, NX , ale unei perioade, aplicînd apoi formula Tmas = C NΧ Χ. Calculați frecvența fmas = 1/Tmas și comparați cu valoarea indicată la generator.

Repetați pentru reglajul vertical. Numărând diviziunile și subdiviziunile pe verticală NY și aplicând formula U=NY ∙CY , măsurați amplitudinea semnalului (notată UV – valoarea de vârf) și comparați cu valoarea setată la generator. În același mod măsurați și valoarea vârf-la-vârf UVV. Calculați raportul dintre UV și UVV (valori măsurate). Cât este acest raport teoretic?

Observație: pentru identificarea reglajelor și indicațiilor osciloscopului se poate folosi instrucțiunea osciloscopului.

2. Calcularea parametrilor de vizualizare a imaginii

Atenție! La acest punct cerința se referă doar la calcularea parametrilor ceruți.

Să se calculeze pe cîte diviziuni, NX și NY, vor fi afișate amplitudinea și perioada pe ecranul osciloscopului pentru semnalele și reglajele de mai jos:

a1. semnal sinusoidal cu amplitudinea UV1=4V și frecvența f1=20kHz. Reglaje osciloscop: CX1=10μs/div și CY1=1V/div.

a2. semnal sinusoidal cu amplitudinea UV2=6V și frecvența f2=8kHz. Reglaje osciloscop: CX2=25μs/div și CY2=2V/div.

Indicație 1: Se folosesc relațiile T = NX∙CX și UV = NY∙CY. Perioada T se calculează din valoarea frecvenței.

b) Calculați coeficienți de deflexie (CXcalc, CYcalc) ce trebuie folosiți la osciloscop pentru vizualizarea unui semnal sinusoidal cu frecvență f3=1kHz și amplitudine UV3 =2V, astfel încît amplitudinea să fie afișată pe două diviziuni, iar perioada pe patru diviziuni.

c) Să se repete punctul (b) pentru un semnal cu f4=500kHz și UV4=8V, dacă amplitudinea este afișată pe patru diviziuni, iar perioada pe 10 diviziuni (CXcalc, CYcalc).

3. Setarea unui semnal triunghiular de la generator

a) Se setează de la generator un semnal triunghiular (fig. 7) (butonul Ramp), fără componentă continuă (OFFSET 0V), simetrie 50%, de frecvență f3 și amplitudine UV3 (date de cadrul didactic). Se dorește vizualizarea sa pe osciloscop ca mai jos (pentru a avea momentul de început ca în figură apăsați la osciloscop butonul SET TO 50% de sub butonul de Trigger)

a1. Care este perioada semnalului (T3)? Calculați CX necesar pentru a observa exact 2 perioade pe ecran. Setați această valoare CX la osciloscop. Cîte diviziuni ocupă o perioadă pe ecranul osciloscopului (NX) ?

a2. Calculați CY necesar pentru ca amplitudinea UV3 să ocupe exact NY = 2 div. Setați această valoare CY.

b) Influența CY asupra imaginii osciloscopului

Se modifică CY la valoarea CY’=CY/2. Cîte diviziuni NY’ ocupă acum amplitudinea? Se calculează amplitudinea pe baza noii imagini: UV’ = NY’CY’ se compară cu UV3. Explicați relația dintre UV’ și UV3.

Fig. 7

c) Influența CX asupra imaginii osciloscopului

Se modifică CX la valoarea CX’= 2CX. Câte diviziuni NX’ ocupă acum o perioadă ?

Se calculează perioada pe baza noii imagini: T’ = NX’CX’ și se compară cu T3. Explicați relația dintre T’ și T3 .

4. Setarea și măsurarea unui semnal sinusoidal cu componentă continuă

a) Până acum semnalele analizate nu au avut componentă continua (Ucc=0), fiind simetrice față de 0V.

Dacă pentru un semnal fără componentă continuă de forma:

u(t) = UV sin ωt [V] [1]

cu UV = 2V, u(t) variază în intervalul [-2V, +2V], rezultă că pentru un semnal cu componentă continuă (numită și Offset), de forma:

u(t) = UCC + UV sin ωt [V] [2]

cu UV = 2V și UCC= -1V, u(t) variază în intervalul [-2-1V, +2-1V] = [-3V, +1V]. Cele 2 situații sînt ilustrate pe fig. 8:

Observație: componenta continuă se numește și valoare medie a semnalului, întrucît este egală cu media pe o perioadă a lui u(t). Observați în ecuațiile [1] și [2] de mai sus că integrarea pe o perioadă (echivalentă cu medierea) ne dă respectiv valorile 0 și UCC.

Fig. 8 Semnal fără cc (stânga) și cu Ucc= -1V (dreapta)

Se va genera un semnal sinusoidal (butonul Sine de la generator), cu frecvența f1=20kHz, amplitudinea UV=2V și componentă continuă UCC1= -1V. Pentru reglarea componentei continue la generator se folosește butonul funcțional OFFSET = -1V.

La osciloscop se vor folosi coeficienții de deflexie CX1=25μs/div și CY1=1V/div. Dacă nu e deja, se ajustează nivelul de 0V (Ground – marcat printr-o săgeată cu numărul canalului, în stînga imaginii) la mijlocul ecranului, utilizînd reglajul Vertical Position.

a1. Să se deseneze imaginea obținută pe osciloscop notînd poziția nivelului 0V (săgeata din stînga ecranului) și selectînd modul de cuplaj CH1 MENU->Coupling >DC. Acest mod de cuplaj înseamnă că semnalul este aplicat direct, fără alterarea eventualei componente continue existente în semnal. Se notează pe grafic poziția săgeții corespunzătoare nivelului de 0V (Ground) și valorile Cx și Cy.

a2. Să se deseneze imaginea obținută prin trecerea la modul de cuplaj AC (CH1 MENU->Coupling ->AC). Acest mod de cuplaj înseamnă că se înseriază un condensator în interiorul osciloscopului pe calea de semnal; după cum se știe, condensatoarele nu lasă să treacă semnalele continue, ci doar cele alternative. Se notează pe grafic poziția săgeții de 0V (Ground), Cx și Cy.

b) Cum se măsoară, folosind osciloscopul, componenta continuă a unui semnal dat ?

– se setează la osciloscop cuplaj AC: (CH1 MENU->Coupling ->AC); componenta continuă nu este lăsată să treacă, deci semnalul este simetric pe ecran (ca și cînd nu ar fi setat OFFSET de la generator).

– se setează CH1 MENU->Coupling ->DC. În acest moment semnalul va urca sau va coborî cu un număr de diviziuni NY. Luînd ca referință un punct de pe semnal (tipic, maximul sau minimul), se numără cu cîte diviziuni urcă sau coboară semnalul cînd se trece de pe AC pe DC. Dacă urcă, offsetul este pozitiv, dacă coboară, este negativ. Numărînd cîte diviziuni NY, cu tot cu semn, corespund valorii UCC, și se calculează UCC = NYCY. Această valoare trebuie să fie aceeași cu OFFSET-ul setat la generator.

Observație: La necesitate, se ajustează triggerul (SET TO 50%) pentru ca imaginea să fie sincronizată (este posibil ca atunci cînd semnalul urcă sau coboară din cauza offsetului, să nu mai intersecteze nivelul de trigger).

b1. Se va lucra astfel:

– se setează la osciloscop CH1 MENU->Coupling ->AC pentru a ascunde componenta continuă. Se păstrează setarea de CY = 1V/div.

– unul din membrii echipei va seta la generator din butonul funcțional Offset o componentă continuă UCC1set de valoare nenulă între (-2V, 2V) la alegere, fără ai comunica valoarea colegului. Amplitudinea rămâne 2V.

– celălalt membru al echipei va comuta de la CH1 MENU->Coupling ->AC, la DC, va număra cu cîte diviziuni NY1 urcă/coboară vîrful semnalului, și va calcula UCC1 (valoare și semn): UCC1 = NY1 CY

– se va desena imaginea în modul de afișare CH1 MENU->Coupling ->DC (inclusiv săgeata nivelului de 0).

5. Setarea unui semnal dreptunghiular

Se va genera un semnal dreptunghiular (butonul Square de la generator), fără componentă continuă (OFFSET 0V), cu amplitudinea UV5, frecvența f5 (dictate de cadrul didactic). Calculați CX5, CY5 ca să se vadă exact o perioadă pe ecran, respectiv amplitudinea să ocupe 2 diviziuni. Vizualizați semnalul pe osciloscop cu CY5 , CX5 și cuplaj CH1 MENU>Coupling ->DC pentru semnal.

Se reglează factorul de umplere al semnalului dreptunghiular folosind butonul funcțional duty cycle prescurtat DtyCyc , apoi unitatea de măsură care va fi implicit % , pe rând la valorile η1=20%, η2=50%

– Se măsoară (în diviziuni) valorile T și τ pentru ambele cazuri.

– Se calculează raportul τ/T (valoarea măsurată a factorului de umplere η; observați că, întrucît se cere raportul, este suficient să măsurăm cele 2 mărimi în diviziuni).

– Se desenează cele 2 semnale.

Observație importantă: factorul de umplere este un parametru care se definește numai la semnalul dreptunghiular. Nu există factor de umplere pentru semnalul sinusoidal sau triunghiular (pentru triunghi se poate seta simetria, mai precis se consideră că un triunghi este un semnal rampă cu simetrie 50%).

Lucrarea de laborator nr. 12

MĂSURAREA IMPEDANȚEI

Obiectiv:

Măsurarea impedanțelor folosind diverse metode de măsură: metoda directă prin utilizarea unui LCR-metru și ohmetru, metoda indirectă: puntea de curent continuu.

Instrumentar și componente: LCR-metru, multimetru, bloc alimentare, rezistențe, condensatoare, inductanțe.

Breviar theoretic.

În regim sinusoidal se definește impedanța Z =U/I și admitanța Y = I/U = 1/Z, unde U și I reprezintă fazorii tensiunii și intensității curentului electric din figura 1a.

U

I Z

Figura 1a

În general aceste mărimi sînt mărimi complexe, permițând astfel să fie scrise sub forma algebrică

Z = R + jX , Y = G + jB

R – rezistența serie

X – reactanța serie (cu X >0 pentru impedanțe inductive și cu X <0 pentru impedanțe capacitive)

G – conductanța paralel

B – susceptanța paralel (cu B <0 pentru admitanțe inductive și cu B >0 pentru admitanțe capacitive)

Relația între mărimile impedanței și ale admitanței sunt:

R = G/(G2 + B2) și X = −B / (G2 + B2)

Modelul unei reactanțe cu pierderi

Se consideră o reactanță cu pierderi, având la frecvența f factorul de calitate Q. Pentru aceasta sunt posibile două modele de circuit: în serie și în paralel. În figura 1b sunt prezentate cele 2 modele pentru o reactanță cu pierderi (pierdere = RS ≠ 0, Rp ≠ ∞).

X poate fi reactanța unei bobine, respectiv condensator:

XL =ωL XC = − 1/ωC

Rp

Xs Rs Xp

Figura 1b

Pentru două modele de mai sus se definesc factorii de calitate Qs și Qp:

Qs = |X| R-1 = |Xs| Rs-1 = ώLsRs-1 = (ώRsCs)-1

Deoarece sunt definiți pentru aceeași componentă fizică, cei doi factor de calitate trebuie să fie egali: Qs=Qp=Q

Se definește și tangenta unghiului de pierderi, D:

D = Q-1

Relațiile de legătură între elementele celor două modele, la o frecvență fixată f, sunt:

Xp = Xs (1 + Q-2) = Xs (1 + D2)

Rp = Rs (1+ Q2)

Relația de echivalență între reactanțe se mai poate scrie în funcție de tipul reactanței, capacitivă respectiv inductivă, astfel:

Lp = Ls (1 + Q-2)

Cs =Cp (1 + Q-2)

Principiul măsurării cuadripolare

În cazul măsurării impedanțelor mici, sau când sondele de măsură au lungime mare, impedanța sondelor și a rezistențelor de contact poate să nu mai fie neglijabilă, dar comparabilă cu impedanța Zx. Principiul de măsură folosește în fiecare capăt al impedanței două terminale. O pereche de terminale este folosită pentru injectarea curentului prin impedanța necunoscută Zx, iar cealaltă pereche de terminale – pentru măsurarea căderii de tensiune pe Zx. Astfel de conexiune se numește cuadripolară datorită celor 4 terminale. Cele 2 perechi de terminale se conectează cât mai aproape de corpul impedanței.

Fig. 2 Modelul (a) cuadripolar, (b) – bipolar

În figura 2a) este ilustrată conexiunea cuadripolară; se vine cu 2 perechi de fire separate:

– de la sursa I la Zx, impedanțele (parazite) ale firelor de legătură sunt z1, z3

– de la voltmetru la Zx, impedanțele firelor sunt z2, z4

Vedem (fig. 2a din stânga) că z2 și z4 sunt în serie cu voltmetrul care are impedanța de intrare foarte mare deci sunt neglijabile, iar z1 și z3 apar în serie cu sursa de curent (care evident are impedanța internă mare), astfel devin și ele neglijabile. Această schemă permite minimizarea maximă a efectului celor 4 impedanțe nedorite mici, făcându-le să apară în serie cu alte impedanțe mari care există deja în circuit.

În figura 2b) este ilustrată conexiunea bipolară. Aparatul de măsură conține sursa I și voltmetrul U, și se face legătura cu Zx prin doar 2 fire de legătură z1 și z3. De aceea, nu se mai pot separa căile de „curent” și „tensiune” și se măsoară impedanța care include și impedanța firelor:

Zm = Zx + z1 + z3

făcându-se o eroare sistematică εZXs = (z1 + z3) Zx

De exemplu, în cazul măsurării unei rezistențe R, folosind pentru conectare niște cabluri cu rezistența r, se obține o eroare sistematică, în cazul folosirii configurației bipolare (se folosesc doar două terminale):

εRs = 2r /R

Punți de curent continuu. Puntea Wheatstone

În fig. 3 se prezintă schema unei punți Wheatstone, în care s-a notat cu rg rezistența internă a sursei, iar cu RV rezistența internă a indicatorului de nul (sau a voltmetrului).

Considerând rg neglijabil și RV foarte mare, tensiunea de dezechilibru este dată de relația

Ud = Eg ((R2 (R1 + R2)-1 – R3 (R3 + R4)-1)

Puntea este echilibrată atunci când Ud = U12 =0. La echilibru, între rezistențele punții există relația

R1 R3 = R2 R4 (4)

[3] S

Fig. 3 Fig. 4

Se definește raportul punții A, ca fiind raportul a oricare două rezistențe alăturate, conectate la aceeași bornă a voltmetrului, când puntea este în echilibru.

A = R1/R2 = R4 /R3 sau A = R2 /R1 = R3 /R4 (5)

Factorul de reglaj σ (numit și dezechilibrul punții) se definește ca:

σ= (R4 – R40) / R40

unde cu R40 se notează valoarea rezistenței R4 când puntea este echilibrată (R1 , R2 , R3 sunt rezistențe fixe)

Pentru σ→ 0 tensiunea U12 poate fi aproximată cu expresia lui Ud

Ud = S Eg ⋅σ

Sensibilitatea S a punții este:

S = (∆Ud /Eg )/ (∆R4/R4) = A (1 + A)-2 (6)

Din această relație se obține că S(A)=S(1/A), de aceea nu contează cum se alege A (R1/R2 sau R2/R1) atâta vreme cât sunt 2 rezistențe care mărginesc voltmetrul.

Dependența sensibilității S în funcție de A (fig. 4), din care observăm că pentru A=α, S(α)=S(α-1).

Desfășurarea lucrării

1. Măsurarea rezistențelor cu LCR-metrul. LCR-metrul este un aparat care permite măsurarea automată, la alegere, a doi parametri ai unei impedanțe. Se măsoară trei rezistențe diferite existente la masă cu ajutorul LCR metrului, folosind setările conform instrucțiunii aparatului. Frecvența de lucru este implicit 1kHz; daca nu, se se introduce valoarea dorită. Se determină erorile absolute, ΔR, și relative, εR, ale valorii măsurate de aparat R, față de valoarea nominală Rnom.

ΔR = R- Rnom , εR = ΔR/Rnom

2. Măsurarea rezistenței unui fir. Se vor folosi și compara conexiunea bipolară și cea cuadripolară pentru a măsura o rezistență de valoare foarte mică (rezistența unui fir, care este mult sub un ohm).

a) Conectăm un fir disponibil la masă la sondele de măsură ale LCRmetrului. Observăm, că adaptorul conectat la LCR-metru folosește 4 borne, măsurarea fiind cuadripolară, fiecare din cei doi „clești” conectând 2 borne la câte un terminal al impedanței necunoscute, ca în figura 2a. Se notează valoarea indicată pentru rezistența firului, Rcuadri .

b) Se măsoară rezistența mică (același fir) la ohmetrul multimetrului numeric, care are conexiune bipolară (2 terminale); se conectează capetele firului care se dorește a fi măsurat la cei 2 crocodili ai ohmetrului. Se notează valoarea indicată, Rbipolar. Se calculează eroarea relativă la măsurarea bipolară față de cea cuadripolară. Observăm și explicăm diferența mare (poate fi peste 100%) între cele două valori măsurate (la punctele a și b).

c) Se scoate firul măsurat și se conectează cei doi crocodili ai ohmetrului direct între ei. Se notează valoarea indicată, Rfire legătură. Această valoare reprezintă eroarea sistematică absolută făcută la măsurarea firului.

d) Se determină valoarea R firului măsurat prin corecția erorii sistematice, Rfir bipolar corectat astfel: se scade valoarea rezistenței cablurilor cu crocodili de la c din valoarea măsurată la punctul b. Se determină eroarea relativă a acestei valori față de valoarea determinată la punctul a.

Cum e această eroare relativă față de cea de la b ? de ce ?

3. Măsurarea unor condensatoare și bobine

a) măsurarea capacităților. Se măsoară două capacități (de tipuri și valori diferite) existente la masă.

• un condensator stiroflex (polistiren) de 100 … 400pF

• un condensator ceramic multistrat de 1nF… 100nF

Fig. 5 Condensatoare ceramice Condensatoare stiroflex

Instalăm cu butoanele respective modul măsurare serie și se notează valorile Cs și D. Se selectează apoi modul paralel și se notează valoarea Cp. Valoarea lui D este aceeași. Se calculează Q= D-1 . Prezentăm explicații privind diferența la Q, c și D pentru diferite tipuri condensator.

Se determină rezistența parazită a condensatoarelor: se trece în modul de afișare pentru C/R și se determină valoarea rezistenței parazite pentru modelul serie (Rs). Pe baza relațiilor de legătură și a Q calculat, se calculează rezistența paralel Rp.

b) măsurarea inductanțelor. Se măsoară inductanța existentă la masă. Se trece în modul de măsurare L/Q și se măsoară pentru inductanță modelul serie (Ls și Q), și pentru modelul paralel (Lp și Q). Se calculează valoarea factorului de calitate Qcalc din relația de legătură (1) între Ls și Lp. Se măsoară valoarea rezistenței pentru modelul serie Rs. Explicăm semnificație fizică are RS la bobină.

Se compară valoarea Q la bobină față de cele de la condensator.

4. Măsurarea unui grup RC

a) Se măsoară separat o rezistență R de aproximativ 10 kΩ în modul C/R, și condensatorul de valoarea cea mai mică disponibilă la masă (sute de pF) în modul C/D (CS , D). Pe placa de asamblare se conectează în serie R cu C, legând cei 2 clești ai LCR-metrului direct la terminalele extreme ale grupului (nu este indicat să folosiți fire adiționale).

Se procedează ca la punctul 3, la măsurarea condensatoarelor, doar se măsoară un grup, nu un condensator singur. Frecvențele de lucru vor fi de 1kHz și 100KHz. Se măsoară elementele modelului serie (Cs, D) și ale modelului paralel (Cp, D). Se determină indirect Q=1/D. Se calculează Qcalc al grupului din relația (1) de trecere de la modelul serie la modelul paralel.

Se determină rezistența grupului RC: se trece în modul de afișare C/R și se determină valoarea rezistenței pentru modelul serie (Rs) respectiv modelul paralel (Rp). Se calculează reactanța condensatorului singur XC = 1/ωCS la frecvența de lucru.

b) se repetă cu aceleași componente R,C pentru un grup RC paralel.

c) se interpretează rezultatele: explicând ce se întîmplă cu Q al grupului față de Q al condensatorului singur, în ce caz (S/P) se modifică mai mult și de ce.

5. Măsurarea rezistențelor cu ajutorul punții de curent continuu

a) echilibrarea punții. Se realizează o punte de curent continuu. Valorile nominale pentru R1, R2, R3 sunt respectiv [1..5] kΩ (depinde de masă), 10kΩ și 10kΩ. Rezistența R4 este o rezistență variabilă cu valoare nominală între 1 și 5 kΩ (depinde de masă). Trei exemple rezistențe variabile (trimere,) precum și schema echivalentă, sînt date în fig. 7. Rezistențele măsurate între cele 3 terminale ale unui trimer, respectă regula:

R12 + R23 = R13 = ct.

unde valoarea R13 este valoarea nominală a trimerului (fixă, indiferent de reglaj). Terminalul central 2 se numește cursor și poziția sa depinde de șurubul de reglaj. Deci, pentru un trimer de 1KΩ, în funcție de poziția cursorului, putem avea de exemplu:

R12 = 100Ω, R23=900Ω, R13= 1KΩ

Fig. 7 Rezistență semireglabilă; R12 + R23 = R13

Se observă deci că, dacă se conectează doar terminalele 1-2 sau 2-3 în circuit, în funcție de reglaj vom avea o rezistență între 0 și R13 . (nu se vor conecta terminalele 1 și 3, căci valoarea va fi fixă și nu vom mai putea efectua reglajul). Se mai observă că putem conecta terminalul liber la cursor, ca în fig. 3, sau îl putem lăsa neconectat, rezultatul fiind același – oricum ar fi, d.p.d.v. echivalent trebuie ca trimerul să aibă două terminale în circuitul punții.

În figura 8 este reprezentată o variantă posibilă de realizare a punții din figura 3 pe placa de test. Se folosesc fire pentru conectarea voltmetrului de c.c., care măsoară Ud = U12 = tensiunea de dezechilibru, și a sursei de curent continuu, reglată la valoarea 3V.

Fig. 8 Exemplu de realizare a punții Wheatstone

Se măsoară cele 3 rezistențe (înainte de a le conecta în circuit). Se desenează schema punții realizate, notînd pe schemă rezistențele alese și valorile lor măsurate (nu cele nominale) și notînd capetele celor 2 diagonale ([1]-[2] și [3][4]).

Citto: Dacă nu notați valoarea măsurată deasupra fiecărei rezistențe (identificându-le cu pozițiile lor pe placă), nu veți mai putea distinge cele 2 rezistențe de 10k între ele, după ce le-ați deconectat de la LCR-metru.

Se reglează sursa de tensiune continuă la valoarea E=3V (din comutatorul sursei, nu contează polaritatea tensiunii de alimentare). Se măsoară cu voltmetrul de c.c. valoarea exactă a tensiunii de alimentare

Se conectează sursa și voltmetrul de c.c. ca în schemă, apoi se aduce puntea la echilibru prin reglarea potențiometrului până când indicația voltmetrului va fi Ud =0 (sau valoarea cea mai mică obținută practic).

Notă: prin reglarea trimerului la cele 2 valori extreme, trebuie ca tensiunea măsurată să treacă prin valori pozitive și negative, obținîndu-se 0 la echilibru. Dacă tensiunea nu își schimbă semnul înseamnă că puntea nu poate fi echilibrată (nu a fost realizată corect, valorile rezistențelor nu permit obținerea egalității din (4) indiferent de valoarea trimerului).

Se măsoară cu ohmetrul (setat pe modul de măsură Ω) valoarea la care s-a reglat potențiometrul, astfel:

• se desfac conexiunile potențiometrului la circuit, fără a-l scoate fizic de pe placă (de exemplu se scoate temporar R3 de pe placă; este suficient să se elimine conexiunile la un singur pin dintre cei 2 pini folosiți ai potențiometrului). Dacă nu se face acest pas, se va măsura o valoare eronată, în paralel pe R4 avînd grupul serie format din R1,R2,R3. În plus, sursa de c.c. nu trebuie să aplice tensiune asupra unei rezistențe în momentul măsurării acesteia!

• se măsoară cu ohmetrul valoarea de echilibru, R40 măsurat, folosind 2 fire înfipte în placa de test, în rînduri de găuri care să corespundă celor 2 din 3 terminale ale potențiometrului care au fost folosite (pe fig. 8 s-au folosit terminalele 1 și 2), și conectîndu-le celălalt capăt la crocodilii ohmetrului.

– Se compară valoarea R40 măsurat măsurată pentru potențiometru (la echilibru) cu valoarea de echilibru R40 calc calculată cu relația de echilibru a punții (4) pe baza valorilor măsurate ale rezistențelor 1,2,3. Se calculează eroarea relativă a valorii măsurate.

Observație: voltmetrul va avea intrare flotantă – nici una din bornele de intrare nu e conectată la carcasă; de asemenea, sursa de c.c. are ieșire flotantă.

b) determinarea configurației pentru care sensibilitatea este maximă. Relația (4) este aceeași indiferent de diagonalele în care se conectează voltmetrul și sursa. Se urmărește determinarea experimentală a diagonalei care asigură sensibilitate (6) maximă. Reamintim că un aparat este mai sensibil decît altul atunci cînd ieșirea este mai mare, la aceeași intrare. Pentru configurația deja realizată pe placă, se reconectează potențiometrul și se variază ușor pînă cînd voltmetrul indică Ud1=20mV. Se observă că, cf. fig. 8, voltmetrul este conectat în diagonala [1]-[2] și sursa în [3]-[4]. Se inversează apoi voltmetrul cu sursa de semnal (prin mutarea firelor voltmetrului pe diagonala 3-4 și a sursei pe diagonala 1-2) și, fără a mai modifica valoarea potențiometrului, se citește indicația voltmetrului Ud2, care va fi diferită de Ud1 – mai mare sau mai mică.

Se calculează raportul punții A (relația (5)) și sensibilitatea S (relația (6)) pentru cele două situatii, A1-2, S1-2, A3-4, S3-4, pe baza valorilor măsurate a celor 4 rezistențe.

Anexa 1

Model de prezentare a raportului lucrării de laborator

Foaia de titlu fa avea structura:

UNIVERSITATEA TEHNICĂ DIN MOLDOVA

FACULTATEA CALCULATOARE, INFORMATICĂ ȘI MICROELECTRONICĂ

DEPARTAMENTUL MICROELECTRONICĂ ȘI INGINERIE BIOMEDICALĂ

Lucrarea de laborator nr. X

Titlul lucrării: XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

Executant: MOLDOVANU Ion

Student al grupei ABC- 001

Cadrul didactic: Numele Prenumele,

Gradul didactic, titlul științific

201X

Structura raportului:

Descrierea succintă a obiectivelor lucrării;

Prezentarea metodelor de atingere a lor, schemelor electrice de montaj aferente lucrării;

Tabele cu rezultate experimentale, fotografii în caz de necesitate ce reflect atingerea obiectivelor lucrării;

– Prezentarea graficelor experimentale, în caz de necesitate;

– Relațiile de calcul, cu evaluarea erorii relative și absolute;

– Alte informații pe care studentul le consideră importante;

Concluzii.

Notă: Volumul raportului nu va excede 4 pagini și va fi prezentat în format tipărit pe foi A4, șrift Time New Roman, 11(12) cu interval de 1,5.

Anexa 2

Marcarea aparatelor analogice de măsură în dependență de mechanism

Marcarea mecanismelor magnetoelectrice de măsură . În dreapta – logometru

Priorități:

1. Sensibilitate înaltă

2. Influență minima a câmpului magnetic extern (Intensitatea câmpului magnetic interior până la 0,5 Тesla).

3. Scara liniară și uniformă.

4. Consum de energie mic.

5. Cele mai precise mijloace de măsură la c.c. până la 0,1 %).

Neajunsuri:

1. Momentul de inerție mare a cadranului limitează măsurări exclusiv la c.c.

2. Dependența considerabilă a erorii de temperature mediului.

3. Elemente constructive relativ complicate.

4. Sensibilitate sporită la suprasarcini.

Marcarea mecanismelor electromagnetice de măsură. În dreapta – logometru

Priorități:

1. Exploatate în c.c și c.a.

2. Stabil la suprasarcini.

3. Constructiv – simplu.

Neajunsuri:

1. Scara neuniformă.

2. Indicații ce diferă (2-3%) la cc în regim de creștere și micșorare a valorii curentului, din cauza pierderilor de histereză.

3. Indicațiile scării la ca sunt mai mici, decît a scării la cc din cauza demagnetizării miezului, rezultat al curenților turbulenți la ca.

4. Influențe puternice a câmpului magnetic extern asupra mecanismelor – necesitatea unui ecran magnetic.

5. Consum relativ mare de energie.

6. Clasa aparatelor de la 0,5% mai sus.

Marcarea mecanismelor electrodinamice. Linia înreruptă indică ecranul magnetic. În dreapta – logometru

Priorități:

1. Indicații echivalente la c.c. și c.a. (în condiții de unire consecutivă a bobinelor interne).

2. Cele mai precise aparate de măsură la c.a.

3. Stabilitate în timp.

4. Scara cu multe limite (de la 1 mcА până la 10 А).

5. Posibilitatea de măsurări la frecvențe relativ înalte (până la 10 кHz).

Neajunsuri:

1. Sensibilitatea joasă.

2. Consum mare de energie.

3. Sensibilitate la suprasarcini.

4. Influența mare a câmpului magnetic extern.

Marcarea mecanismelor ferodinamice. Cercul continuu indică prezența miezului.

Priorități:

1. Dependență slabă de câmpul magnetic extern.

2. Consum redus de energie.

3. Moment de torsiune mare.

Neajunsuri:

1. Precizie joasă (mai joasă ca la aparatele electrodinamice).

2. Intervalul de frecvențe de lucru mai mic ca la aparatele electrodinamice (până la 1 кHz).

3. Constructiv – complicat.

Marcarea mecanismelor electrostatice

Priorități:

1. Măsurări ale tensiunii în c.c și c.a.

2. Consum redus de energie (în c.c este nul).

3. Influență slabă a temperaturii, frecvenșei, formei tensiunii, câmpului magnetic extern.

4. Măsurări la frecvențe înalte.

5. Măsurări la tensiuni înalte (sute de kV) fără rezistențe suplimentare și transformatoare.

Neajunsuri:

1. Moment de torsiune mic, ce permite măsurări de la valori de 10 V.

2. Sensibilitate micîa, de aceea se utilizeaza o scară cu spot luminous și mecanism suspendat.

3. Influență puternică a câmpurilor externe electrostatice, de aceea se utilizează ecranarea mecanismelor cu material nemagnetice.

4. Sensibilitatea înaltă la suprasarcini mecanice.

Caracteristicile măsurării digitale în comparație cu cea analogică

Măsurarea digitală are următoarele avantaje:

se elimină erorile subiective de citire;

aparatele digitale au, un general, o precizie superioară celor analogice;

există posibilitatea prelucrării, transmiterii la distanță și înregistrării informațiilor rezultate în procesul de măsurare, prin mijloace ale tehnicii de calcul.

Dezavantajele măsurării digitale sunt:

sunt fragmente care nu pot fi văzute;

plaja de valori este mai mica;

precizia nu este foarte bună.

Cadranul aparatului cu o scara gradate conține o serie de simboluri imprimate pentru informarea operatorului privind: unitatea de măsură a mărimii măsurate, principiului de funcționare, natura curentului, indicele clasei de exactitate (preciziei), poziția normală de funcționare, tensiunea de încercare dielectrică, ș.a.

Pentru a stabili clasa de precizie se definește eroarea raportată de indicație a aparatului:

εR = (ΔXi /Xn )100,

unde ΔXi = Xi – X este eroarea absolută de indicație a aparatului;

Xi = indicația aparatului etalon;

X= indicația aparatului de verificat;

Xn = indicația maximă a scării aparatului.

Anexa 3

Marcarea, identificarea nominalului rezistorilor

Rezistorul reprezintă o componentă electrică pasivă de tip dipol, realizată în scopul obținerii unei impedanțe rezistive cu o comportare cât mai apropiată de cea ideală într-o bandă de frecvență cât mai mare și concentrată într-un volum cât mai mic.

Cod alfa-numeric: Pe cele suficient de mari este inscripționată direct valoarea. Exemplu: 2R2, 200, 2K2, 1M0

Codul culorilor: este folosit pe rezistori cilindrici, valoarea nominală este dată de codificarea a 4,5,6 inele concentrice de diferite culori, primele 2-3 reprezintă cifrele semnificative ale numărului, următorul inel reprezintă ordinul și ultimul este toleranța. Citirea se începe de la partea opusă bandei argintii/aurii, primele inele (2 sau 3, depinde de variantă) reprezintă cifrele semnificative, penultima determină ordinul de mărime și ultima este toleranța (variația în care se încadrează rezistența față de valoarea nominală).

Anexa 4

Marcarea, identificarea nominalelor capacitorilor (condensatoarelor)

Condensatori sunt capabile să stocheze sarcini electrice. Acestea sunt utilizate pentru cuplarea semnale de curent alternativ de la un circuit la altul și pentru selecția de frecvență etc. Un condensator este format din 2 plăci metalice separate de un dielectric. Capacitatea este definită ca: C = Єo Єr A / d, unde A este suprafața plăcilor, d este distanța de separare dintre plăci, Єo este permitivitatea în vid și Єr este permitivitatea relative a materialului dintre plăcile metalice. Un parametru important pentru condensatori este capacitatea sa de stocare maximă a tensiunii până la străpungere. Valoarea unui condensator depinde de constanta dielectrică (K = Єo Єr.) a materialului. Există trei clase principale de condensatoare:

condensatoare normale (neelectrolitice),

(ii) condensatoare electrolitice și

(iii) condensatori variabili.

Condensatorii normali sunt în mare parte de tip placă paralelă și poate avea plasat între plăci mică, hârtie, ceramică sau polimer ca dielectric. În condensatori de hârtie două folii metalice dreptunghiulare sunt intercalate între foi subțiri de hârtie cerată și întregul sistem este rulat pentru a forma o structură compactă. Fiecare folie metalică este conectată la un electrod. În condensatoare mică straturi alternative de mică și metal sunt prinse strâns împreună. Consultați fig 3. În condensator electrolitic un film de metal, apoi oxid este depus prin electroliză pe electrod axial. Asta e modul în care aceasta derivă numele. In timpul electrolizei electrodul acționează ca anod al cărui catod este o cutie concentrică. Deoarece stratul dielectric este foarte subțire, prin urmare, acestea necesită precauții speciale pentru utilizarea lor: adică trebuie să conectate în dreapta în caz contrar ajungem la străpungerea condensatoarelor. Pe lângă aceste condensatori cu valoare fixă, sunt condensatori variabili a căror valoare depinde de gradul de intersecție a plăcilor. Ei au un set fix de plăci și un set de plăci mobile, care pot fi deplasate reciproc printr-un arbore. Această mișcare schimbă zona de suprapunere a celor două seturi de plăci care schimbă capacitatea sa.

Marcarea prin culori și coduri numerice. Pentru marcarea condensatoarelor polare (electrolitice) sunt alese diferite scheme de marcare. Coeficientul termic pentru condensatoarele electrolitice sunt fără mare imăortanță, dar poartă un rol important în condensatoarele ceramice utilizate în atenuare. De aceea sunt prezenta obligatoriu ka marcarea lor.

Condensatoare electrolitice: Sunt două designuri pentru condensatoarele electrolitice:

Axial- în care contactele sunt atașate la fiecare capăt (e.g. 220 µF în figura de mai jos) și

Radial- în care ambele contacte sunt de aceiași parte (10 µF în figura de mai jos).

(iii) Condensatoare nepolare ( < 1µF): Valori mici ale condensatorului sunt indicate dar fără multiplu (e.g. 0.1 înseamnă 0.1µF = 100nF) Uneori valoarea este plasată între două 2 digit ce indică și punct decimal de separare (e.g. 4n7 înseamnă 4.7nF).

Marcarea prin coduri numerice: Deseori este utilizată pe condensatoare de mici valori și dimensiuni pe care este dificil de desenat valorile. Primul număr este primul digit, al 2-lea număr – al 2-lea digit, al 3-lea număr – multiplul decimal la care trebuie înmulțit, pentru a obține capacitatea în pF. Alte litere indică toleranța și voltajul (e.g. 102 înseamnă 10 X 10 2 pF = 1nF și 472J înseamnă 4700pF = 4.7nF (J înseamnă 5% toleranță).

Marcarea prin culori: Uneori condensatoarele sunt marcate cu benzi color ca și rezistoarele de dimensiuni mici, pe care imprimarea valorilor este dificilă din cauza dimensiunilor condensatorului. Descifrarea codului color este similar ca și la rezistori: Primele 3 culori de sus indică valoarea în pF. A 4-a și 5-ea culori de sus sunt pentru indicarea toleranței și voltajului respectiv. e.g. cafenie, neagră, orange inseamnă 10000pF = 10nF = 0.01µF.

Mai jos prezentăm 2 serii E3, E6 definite pentru marcarea valorilor condensatoarelor.

Seria E3 (3 valori fiecare cu multiplu de x10) 10, 22, 47 însemnând 100, 220, 470, 1000, 2200, 4700, 10000 etc.

Seria E6 (6 valori fiecare cu multiplu x10) 10, 15, 22, 33, 47, 68, … însemnând 100, 150, 220, 330, 470, 680, 1000 etc.

Anexa 5

Marcarea, identificarea bobinelor (inductanțelor)

Bobina este un element pasiv de circuit care poate acumula energia сâmpului magnetic. În momentul în care un curent trece printr-un conductor el generează un câmp magnetic, însă efectul acestui câmp este neglijabil. Pentru a genera un câmp magnetic considerabil se înfășoară conductorul în jurul unui miez. Acesta poate fi aer, material feromagnetic etc. Inductanța este o component electronica formată de un număr de spire care pot fi plasate și pe un miez central (axial). Este utilizată pentru varierea impedanței a circuitului sau pentru ajustarea frecvenței. Valoarea inductanței depinde de numărul spirelor (N), secțiunea miezului central (A) și lungimea lui (l). Formula de calcul a inductanței este L = μo μr N2 A / l și se măsoară în unități Henry.

Marcare. Primele două cifre reprezintă valoare exprimată în μH. A treia cifră reprezintă multiplicatorul (10x) ex. 101 = 10*10μH = 100μH. Dacă exista un R atunci multiplicatorul este -1. ex 4R7 4.7μH.

Anexa 6.

Diodele

O diodă este un dispozitiv bazat pe o singură p-n joncțiune. Funcția principal fiind redresarea curentului alternative în current continuu. Există diode cu funcții specific de stabilizare, sau emitere a luminii (diode Zenner, LED-uri). O diodă simplă redresoare este de regulă plasată într-o carcasă neagră, iar diode Zenner – carcasă transparentă. Figura și marcarea lor sunt prezentate mai jos.

Alte diode pot fi construite din joncțiuni p-n a diferitor materiale, dar și din joncțiune ale semiconductorului de un tip cu metalul (diode Schottky). Dacă joncțiunea conține mmaterial semiconductor puternic dopat – este utilizat în diode Zenner, caracterizate cu tensiuni de străpungere foarte mici, spre deosebire de diodele simple a căror tensiune de străpungere depășeșstede cca 100V.

Caracteristicile principale ale diodei sunt: Tensiunea inversă maximă (Vbr), valoarea curentului direct (If) , tensiunea direct maximă (Vf) forma ambalajului (capsule).

Testarea diodei poate fi efectuată cu multimetru măsurând rezistențele în sens direct și indirect respective.

LED-urile sunt dispozitive cu p-n joncțiune care emit radiații luminoase atunci când sunt alimentate cu polarizare directă. Materialul semiconductor utilizat pentru aceste joncțiuni este un semiconductor compus, cum ar fi AlGaAs, a cărui valoarea benzii interzise (eV) corespunde unei lungimi de undă specifice, conform ecuației Eg = 1,24 / λ unde Eg este distanța de bandă în eV și λ este lungimea de undă în microni. (de exemplu, roșu ~ 0,7 μ, deci Eg corespunzător = 1,24 / 0,7 = 1,77 ev). Atunci când la joncțiunea p-n este aplicată polarizarea direct, electronii sunt excitați în banda de conducție și când cad în banda de valență, ei emit energie sub forma radiației corespunzătoare Eg a materialului. Led-urile sunt realizate din materiale semicondcutoare precum AlGaAs, GaAlP, GaAsP, GaP și GaN care emit culori roșu, verde, portocaliu, galben și albastru. Led-ul este amplasat într-o carcasă transparentă cum se arată în figura de mai jos. Led-urile de 2 culori sunt de asemenea disponibile în cazul în care două joncțiuni sunt încapsulate pe același cip. Are trei contacte, unde catodul este comun, în timp ce led-urile monocolor "au două contacte unul pentru catod și altul pentru anod. O precauție foarte importantă în timpul utilizării unui led este cantitatea de curent care trece prin el. Pentru majoritatea led-urilor, curentul maxim admisibil este de 20 mA peste care ledul poate fi străpuns ireversibil (arde). Prin urmare, în majoritatea circuitelor, un rezistor este folosit pentru a limita curentul ce trece prin Led.. Unele specificații importante înainte de utilizarea unui led sunt: ​​culoarea LED-ului, lungimea de undă de vârf, unghiul de vizualizare, ieșirea optică, intensitatea luminii, curentul direct și tensiunea directă.

Anexa 7

Orientarea, polaritatea componentelor electronice

Orientare. Polarizare

O serie de componente electronice montate pe placi au orientare.

Spunem ca o componenta are orientare, daca pe corpul ei găsim un semn distinctiv. Acest semn distinctiv poartă denumirea de CHEIE. Această cheie poate fi: o adâncitură, o linie, un punct, o teșitură, o proeminență. O astfel de componentă este montată corect pe placă dacă semnul de pe corpul componentei este în concordanță cu semnul de pe placă (vezi figura de mai jos).

Pe placă putem întâlni semne ca: *, +, -, A, etc. În cazul în care pe placă nu există astfel de semne care sa indice orientarea , ne conducem de schema de amplasare sau electronică.

Vom vorbi de polarizare la acele componente care au un terminal pozitiv și un terminal negativ. Toate componentele care au polarizare, implicit au și orientare. Exemple de componente care au polarizare: dioda, condensatorii polarizați.

Rețele de rezistori ce au orientare.

În cazul rețelelor de rezistori de tip DIL, la care se ține cont de orientare, pinul numărul 1 este cel din stânga jos, dacă se ține componenta cu scrisul citibil înspre operator – cheia în acest caz găsindu-se întotdeauna în partea stânga. Numerotarea celorlalți pini este în sens invers acelor de ceasornic, ca în figura de mai jos.

RN-THD – de tip DIL –

au orientare

Condensatorul si retele (grupuri) de condensatori. Rolul unui condensator în circuit este acela de a înmagazina sarcini electrice, pe care apoi, le returnează circuitului. Descărcarea condensatorului în timp este diferită, în functie de rezistenta circuitului din care face parte.

Capacitatea este cantitatea de sarcini electrice per volt stocată de un condensator. O capacitate de 1F este foarte mare și se atribuie capacității pământului. Condensatorul este caracterizat de o mărime fizică numită capacitate. Unitatea de măsură pentru capacitate este faradul (F).

Simbolul condensatorului în scheme este C, iar pentru rețele de condensatori întâlnim CN sau CP.

Există două mari grupe de condensatori:

· condensatori polarizați – au polarizare (implicit orientare);

· condensatori nepolarizați – nu au orientare.

Din categoria condensatorilor polarizați fac parte condensatorii electrolitici și condensatorii cu tantal. (imaginea din stânga) Condensatori cu tantal polarizati care nu se pot monta oricum pe placa. Întotdeauna au polaritate, iar pe corpul componentei este indicata tensiunea maxima de lucru.

Din categoria condensatorilor nepolarizați fac parte condensatorii de tip chip si condensatorii de tip molded.

Condensatorii ceramici pot sa aibă sau nu polarizare.

Un condensator polarizat este format din două armaturi, separate printr-un material izolator numit dielectric, fiecare dintre acestea fiind încărcate cu sarcini electrice. Condiția ca o componentă să aibă polarizare este aceea de a avea două părți, una încărcată cu sarcini electrice pozitive, iar cealaltă încărcată cu sarcini electrice negative.

Condensatori în capsula drum (tip toba) la care se tine cont de polarizare. Valoarea este indicata în microfarazi.

Bobina (inductorul). Rolul unei bobine în circuit este acela de a concentra câmp magnetic în jurul ei. Bobina este caracterizata de marimea fizica numita inductanta. Unitatea de masura pentru inductanta este henry (H).

Bobina este alcatuită dintr-un grup de spire, înfașurate în jurul unui miez feromagnetic (de tip cilindric sau toroidal). După cum se cunoaște sensul curentului electric care trece printr-o sârmă, determină sensul liniilor de câmp magnetic. De aceea este foarte important sensul de bobinaj. În funcție de acest lucru putem spune dacă acea bobină are sau nu orientare. Oricum o bobină care are priză (prize) intermediară (iar aceasta nu este mediană) are și orientare. În figura de mai jos exemplificăm această situație posibilă, unde capătul 3 este priza intermediară. Acest caz este întâlnit la transformatoare. Dupa cum se observă din figura alăturată, distanța dintre priza intermediară și capătul superior al bobinei este diferită în cele două situații. De aceea trebuie să ținem cont de orientare.

Bobina cu orientare Bobine pe miez toroidal. În cazuri când

au prize intermediară – se tine cont de orientare

Dioda – conduce curentul electric într-un singur sens, motiv pentru care se ține cont de polarizare (are un terminal încărcat cu sarcini electrice pozitive și unul încărcat cu sarcini electrice negative). Spre deosebire de alte componente, marcarea polarității se face pentru terminalul negativ (catod). O diodă conectată în sens invers se comportă ca un circuit deschis. Formele constructive în care pot să apară acestea sunt foarte variate, atât în construcție de tip THD cât și de tip SMD.

Dioda marcată cu 1N, de tip axial, Dioda de tip LED. Pot fi atât de tip.

la care se ține cont de polarizare. THD cât si de tip SMD

Face parte din categoria

componentelor de tip THD.

Tranzistorul – componentă semiconductoare, fără unitate de măsură. Are 3 sau mai multe terminale, în acest din urmă caz doar 3 având rol funcțional, celelalte având rol de disipare a căldurii. Denumirea terminalelor funcționale este baza, emitor și colector. În cazul tranzistorului este obligatoriu să se țină cont de orientare (identificare a terminalelor).

Circuitul integrat – componentă electronică care conține o multitudine de componente electronice mai simple (rezistori, condensatori, tranzistori, etc.) cuprinse în aceeași capsulă. În cazul unui circuit integrat se tine cont de orientare, aceasta indicând pinul numarul 1, ceilalti pini numerotându-se în sens invers acelor de ceasornic.

Cristalul – componenta electronică cu rol de oscilație. Acestă creeaza frecvența de oscilatie care controlează temporizarea în echipamentele electronice. Există mai multe forme constructive de cristale: axial, radial, cu două sau mai multe terminale, forma și dimensiunile componentei variind în funcție de aplicație și de tipul plăcii. În cazul cristalului cu mai mult de 2 terminale se ține cont de orientare, la cele cu 2 terminale neținându-se cont.

Conectorul – componenta care face legatura între 2 circuite. În unele cazuri (de cele mai multe ori) se ține cont de orientare, iar în altele – nu. De cele mai multe ori forma conectorului indică orientarea corectă a acestuia, nefiind posibilă montarea lor în mod gresâșit. Cheia (semnul orientării) poate fi o tăietura pe un colț, o fantă pe o latură, un număr (numărul 1), acesta indicând pinul numărul 1. Exista conectori de tip mama și respectiv de tip tata. De obicei conectorii de tip mama sunt fixați într-un circuit alimentat, iar conectorii de tip tata se leagă la un circuit nealimentat.

Pentru a ușura identificare componentelor electronice și respectiv marcarea și orientarea lor în table este prezentată marcarea uzuală a mai multor componente.

Anexa 8

SI al unităților fundamentale de măsură

Unitățile derivate sunt date de expresii algebrice formate prin înmulțirea și împărțirea unităților fundamentale. Numărul acestor unități folosite în știință este nelimitat, așa că în tabelul următor se prezintă câteva exemple de astfel de unități.

Exemple de unități SI derivate

Unități SI derivate cu denumiri speciale

Anexa 9

Reguli privind formarea, scrierea denumirii, simbolurilor unităților de măsură, inclusive cu

multipli zecimali, fracții, denumirea acestora și prefixele

Scrierea denumirilor unităților de măsură.

Unitățile de măsură au ca denumire termeni adoptați sau derivând de la numele unor savanâi. Denumirile unităților sunt din punct de vedere al gramaticii, substantive comune (excepție fiind unitatea 1 (unu) a mărimilor adimensionale). Astfel la scrierea denumirilor se aplică regulile gramaticale ale limbii române. Ele se scriu cu minuscule (exceptând unitatea de temperatură Celsius, grad Celsius).

Pluralul denumirilor simple ale unităților de măsură se formează conform regulilor gramaticale ale limbii române: metru – metri, hertz – hertzi, lux – lucși, grad Celsius – grade Celsius. Excepție sunt denumirile tesla, henry, gray, ale căror denumiri nu se schimbă la plural.

Pluralul denumirilor derivate compuse ale unităților de măsură, exprimate printrun produs a două sau mai multe unități, se formează prin scrierea pluralului numai a primei unități de măsură: newton metru – newtoni metru. Exemplu este numai termenul deja uzual ampermetru – ampermetri.

Pluralul denumirilor derivate compuse, exprimate printrun cât de unități, se formează pentru unitatea de la numărător (cu excepția unităților de măsură de forma unu pe…care nu se schimbă la plural). Exemple: metru pe secundă – metri pe secundă, joule pe kilogram – jouli pe kilogram, dar unu pe metru – unu pe metru.

Scrierea simbolurilor unităților de măsură.

La scrierea valorii mărimii se recomandp să se utilizeze simbolul acestea, dar nu denumirea unității de măsură.

Simbolurile unităților fundamentale și derivate cu denumiri speciale sunt constituite din una sau mai multe litere majuscule și/sau minuscule ale alfabetului latin sau grec, de obicei inițiale sau două litere din denumirea unității: (amper (A) pentru curent electric, siemens (S) pentru conductanță și admitanță, hertz (Hz) pentru frecvență, weber (W) pentru flux magnetic, etc.).

Simbolurile se scriu cu litere minuscule, în afara unităților cu denumire ce derivă din nume proprii, când prima literă este majusculă. Pentru evitarea confuziilor din text, este recomandabil să se scrie simbolul litrului cu majusculă (L), dar nu cu (l).

Dacă nu respectăm cerințele de ortografiere a simbolurilor mărimilor pot fi produse confuzii. De exemplu, dacă scriem simbolul pentru siemens cu minusculă (s), dar nu cu majusculă (S), confundăm cu simbolul secundei (s).

Notă: Simbolurile, spre deosebire de denumirile unităților de măsură, se scriu la fel în toate limbile.

Notă: Simbolul cantității de substanță (mol) este identic cu denumirea unității de măsură (mol).

Notă: Simbolurile unităților de măsură la forma plurală nu se schimbă. Astfel se scrie 10 bar, dar nu 10 bari.

Notă: Simbolurile nu sunt urmate de niciun fel de semn de punctuație, dacă nu face parte din punctuația textului.

Notă: Pentru simbolurile mărimilor fizice respectăm recomnadările internaționale ale ISO (seria ISO 31-1:1992…ISO 31-13:1992, sau cele naționale echivalente cu standardele ISO corepunzătoare.

Reguli de tipărire.

Simbolurile se tipăresc după cum urmează:

Pentru unități și prefixe: roman (drept),

Pentru mărimi scalare și pentru mărimi variabile: italic (cursiv),

Pentru mărimi vectoriale: italic-bold (cursiv-aldin),

Pentru mărimi tensoriale: la fel, dar cu un caracter fără serif (ex Microsoft Sans Serif).

Multipli zecimali și fracțiile, precum și denumirea acestora se înscriu folosind factorii sau prefixele respective.

Aplicarea către denumirea unității a două sau mai multe prefixe nu se admite. Ca exemplu, nu se admite scrierea micromicrofarad, dar se va scrie picofarad.

Notă: În legătură cu faptul că pentru masă ca unitate de bază este folosit kilogramul, care deja conține prefixul "kilo", pentru înregistrarea unităților cu multipli zecimali sau fracții se va lua de bază unitatea, fracție a acesteia – gram (0,001kg) și prefixele se vor atribui acesteia (exemplu; microgram μgr., nanogram – ngr.). Unitatea – fracție "gram" se admite de a fi scrisă fără prefix.

Prefixul și denumirea acestuia se va scrie împreună cu denumirea unității cărei este atribuită.

Pentru unitățile derivată din relații ale două sau mai multe alte unități, prefixul se va atribui primei unități componentă a relației. Ca exemplu: kPa·s/m și nici de cum Pa·ks/m.

Excepție din regulă fac doar cazuri speciale, motivate, când aceste unități au o aplicare răspândită și transferul către unitățile de bază prezintă dificultate. Ca exemplu: t·m, W/cm2, V/cm, A/mm2.

Prefixe SI

Anexa 10

Exemple de figuri Lissajous

Anexa 11

Clasificarea mărimilor măsurabile

după modul de variație în timp:

• mărimi constante – mărimile invariabile în timpul măsurării; timpul de măsurare depinde în principal de timpul de răspuns al mijlocului de măsurare și de durata necesară transmiterii informației de măsurare;

•marimi variabile – stationare – periodice – sinusoidale;

– nesinusoidale.

– neperiodice (aleatoare)

nestationare.

mărimi staționare – mărimi variabile ale căror valori, efective, de vârf sau medii, sunt constante în timp;

după existența operațiilor de însumare și multiplicare cu un factor:

•mărimi aditive, la care aceste operații au sens fizic. De exemplu, se poate vorbi de suma unor lungimi, mase, intensități ale curenților electrici ce converg într-un nod etc.

•mărimi neaditive, la care operațiile de însumare și de multiplicare cu un factor nu au, în general, un sens fizic. De exemplu, nu are sens să se vorbească de suma a două temperaturi, a doi factori pH etc.

după categorii:

•mărimi fundamentale;

•mărimi derivate.

Studiul mărimilor și al utilizării lor conduce la atașarea fiecăreia a unei dimensiuni;

Fiecărei mărimi i se atribuie o dimensiune, proprie numai ei, și care se simbolizează printr-o literă:

L – lungime, M – masă, T – timp, I – intensitatea curentului electric etc.

Dimensiunea oricărei mărimi derivate are următoarea formă generală: dim X = LaMbTcIdθeNfJg,

unde a,b….g sunt exponenți dimensionali.

Exemple: tensiunea electrică U: dim U = L2MT-3I-1; energia W: dim W = L2MT-2

Condițiile pentru unități de măsură.

Practica a arătat că un sistem de unități de măsură trebuie să îndeplinească următoarele condiții:

• să fie general, aplicabil în toate capitolele fizicii;

• să fie coerent și să nu introducă coeficienți numerici suplimentari în ecuațiile fizicii;

• să fie practic, ordinele de mărime ale unităților din sistem fiind comparabile cu valorile uzuale din activitatea umană.

Modalitatea definirii unității fundamentale de măsură.

• pe bază de prototipuri,

• pe bază de proprietăți macroscopice ale unor material

• pe bază de proprietăți atomice, cu tendința de creștere a numărului de unități definite atomic.

Anexa 12

Tehnologia lipiturilor manuale a cablajelor și componentelor electronice

Lipirea este procesul tehnologic de fixare a componentelor electronice și a conductoarelor de conexiuni pe reglete, conectoare, cablaje imprimate, plăci de montaj etc. cu un aliaj de lipit, care se topește la o temperatură mai coborâtă decât metalele îmbinate.

Instrumente și materiale utilizate în tehnologia lipiturilor

Ciocanul sau pistolul de lipit servește la topirea aliajului de lipit și la executarea lipiturilor propriu-zise.

Ciocanele de lipit există în mai multe variante și dimensiuni. Ciocanul de lipit trebuie să fie adecvat pentru lucrările la care urmează să fie folosit. Pentru aplicațiile electronice aveți nevoie de un ciocan de lipit cu vârf mic de lipire și putere redusă. Cele două cerințe sunt necesare pentru a vă asigura că veți lipi bine componentele mici și că nu le veți supraîncălzi.

Ciocane de lipit de putere mică – au puterea absorbită de cca. 8 – 25 W. Ele sunt potrivite pentru lipirea componentelor electronice sensibile. Acest tip de ciocan de lipit este potrivit pentru lipirea în locuri mici.

Ciocane de lipit de putere medie (universale) – sunt ceva mai mari, cu puterea absorbită de cca 20 – 40 W. Ele sunt adecvate în special pentru aplicații hobby și casnice. De asemenea acest tip de ciocan de lipit este adecvat pentru domeniul electronicii. Ele sunt de asemenea prima alegere dacă doriți să asamblați kituri electronice simple până la medii.

Ciocane de lipit de putere mare (standard) –cu puterea absorbită de cca. 50 – 150 W și sunt prea mari pentru aplicațiile electronice tip hobby sau și casnice. Aceste ciocane au un vârf de lipire în unghi drept. Din cauza dimensiunilor mari și cantității impresionante de căldură eliberată ele nu sunt adecvate pentru lucrările de lipire fine. De aceea aceste ciocane nu sunt adecvate pentru lipirea circuitelor electronice.

Stații de lipit – sunt concepute pentru utilizare staționară într-un atelier. Ele sunt alcătuite dintr-un ciocan de lipit și o unitate de control care permite setarea temperaturii de lipire în intervalul 150 – 450 °C. Este vorba despre ciocane de lipit mici optimizate pentru utilizare în electronică. De aceea stațiile de lipit pot fi găsite de obicei în dotarea electroniștilor profesioniști.

Puterea electrică a ciocanului de lipit depinde de gabaritul pieselor și de mărimea secțiunii conductoarelor. În cazul cablajelor imprimate se recomandă utilizarea unui ciocan de lipit de 15…35 W, cu vârful subțire, care permite atingerea locurilor greu accesibile.

Ciocanul încălzit se păstrează pe un suport metalic. Priza de alimentare și ciocanul se amplasează în partea dreaptă a operatorului pentru a evita căderea ciocanului de lipit sau a pistolului în timpul lucrului.

b) Decapantul servește la înlăturarea oxizilor și curățirea suprafețelor metalice înainte de lipire. Decapantul uzual este colofoniul în stare solidă. Lipiturile în locurile greu accesibile se execută folosind colofoniu lichid.

c) Aliajul de lipit cel mai utilizat este “fludorul”, care este o sârmă tubulară din aliaj de lipit, combinată cu colofoniu. Aliajul de lipit Lp60 conține 60% cositor (staniu) și 40% plumb, având temperatura de topire de 190C.

d) Alte instrumente necesare lipirii sunt: penseta, cuțitul, cleștele lat, cleștele rotund, cleștele de tăiat.

Operații pregătitoare la lipire

a) Curățirea vârfului ciocanului de lipit

Înainte de a efectua conexiunile, vârful ciocanului de lipit, în stare rece, trebuie curățit la suprafață prin pilire până devine lucios. La fel se procedează cu vârful pistolului de lipit, utilizând în acest scop cuțitul, dacă vârful se umple de o zgură neagră. Apoi se conectează ciocanul de lipit la rețeaua de tensiune. Starea de încălzire a vârfului se testează topind o bucată de aliaj. Temperatura vârfului este bună dacă acesta se acoperă cu aliaj strălucitor. Înainte de a lua aliaj de lipit pe vârful ciocanului sau pistolului de lipit, acesta se introduce în colofoniu (se topește un pic din colofoniul solid.

Atenție! O cantitate prea mare de colofoniu creează o zgură neagră care împiedică executarea corectă a lipiturilor).

Periodic, în timpul lucrului, se verifică starea vârfului la ciocanul sau pistolul de lipit și se recondiționează.

b) Pregătirea terminalelor pentru lipire

Înainte de a lipi componentele electronice, terminalele acestora se cositoresc, în scopul reducerii duratei procesului de lipire și pentru a proteja suprafețele lor împotriva oxidării. Terminalele se curăță cu ajutorul cuțitului prin mișcări de translație ale lamei și prin rotirea piesei. În faza următoare se așează terminalul pe colofoniu.

Decaparea în colofoniu se realizează la contactul cu vârful încălzit. Apoi se topește o bucată de aliaj, iar în masa topită se introduce terminalul decapat. Se rotește piesa și cu ajutorul ciocanului de lipit se realizează acoperirea uniformă cu un strat de cositor a întregii suprafețe a terminalului. Nu se cositoresc terminalele pe o lungime de aproximativ 10 mm, situată în vecinătatea corpului piesei.

Cu ajutorul cleștelui lat sau a pensetei, se prinde terminalul din vecinătatea corpului piesei, realizându-se un șunt termic. Se evită astfel supraîncălzirea piesei.

Cositorirea terminalului trebuie realizată într-un timp minim pentru a se evita distrugerea prin încălzire a componentelor (mai ales în cazul în care nu se poate folosi penseta ca șunt termic).

Procesul de lipire

Lipirea componentelor electronice trebuie să fie precedată de “formarea” terminalelor prin îndoire cu cleștele rotund. Apoi terminalele se introduc în găurile cablajului imprimat. Capetele componentelor pasive se taie astfel încât terminalele rămase să depășească cu 2…3 mm suprafața plăcii. Terminalele componentelor active se taie după efectuarea lipirii. Penseta se utilizează ca șunt termic pentru a proteja termic diodele, tranzistoarele, tiristoarele etc. în timpul lipirii.

Procesul de lipire comportă mai multe operații:

preluarea pe vârful ciocanului (pistolului de lipit) a cantității minime de aliaj pentru efectuarea unei lipituri (dozarea cantității minime de aliaj se poate atinge odată cu stăpânirea “artei de a lipi”);

vârful ciocanului (pistolului), cu picătura de aliaj la capăt se introduce în colofoniu pentru decapare; apoi vârful se aplică pe suprafața componentelor care urmează a fi îmbinate, în vederea încălzirii și lipirii.

Piesele metalice trebuie încălzite în zona îmbinării până la temperatura de topire a aliajului de lipit.

Distribuția aliajului lichid pe suprafețele care se îmbină trebuie să fie cât mai uniformă.

Lipirea corectă presupune o difuzie a aliajului de lipit în masa metalică a componentelor care se îmbină.

răcirea naturală și cristalizarea aliajului de lipit. După îndepărtarea ciocanului de lipit, nu se admite mișcarea piesei, până la cristalizarea perfectă a aliajului.

Recomandări privind procesul lipirii

durata lipirii nu trebuie să depășească 5 secunde (uzual 2…5 secunde) la dispozitivele semiconductoare și condensatoarele electrolitice;

în timpul lipirii componentele (terminalele pieselor) se țin cu penseta sau cleștele lat;

componentele nu trebuie să fie mișcate până la răcirea îmbinării, spre a evita fisurile în lipitură;

temperatura lipirii este un factor important pentru realizarea unei îmbinări de calitate.

Dintre defectele care apar la lipirea cu ciocanul frecvente sunt:

lipiturile „reci” – suprafețele sunt acoperite cu aliaj de lipit dar nu s-a realizat contact intim între materiale de bază și aliaj; cauzele sunt: suprafețele insuficient încălzite și/sau curățate; obișnuit, în aceste cazuri unghiurile de lipire sunt peste 70 – 90ș;

lipituri „arse” – suprafețele sunt acoperite cu aliaj, dar între aliaj și suprafețe există straturi de oxizi. Cauza constă în supraîncălzire (temperatură prea mare sau durată prea mare a încălzirii). Obișnuit,

în aceste cazuri suprafața aliajului nu este netedă, în jurul lipiturii și în aliaj se observă impurități cu aspect clar diferit de al fluxului local – apropiat;

lipituri „crăpate” – în timpul solidificării aliajului, piesele au fost deplasate și aliajul are crăpături, de regulă vizibile;

lipituri cu lipsă de aliaj – lipirea este realizată, dar cantitatea de aliaj este prea mică și în consecință rezistența mecanică a contactului este redusă;

lipituri cu exces de aliaj – lipirea este realizată, dar aliajul este în exces și terminalele nu se pot tăia la lungimea necesară, lipiturile se „rup” ușor, se produc scurtcircuite;

lipituri cu scurtcircuit, datorate contactului nedorit al vârfului cu suprafețe conductoare apropiate sau, în cazul excesului de aliaj, formării unor „stalactite” sau „fire”, adesea aproape invizibile, din aliaj la îndepărtarea ciocanului.

O lipitură corectă este reprezentată în fig. a.

În această situație, aliajul de lipit face contact de bună calitate atât cu folia metalică (cupru) a circuitului imprimat, cât și cu terminalul componentei asamblate prin lipire.

Dacă din anumite motive, una sau mai multe dintre condițiile impuse lipiturii n-au fost îndeplinite, se ajunge la cazurile din fig. b, în care este reprezentată situația în care apar zone de contact imperfect, marcate cu “!”, în special pe suprafața de contact a aliajului de lipit cu terminalul.

Finisarea lipiturii. Se verifică circuitul asamblat dacă funcționează. După aceasta se îndepărtează excesul de terminal. Nu se taie marginea lipiturii împănate cu aliaj. Se lasă un mic spațiu liber astfel încât aliajul să nu fie separat de terminal de către șocul forțelor care apar în timpul tăierii.

Aspecte tehnologice privind pregătirea componentelor pentru lipire și poziționarea lor pe cablajul imprimat

în scopul asigurării unei bune umectări de către aliajul de lipit topit, impuritățile grosiere (murdărie, grăsimi etc.) trebuie înlăturate de pe suprafețele de lipire înainte de procesul de lipire. O atenție aparte trebuie acordată unei bune curățiri a suprafețelor de cupru ale cablajului;

îmbunătățirea sudabilității prin cositorirea bornelor de conectare a unor componente (în general cele pasive, mai rezistente la șoc termic) și a suprafeței de cupru a cablajului;

suprafețele altor piese (prize de contact) pe care se efectuează lipirea conexiunilor se pregătesc prin cositorire sau argintare, după ce în prealabil au fost degresate și decapate;

este recomandabil ca dispunerea componentelor pe placa de cablaj să fie cât mai ordonată, ceea ce facilitează montarea, lipirea și depanarea și permite controlul influențelor electrice reciproce. Componentele cu montare axială trebuie dispuse în rânduri ordonate, având – pe cât posibil aceeași orientare și aceeași dimensiune de montare. Componentele polarizate (diode, condensatoare electrolitice ș.a.) trebuie ordonate avându-se în vedere direcția de polarizare;

componentele active sau pasive, cu gabarit mic sau mijlociu se pot fixa direct pe cablaj, fie prin implantarea terminalelor componentelor în găuri (modul de fixare utilizat în majoritatea cazurilor) fie prin așezarea terminalelor direct pe contactele de lipire (CI cu capsulă de tip flat-pack sau dispozitivele de tip SMD);

componentele mai voluminoase sau mai grele (condensatoare electrolitice, transformatoare, radiatoare etc.) trebuie fixate corespunzător pe cablaj, de obicei cu ajutorul unor dispozitive mecanice de susținere (socluri, coliere de strângere, șuruburi și piulițe ș.a.);

echiparea cu componente a plăcilor de cablaj imprimat necesită o operație anterioară de pregătire sau formare a componentelor, prin aducerea terminalelor acestora la forma cea mai avantajoasă pentru echipare și contactare (fig. 3):

componentele trebuie formate astfel încât marcajul să fie dispus în sus, ceea ce permite ca ele să poată fi identificate cu ușurință dacă placa este privită perpendicular spre fața de dispunere a componentelor;

trebuie avut grijă ca raza de îndoire a terminalelor componentelor să nu fie prea mică (sub 1,5 mm) iar această operație să nu se efectueze prea brusc, pentru a nu afecta integritatea terminalelor;

în scopul reducerii solicitării termice a componentelor în procesul de lipire dar și în timpul funcționării montajului, se recomandă acele moduri de formare și montare care asigură o distanță suficientă a componentei față de placă și o lungime suficientă a terminalelor (de exemplu diodele redresoare, de comutație și Zener cilindrice evacuează căldura prin terminale și din această cauză trebuie să fie formate cu terminale mai lungi);

pe cât posibil se preferă montarea orizontală a componentelor cu terminale axiale; doar în cazuri speciale (din considerente de spațiu disponibil foarte mic) se pot monta aceste componente și vertical;

Aspecte tehnologice privind pregătirea componentelor pentru lipire și poziționarea lor pe cablajul imprimat

în scopul asigurării unei bune umectări de către aliajul de lipit topit, impuritățile grosiere (murdărie, grăsimi etc.) trebuie înlăturate de pe suprafețele de lipire înainte de procesul de lipire. O atenție aparte trebuie acordată unei bune curățiri a suprafețelor de cupru ale cablajului;

îmbunătățirea sudabilității prin cositorirea bornelor de conectare a unor componente (în general cele pasive, mai rezistente la șoc termic) și a suprafeței de cupru a cablajului;

suprafețele altor piese (prize de contact) pe care se efectuează lipirea conexiunilor se pregătesc prin cositorire sau argintare, după ce în prealabil au fost degresate și decapate;

este recomandabil ca dispunerea componentelor pe placa de cablaj să fie cât mai ordonată, ceea ce facilitează montarea, lipirea și depanarea și permite controlul influențelor electrice reciproce. Componentele cu montare axială trebuie dispuse în rânduri ordonate, având – pe cât posibil aceeași orientare și aceeași dimensiune de montare. Componentele polarizate (diode, condensatoare electrolitice ș.a.) trebuie ordonate avându-se în vedere direcția de polarizare;

componentele active sau pasive, cu gabarit mic sau mijlociu se pot fixa direct pe cablaj, fie prin implantarea terminalelor componentelor în găuri (modul de fixare utilizat în majoritatea cazurilor) fie prin așezarea terminalelor direct pe contactele de lipire (CI cu capsulă de tip flat-pack sau dispozitivele de tip SMD);

componentele mai voluminoase sau mai grele (condensatoare electrolitice, transformatoare, radiatoare etc.) trebuie fixate corespunzător pe cablaj, de obicei cu ajutorul unor dispozitive mecanice de susținere (socluri, coliere de strângere, șuruburi și piulițe ș.a.);

echiparea cu componente a plăcilor de cablaj imprimat necesită o operație anterioară de pregătire sau formare a componentelor, prin aducerea terminalelor acestora la forma cea mai avantajoasă pentru echipare și contactare (fig.):

Fig. Exemple de montare prin inserție a componentelor cu terminale axiale

componentele trebuie formate astfel încât marcajul să fie dispus în sus, ceea ce permite ca ele să poată fi identificate cu ușurință dacă placa este privită perpendicular spre fața de dispunere a componentelor;

trebuie avut grijă ca raza de îndoire a terminalelor componentelor să nu fie prea mică (sub 1,5 mm) iar această operație să nu se efectueze prea brusc, pentru a nu afecta integritatea terminalelor;

în scopul reducerii solicitării termice a componentelor în procesul de lipire dar și în timpul funcționării montajului, se recomandă acele moduri de formare și montare care asigură o distanță suficientă a componentei față de placă și o lungime suficientă a terminalelor (e.g. diodele redresoare, de comutație,

Zener cilindrice evacuează căldura prin terminale și din această cauză trebuie să fie formate cu terminale mai lungi);

pe cât posibil se preferă montarea orizontală a componentelor cu terminale axiale;doar în cazuri speciale (din considerente de spațiu disponibil foarte mic) se pot monta aceste componente și vertical.

Literatura consultată

1. David Valeriu. Măsurări electrice, Curs, partea I, Domeniul inginerie electrică, Facultatea de electrotehnică, Universitatea Tehnică “Gh. Asachi”, Iași, 2009.

2. Anca Gheorghiu, Ion Spânulescu, Măsurări electrice, București, 2002.

3. Marin Sărăcin, Cristina Gabriela Sărăcin, Măsurări electronice și sisteme de măsurare, București, 2003.

4. Mihai Miron, Liliana Miron. Masurari electrice si electronice. Ed. Academiei Fortelor Aeriene „Henri Coanda”, Brasov, 2003.

5. А.С.Волегов и др. Электронные средства измерений физических величин. Екатеринбург, Издательство Уральского университета 2014.

6. Gheorghiu, T., Tănăsescu, M., Măsurări tehnice, Editura Aramis Print, București, 2005.

7. Г.Я. Мирский. Электронные измерения. М., Радио и связь. 1986.

8. https://dokumen.tips/documents/catalog-arc-brasov-2011-2012.html

9. Constantin Lerescu. Măsurări electrice, Colegiul Tehnic de Comunicații „Nicolae Vasilescu-Karpen” Bacău, 2009

10. http://www.rasfoiesc.com/educatie/fizica/OSCILOSCOPUL-CONSTRUCTIE-FUNCT65.php