POMIARY OSCYLOSKOPOWE 51

POMIARY OSCYLOSKOPOWE
51
I. WSTĘP
Oscyloskop jest przyrządem służącym do obserwacji, rejestracji i pomiaru napięć elektrycznych
zmieniających się w czasie. Schemat blokowy tego urządzenia pokazano na Rys. 1.
1
2
A
3
B
4
5
X
Rys. 1. 1- Lampa oscyloskopowa, 2 – wzmacniacz odchylania pionowego (kanał A), 3 - wzmacniacz odchylania pionowego (kanał B),
4 − wzmacniacz odchylania poziomego, 5 − generator podstawy czasu.
Głównym jego elementem jest próżniowa lampa oscyloskopowa (1), w której wiązka elektronów
biegnąca od katody do ekranu luminescencyjnego (prostopadle do płaszczyzny rysunku), jest po drodze
odchylana przez pole elektryczne wytwarzane przez dwie pary płytek (kondensatorów próżniowych),
ustawionych prostopadle względem siebie. Jedna para płytek powoduje odchylanie wiązki w kierunku
pionowym, a druga w poziomym. Jeśli do każdej pary płytek przyłożymy różne wartości napięć,
to plamka przesunie się na ekranie w położenie, odpowiadające dokładnie tym wartościom.
Jest to szczególnie cenne dla obserwacji napięć zmieniających się w czasie. Aby zobaczyć na ekranie
kształt badanego napięcia UB(t), przykładamy je do płytek odchylania pionowego (oś Y), a do płytek
odchylania poziomego (oś X) przykładamy napięcie UX, narastające w sposób proporcjonalny do czasu.
Ponieważ do zauważalnego odchylenia wiązki elektronów w lampie oscyloskopowej niezbędne są duże
napięcia (ponad 100 V), to do obserwacji słabszych sygnałów stosuje się wzmacniacze elektroniczne
(2, 3, 4), które dopasowują wielkość badanego sygnału do czułości płytek. Oscyloskop stosowany w tym
ćwiczeniu posiada dwa niezależne wzmacniacze odchylania pionowego (kanały A i B), pozwalające
porównać dwa badane przebiegi napięciowe, lub obserwować charakterystyki prądowo napięciowe
elementów obwodu elektrycznego. Aby umożliwić obserwację napięć zmieniających się periodycznie
w czasie, wykorzystuje się tzw. generator podstawy czasu (5), który wytwarza napięcie o kształcie zębów
piły, pokazane na Rys. 1. Uzyskanie na ekranie nieruchomego obrazu napięcia zmiennego, wymaga
zastosowania tzw. synchronizacji, czyli automatycznego dostrajania częstości generatora podstawy czasu
do częstości badanego napięcia.
2
II. POMIARY
Prawidłowe ustawienia elementów sterujących oscyloskopu
A. Do obserwacji napięcia 50 Hz, z wykorzystaniem generatora podstawy czasu
Przełącznik kanałów: wciśnięty przycisk „CH1”. Wtyk koncentryczny włożony w gniazdo (wejście) „A”.
Przełącznik czułości wzmacniacza PA w pozycji 1 V/div, (czyli 1 wolt na działkę skali narysowanej
na ekranie lampy). Przełącznik suwakowy wzmacniacza kanału A ustawiony w położeniu AC.
Przełącznik generatora podstawy czasu PG: w pozycji 10 lub 20 ms/div (milisekund na działkę skali).
Rys.2. Płyta czołowa oscyloskopu. W - włącznik sieciowy, J - jasność obrazu, O - ostrość obrazu,
PA- przełącznik czułości wzmacniacza kanału A, PB- przełącznik czułości wzmacniacza kanału B,
A- wejście(gniazdo)A, B- wejście (gniazdo)B, PG- przełącznik generatora podstawy czasu.
B. Do obserwacji charakterystyk prądowo napięciowych.
Przełącznik kanałów: wciśnięty przycisk „CH1” i „CH2”.
Wtyki koncentryczne włożone w gniazda „A” i „B”.
Przełączniki czułości wzmacniaczy PA i PB w pozycji 1V/div. Przełącznik suwakowy wzmacniacza
kanału A i B ustawić w położeniu DC.
Przełącznik podstawy czasu PG: w pozycji „X-Y”.
Jasność obrazu uregulować pokrętłem „jasność” J.
3
1. Sprawdzenie kalibracji podziałki na ekranie oscyloskopu
Zmontować układ wg Rys. 3. Gałkę autotransformatora ustawić na zero. Wyjście Y transformatora
bezpieczeństwa połączyć kablem koncentrycznym z wejściem A ( INPUT 1) oscyloskopu, a wyjście Z
z jego masą (obudową) poprzez ten sam kabel koncentryczny. Przełącznik czułości wzmacniacza PA osi
Y (odchylania pionowego) ustawić tak, by przy napięciu zasilania (ok. 150 V na autotransformatorze)
wysokość obrazu osiągała prawie całą wysokości ekranu. Przełącznik zakresów generatora podstawy
czasu ustawić tak, aby na ekranie widać było jeden lub dwa pełne okresy sinusoidy napięcia zmiennego.
Stopniowo zwiększając napięcie zaobserwować
Y
pojawienie się sinusoidy na ekranie Zanotować
te wartości napięć wskazywanych przez woltomierz,
przy których wierzchołek sinusoidy, czyli wartość
220
szczytowa napięcia osiąga poziom kolejnej podziałki
V~
V~
na ekranie. Odczytać czas trwania jednego okresu
sinusoidy (mnożąc ilość działek odpowiadających
okresowi jednej sinusoidy przez przelicznik
Z
wskazywany przez przełącznik generatora podstawy
TRANSF. BEZPIEAUTOTRANSczasu.
CZEŃSTWA 24 V
FORMATOR
Rys. 3
2. Obserwacja napięcia przemiennego po prostowaniu dwupołówkowym.
Zmontować układ wg Rys. 4. Przełącznik czułości wzmacniacza PA osi Y (odchylania pionowego)
ustawić w sposób analogiczny, jak w punkcie 1. Przy napięciu autotransformatora ustawionym
na ok.150 V, zaobserwować na oscyloskopie przebiegi czasowe prądu wyprostowanego dwukierunkowo
przez układ czterech diod, zwany mostkiem Gretza. Zanotować wartości kilku napięć i odpowiadających
im momentów czasu na obserwowanym na ekranie przebiegu. Odczytać możliwie dokładnie wartość
szczytową napięcia i okres przebiegu.
X
DIODA
R
220
V~
AUTOTRANSFORMATOR
TRANSF. BEZPIECZEŃSTWA 24 V
Rys. 4
Y
220
Y V
~
Z
AUTOTRANSFORMATOR
R
TRANSF. BEZPIECZEŃSTWA 24 V
Z
Rys. 5
3. Obserwacja kształtu napięcia przemiennego po przejściu przez diodę prostującą.
Zmontować układ wg Rys. 5. Punkt Y połączyć kablem koncentrycznym z wejściem A
wzmacniacza odchylania pionowego, a punkt Z z masą oscyloskopu. Punktu X nie łączyć.
Wartość napięcia zmiennego na skali autotransformatora powinna być ustawiona na ok. 150 V.
Zaobserwować na oscyloskopie przebiegi czasowe prądu wyprostowanego jednokierunkowo. Zanotować
wartości kilku napięć i odpowiadających im momentów czasu. Odczytać możliwie dokładnie wartość
szczytową napięcia wyprostowanego i okres przebiegów.
4
4. Pomiar charakterystyk prądowo – napięciowych diody półprzewodnikowej.
Zmontować układ wg Rys. 5. Punkt Y połączyć z wejściem A (INPUT 1) wzmacniacza odchylania
pionowego, punkt Z z masą oscyloskopu a punkt X z wejściem B (INPUT 2) drugiego wzmacniacza
odchylania pionowego. Przełącznik generatora podstawy PG czasu ustawić w pozycji X-Y.
W tym ustawieniu wzmocniony sygnał z wejścia B nie jest kierowany do płytek odchylania pionowego,
ale do płytek odchylania poziomego. Na te płytki przykładany jest więc sygnał, proporcjonalny
do napięcia transformatora, podczas gdy na płytki odchylania pionowego sygnał proporcjonalny
do natężenia prądu J płynącego przez opór R i diodę.
Przy napięciu równym zero ustawić wygodne dla cechowania „zerowe” położenie plamki
na ekranie, najlepiej na środku ekranu, na przecięciu dwu linii siatki. Zwiększyć napięcie
autotransformatora do ok. 150 V i wykorzystując linie siatki na ekranie zmierzyć charakterystykę
prądowo - napięciową diody krzemowej i diody selenowej.
5. Pomiar przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem i natężeniem prądu w obwodzie RC (fizyka).
Zmontować układ wg schematu 6. Postępować podobnie jak w punkcie 4. Na ekranie pojawi się elipsa
X
Kondensator
A
Y
Y
220
V~
Opornica
dekadowa
X
b
B
Z
AUTOTRANSFORMATOR
TRANSF. BEZPIECZEŃSTWA 24 V
Rys. 6
a
Rys. 7
podobna do pokazanej na Rys.7. Kąt przesunięcia fazowego α pomiędzy napięciem a natężeniem prądu
płynącego przez kondensator wyraża się wzorem:
a
b
sin α = =
A B
gdzie wielkości a, A, b i B oznaczono na rysunku 7. Warto zauważyć, że kąta α nie można narysować
na tym rysunku. Dla kąta α = 00 wykresem jest linia prosta, a dla 900 elipsa, której osi główne
są skierowane zgodnie z osiami X i Y.
Zmierzyć (przy pomocy podziałki ekranu) napięcia odpowiadające wartościom A i B, oraz a i b,
dla pięciu wartości oporu R podanych przez prowadzącego (najlepiej z przedziału 0,5kΩ – 2 kΩ)
5
III. OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW
Dla p-tu II. 1.
Narysować wykres (10cm × 10cm) cechowania skali ekranu względem skali woltomierza. Na podstawie
pomiaru okresu sinusoidy, obliczyć częstość napięcia sieci elektrycznej. Obliczyć wartości średnie
i skuteczne badanego napięcia, na podstawie znajomości wartości maksymalnej.
Dla p-tu II. 2 i II. 3.
Naszkicować obserwowane na ekranie oscyloskopu przebiegi czasowe napięcia przemiennego
wyprostowanego dwupołówkowo i jednopołówkowo.
Dla p-tu II. 4.
Naszkicować charakterystyki prądowo - napięciowe diody krzemowej i diody selenowej
(położenie zerowe plamki przyjąć jako początek układu współrzędnych). Z wykresów odczytać najniższą
wartość napięcia, przy której diody zaczynają przewodzić, czyli tzw. napięcie progowe przewodzenia
dla każdej diody.
Dla p-tu II. 5.
Obliczyć kąty przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem i natężeniem prądu, dla 5 wartości oporu R
Jako niepewność wartości nanoszonych na wykresach przyjąć odległość pomiędzy liniami siatki
na ekranie, wyrażoną odpowiednio w woltach, albo w sekundach.
IV. LITERATURA
1. H. Szydłowski - „Pracownia fizyczna” PWN Warszawa 1999
2. E. Popko w Ćwiczenia Laboratoryjne z Fizyki część III, Oficyna Wydawnicza Politechniki
Wrocławskiej, Wrocław 1997, str. 94
V. ZAGADNIENIA DO KOLOKWIUM
Półprzewodniki typu n (donorowe) i typu p (akceptorowe); złącze p-n; model pasmowy złącza;
charakterystyka prądowo - napięciowa diody półprzewodnikowej.
Prostowanie jedno i dwukierunkowe prądu zmiennego.
Oscyloskop katodowy jako przyrząd pomiarowy.
Napięcie maksymalne, średnie i skuteczne prądu zmiennego.