R2 U2 I R1 U1

Układy regulacji napięcia. Pomiar napięcia stałego.
1. Cel ćwiczenia: Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami regulacji napięcia stałego,
stosowanymi w tym celu układami elektrycznymi, oraz metodami pomiaru tego napięcia i
stosowanymi do tego celu przyrządami.
2. Wprowadzenie: Źródłami napięcia stałego mogą być zasilacze wyposażone w układy
prostownicze (zamieniające napięcie przemienne na stałe), lub źródła chemiczne (baterie,
akumulatory). Wszelkiego rodzaju źródła napięcia stałego mają jedną wspólną cechę: napięcie
na ich wyjściu posiada stałą wartość, ściśle związaną z fizycznymi parametrami źródła. Dla
celów praktycznych konieczne jest dostosowywanie napięcia zasilania do poziomu wymaganego
przez odbiornik.
W praktyce stosuje się liczne układy regulacji napięcia stałego. Najprostsze są układy
rezystorowe, działające na zasadzie dzielnika napięcia. Zaleta tych układów jest prostota
konstrukcji i wykonania, wadą, wysoki współczynnik strat podczas użytkowania. Znacznie
lepsze parametry uzyskujemy stosując układy regulacji napięcia przemiennego
(autotransformator) wyposażone w prostowniki. Kolejną grupą układów regulacji, są urządzenia
elektroniczne.
W niniejszym ćwiczeniu zajmiemy się najprostszymi układami regulacji - układami
rezystorowymi. Wykorzystują one ideę podziału napięcia na dwu połączonych szeregowo
rezystorach.
I
R1
U1
R2
U2
U
Rys. 1. Rezystancyjny dzielnik napięciowy.
Tworzą one rezystancyjny dzielnik napięciowy (rys. 1). Suma napięć na rezystorach R1 i R2 jest
równa napięciu zasilania dzielnika.
U = U1 + U2
Prąd płynący w obwodzie wyznaczamy ze wzoru:
I=
Jednocześnie:
I=
U1
, oraz
R1
I =
Pozwala to na stworzenie proporcji:
U
R1 + R2
U2
R2
U2
U
=
R2 R1 + R2
a ostatecznie na uzależnienie wartości napięcia U2 od U poprzez zależność:
R2
⋅U
R1 + R2
U2 =
Powyższy dzielnik można wykorzystywać zarówno do regulacji, jak i do pomiaru napięcia.
Pomiaru napięcia stałego dokonujemy woltomierzem. Może to być woltomierz z
przetwornikiem pomiarowym magnetoelektrycznym (przystosowanym wyłącznie do pomiaru
napięcia stałego) lub elektromagnetycznym (pozwalającym mierzyć również napięcie
przemienne). Możemy stosować również mierniki cyfrowe.
3. Program ćwiczenia:
a) Bezpośredni pomiar napięcia stałego.
Pomiaru dokonujemy na kilku różnych źródłach napięcia stałego. Do pomiaru
wykorzystujemy woltomierze: magnetoelektryczny, elektromagnetyczny i cyfrowy. Pomiary
wykonujemy dla kilku różnych zakresów pomiarowych. Wyniki umieszczamy w tabeli 1.
Pomiarów dokonujemy w układzie jak na rys 2.
Rw
E
V
V
V
cyfr
Rys. 2. Bezpośredni pomiar napięcia stałego
Pomiar napięcia woltomierzami analogowymi wymaga uprzedniego wyznaczenia stałej
podziałki CV.
CV =
gdzie:
Un
amax
Un – zakres pomiarowy miernika,
amax – maksymalna ilość działek miernika (dla wykorzystywanej skali).
Mierzone napięcie wynosi:
U=CV a
gdzie: a – ilość działek odczytana ze skali miernika.
Błąd bezwzględny:
∆U = ±(klasa·Un)/100 [V]
Błąd względny:
δU = ±(∆U/U)·100
[%]
Tabela 1.
Nr
1
12
źródło
miernik
12V
magn – el
...
el - magn
...
cyfrowy
amax
Un
CV
a
U
dz
V
V/dz
dz
V
kl. dokł
∆U
δU
V
%
...
b) Pomiary napięcia stałego z zastosowaniem dzielnika napięcia.
Pomiaru dokonujemy w obwodzie przedstawionym na rys. 3. Jako rezystory
wykorzystujemy dekady pomiarowe. Należy pamiętać o takim doborze wartości rezystorów,
aby nie doszło do ich przeciążenia prądowego! Jako V1 włączamy woltomierz
magnetoelektryczny, a jako V2 – cyfrowy. Mierzymy napięcia U1 i U2, a następnie wyznaczamy
U1obl, czyli napięcie uzyskane na podstawie obliczeń. Pomiarów dokonujemy dla kilku różnych
wartości rezystancji R1 i R2.
Pomiary powtarzamy dla zamienionych woltomierzy V1 i V2.
I1
E
R1
U1
V1
R2
Rr
I2
U2
V2
Rys. 3. Układ pomiarowy do pomiaru napięcia z wykorzystaniem dzielnika napięcia
Napięcie wyznaczamy ze wzorów:
I1 =
U1
;
R1 + R2
U 2 = I 1 R2 =
U 1obl =
Wyniki obliczeń zamieszczamy w tabeli 2.
R1 + R2
⋅U 2
R2
R2
⋅U1
R1 + R2
Tabela 2
amax
Un
CV
a
R1
R2
R1 + R2
R2
U1
U2
U1obl
dz
V
V/dz
dz
Ω
Ω
Ω
V
V
V
Uwagi
c) Pomiary i nastawianie napięć stałych – jednostopniowy układ nastawiania napięcia.
Jest to układ potencjometryczny. Wykorzystujemy jako potencjometr opornicę suwakową o
znanej oporności. Układ montujemy według schematu przedstawionego na rys. 4.
E
R
U1
l
l2
U2
Rr
Va
Vc
Rys. 4. Schemat jednostopniowego układu nastawiania napięcia.
Mierzymy napięcie dla kilku położeń suwaka (w tym obu skrajnych) zapisując stosunek l2/l,
l – długość części czynnej opornicy,
gdzie:
l2 – długość części opornicy, na której mierzymy napięcie.
Pomiarów dokonujemy woltomierzem analogowym i cyfrowym. Wyniki umieszczamy w
tabeli 3.
Tabela 3.
Nr
1
...
10
R = ................ Ω
l2/l
amax
Un
CV
a
U2 (analog.)
U2 (cyfr)
-
dz
V
V/dz
dz
V
V
d) Pomiary i nastawianie napięć stałych – dwustopniowy układ nastawiania napięć.
Jest to układ zapewniający zgrubną i dokładną regulację napięcia. W obwodzie
przedstawionym na rys. 5. są zamontowane dwa potencjometry R1 i R2, takie, że: R2 ≈ 10 R1.
Jeden z nich służy do regulacji dokładnej, a drugi do zgrubnej.
R1
lR1
E
l2R1
U1
Vc
l2R2
lR2
Rr
Va
U2
R2
Rys. 5. Schemat dwustopniowego układu nastawiania napięcia
Pomiarów dokonujemy miernikami: analogowym i cyfrowym. Wyniki pomiarów
umieszczamy w tabeli 4.
Tabela 4.
R1
R2
Ω
Ω
R1 = ..................Ω,
l2R1/lR1 l2R2/lR2
-
-
1
0
1
½
1
1
0
0
0
½
0
1
½
0
½
½
½
1
R2 = ..................Ω
U1
amax
Un2
CV2
a
V
dz
V
V/dz
dz
U2 analog U2 cyfr
V
V
4. Opracowanie ćwiczenia:
a) Omów błędy występujące przy pomiarach napięcia różnymi miernikami. Jak zachowują się
poszczególne mierniki. Jak zmieni się wskazanie miernika cyfrowego przy chwilowym
odłączeniu analogowych?
b) Porównaj dokładność pomiarów wykonanych za pomocą różnych mierników i dokładność tych
samych mierników przy różnych zakresach pomiarowych.
c) Porównaj dokładność pomiarów wykonanych bezpośrednio i z wykorzystaniem dzielnika
napięcia (dla różnych R1 i R2).
d) Porównaj pomiary wykonane woltomierzami: analogowym i cyfrowym.
e) Jaki wpływ mają rezystory R1 i R2 na regulację napięcia w metodzie 2-stopniowej. Który z nich
służy do regulacji dokładnej, a który do zgrubnej?