Sprzęt i architektura komputerów

Bogdan Olech
Mirosław Łazoryszczak
Dorota Majorkowska-Mech
Sprzęt i architektura komputerów
Laboratorium
Temat:Pomiary podstawowych wielkości
elektryczych: prawa Ohma i Kirchhoffa
Katedra Architektury Komputerów i Telekomunikacji
Zakład Systemów i Sieci Komputerowych
SPIS TREŚCI
SPIS TREŚCI
2
Cel ćwiczenia ........................................................................................................................................... 3
Wymagania .............................................................................................................................................. 3
Wiadomości wstępne ............................................................................................................................... 3
Budowa i obsługa zestawu laboratoryjnego NI ELVIS II ...................................................................... 3
Przebieg ćwiczenia .................................................................................................................................. 3
Podsumowanie ........................................................................................................................................ 8
Literatura .................................................................................................................................................. 8
Elektronika – Laboratorium nr 1
CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest:
Eksperymentalna weryfikacja podstawowych praw teorii obwodów
Zapoznanie się z zasadami dokonywania pomiarów napięcia i natężenia prądu
elektrycznego
Doświadczalne sprawdzenie zależności pomiędzy napięciem i natężeniem prądu przy
połączeniu szeregowym oraz równoległym elementów biernych w obwodach prądu
stałego
WYMAGANIA
Do wykonania niniejszego ćwiczenia niezbędne jest zapoznanie się z następującymi
zagadnieniami:
Podstawowe pojęcia – napięcie elektryczne, napięcie stałe i przemienne, natężenie
prądu elektrycznego, prąd stały i przemienny, jednostki miar tych wielkości fizycznych
zgodnie z układem SI
Rodzaje rezystorów i podstawowe parametry rezystora oraz sposoby oznaczeń
rezystorów z uwzględnieniem kodu paskowego
Podstawowe prawa teorii obwodów: prawo Ohma, prawa Kirchhoffa oraz ich
zastosowanie do pomiarów
WIADOMOŚCI WSTĘPNE
BUD OWA I O BSŁUGA Z ESTAW U L A BO RATO RYJN EG O N I E LVI S I I
PRZEBIEG ĆWICZENIA
Zadanie nr 1 – przypomnienie NIE WYKONUJEMY
Wykorzystując regulowane źródło napięcia stałego z zestawu laboratoryjnego NI ELVIS II oraz
dany przez prowadzącego rezystor zbuduj i zbadaj układ elektryczny według schematu
przedstawionego na rys. 1.
Rys. 1. Schemat obwodu do weryfikacji prawa Ohma
Kolejność czynności:
Strona 3 z 8
Elektronika – Laboratorium nr 1
Odczytaj z kodu paskowego rezystancję nominalną rezystora (np. skorzystaj z tabel
bądź kalkulatorów dostępnych w Internecie)
Podłącz zasilacz sieciowy do zestawu laboratorynego NI ELVIS II
Połącz zestaw laboratoryjny NI ELVIS II z komputerem za pomocą kabla USB
Włącz zasilanie platformy głównej z tyłu obudowy (rys. 2)
Rys. 2. Włącznik zasilania platformy NI ELVIS II
Umieść rezystor R na płycie prototypowej
Połącz, szeregowo z rezystorem, multimetr wirtualny ustawiony w tryb pracy
amperomierza prądu stałego
Wykonaj połączenia z regulowanym źródłem napięcia stałego – Variable Power
Supplies (SUPPLY +)
Połącz, równolegle z rezystorem, zewnętrzny multimetr cyfrowy ustawiony w tryb
pracy woltomierza napięcia stałego
Uruchom program sterowania zasilaczem (START → Programy → Na onal Instruments
→ NI ELVISmx for NI ELVIS & NI myDAQ → Instruments → Variable Power Supplies)
Uruchom program obsługi multimetru (START → Programy → Na onal Instruments →
NI ELVISmx for NI ELVIS & NI myDAQ → Instruments → Digital Multimeter)
Włącz zasilanie górnej płyty prototypowej (rys. 3)
Rys. 3. Włącznik górnej płyty prototypowej
Dla pięciu różnych wartości napięcia zasilania (ustawionych za pomocą pulpitu
zasilacza regulowanego na ekranie komputera) odczytaj z mierników natężenie prądu
płynącego przez rezystor oraz napięcie na rezystorze; wyniki pomiarów wstaw do
poniższej tabeli
Tab. 1. Wyniki pomiarów dla rezystora
L.p.
1.
2.
3.
4.
5.
U [V]
I [mA]
R=U/I [kΩ]
Wyłącz zasilanie górnej płyty prototypowej
Oblicz wartość ilorazu U/I dla każdego pomiaru. Czy wartość tego ilorazu zależy od U?
Jakie prawo teorii obwodów zostało zweryfikowane?
Strona 4 z 8
Elektronika – Laboratorium nr 1
(Zadanie domowe) Oblicz średnią wartość ilorazu U/I i porównaj z wartością nominalną
rezystancji odczytaną z kodu paskowego rezystora. Czy wartość rezystancji uzyskana
z pomiarów jest zgodnaz wartością nominalną?
(Zadanie domowe) Wykreśl zależność natężenia prądu płynącego przez dany rezystor
od napięcia elektrycznego na rezystorze I=f(U). Określ i uzasadnij określenie rodzaju
charakterystyki prądowo-napięciowej rezystora.
Zadanie nr 2
Wykorzystując regulowane źródło napięcia stałego (Variable Power Supplies) z zestawu
laboratoryjnego NI ELVIS II oraz dwa udostępnione przez prowadzącego rezystory zbuduj i zbadaj
układ według schematu przedstawionego na rys. 4.
Rys. 4. Schemat obwodu podstawowego dla połączenia szeregowego
Kolejność czynności:
Odczytaj z kodu paskowego i zanotuj wartości rezystancji rezystorów R1 i R2
Umieść rezystory na płycie prototypowej tak, aby były połączone szeregowo
Wykonaj połączenia ze źródłem napięcia – Variable Power Supplies
Uruchom na komputerze program sterowania zasilaczem w trybie Manual
ETAP I (pomiar U oraz U1)
Połącz, równolegle z rezystorem R1, multimetr wirtualny ustawiony w tryb pracy
woltomierza napięcia stałego
Włącz zasilanie górnej płyty prototypowej
Dla trzech różnych wartości napięcia zasilania (ustawionych manualnie na zestawie
laboratoryjnym NI Elvis II) odczytaj z panelu zasilacza na ekranie komputera napięcie U
oraz z panelu miernika wirtualnego napięcie U1 na rezystorze R1; wyniki pomiarów
wstaw do tabeli 2
Tab. 2. Wyniki pomiarów dla obwodu szeregowego
L.p.
1.
2.
3.
U [V]
U1 [V]
U2 [V]
U1+U2 [V]
I [mA]
U1/R1 [mA] U2/R2 [mA]
Wyłącz zasilanie górnej płyty prototypowej
ETAP II (pomiar U oraz U2)
Połącz, równolegle z rezystorem R2, multimetr wirtualny ustawiony w tryb pracy
woltomierza napięcia stałego
Włącz zasilanie górnej płyty prototypowej
Dla trzech podanych w tabeli 2 wartości napięcie zasilania U (ustawionych manualnie
na zestawie laboratoryjnym NI Elvis II) zmierz napięcie U2 na rezystorze R2; wyniki
pomiarów wstaw do tabeli 2
Wyłącz zasilanie górnej płyty prototypowej
Strona 5 z 8
Elektronika – Laboratorium nr 1
Dla każdego pomiaru oblicz wartość sumy U1+U2 i porównaj z wartością U. Jakie prawo
elektrotechniki zostało zweryfikowane?
ETAP III (pomiar U oraz I)
Połącz szeregowo z rezystorami multimetr wirtualny ustawiony w tryb pracy
amperomierza prądu stałego
Włącz zasilanie górnej płyty prototypowej
Dla trzech podanych w tabeli 2 wartości napięcie zasilania U zmierz natężenie prądu I
płynącego przez rezystory; wyniki pomiarów wstaw do tabeli 2
Wyłącz zasilanie górnej płyty prototypowej
(Zadanie domowe) Dla każdego z trzech pomiarów oblicz natężenie prądu I korzystając
z prawa Ohma:
U
U
I= 1
I= 2
R1
R2
(Zadanie domowe) Czy obliczone z prawa Ohma wartości natężenia prądu są zgodne z
wynikami z bezpośrednich pomiarów? Jeśli występują rozbieżności to, jaka może być
ich przyczyna?
Zadanie nr 3
Wykorzystując regulowane źródło napięcia stałego z zestawu laboratoryjnego NI ELVIS II oraz
dwa udostępnione przez prowadzącego rezystory zbuduj i zbadaj układ elektryczny według schematu
przedstawionego na rys. 5.
Rys. 5. Schemat obwodu podstawowego dla połączenia równoległego
Kolejność czynności:
Umieść rezystory na płycie prototypowej
Wykonaj połączenia ze źródłem napięcia – Variable Power Supplies
Uruchom program sterowania zasilaczem w trybie Manual
ETAP I (pomiar U oraz I)
Multimetr wirtualny, ustawiony w tryb pracy amperomierza, włącz do gałęzi głównej
obwodu tak, aby można było nim zmierzyć natężenie prądu I
Włącz zasilanie górnej płyty prototypowej
Dla trzech różnych wartości napięcia zasilania (wartość napięcia zasilania U odczytaj
z panelu zasilacza na ekranie komputera) zmierz za pomocą miernika wirtualnego,
ustawionego w tryb pracy amperomierza prądu stałego, natężenie prądu I płynącego
w gałęzi głównej; wyniki pomiarów wstaw do tabeli 3
Wyłącz zasilanie górnej płyty prototypowej
Tab. 3. Wyniki pomiarów dla obwodu równoległego
L.p.
1.
2.
3.
U [V]
I [mA]
I1 [mA]
I2 [mA]
Strona 6 z 8
I1+I2 [mA]
I1R1 [V]
I2R2 [V]
Elektronika – Laboratorium nr 1
ETAP II (pomiar U oraz I1)
Multimetr wirtualny, ustawiony w tryb pracy amperomierza prądu stałego, włącz
szeregowo z rezystorem R1, tak aby można było nim zmierzyć natężenie prądu I1
Włącz zasilanie górnej płyty prototypowej
Dla trzech podanych w tabeli 3 wartości napięcie zasilania U zmierz natężenie prądu I1
płynącego przez rezystor R1; wyniki pomiarów wstaw do tabeli 3
Wyłącz zasilanie górnej płyty prototypowej
ETAP III (pomiar U oraz I2)
Multimetr wirtualny, ustawiony w tryb pracy amperomierza prądu stałego, włącz
szeregowo z rezystorem R2, tak aby można było nim zmierzyć natężenie prądu I2
Włącz zasilanie górnej płyty prototypowej
Dla trzech podanych w tabeli 3 wartości napięcie zasilania U zmierz natężenie prądu I2
płynącego przez rezystor R2; wyniki pomiarów wstaw do tabeli 3
Wyłącz zasilanie górnej płyty prototypowej
Dla każdego pomiaru oblicz sumę I1+I2 natężeń prądów w poszczególnych gałęziach
obwodu i porównaj z wartością I natężenia prądu w gałęzi głównej. Jakie prawo teorii
obwodów zostało zweryfikowane?
(Zadanie domowe) Dla każdego z trzech pomiarów oblicz napięcia na rezystorach R1 i
R2 korzystając z prawa Ohma:
U = I 1 R1
U = I2 R2
(Zadanie domowe) Czy obliczone z prawa Ohma wartości napięć na rezystorach są
równe napięciu zasilania? Jeśli występują rozbieżności to, jaka może być ich przyczyna?
Zadanie nr 4 (zadanie domowe)
Korzystając z prawa Ohma oraz drugiego prawa Kirchhoffa wyprowadź wzór na natężenie
prądu I płynącego w obwodzie podstawowym dla połączenia szeregowego, którego schemat
przedstawiono na rys. 4, przy założeniu, że dane są wartości E, R1 i R2. Jaka wynika stąd rezystancja
zastępcza układu dwóch rezystorów połączonych szeregowo?
Zadanie nr 5 (zadanie domowe)
Korzystając z prawa Ohma oraz praw Kirchhoffa wyprowadź wzór na natężenie prądu I
płynącego w gałęzi głównej obwodu podstawowego dla połączenia równoległego, którego schemat
przedstawiono na rys. 5, przy założeniu, że dane są wartości E, R1 i R2. Jaka wynika stąd rezystancja
zastępcza układu dwóch rezystorów połączonych równolegle?
Zadanie nr 6 (zadanie domowe)
Dla obwodu, którego schemat przedstawiony został na rys. 5 oblicz natężenia prądów I, I1 oraz
I2 mając dane E = 10 V, R1 = 100 Ω oraz R2 = 400 Ω.
Wskazówka: Napisz drugie prawo Kirchhoffa dla każdego z dwóch oczek obwodu oraz pierwsze
prawo Kirchhoffa dla węzła. Otrzymasz układ trzech równań liniowych z trzema niewiadomymi.
Rozwiązując ten układ równań obliczysz natężenia prądów w poszczególnych gałęziach obwodu.
Zadanie nr 7 (zadanie domowe)
Korzystając z prawa Ohma i drugiego prawa Kirchhoffa wyprowadź równanie rezystorowego
dzielnika napięcia (zależność napięcia wyjściowego w funkcji napięcia wejściowego, przy założeniu, że
znane są wartości rezystancji tworzące dzielnik napięcia oraz obwód wejściowy dzielnika jest
zamknięty zaś obwód wyjściowy otwarty). Schemat rezystorowego dzielnika napięcia został
przedstawiony na rys. 6.
Strona 7 z 8
Elektronika – Laboratorium nr 1
Rys. 6. Schemat rezystorowego dzielnika napięcia
PODSUMOWANIE
W wyniku przeprowadzonego ćwiczenia student powinien nabyć następujące umiejętności:
Zastosowanie prawa Ohma i praw Kirchhoffa do analizy prostych obwodów
elektrycznych
Rozróżnianie połączenia szeregowego od równoległego oraz umiejętność opisu
zależności pomiędzy wielkościami elektrycznymi, zachodzących w przypadku takich
połączeń
Poprawnego włączania woltomierza i amperomierza do obwodu elektrycznego oraz
wykonywania pomiarów podstawowych wielkości elektrycznych w obwodach prądu
stałego
LITERATURA
[1] Horowitz P., Hill W.: Sztuka Elektroniki cz. 1, wydanie 9, WKŁ, Warszawa 2009
[2] Kuphaldt T. R.: Lessons In Electric Circuits, Volume VI – Experiments,
http://www.ibiblio.org/kuphaldt/electricCircuits/Exper/index.html (dostęp październik 2010)
[3] Kuphaldt T. R.: Lessons In Electric Circuits, Volume I – DC,
http://www.ibiblio.org/kuphaldt/electricCircuits/DC/index.html (dostęp październik 2010)
[4] Rusek M., Pasierbiński J.: Elementy i układy elektroniczne w pytaniach i odpowiedziach, WNT,
Warszawa, 2006.
Strona 8 z 8