cunoasterea aparaturii utilizate in laborator

7

LUCRAREA NR. 1

APARATE UTILIZATE CURENT ÎN LABORATOR

(funcţionare şi utilizare)

1. Multimetrul clasic

Acest aparat permite măsurarea curenţilor şi tensiunilor în curent

continuu şi în curent alternativ şi a rezistenţelor în curent continuu. În

practică este cunoscut sub denumirea AVO-metru după iniţialele

unităţilor de măsură ale mărimilor măsurate (amper, volt, ohm). La

bază se află un instrument magnetoelectric cu ac indicator care asigură

deviaţia de cap scală la 50 μA (tipic).

Pentru a măsura tensiuni continue instrumentul este înseriat cu

diferite rezistoare adiţionale care îi determină gama de lucru.(de obicei

1V,10V,100V,1000V). Prin absorbţia unui curent din circuitul

măsurat, voltmetrul astfel realizat îl perturbă. De regulă, rezistenţa

internă a unui multimetru clasic mediu este de 20KΩ/V (dată de

curentul absorbit în instrumentul propriu-zis). Majoritatea circuitelor

electronice nu sunt perturbate de rezistenţa internă a voltmetrului, mai

puţin circuitele de bază ale tranzistoarelor sau alte puncte unde

curenţii sunt slabi iar impedanţele ridicate. În acest caz multimetrul

poate fi echipat cu un etaj amplificator realizat cu tranzistoare cu efect

de câmp care îi ridică rezistenţa internă la 10MΩ/V.

Pentru a măsura curenţi, instrumentul de bază este introdus în

paralel cu diferite rezistenţe de şunt în funcţie de domeniul măsurat

(1mA,10mA,100mA,1A,10A). Aceste rezistoare trebuie să fie

dimensionate corect din punct de vedere al puterii disipate.

Măsurarea rezistenţei se face prin aplicarea unui curent

cunoscut rezistorului studiat şi determinarea tensiunii la bornele

acestuia. Se comută de fapt voltmetrul pe diferite scări la bornele

rezistorului parcurs de curent. (10Ω,1KΩ,10KΩ , 100KΩ , 1MΩ)

Multimetrul permite şi măsurarea tensiunilor şi a curenţilor

alternativi sinusoidali de frecvenţe cuprinse între 50Hz şi cca 5

KHz prin intercalarea unui grup redresor cu diode. Multimetrul are de

FLORIN MIHAI TUFESCU ELECTRONICA FIZICĂ

LUCRĂRI PRACTICE

8

obicei două borne de intrare şi un comutator rotativ care alege funcţia

măsurată şi domeniul de evoluţie al mărimilor de intrare. În fig.1 se

prezintă panoul frontal al unui multimetru clasic.

Fig.1. Multimetrul clasic

Modul de lucru cu multimetrul

Pentru măsurarea tensiunilor se alege la început scara

cea mai mare după care se comută pe scara la care instrumentul să

devieze în a doua jumătate a scalei (pentru precizia citirii).

Măsurarea curenţilor se face numai după o estimare teoretică a

acestora. Se alege scara cea mai mare şi după aceea se comută

pe o scară la care instrumentul să devieze în a doua jumătate a

scalei. Măsurarea directă a curenţilor este periculoasă pentru

multimetru dacă este depăşit domeniul de lucru admis. Se

poate arde atât bobina instrumentului cât şi rezistenţa de şunt.

Rezistenţele electrice se pot măsura numai extrase din

LUCRAREA NR. 1 Aparate utilizate curent în laborator

9

circuit sau măcar dezlipite cu un capăt din circuit, circuitul

fiind obligatoriu scos de sub tensiune.

În curent alternativ multimetrul este etalonat doar pentru

curenţi sinusoidali aşa încât o altă formă de semnal conduce

la rezultate eronate.

2. Multimetrul numeric este o variantă modernă a multimetrului

clasic care realizează o impedanţă de intrare foarte ridicată pe

scala tensiunilor (Zi >10MΩ/V) folosind amplificatoare de curent

continuu performante , urmată de o conversie analog-numerică a

semnalelor măsurate şi o afişare a rezultatului pe minimum trei cifre

însoţite şi de semn (+,-). De obicei sunt prevăzute cu auto-scalare

(alegere automată a domeniului de lucru), ceea ce le conferă o mare

uşurinţă în urmărirea tensiunilor lent variabile. Precizia de citire a

valorilor ajunge curent la 10/00. Alimentarea acestor multimetre se face

de regulă la un acumulator de 9V încorporat. Afişajul este cu cristale

lichide şi indică mărimea măsurată precum şi unităţile de măsură.

Multimetrele numerice de ultimă generaţie pot fi conectate cu

calculatorul transmiţând rezultatele măsurătorilor.

3. Osciloscopul catodic clasic OCC este cel mai utilizat aparat de

măsură în electronică şi în fizică. Permite vizualizarea variaţiilor de

tensiune (de obicei semnale periodice) sub forma unei

oscilograme. Se pot determina valorile frecvenţei şi fazei. Pentru

semnale de tip „treaptă” se pot măsura: timpul de creştere, de

stabilizare, de cădere ş.a.. La semnale modulate se pot măsura indicii

de modulaţie. Se pot estima în amplificatoare coeficienţii de

distorsiune. OCC se foloseşte în analiza funcţionării circuitelor

numerice. Pentru foarte multe procese fizice şi electrice OCC permite

efectuarea de măsurări în timp real fiind cel mai rapid aparat de

măsurat analogic.


LUCRĂRI PRACTICE

10

Fig.2 Fotografia unui osciloscop catodic

Fig.3. Schema bloc a osciloscopului catodic clasic .Elementele

tubului catodic: 1-catod; 2-grila de comandă; 3-anod de

focalizare; 4-electrod de accelerare; 5-plăci de deflexie ver-

ticală; 6-plăci de deflexie orizontală; 7-electrod de ecranare; 8-

ecran cu luminofor


11

Când nu se aplică tensiune plăcilor de deflexie, fascicolul

electronic emis de catodul incandescent al tubului este astfel focalizat

încât să cadă în centrul ecranului. La aplicarea unor tensiuni pe plăcile

de deflexie orizontală şi respectiv verticală fascicolul va fi deplasat iar

pe ecran va apărea o deviaţie a spotului proporţională cu tensiunile

aplicate. Ecranul tubului este prevăzut cu o reţea reticulară

transparentă care constituie „scara”osciloscopului.

Fig.4 Schema bloc a osciloscopului cu un canal

Circuitul de măsură pe Y are în componenţă comutatorul de

semnal K1, preamplificatorul PAY, linia de întârziere L şi

amplificatorul final AY. Comutatorul K1 permite în poziţia a,

măsurarea tensiunilor alternative (cu blocarea nivelului continuu), în

poziţia c, măsurarea tensiunilor absolute (inclusiv cu componenta

continuă) şi în poziţia b de scurtcircuit a intrării de semnal la masă să

se facă o reglare a poziţiei iniţiale a spotului.

Preamplificatorul de semnal PA este format dintr-un divizor de

semnal de tip RC, compensat în frecvenţă care permite alegerea

domeniilor pentru tensiunea de intrare (0,1;0,2;0,5; 1;2;5;10)V/div şi

un amplificator care amplifică tipic de la 50mV la 10V pentru a putea

ataca AY.

Y

SINCR. EXT.

a

a

a

b

b

b

K1

K2

PA

PA

PA

Y Y Y

Y

X X

X

X

BT

L A

A

c

BLOC DE ALIMENTARE

retea

C


LUCRĂRI PRACTICE

12

Amplificatorul AY are două ieşiri simetrice şi în antifază şi

realizează amplificarea tensiunii furnizate de PAY până la 100-200 V

necesari pentru comanda spotului. Prin intermediul lui AY se face şi

axarea spotului pe verticală.

Linia de întârziere L realizează o întârziere cuprinsă de regulă

între 50-200 ns pentru UY ca această tensiune să ajungă pe plăcile Y

simultan cu tensiunea de baleiaj pe plăcile X, aceasta din urmă fiind

întârziată de către baza de timp în procesul de generare.

Baza de timp BT produce o tensiune liniar variabilă („în dinte de

fierăstrău”) necesară deplasării spotului pe orizontală. Această

tensiune este amplificată de către AX care realizează la ieşire 100-

200V necesari devierii spotului pe ecran. AY şi AX sunt practic

identice. Frecvenţa tensiunii liniar variabile generate de BT poate fi

selectată prin intermediul unui comutator gradat în timp/div ecran.

Ex: (10ms/div; 3ms/div; 1ms/div; 300μs/div; 100μs/div; 30μs/div;

10μs/div; 3μs/div).OCC asigură vizualizarea în mod curent a unor

semnale cu frecvenţa cuprinsă între 1Hz şi 10MHz.

Amplificatorul AX poate fi cuplat cu BT asigurând fucţionarea

osciloscopului ca înregistrator Y-t sau direct cu intrarea X (co-

mutatorul în partea b, caz în care funcţionează ca înregistrator X-Y.

La unele osciloscoape pe intrarea X se află un preamplificator identic

cu PAY, ceea ce conferă osciloscopului performanţe ridicate ca

înregistrator X-Y.

Blocul de calibrare . Pentru a verifica rapid fucţionarea OCC şi

pentru a realiza etalonarea pe verticală şi pe orizontală, acesta este

prevăzut cu un generator etalon cu frecvenţa de 1KHz şi cu

amplitudinea de 1V sau 10V. Prin aplicarea pe intrări a acestui semnal

se realizează calibrarea, acţionând asupra unor potenţiometre de

reglaj. (Nu este figurat pe schema bloc )

Funcţionarea OCC

La funcţionarea numai pe Y (semnalul aplicat la intrarea Y iar BT

deconectată) spotul este activat numai pe verticală, pe ecran apărând o

linie verticală cu o lungime proporţională cu tensiunea aplicată:


13

Y = KAUY = SYUY (1)

y –deviaţia spotului pe ecran

k-constantă de aparat (dată de caracteristicile tubului catodic)

A-amplificarea aleasă a canalului

UY –tensiunea măsurată

SY –sensibilitatea pe Y (se alege din comutatorul de intrare Y)

La funcţionarea în t (lucrează numai BT) spotul este

deviat numai pe orizontală ,ceea ce conduce la apariţia unei linii

orizontale (numită trasă) ce umple complet ecranul.

La funcţionarea în regim Y-t spotul este acţionat de

ambele perechi de plăci de deviaţie ceea ce face ca acesta să descrie pe

ecran o curbă Y(t) care reprezintă evoluţia în timp a mărimii de interes

UY(t).Acest regim de funcţionare este cel mai utilizat şi permite

măsurarea directă a amplitudinii şi a frecvenţei semnalelor

sinusoidale,dreptunghiulare sau de orice altă formă precum şi analiza

unor regimuri tranzitorii.Pentru măsurarea timpului t pe axa X(t) se

foloseşte ecuaţia:

t = KbX (2)

unde:

Kb –constanta de baleiaj(mărime aleasă din BT) exprimată în

timp/diviziune(s/div)

X-lungimea segmentului măsurat pe orizontală.

Sincronizarea semnalului . Obţinerea unei imagini

stabile şi clare pe ecran se realizează prin sincronizare, adică prin

redarea repetată a semnalului periodic începând din acelaşi loc a

formei de undă. Acest punct se poate alege dintr-un potenţiometru de

nivel. Pentru sincronizare se foloseşte de obicei un semnal generat

intern şi comandat de semnalul vizualizat sau se poate aplica un


LUCRĂRI PRACTICE

14

semnal extern pentru sincronizare dacă există o relaţie de fază

constantă între ele.

Impedanţa de intrare Impedanţa de intrare tipică a OCC

este de 1MHz ║30pF, fiind suficient de mare pentru a nu perturba

circuitul măsurat. Se pot folosi sonde cu divizor 110׃ care cresc

impedanţa la 10MHz║7 ÷ 10pF; acestea asigură o influenţă minimă a

circuitului studiat şi extinderea domeniului de măsură pentru tensiuni

la cca 500Vca. Intrarea semnalului în osciloscop se face printr-un cablu

ecranat special cu impedanţa de 50 Ω, cuplat printr-un conector

standard numit BNC.

Osciloscopul cu două canale Pentru a se putea vizualiza

simultan două forme de undă,majoritatea OCC au două canale de

amplificare pe verticală.Soluţia practică constă în utilizarea unui

comutator electronic care permite vizualizarea separată a celor două

semnale.Practic fascicolul electronic este comandat pe rând de fiecare

semnal în parte.Există două moduri de vizualizare a celor două

semnale:

(1) în mod alternativ -se realizează redarea succesivă a fiecăruia

din semnale pe o cursă completă a trasei (pe X) şi

(2) în mod segmentat (choppat) prin comutarea rapidă(cca 1MHz)

între cele două semnale şi redarea succesivă a unor segmente

din fiecare.

Utilizarea practică a osciloscopului la măsurarea unui semnal

sinusoidal.

Se alimentează osciloscopul din comutatorul de reţea.

Comutatorul de intrare al semnalului pe Y să fie în poziţia ┴

(intrarea la masă), comutatorul de intrare pe Y în mijlocul

domeniului (ex. 1V/div), comutatorul bazei de timp în

mijlocul domeniului (ex. 1ms/div).

După aproximativ 30 secunde de la alimentare (timp necesar

încălzirii filamentului şi intrării tubului în regim de

funcţionare) pe ecran apare trasa orizontală.


15

Se reglează potenţiometrele FOCALIZARE şi

LUMINOZITATE pentru a obţine o trasă clară.

Se aduce trasa în mijlocul ecranului pe verticală prin

acţionarea potenţiometrului REGLARE VERTICALĂ ↨.

Se fixează comutatorul de intrare pe Y în poziţia C.A.

Cu ajutorul cablului ecranat se aplică semnalul de calibrare

de 1000Hz şi 1VVV la intrarea Y. Se citeşte numărul de

diviziuni pe Y şi se verifică corectitudinea indicaţiei. Pentru o

citire precisă este bine ca semnalul să acopere cât mai mult

din ecran. Se poate trece pe o scară cu sensibilitate mai mare

(ex. pe 0,2V/div caz în care semnalul va acoperi pe verticală 5

div). Dacă semnalul are o altă dimensiune el trebuie adus în

valoarea corectă prin ajustarea potenţiometrului de calibrare

pe Y.

Notă: Unele osciloscoape au diviziunea egală cu 1 cm , astfel

încât sensibiliatea este dată în V/cm.

Calibrarea pe X se verifică ştiind că perioada semnalului de

calibrare este de 1ms. Se alege o scară corespunzătoare din

comutatorul BAZĂ DE TIMP pentru a vizualiza semnalul cât mai

bine şi se determină numărul de diviziuni pe X conţinute într-o

perioadă. Se face produsul cu constanta de baleiaj Kb aflându-se

perioada indicată (ex X=3,3 div Kb =0,3msec/div, rezultă T ≈ 0,99

msec adică f = 1010Hz). Se constată o bună citire a frecvenţei în

acest exemplu , cu o eroare de cca 1%. Dacă se obţin diferenţe în

citirea valorii X, se ajustează potenţiometrul CALIBRARE t.

După finalizarea procedurilor de calibrare se trece la efectuarea

unei măsurători pentru un semnal oarecare sinusoidal.

Se încadrează semnalul cât mai corect pe ecran asigurându-i

sincronizarea şi acţionarea potenţiometrului NIVEL.


LUCRĂRI PRACTICE

16

Fig.5 Aprecierea caracteristicilor unui semnal prin vizualizarea

pe ecranul osciloscopului .

Se citeşte valoarea „vârf la vârf ” a semnalului Uvv (care re-

prezintă dublul amplitudinii ) prin înmulţirea numărului de

diviziuni măsurate cu sensibilitatea aleasă prin comutatorul

AMPLIFICARE Y.

Se apreciază în diviziuni pe orizontală perioada semnalului după

care se face produsul cu constanta de baleiaj Kb(timp/divi-

ziune).Se calculează frecvenţa semnalului cu formula f = 1/T.

Osciloscopul poate fi folosit la multe tipuri de măsurători asupra

semnalelor electrice. Analiza funcţionării corecte a unui montaj

electronic se face prin vizualizarea semnalelor în diferite locuri din

acesta; forma şi nivelul lor indică modul în care lucrează. In unele

cazuri osciloscopul este folosit pentru reglarea unor parametri la

punerea în funcţiune a echipamentelor electronice complexe. Există

osciloscoape speciale care posedă circuite pentru citirea numerică

directă a nivelului de tensiune si duratei semnalelor afişate pe ecran.

Y(t)

Uvv

U0

T


17

4.Generatorul de semnal

Pentru a putea aprecia funcţionarea diferitelor circuite electronice,

acestora li se aplică semnale cu caracteristici cunoscute pentru a vedea

cum răspund. Un generator uzual pentru lucrul în laborator, la

analiza circuitelor de joasă frecvenţă trebuie să furnizeze tensiuni

sinusoidale şi dreptunghiulare în domeniul 1Hz -10 MHz cu valori

de ieşire reglabile în gama 10mV-10V, pe o impedanţă standardizată

de 50Ω. Reglajul frecvenţelor se face brut, în trepte, printr-un

comutator, iar apoi fin în interiorul fiecărei trepte cu ajutorul unui

potenţiometru(ex.10÷100Hz,100Hz÷1KHz,1KHz÷10KHz,10KHz÷

100KHz,100KHZ÷1MHz, 1MHZ÷10MHz).

Generatoarele moderne sunt prevăzute cu afişaj numeric al

frecvenţei semnalului generat.Tensiunea de ieşire se poate modifica de

asemenea în trepte (prin comutator) şi continuu printr-un

potenţiometru.Valorile de ieşire sunt afişate de un voltmetru numeric.

Generatoarele de calitate sunt prevăzute cu bucle de reacţie care

asigură un nivel constant al tensiunii de ieşire la variaţia frecvenţei

generate. Pentru siguranţa măsurătorilor este bine să se verifice acest

lucru. Dacă generatorul nu are stabilizare automată a amplitudinii,

atunci tensiunea de ieşire trebuie reglată la fiecare frecvenţă în parte.

Ieşirea generatorului este accesibilă printr-un conector tip BNC sau

prin borne. Forma tensiunilor produse poate fi aleasă prin intermediul

unui comutator de mod. Există generatoare care au mai multe ieşiri

producând simultan atât tensiuni sinusoidale cât şi dreptunghiulare sau

liniar variabile.Trebuie să se prevină scurtcircuitarea bornelor de ieşire

a generatorului .(Nu toate generatoarele au protecţie la scurtcircuit şi

la supracurent)

5. Sursa de tensiune

Pentru a funcţiona toate circuitele electronice trebuie

alimentate electric. Ele necesită diferite tensiuni continue şi curenţi

după funcţiile pe care le au şi componentele cu care sunt echipate.

Pentru a asigura o funcţionare corectă, sursa de tensiune este


LUCRĂRI PRACTICE

18

stabilizată. Aceasta înseamnă că pentru un anumit domeniu de

variaţie al tensiunii de reţea, al modificării consumului în circuitul

alimentat şi schimbarea temperaturii ambiante, tensiunea furnizată

este practic constantă. Performanţele sursei sunt definite de

coeficientul de stabilizare care apreciază comportarea sursei la

variaţiile mărimilor menţionate anterior.

Fig.6 Fotografia unei surse de tensiune stabilizată cu instrumente

indicatoare analogice.

Sursa de tensiune stabilizată este caracterizată prin domeniul de

variaţie al tensiunii de ieşire, de obicei între 0÷30V şi al curentului

maxim debitat 1÷5A. Pentru studiul celor mai multe componente şi

circuite este suficient un curent de până la 1A. Sursa de tensiune are

de regulă protecţii la ieşire pentru cazurile: 1) curentul depăşeşte

valoarea maximă- apare limitarea curentului; 2) puterea debitată pe

sursă depăşeşte valoarea maximă admisă–se reduce curentul debitat

(protecţie termică) 3) ieşirea este în scurtcircuit – sursa se blochează şi

tensiunea la ieşire devine zero.

De obicei sursa de tensiune funcţionează „în regim flotant”, adică

bornele de ieşire sunt izolate faţă de carcasă şi de nulul de protecţie.

Aceasta permite conectarea sursei într-un punct al circuitului măsurat

aflat deja la o anumită tensiune. De asemenea polaritatea poate fi

aleasă în orice mod prin conectarea adecvată a bornelor (+) şi (– ).

Trebuie totuşi ca la funcţionarea în regim flotant să se ţină seama de

tensiunea de izolaţie a sursei (max. 500V în mod obişnuit).


19

Pentru a folosi corect sursa de tensiune trebuie să se urmărească:

Verificarea tensiunii de alimentare la reţeaua de 220Vca

şi existenţa siguranţei fuzibile prevăzută pe sursă.. Ştecherul

de alimentare să aibă nul de protecţie.

Se verifică ca circuitul de ieşire să fie corect conectat, de

regulă este bine să existe un întrerupător pe circuitul alimentat

pentru a putea regla tensiunea la ieşirea sursei şi apoi să se ali-

menteze circuitul studiat.

Se alege tensiunea de ieşire prin reglarea comutatorului

sursei sau a potenţiometrului de reglaj urmărindu-se

voltmetrul propriu sau un voltmetru exterior aplicat la borne.

După alimentarea montajului studiat se observă curentul

debitat, urmărindu-se înscrierea în domeniul admis.

Dacă se observă o creştere importantă a curentului sau

scăderea tensiunii de ieşire fixate, înseamnă că funcţionarea

nu este corectă şi trebuie să se deconecteze sursa, după care se

va identifica cauza.

6. Frecvenţmetrul In multe aplicaţii este necesară cunoaşterea cu precizie a

frecvenţei semnalelor utilizate. Acest lucru se face cu ajutorul

frecvenţmetrului. Acest aparat dispune de un etalon intern realizat cu

cristal de cuarţ , iar frecvenţa semnalelor studiate este comparată cu

cea a etalonului. Pentru afişarea rezultatului se foloseşte un indicator

Fig.7 Fotografia unui frecvenţmetru


LUCRĂRI PRACTICE

20

numeric cu leduri sau cristale lichide.

Sensibilitatea în nivel a frecvenţmetrului porneşte de la cca.1Vvv.

Domeniul frecvenţelor măsurate de frecvenţmetrele uzuale este

cuprins între 1Hz şi 30MHz. La unele tipuri există un comutator

acţionat manual pentru alegerea domeniului de frecvenţă studiat în

scopul asigurării unei precizii ridicate.

7. Montaje de probă şi conexiuni realizate in laborator

Componentele şi circuitele studiate în cadrul laboratorului sunt

montate pe plăci speciale care au bucşe şi borne pentru efectuarea

legăturilor la surse şi la aparatele de măsură. Lucrându-se la tensiuni

continue de alimentare sub 30V şi circuitele generând tensiuni

alternative sub 10V VV în scop didactic s-au realizat montaje „la

vedere” cu conexiuni accesibile modificărilor şi măsurărilor.

Pentru o funcţionare corectă şi stabilă trebuie realizate

legături ferme în punctele de conexiune. Între placa de test

şi surse se vor folosi conductoare flexibile izolate în plastic,

prevăzute cu banane sau cu papuci la capete.

Pentru semnalul de la generator şi semnalul spre osciloscop

se vor folosi cabluri ecranate în scopul reducerii zgomotelor

induse din exterior. Atenţie la cuplarea cablului la aparate prin

intermediul conectorului tip BNC. Acesta are un pin central

prin care circulă semnalul, iar ecranul este conectat la partea

exterioară. Cuplarea şi blocarea este de tip „baionetă”. Este

important ca la aceste cabluri să nu se execute tracţiuni care le

pot deteriora.

In timpul realizării conexiunilor electrice montajele vor fi

scoase de sub tensiune!

Se recomandă lasarea tuturor aparatelor conectate cu ştecherul

la reţeaua electrică şi utilizarea întrerupătoarelor cu care sunt

prevăzute fiecare în parte pentru conectare şi deconectare.

Acest mod de lucru previne distrugerea prizelor.

cunoasterea aparaturii utilizate in laborator

Documents