1

DCE Lucrarea nr. 1 Aparatura de laborator Măsurarea diferitelor componente, realizarea de montaje

I. OBIECTIVE a) Deprinderea utilizării aparatelor de laborator (sursă de tensiune, multimetru digital,

generator de semnale, osciloscop catodic) necesare studiului experimental a unor dispozitive şi circuite electronice.

b) Înţelegerea principiului de funcţionare al osciloscopului catodic.

II. SUPORT TEORETIC Deoarece cărţile tehnice şi manualele de utilizare pentru aparatele de laborator nu sunt tocmai uşor de găsit, în continuare se prezintă succint modul de utilizare al fiecărui aparat şi principiul de funcţionare al osciloscopului catodic. Multimetrul digital 1. Noţiuni generale

Multimetru digital este un aparat electronic cu ajutorul căruia putem măsura rezistenţe, tensiuni şi curenţi (de c.c. şi c.a.). Pentru semnalele de curent alternativ sinusoidal este măsurată valoarea efectivă. Prelucrarea semnalelor şi afisarea rezultatelor este digitală. 2. Elemente de comandă, semnalizare şi acces a multimetrului digital DM302

Multimetrul digital DM302 are afişaj de 3 1/2 digiţi, valoare maximă afişată fiind 1999. Pentru fiecare mărime aparatul este prevăzut cu mai multe domenii de măsurare. O precizie de citire cât mai bună se obţine folosind domeniul cu capătul de scală cel mai mic, fără a avea depăşire de scală (“1” aprins pe prima poziţie, celelalte poziţii fiind stinse). Panoul frontal al multimetrului este prezentat în Fig. 1.2. Fig. 1.1. Panoul frontal al multimetrului digital DM302

Descrierea elementelor de pe panoul frontal al multimetrului digital DM302 este

prezentată in tabelul 1.1.

DC A

AC VDC V

OHM

DM-302

1

2

3

4

5

DE Lab1 Nicolae Patache 2006 – 2007

2

Tabelul 1.1 NUME

ELEMENT NR.

ELEMENT FUNCŢIE ELEMENT

Afişaj 1 afişaj LCD ( cu cristale lichide ) 3 1/2 digiţi

Comutator mod de lucru

2

OFF: aparatul este oprit DCV: 5 domenii pentru măsurarea tensiunii continue (max. 1000V) OHM: 5 domenii pentru măsurarea rezistenţei (max 2MΩ) : se poate verifica o joncţiune pn; este afişată căderea de tensiune pe diodă. : este generat un semnal dreptunghiular axat pe 0V, cu amplitudine de 5V şi frecvenţa de ≈ KHz. 10A: domeniu pentru măsurarea valorilor mari a intensitaţii curentului continuu (max. 10A) DCA: 5 domenii pentru măsurarea intensitaţii curentului continuu (max. 2A) ACV: 2 domenii pentru măsurarea valorii efective a tensiunii alternative (max 750V)

3

COM: borna de referinţă (fir rece, masă, “-”) faţă de care se fac toate măsurătorile; de obicei firul care se aplică acestei borne are culoarea neagră

Borne de măsură

4 VΩmA:borna de măsură (fir cald, “+”); de obicei firul ce se aplică acestei borne este de culoarea roşie pentru toate mărimile de măsurat cu excepţia curentului continuu cu intensitate mai mare de 2A

5 10A: borna de măsură (fir cald, “+”) numai pentru măsurarea valorilor mari a intensităţii curentului continuu (max. 10A)

Osciloscopul catodic 1. Noţiuni generale

Osciloscopul este un aparat electronic ce permite vizualizarea pe ecranul unui tub catodic a curbelor ce reprezintă variaţia în timp a diferitelor mărimi sau a curbelor ce reprezintă dependenţa dintre două mărimi. Imaginile obţinute pe ecran se numesc oscilograme. Osciloscopul poate fi utlizat pentru: -vizualizarea variaţiei în timp a tensiunilor electrice, precum şi măsurarea parametrilor acestora: valoare vărf la vărf, amplitudine, valoarea componentei continue, perioada (frecvenţa); -vizualizarea relaţiei dintre două tensiuni variabile în timp, putând determina raportul frecvenţelor tensiunilor şi defazajul dintre ele. -trasarea curbelor caracteristice ale unor dispozitive sau materiale (caracteristici statice ale unor dispozitive sau circuite electronice, ciclu de histerezis al materialelor feromagnetice, etc.) 2 Principiul de funcţionare Schema bloc a unui osciloscop catodic este prezentată în Fig. 1.4. AtX,AtY- atenuatoare pentru semnale vx,vy; micşorează semnalele prea mari înainte de a fi aplicate amplificatoarelor Ax, Ay Ax, Ay- amplificatoare pentru semnalele vx, vy; amplifică semnalul de studiat prea mici înainte de a fi aplicate păcilor de deflexie Px, Py

DE Lab1 Nicolae Patache 2006 – 2007

3

GBT - generatorul bazei de timp (generatorul de baleaj); generează tensiunea liniară variabilă în timp (dinte de fierăstrău) ce se aplică plăcilor de deflexie Px pentru lucrul în modul Y-t CSi- circuitul de sincronizare, sincronizează baza de timp fie cu semnalul de vizualizat, fie cu un alt semnal din exterior CSt-circuitul de stingere; asigură stingerea spotului pe durata cursei de întoarcere Px, Py- placile de deflexie pe orizontală, respectiv pe verticală TC- tub catodic E- ecranul fluorescent al tubului catodic K- catod termoemisiv

Fig. 1.2. Schema bloc a osciloscopului catodic Partea esenţială a osciloscopului catodic este tubul catodic TC, reprezentat simplificat în Fig. 1.4. Acesta este un tub cu vid în care se formează prin emisie termoelectronică un fascicul de electroni orientat axial. Electronii emişi de catodul K bombardează ecranul fluorescent E, care transformă energia lor cinetică în energie luminoasă, astfel încăt în punctul de impact apare o pată luminoasă numită spot. După încetarea bombardării unui punct al ecranului luminozitatea lui mai persistă un anumit timp, numit remanenţa ecranului. La tuburile catodice uzuale, remanenţa ecranului este foarte mică, de ordinul fracţiunilor de secundă. În drumul lor de la catodul K la ecranul E, electronii trec printre două placi metalice Py şi printre două plăci metalice Px, cele două perechi de plăci fiind dispuse perpendicular una pe alta (Fig. 1.4). Cu ajutorul plăcilor se poate comanda traectoria electronilor, deviindu-i de la direcţia axială; astfel se comandă poziţia spotului pe ecran. Pentru devierea spotului după direcţia orizontală OX se aplică o tensiune Vx plăcilor Px, creându-se între ele un câmp electric orizontal. Pentru devierea spotului după direcţia verticală OY se aplică o tensiune Vy plăcilor Py, creându-se între ele un câmp electric vertical. Deoarece timpul în care ajung electronii de la plăci la ecran este neglijabil de mic, deviaţiile x şi y ale spotului pe ecran sunt în fiecare moment proporţionale cu valorile instantanee ale tensiunilor Vx, respectiv Vy:

x t Sx Vx t( ) ( )= ⋅ y t Sy Vy t( ) ( )= ⋅

(Sx şi Sy sunt constante şi reprezintă sensibilitatea tubului catodic pe orizontală, respectiv pe verticală; ele se exprimă în cm/V). Relaţiile de mai sus reflectă propietatea fundamentală pe care se bazează funcţionarea osciloscopului catodic. Ca urmare spotul se va deplasa după direcţiile OX şi OY în acelaşi ritm în care variază tensiunile Vx şi Vy. Osciloscopul poate funcţiona în două moduri: - modul Y-t : pe ecran apare curba y(t)

At Ay

CS GB

At A

CSt

Py Vy P

Vx

0

Y

X E

TC K

C 1

2

Vy

Vx

DE Lab1 Nicolae Patache 2006 – 2007

4

- modul Y-X : pe ecran apare o curbă ce reprezintă relaţia y(x), prin eliminarea timpului între cele două variaţii x(t) şi y(t). Modul Y-t Pentru ca traiectoria ce apare pe ecran să reprezinte curba y(t), este necesar ca plăcilor Px să li se aplice o tensiune proporţională cu timpul:

Vx k tX= ⋅ Tensiunea Vx este o tensiune periodică liniar variabilă (dinte de fierăstrău) (Fig. 1.5.) obţinută de la generatorul bazei de timp cu comutatorul C pe poziţia 1 (Fig. 1.4.)

În intervalul [t1,t2] spotul se deplasează de la stânga spre dreapta, pe ecranul osciloscopului. Dacă la intrarea Y a oscilocopului se aplică o tensiune variabilă, spotul va avea o deplasare şi pe verticală, descriind curba y(t). În intervalul [t2,t3] are loc revenirea spotului în partea stângă a ecranului. Pentru ca traiectoria de revenire să fie invizibilă pe ecran se foloseşte un circuit de stingere ce reduce la zero intensitatea fasciculului de electroni în intervalul [t2,t3]. Imaginea pe ecran va fi stabilă şi clară dacă perioada semnalului de vizualizat va fi un submultiplu întreg al perioadei bazei de timp:

Tk

T k NVY VX= ⋅ ∈1

;

Pentru realizarea acestei condiţii, generatorul bazei de timp are frecvenţa reglabilă şi există posibilitatea sincronizării ( momentul începerii pantei crescătoare a fiecărui dinte de fierăstrău) ei prin circuitul de sincronizare, fie cu semnalul de vizualizat, fie cu un semnal din exterior (Fig. 1.4). Pentru semnalele Vx şi Vy din Fig. 1.6. se obţine oscilograma din Fig. 1.7. Generatorul bazei de timp poate funcţiona (la alegere ) fie în mod continuu (automat), fie în mod declanşat. La funcţionarea în mod continuu se generează semnal liniar variabil (dinte de fierăstrău) tot timpul, indiferent dacă există sau nu semnal de intrare, pe când în mod declanşat semnalul de studiat va declanşa generarea fiecărui dinte de fierestrău (şi deci a baleajului ) atunci când el atinge un anumit nivel - nivel ce se poate regla cu ajutorul unui potenţiometru. În modul declanşat pot fi vizualizate şi semnale neperiodice. Fig. 1.4. Tensiunile pe plăcile Py şi Px Fig. 1.5. Oscilogramă

t1 t2

t

Vx

Fig. 1.3 Tensiune liniar variabilă

Vy

t

t

V

DE Lab1 Nicolae Patache 2006 – 2007

5

Observaţie: În modul de lucru cu baza de timp declanşată, dacă la intrare nu se aplică semnal, spotul nu baleiază ecranul (baza de timp nu generează dinte de fierestrău ), deci pe ecranul osciloscopului nu apare trasa (linie luminoasă orizontală de culoare verde). Modul X-Y În acest mod de lucru baza de timp se decuplează (comutator C în poziţia 2, Fig. 1.4.) şi pe plăcile Px se aplică un semnal din exterior. Pe ecran se obţine o curbă y(x) care nu depinde de timp. Acest mod de lucru se foloseşte pentru ridicarea caracteristicilor statice ale unor dispozitive sau circuite electronice. 3. Elemente de comandă, semnalizare şi acces ale osciloscoapelor E-0103 şi XJ-4245 Panourile frontale ale celor două osciloscoape sunt prezentate în Fig. 1.8, respectiv Fig. 1.9. În tabelul 1.4. sunt descrise elemente de comandă, semnalizare şi acces pentru osciloscopul de producţie chinezească XJ-4245 şi pentru osciloscopul de producţie românească E-0103 .

Fig.1.6. Panoul frontal al osciloscopului E - 0103

OSCILLOSCOPE E 0103-A

Y B

Y A

V/DIV

TIM P/DIV

V/DIV

PW R EXT

1 2 3 5 4

158 6 9 107 11 121314192118202223172428 2925

38 37 35 32 34 33 36 51 52 31 30 27 26

47 48 50 49 46 45 44 42 43 41 40 39

DE Lab1 Nicolae Patache 2006 – 2007

6

XJ-4245 OSCILLOSCOPE DC 10MHz

Y2Y1

Y1 Y2 XVOLTS/div VOLTS/div TIME/div

EXTTRIG

FOCUSINTEN POS

LEVELPOS POS

15 8 9 16 17 14 13 18 24 25

23

22

27

31

2 1 3 4 6 7 19(a-g) 10 20 11 21 12 28 26 29 30

Tabelul 1.2.

NUME NUMĂR ELEMENT FUNCŢIE ELEMENT ELEMENT XJ-4245 E-0103

1 2 3 4 Comutator pornit-oprit

1 PULL

POWER ON

POWER 14

Prin tragerea comutatorului osciloscopul este alimentat cu tensiune de 220V c.a.

Indicator optic al funcţionării

2 14 LED-ul (becul) se aprinde când osciloscopul este pus sub tensiune

Luminozitate INTEN 1

INTENSITY 4

prin rotirea potenţiometrului se controlează intensitatea trasei

Focalizare FOCUS 3

FOCUS 3

prin rotirea potenţiometrului se controlează focalizarea spotului

Astigmatism ASTIIG (pe panoul din spate)

ASTIGMA-TIZM

2

se foloseşte în conjuncţie cu focalizarea pentru a obţine un spot bine definit

Semnalizare poziţie spot

_ 1 semnalizează poziţia spotului faţă de ecran (sus, jos, dreapta, stânga)

Iluminare scală ecran

_

SCALE LIGHT

5

reglarea continuă a iluminării caroiajului de pe ecranul osciloscopului

Deplasarea pe orizontală

POS 7

POSITION 8,15

deplasarea oscilogramei spre dreapta sau stânga

1 2 3 4 Deplasarea 16,18 52,34 deplasarea oscilogramei pe verticală pe

Fig.1.7. Panoul frontal al osciloscopului XJ - 4245

DE Lab1 Nicolae Patache 2006 – 2007

7

pe verticală POS POSITION canalul Y1(YA),respectiv Y2(YB) 7

PULL5MAG oscilograma se dilată pe orizontlă dacă

butonul este tras Extindere 9,13

PULL5MAG cu butonul tras oscilograma se dilată pe

verticală pentru canalul Y1, respectiv Y2 9

MAGNIFIERoscilogrma se dilată de 10 ori atât pe orizontală cât şi pe verticală

Echilibrare 15,17 BAL

45,43 DC BAL

se reglează echilibrarea amplificatoarelor pe verticală pe fiecare din cele 2 canale

Atenuator pe

VOLTS/DIV 8,14

V/DIV 50,38

reglaj în trepte al coeficientului de deviaţie verticală pe fiecare din cele două canale

verticală 9,13* VAR

VARIABLE 49,37*

reglaj fin al coeficientului de deviaţie pe verticală pe fiecare din cele două canale

Polaritate

_

POLARITY 51,33

semnalul de intrare pe cele 2 canale este afişat deasupra liniei de referinţă: +UP, sau sub linia de referinţă -UP

Baza de timp

TIME/DIV 22,23* VAR

TIME/DIV 29

VARIABLE 28*

alegerea în trepte a coeficienţilor de deviaţie pe orizontală pentru ambele canale reglaj fin al coeficienţilor de deviaţie pe orizontală

Selectarea unităţii de

timp

μs 27 ms

_

selectează unitatea de măsură a timpului: apăsat: μs relaxat : ms

Declanşarea bazei de timp

AUTO DECL 31

MONO

AUTO : baza de timp lucrează automat: generează continuu tensiune liniar variabilă; apare trasa şi în absesnţa semnalului de intrare DECL: baza de timp lucrează declanşat: generarea dintelui de fierăstrău este declanşată de semnalul de studiat sau de un semnal extern de sincronizare MONO: baza de timp este declanşată o singură dată

LEVEL 25 HF

comutatorul în pozitie normală: baza de timp lucrează declanşat (vezi mai sus) comutatorul tras: baza de timp lucrează automat (vezi mai sus)

Modul de cuplare al

semnalului de intrare

AC⊥ ⊥AC 19 a b f g DC DC

47 AC 39 GND

DC

pe fiecare canal, amplificatorului pe verticală i se aplică : DC: direct semnal de intrare AC: semnalul de intrare trece printr-un condensator ce taie componenta continuă ⊥, (GND): un potenţial egal cu potenţialul de referinţă (masă) al osciloscopului

Mod de lucru NORM 20

Y-X

TIME BASE 10

1V/DIV 10V/DIV

modul de lucru Y-t: NORM, (TIME BASE) modul de lucru Y-X: Y-X, (1V/DIV sau 10V/DIV)

1 2 3 4 DUAL SINGLE: afişează semnalul de pe un canal

DE Lab1 Nicolae Patache 2006 – 2007

8

9e SINGLE

Y1 ALT 9c 9d

Y2 CHOP

în funcţie de poziţia butonului 9c: Y1 sau Y2 DUAL: semnalele de pe ambele canale sunt afişate simultan prin două procedee: ALT: afişarea este comutată de la un canal la celălalt la începutul fiecărei pante crescătoare a tensiunii liniar variabile CHOP: afişarea este comutată de la un canal la altul cu o frecvenţă fixă

Lucrul în modul Y-t:

se vizualizează

variaţia tensiunii în funcţie de

timp

A B 35

(ALT,CHOP, A+B)

ALT CHOP

A+B 32

A: afişează semnalul aplicat la YA B: afişează semnalul aplicat la YB A+B: afişează suma semnalelor aplicate la intrările YA şi YB (ALT,CHOP,A+B): semnalele aplicate la YA şi YB sunt afişate alternat sau comutat sau adunat (în funcţie de poziţia comutatorului 32)

NORM 21

XALT

cele două semnale aplicate la intrările Y1 şi Y2 sunt afişate în jumătatea stângă, respectiv dreaptă a ecranului

Lucrul în

modul Y-X (se

vizualizează caracteristici

NORM 20

Y-X

pe poziţia Y-X -la intrarea amplificatorului pe X este cuplat unul din semnalele de intrare Y1 sau Y2 în funcţie de poziţia butonului 19c, celălalt semnal fiind aplicat amplificatorului pe verticală

statice sau Figuri

Lisssajous

TIME BASE 10

1V/DIV 10V/DIV

pe poziţia 1V/DIV sau 10V/DIV -intrarea amplificatorului pe X este cuplată la borna EXT

11 EXT mufă BNC pentru aplicarea semnalului extern în mod de lucru X-Y

31 EXT TRIG

19 mufa BNC la care se aplică semnal de sincronizare extern

Sincronizare (TRIGGER)

EXT 26

INT

EXT 21

INT

ca şi semnal de sincronizare se foloseşte: EXT: semnal aplicat la mufa EXT TRIG INT: unul din semnalele aplicate la intrarea celor 2 canale în funcţie de poziţia comutatoarelor: 9c -osciloscopul XJ-4245 36 -osciloscopul E-0103

AB COMP 36

TRIGGER

sincronizare cu semnalul aplicat la canalul A sau B sau cu un semnal compus (compunere algebrică)

+ 28 -

TRIGGER , + 17 -

alegerea pantei pozitive sau negative a semnalului de sincronizare

DCE Lab1 Nicolae Patache 2006 – 2007

9

1 2 3 4 AC

29 DC

semnalul extern de sincronizare este cuplat direct (DC) sau printr-un condensator (AC)

Cuplarea semnalului de sincronizare

LINE 30

NORM

LINE: sincronizarea se face cu frecvenţa sursei de alimentare a osciloscopului (220V a.c.)

DC 18 LF

HF

sincronizare cu semnal extern cuplat: direct (DC) prin FTJ: 10Hz...2MHz(LF) prin FTS: 2KHz..50MHz(HF)

Nivel de sincronizare

LEVEL 25 HF

LEVEL 25

reglarea nivelului tensiunii cu care se face sincronizarea

Aplicare semnal intrare

Y1 Y2 10 12

YA YB 48 40

mufe BNC la care se aplică semnalul de intrare prin intermediul sondelor (conductor ecranat)

Masa 11 13 borna de masă legată atât la şasiul aparatului căt şi la împământare

Stabilitate STAB 24

STAB 24

controlează modul de funcţionare al circuitului de baleiaj ( reglajul stabilităţi)

Calibrare

4 XCAL

6

CALIBRA-TOR 6,7

borne de ieşire pentru semnal dreptunghiular cu frecvenţa de 1KHz şi amplitudinea înscrisă pe panoul frontal

Reţinere _ HOLD ON 26

eliminarea sincronizării multiple

Rotire trasă

32 pe panoul din spate

TRACE ALIGNE-MENT 12

reglarea paralelismului trasei cu liniile reticulare orizontale de pe ecranul osciloscopului

Ieşire poartă

_

GATE OUT pe panoul din

spate

mufă BNC ce furnizează semnal dreptunghiular având frecvenţa bazei de timp

Ieşire TLV _ SWEEP OUT panou spate

mufă BNC ce furnizează tensiune liniar variabilă

Modulaţie Z Z-MODULA-

TION INPUT panou spate

mufă BNC de intrare pentru modularea luminozităţii spotului

* Dacă potenţiometrele nu sunt pe poziţia “calibrat”; maxim dreapta (CAL’D) pentru osciloscopul XJ4245, respectiv maxim stânga (CAL) pentru osciloscopul E-0103, indicaţiile comutatoarelor pentru reglajul în treapte nu sunt valabile (necalibrare).

DCE Lab1 Nicolae Patache 2006 – 2007

10

DCE Lab1 Nicolae Patache 2006 – 2007

11

Reguli de masurare a tensiunilor

pentru gamele de masura: 1, 10, 100, 1000 citirea valorii tensiunii masurate se efectueaza pe scara 0,…,10.

pentru gamele de masura: 2.5, 25, 250 citirea valorii tensiunii masurate se efectueaza pe scara 0,…,25.

pentru gama de masura 500 citirea valorii tensiunii masurate se efectueaza pe scara 0,…,50.

valoarea din capatul scarii de masura = valoarea gamei de masura selectate valorile din interiorul scarii de masura se transforma in functie de valoarea din capatul

scarii

Reguli de masurare a curentilor

pentru gamele de masura: 1mA, 100mA, 1A citirea valorii curentului masurat se efectueaza pe scara 0,…,10.

pentru gamele de masura: 0.25mA, 25mA citirea valorii curentului masurat se efectueaza pe scara 0,…,25.

pentru gama de masura 50uA, 5mA, 5A citirea valorii curentului masurat se efectueaza pe scara 0,…,50.

valoarea din capatul scarii de masura = valoarea gamei de masura selectate valorile din interiorul scarii de masura se transforma in functie de valoarea din capatul

scarii

DCE Lab1 Nicolae Patache 2006 – 2007

12

Masurarea curentului electric in cadrul lucrarilor de laborator = metoda indirecta

Se masoara tensiunea de pe rezistenta prin care se doreste sa se afle curentul si se foloseste legea lui Ohm

Masurarea rezistoarelor Se poate realiza in mai multe moduri:

1. masurarea rezistoarelor cu ajutorul ohmetrului Se realizează montajul din figura:

Masurarea se va face pe toate domeniile ohmetrului verificand punctul de zero.

Calibrarea aparatului

Se selecteaza o gama de masura pentru rezistente Se introduce un şunt (un scurtcircuit) intre intrarile aparatului Se actioneaza potentiometrul de calibrare pina cind acul indicator ajunge la valoarea 0

pe scara Ω Daca acul indicator nu reactioneaza => aparatul nu are baterie => nu se pot masura

rezistente

OhmetruR

DCE Lab1 Nicolae Patache 2006 – 2007

13

2. Măsurarea rezistoarelor cu ajutorul ampermetrului şi al voltmetrului in montaj aval Realizati montajul din figura cu sursa necuplata respectand cu stricteţe polaritaţile

Înainte de conectarea sursei puneţi instrumentele de masurat pe domenii superioare valorilor la care va asteptati pentru curent si tensiune ( daca nu puteţi aprecia aceste valori puneţi instrumentele pe domeniu cel mai mare) pe parcursul lucrarii reveniţi treptat la domenii pe care citirea se face comod şi precis.

Valoare rezistorului R=U/I

3. Măsurarea rezistoarelor cu ajutorul ampermetrului şi al voltmetrului in montaj amonte Realizati montajul din figura cu sursa necuplata respectand cu stricteţe polaritaţile

Înainte de conectarea sursei puneţi instrumentele de masurat pe domenii superioare

valorilor la care va asteptati pentru curent si tensiune ( daca nu puteţi aprecia aceste valori puneţi instrumentele pe domeniu cel mai mare) pe parcursul lucrarii reveniţi treptat la domenii pe care citirea se face comod şi precis.

Valoare rezistorului R=U/I

Având de-acum la dispoziţie tot echipmentul necesar, vom începe împreună ascensiunea spre piscurile învăluite în mister ale electronicii.

+ Sursă stabilizată -

A

V

+ -+

-

R

+ Sursă stabilizată -

A

V

+ -+

-

R