ETE115 Ellära och elektronik, vt 2016 Laboration 1

Transkript

1 ETE5 Ellära och elektronik, vt 206 Laboration Sammanfattning Syftet med denna laboration är att ge tillfälle till praktiska erfarenheter av elektriska kretsar. Grundläggande mätningar görs med hjälp av multimeter, spänningsaggregat, signalgenerator och oscilloskop. Kretsarna består av motstånd, dioder och kondensatorer. Först beskrivs de uppgifter som ska utföras under laborationen, och i en längre bilaga beskrivs den utrustning som ska användas. Se till att ha läst igenom även denna bilaga innan laborationen. Det krävs ingen labbrapport, men diskutera gärna med labbhandledarna kring dina resultat. Tända och släcka en lysdiod med potentiometer Du ska här bygga en koppling med vilken du kan tända och släcka en lysdiod med hjälp av en potentiometer. En kort förklaring av de olika komponenterna finns i Bilaga A. Ett kretsschema för kopplingen ges nedan (där R R 2 = R): v 0 R R d v 0 v v 2 R v 3 R d R 2 v 4 Idén med kretsen är att använda den vridbara potentiometern för att göra en spänningsdelning mellan R och R 2 så att spänningen över lysdioden kan regleras till att vara mindre eller större än den tröskelspänning V t 2 V som krävs för att den ska börja lysa. Motståndet R d behövs för att begränsa strömmen genom lysdioden så den inte förstörs, se Bilaga A. Se till att du läst igenom Bilaga A och förstår hur kopplingsplattan fungerar. Första uppdraget är att få in spänningskällan v 0 till kopplingsplattan från spänningsaggregatet, vilket ansluts via banankontakter. För att kunna ansluta dessa till kopplingsplattan kan du dra en kopplingstråd från respektive kontakt enligt nedan (trådarna kan skruvas fast vid banankontaktanslutningen):

2 2 Den undre horisontella raden kan nu betraktas som jord, och den o vre som positiv potential v0. Spa nningen dem emellan svarar mot vad spa nningsaggregatet sta lls in som. Kontrollera med multimetern att detta sta mmer, dvs att du har samma spa nning pa kopplingsplattan som visarinstrumentet pa spa nningska llan visar (v0 0 V kan vara lagom). Na sta steg a r att koppla upp resterande komponenter (en potentiometer, en lysdiod, och ett motsta nd i serie med lysdioden). Ett exempel pa hur det kan se ut ges nedan: Kontrollera att du kan ta nda och sla cka lysdioden genom att vrida pa potentiometern (det finns speciella mejslar i labbsalen som passar till detta). Anva nd nu multimetern fo r att ma ta spa nningarna v0, v, v2, v3 och v4. Kontrollera att Kirchhoffs spa nningslag a r uppfylld i de tva slingorna, dvs v0 = v v2 och v2 = v3 v4 Fundera pa hur du skulle go ra fo r att verifiera Kirchhoffs stro mlag. Mellan vilka va rden kan du fa v4 att variera beroende pa hur potentiometern sta lls?

3 3 v/v sinus v/v t/ms fyrkant osymmetrisk fyrkant v/v v/v t/ms t/ms triangel t/ms Figur : Fyra typiska periodiska signaler. Samtliga signaler har periodtid ms (svarar mot frekvens khz) och toppvärde V (topp-till-topp 2 V). 2 Upp- och urladdning av kondensator Vi ska i denna uppgift studera hur tidsförloppet för spänningen över en kondensator kan se ut. 2. Verifiering av insignal Vi börjar med att se hur vi kan skapa olika former av insignaler. Några exempel ges i figur. En signalgenerator kan generera samtliga dessa kurvformer, med relativt fritt val av periodtid eller frekvens. Börja med att verifiera att signalgeneratorn ger den signal du vill ha. Detta kan göras genom att koppla signalgeneratorn direkt till oscilloskopet via en koaxialkabel med bajonettkoppling i båda ändar (en så kallad BNC-kontakt). Ställ in signalgeneratorn på en frekvens kring khz, och tryck på Auto -knappen på oscilloskopet. Detta bör ge inställningar där det är enkelt att observera signalen. Kontrollera att du kan påverka signalens amplitud och frekvens med signalgeneratorn och observe-

4 4 ra a ndringarna pa oscilloskopet. Notera att signalgeneratorn skriver ut parametrar som frekvens/periodtid och topp-till-topp-va rden pa sin bildska rm. Testa de olika kurvformerna (sinus, fyrkant, osymmetrisk fyrkant, triangel). Verifiera att signalgenerator och oscilloskop ger samma utsagor om samma signal. 2.2 Ma tningar pa en RC-la nk Vi ska nu koppla in dessa signaler pa en krets besta ende av ett motsta nd och en kapacitans enligt nedansta ende. 50 Ω R a v0 (t) c C b d signalgenerator Anva nd R = kω och C = 0 nf, med signalgeneratorns frekvens insta lld pa 0 khz. Koppla upp den ovansta ende kretsen pa kopplingsplattan. Koppla in proben ansluten till oscilloskopets kanal till anslutningarna a b (anva nd b som jord). Anslut pa samma sa tt kanal 2 till anslutningarna c d (med d som jord). Detta ger insignalen vab pa kanal, och utsignalen vcd pa kanal 2. Efter att du tryckt pa oscilloskopets Auto -knapp bo r du kunna se ba da signalerna samtidigt pa oscilloskopets ska rm.. Studera hur utsignalen ser ut fo r de olika insignalerna i figur. Variera frekvensen a tminstone en tiopotens uppa t och neda t fo r varje signal. 2. Hur a ndras amplituden fo r utsignalen na r frekvensen a ndras? 3. Bera kna produkten RC och ja mfo r sa rskilt med utsignalens beteende fo r en fyrkantsva g med la ngsam frekvens. Om du vill go ra en noggrannare ja mfo relse, sa ga r det att ma ta stigtid fo r utsignalen pa oscilloskopet med hja lp av sa kallade marko rer (cursors).

5 5 4. Ersa tt det fasta motsta ndet med en potentiometer. Fo r en fix frekvens, studera hur utsignalen a ndras da du varierar potentiometern, sa rskilt fo r fyrkantsva gen. Ett exempel pa vad du bo r kunna observera pa oscilloskopet ses nedan, da r gul fyrkantsva g a r insignal och bla kurva a r utsignal. 2.3 Andra ordningens krets Om du skulle fa tid o ver finns en fa rdigkopplad andra ordningen krets enligt nedan tillga nglig. Med hja lp av en bygel (den lilla svarta plastbiten la ngst ned till ho ger) kan tva olika motsta nd R kopplas in. Underso k hur de olika insignalerna o verfo rs genom denna krets. 50 Ω L C a v0 (t) R b signalgenerator c d

6 6 Bilaga A Labbutrustning Fo ljande utrustning finns tillga nglig: ) Kopplingsplatta, 2) Multimeter, 3) Signalgenerator, 4) Oscilloskop, 5) Spa nningsaggregat. All utrustning beho vs inte till alla uppgifter. Vi ger en kortfattad beskrivning av utrustningen nedan. A. Kopplingsplatta och kopplingstra dar Kopplingsplattan a r ett bekva mt hja lpmedel fo r att go ra flera olika kopplingar. Komponenternas metallanslutningar (som ofta kallas ben) sticks ner i ha len pa plattan, som a r anslutna till varandra enlig nedan. De o versta tva raderna a r sammankopplade i horisontell led (men frista ende fra n varandra), och alla kolumnerna i mittsektionen a r sammankopplade i vertikal led (men frista ende fra n varandra). Fo r att koppla ihop olika rader med varandra, kan det vara no dva ndigt att anva nda en kopplingstra d som skarv. Denna finns tillga nglig i rullar vid labblokalens

7 7 va gg, tillsammans med avbitarta ng. Tra den besta r av en inre metalltra d omgiven av ett isolerande plastho lje, som ma ste skalas av fo r att den ska kunna anslutas till kopplingsplattan. Till detta a ndama l finns ett specialverktyg som ha nger bredvid tra drullarna: Placera bara tra den i gapet pa verktyget och tryck ihop handtagen. Det ga r ocksa att skala tra den med bara en avbitarta ng, men det kra ver lite mer handlag och o vning. Anva nd inte o verdrivet la nga tra dar, det blir bara sva ro verska dligt pa kopplingsplattan. A.2 Signalgenerator Med signalgeneratorn kan vi skapa signaler med olika kurvform och amplitud. En modern signalgenerator har ofta ett hyfsat utbyggt menysystem da r insta llningarna go rs. Navigation i detta menysystem go rs till stor del med knapparna alldeles bredvid ska rmen. Den stora ratten la ngst ut till ho ger anva nds fo r att sta lla in bland annat frekvens och amplitud, och dess funktion varierar beroende pa var i menysystemet du befinner dig. Pilarna under ratten kan anva ndas fo r att a ndra vilken va rdesiffra som ska varieras. De olika kurvformerna kan va ljas genom knapparna la ngst upp pa instrumentet. OBS: det finns tva utga ngar, var och en med en knapp som ma ste vara ta nd fo r att utga ngen ska vara aktiv. Sett fra n utga ngen kan en kretsmodell fo r signalgeneratorn ges som en ideal spa nningska lla med en serieresistans:

8 8 50 Ω v0 (t) da r den vanligaste signalen som funktion av tiden t ges av v0 (t) = V0 sin(2πf t), da r V0 a r amplituden och f a r frekvensen. A.3 Spa nningsaggregat Fo r att erha lla en likspa nning kan ett spa nningsaggregat anva ndas. Va r variant inneha ller tva spa nningska llor i samma burk ) Spa nningsinsta llning, 2) Spa nningsinsta llning 2, 3) Spa nningsuttag, 4) Spa nningsuttag 2. Notera visarinstrumenten som visar spa nningen fo r respektive ka lla. A.4 Oscilloskop Oscilloskopet a r ett instrument som a r anva ndbart fo r att titta pa signaler som varierar i tiden. Det har ma nga insta llningsmo jligheter, och vi kan inte beskriva alla ha r. Ni la r er mer om oscilloskopet i kurser hos elektrisk ma tteknik.

9 ) Signalinga ng, 2) Signalinga ng 2, 3) Auto -knapp fo r insta llningar, 4) Insta llning av horisontell skala (tidsupplo sning), 5) Insta llningar fo r vertikal skala fo r de tva inga ngarna. Fo r de ma tningar vi ska go ra ha r, ra cker det oftast att koppla in en insignal via en av inga ngarna eller 2, och trycka pa Auto -knappen 3. Om allt a r kopplat ra tt bo r det resultera i rimliga insta llningar, men du kan ibland beho va a ndra pa vertikal eller horisontell skala med reglagen vid 4 och 5 ovan. Det ga r att sta nga av eller sa tta pa visningen av en signal via knapparna CH och CH2 vid 4. A.5 Multimeter Multimetern a r ett enkelt och ma ngsidigt instrument, med vilket du kan ma ta spa nning, stro m, och resistans. Det kostar inte mycket att ko pa om du vill ha ett eget.

10 0 För att mäta likspänning ska du använda inställningen märkt V och raka streck. För att mäta resistans använder du inställningen märkt Ω. Kom ihåg att stänga av multimetern efter att du använt den, så räcker batteriet längre. A.6 Komponenter I labbsalen finns motstånd i burkar märkta med deras resistans. Denna kan också utläsas från respektive motstånd enligt en färgskala. De två första färgerna anger värdesiffror, den tredje vilket antal nollor som ska läggas till. Den avslutande färgen (guld eller silver) anger toleransen för värdet. De två motstånden till höger har alltså resistanserna kω ± 00 Ω respektive 0 kω ± kω. Färg Värdesiffra Tolerans Svart 0 Brun Röd 2 Orange 3 Gul 4 Grön 5 Blå 6 Violett 7 Grå 8 Vit 9 Guld 5% Silver 0% Ingen 20% ÖÙÒ ËÚ ÖØ Ê Ë ÐÚ Ö kω ÖÙÒ ËÚ ÖØ ÇÖ Ò Ë ÐÚ Ö 0 kω Det finns motstånd vars resistans kan varieras, så kallade potentiometrar. De har tre anslutningar a, b och c enligt nedan. Genom att vrida på ratten (det finns speciella mejslar som passar för detta), kan resistanserna R och R 2 varieras från 0 till R, men de uppfyller alltid R R 2 = R. a a R b R b R R 2 = R R 2 c c Lysdioder är komponenter som avger ljus då en ström flyter genom dem, men de kan bara släppa igenom ström i en given riktning. För att kunna identifiera denna riktning är ett ben lite längre än det andra. I bilden nedan svarar a mot det långa benet, vilket brukar kallas anod (det andra kallas katod). Spänningen v ab måste vara positiv för att dioden ska leda och avge ljus, och är typiskt i storleksordning knappt

11 2 V till knappt 4 V, beroende på ljusets färg (spänningen svarar mot fotonernas energi i elektronvolt). Epoxy-lins/hölje Trådanslutning Reflektor Halvledarbricka Anslutningar a Plan yta Anod Katod b OBS! När spänningen v ab väl överstiger en tröskelspänning V t 2 4 V, så ökar strömmen mycket snabbt med ökande spänning. Om den tillåts öka för mycket (dvs för stor spänning läggs över dioden), förstörs dioden. För att undvika detta bör den alltid kopplas i serie med ett motstånd enligt nedan: R d v Idén med denna koppling är att då spänningen v är större än tröskelspänningen V t som krävs för att få dioden att lysa, lägger sig resterande spänning över resistansen och strömmen blir inte större än (v V t )/R d.