Reviderad: 20 december 2016 av Jonas Enger jonas.enger@physics.gu.se Förberedelse: Du måste känna till följande Kirchoffs ström- och spänningslagar Ström- och spänningsriktig koppling vid resistansmätning Hur ett digitalt instruments onoggrannhet anges Hur man anger ett mätvärdes onoggrannhet Elementär nätsolvering Namn: Datum: Lärare: Godkänd:
en är uppdelad i ett antal övningar. Varje övning består av tre olika moment, räkna, simulera och mäta. Tanken bakom detta är att utifrån samma uppgift förstå teorin genom beräkningar, simulera teorin och lära sig hur dagens ingenjörer jobbar med datorprogram och simuleringar samt verifiera allt genom att koppla upp och mäta. Viktigt är sedan att Du jämför de tre delarna beräkning, simulering och mätning och funderar över eventuella avvikelser. Till laborationstillfälle 2 ska du förbereda dig genom att utföra beräkningarna i varje uppgift hemma så att laborationstillfället används till simuleringar och mätningar. Din handledare kommer berätta om i vilken ordning uppgifterna ska utföras. Detta för att du ska hinna med att prova på många olika delar men också få en säkerhet i grunderna. Beroende på dina förkunskaper kan vissa övningar hoppas över. Det är inte meningen att alla ska hinna med alla uppgifter utan det viktiga är att du förstår varje uppgift innan du fortsätter med nästa! Att kunna mäta strömmar och spänningar är grunden i alla försök med elektronik. Det är viktigt att veta både hur man kopplar mätinstrumenten man vill använda och vilka begränsningar de har. Detta är målet med uppgifterna ett till fem. Funktionsgenerator och oscilloskop är viktiga instrument för att kunna undersöka tidsaspekten av elektriska signaler. Ett oscilloskop är ett instrument som kan användas för avancerade mätningar och du kommer här lära dig grunderna. En funktionsgenerator används för att generera en varierad signal. Uppgift sex till nio. Uppgift tio och elva tar upp kondensatorn och dioden för att du ska få en förståelse för dessa komponenters egenskaper. Lycka till! Instrument och utrustning 0 3 A 0 30 V 0 3 A 0 30 V CURRENT VOLTAGE CURRENT VOLTAGE ON - GND + - GND + + 5V - Spänningsaggregat
Multimeter 1: Agilent 34401A Multimeter 2: Finns ett antal olika modeller Funktionsgenerator: Agilent 330 Oscilloskop: Tektronix TDS5021B
Kopplingsplatta/kopplingsdäck för att ansluta små komponenter till varandra. För att kunna använda kopplingsplattan måste man förstå hur de hål som man ansluter komponenter i är anslutna till varandra. De gröna linjerna i figuren visar hur hålen är sammankopplade med varandra. Notera att de svarta anslutningarna är kopplade till metallplattan och dessutom kopplade till höljet av BNC anslutningarna (jord). Streckad orange linje visar på hur komponenterna på bilden är ihopkopplade.
Uppgift 1 Utrustning: Handhållen multimeter, likspänningsaggregat, kopplingssladdar och stora motstånd. Uppgift 1a Använd multimeter 1 och 2 för att mäta upp tre stycken resistanser: R1 = 1275 Ω R2 = 3190 Ω R3 = 6486 Ω Uppgift 1b Beräkna strömmen i kretsen nedan, samt spänningarna U1, U2 och U3. Visa att Kirchhoffs spänningslag gäller. I =. U1 = U2 =.. U3 = Uppgift 1c Verifiera dina beräkningar i simuleringsprogrammet Multisim. Observera att du alltid måste ansluta en jord då du använder Multisim. I =. U1 = U2 =.. U3 = Uppgift 1d Använd multimetern för att mäta upp en likspänning på +10 volt (från likspänningsaggregatet). Koppla sedan upp kretsen ovan och använd multimetern för att validera strömmen I, spänningarna U1, U2, U3 samt Kirchhoffs spänningslag. I =. U1 = U2 =.. U3 =
Uppgift 2 Utrustning: Handhållen multimeter, likspänningsaggregat, kopplingssladdar och stora motstånd. Uppgift 2a Använd multimetern för att mäta upp tre stycken resistanser: R1 = 110 Ω R2 = 470 Ω R3 = 930 Ω Uppgift 2b Beräkna R // nedan samt totala resistansen R tot. R // =. R tot = Uppgift 2c Verifiera dina beräkningar i simuleringsprogrammet Multisim. R // =. R tot = Uppgift 2d Använd multimetern för att validera R // och R tot. Uppgift 2e Vilken spänning U behövs för att strömmen i kretsen nedan ska bli 5 ma? U =. Uppgift 2f Verifiera U i simulatorn. Uppgift 2g Koppla upp kretsen ovan och validera strömmen med multimetern.
Uppgift 3 Utrustning: Bordsmultimeter, likspänningsaggregat, kopplingsplatta, kopplingssladdar och små motstånd. Uppgift 3a Använd bordsmultimetern för att mäta upp de exakta resistansvärdena på tre stycken motstånd vars nominella resistansvärden är: R1 = 220 Ω R2 = 560 Ω R3 = 820 Ω R1 =. R2 = R3 = Uppgift 3b Beräkna strömmarna I1, I2 och I3 nedan (använd de uppmätta värdena på R1, R2 och R3 ovan). I1 =. I2 = I3 = Uppgift 3c Verifiera strömmarna i simuleringsprogrammet Multisim. (Använd bordsmultimetern i simulatorn.) Uppgift 3d Använd bordsmultimetern för att först mäta upp en likspänning på +7 volt. Koppla sedan upp kretsen ovan och validera strömberäkningarna.
Uppgift 4 Utrustning: Bordsmultimeter, likspänningsaggregat, kopplingsplatta, kopplingssladdar och små motstånd. Uppgift 4a Betrakta kretsen nedan: Beräkna strömmarna I1, I2 och I3 med hjälp av superpositionsprincipen. Superpositionsprincipen innebär att man först beräknar alla strömmarna med ena spänningskällan = 0. Därefter beräknar man strömmarna igen med andra spänningskällan = 0. Strömmarna I1 I3 är sedan summan av strömmarna vid de två beräkningarna. Uppgift 4b Verifiera dina beräkningar i Multisim. Uppgift 4c Använd bordsmultimetern för att först mäta upp två likspänningar på +12 volt och +5 volt. Koppla sedan upp kretsen ovan på en kopplingsplatta och validera strömberäkningarna.
Uppgift 5 Utrustning: Bordsmultimeter, tio stycken små motstånd på 10 kω samt kopplingsbord. Uppgift 5a Du får tio motstånd med nominella resistansen 10 kω. Använd bordsmultimetern för att mäta upp dess exakta resistans och markera dem på linjen nedan (bestäm skalan själv). 10000 Uppgift 5b Vad kan du säga om noggrannheten på ett motstånd? Om du tar ett slumpmässigt valt motstånd med nominella värdet 10 kω, inom vilket intervall ligger då det sanna värdet? Uttryck det på formen 10000 ± ΔR. R =. Uppgift 5c Hur många procent motsvarar ΔR av 10 kω?.. Uppgift 5d Vad säger tillverkaren om noggrannheten? Försök att tyda färgringarna på motstånden. (Googla!).. Uppgift 5e Du får fem nya motstånd med olika värden. Läs av deras nominella resistansvärde med hjälp av färgringarna. Använd sedan bordsmultimeterna för att mäta upp den verkliga resistansen och kontrollera att avvikelsen från nominella värdet ligger inom felmarginalen. R1 =.. R2 =.. R3 =.. R4 =.. R5 =..
Uppgift 6 Utrustning: Handhållen multimeter, bordsmultimeter, funktionsgenerator och oscilloskop. Uppgift 6a Starta funktionsgeneratorn. Ställ in den på en sinusspänning enligt figuren nedan. 1,5 [V] 1 30 ms 0,5 0-0,5-1 -1,5 Uppgift 6b Beräkna växelspänningens effektivvärde, frekvens och vinkelfrekvens ovan. U e =.. f =. ω = Uppgift 6c Anslut signalen till den handhållna multimetern, inställd på växelspänning. Vad visar den? Visar den rätt? Uppgift 6d Starta oscilloskopet och anslut växelspänningen till oscilloskopet istället. Försök att själv ställa in reglagen på oscilloskopet så att du får en bra, stillastående bild av signalen. Kontrollera dess frekvens och amplitud. (Tips: Använd cursorerna.) Om signalen på oscilloskopet inte ser ut att stämma överens med den signal du ställt in på funktionsgeneratorn, be labbassistenten att hjälpa till. Uppgift 6e Ta bort signalen från oscilloskopet och anslut den till multimetern igen och kontrollera att den visar rätt. Uppgift 6f Utan att ändra sinussignalens amplitud, öka sinussignalens frekvens och mät samtidigt effektivvärdet med multimetern. Plotta värdena i diagrammet på nästa sida.
1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 1 10 100 1000 10000 100000 1000000 Uppgift 6g Vad kan du säga om multimeterns bandbredd? f B =. Uppgift 6h Mät på samma sätt upp bordsmultimeterns bandbredd. Plotta i samma diagram. f B = Uppgift 6i Upprepa mätningen med oscilloskopet. Plotta i samma diagram. (Tips: Be assistenten att visa dig hur oscilloskopet kan mäta effektivvärdet.) f B =
Uppgift 7 Utrustning: Bordsmultimeter, funktionsgenerator och stora motstånd. Uppgift 7a Beräkna effektivvärdet av strömmarna i kretsen nedan, samt effektivvärdet av spänningen U P. I1 = I2 =. I3 = U P =... Uppgift 7b Verifiera dina beräkningar i simulatorn. (Använd bordsmultimetern i simulatorn.) Uppgift 7c Koppla upp kretsen ovan och validera dina beräkningar ovan med hjälp av bordsmultimetern.
Uppgift 8 Utrustning: Oscilloskop och funktionsgenerator. Uppgift 8a Koppla funktionsgeneratorn direkt till oscilloskopet (kanal 1). Ställ in funktionsgeneratorn så att den ger ut följande sinusspänning: u(t) = 3,52sin2π675t Ställ in oscilloskopet så att bilden står stilla. Kontrollera signalens amplitud och frekvens på oscilloskopet genom att räkna rutor. Uppgift 8b Använd oscilloskopets cursorer för att mäta amplituden och frekvensen. Uppgift 8c Använd oscilloskopets inbyggda mätfunktioner för att mäta amplitud, effektivvärde, frekvens och periodtid.
Uppgift 9 Utrustning: Oscilloskop, funktionsgenerator, kopplingsplatta, små motstånd och kopplingssladdar. Uppgift 9a Betrakta kretsen nedan. Beräkna strömmarna I1, I2, I3 samt spänningarna U2 och U3 (effektivvärden). I1 = I2 =.. I3 =. U2 =. U3 =.. Uppgift 9b Verifiera dina värden i simulatorn. Använd bordsmultimeterna för att mäta strömmarna och oscilloskopet för att mäta spänningarna i simulatorn. Uppgift 9c Koppla upp kretsen ovan på kopplingsplatta och validera strömmarna med multimetern och spänningarna med hjälp av oscilloskopet.
Uppgift 10 Utrustning: Oscilloskop, funktionsgenerator, stor resistor, stor kondensator och kopplingssladdar. Uppgift 10a Betrakta kretsen nedan. Använd simulatorn för att ta fram följande värden: Effektivvärdet av strömmen I:.. Effektivvärdet av spänningen U R : Effektivvärdet av spänningen U C : Uppgift 10b I simulatorn: Anslut oscilloskopets kanal 1 över u(t) och kanal 2 över U C. Avläs fasförskjutningen av U C (i förhållande till u(t)). α =. (grader) Uppgift 10c Koppla upp kretsen och mät upp effektivvärdet av strömmen och spänningarna U R och U C med hjälp av bordsmultimetern. Utgående från dessa värden, beräkna resistansen av kondensatorn C: X C = Jämför detta värde med 1 = ωc Uppgift 10d Anslut oscilloskopets kanal 1 till u(t) och kanal 2 till U C. Hur stor är fasskillnaden mellan u(t) och U C?
Uppgift 11 Utrustning: Oscilloskop, funktionsgenerator, dioder, glättningskondensator och kopplingsbord. Uppgift 11a Ställ in funktionsgeneratorn så att den ger en sinusspänning med amplituden 1 volt och frekvensen 50 Hz. Anslut sedan denna signal till en likriktarbrygga enligt nedan: Mät upp (med oscilloskop) spänningen mellan punkterna A-B samt mellan C-D och rita av dessa i diagrammet på nästa sida. Har signalen likriktats?
Uppgift 11b Lägg sedan till en glättningskondensator enligt figuren nedan (du får denna kondensator av assistenten). Mät upp spänningen C-D nu och rita in den i samma diagram som ovan. Har signalen likriktats? Förklara skillnaden mellan svaren i uppgifterna 11a och 11b.