ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ

Transcript

1 ΗΜΟΚΡΙΤΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΡΑΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΞΑΝΘΗΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΙΙΙ ( ΕΞΑΜΗΝΟ ΣΠΟΥ ΩΝ 5 0 ) ΞΑΝΘΗ 2004

2 1 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 1 ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΜΕΓΕΘΩΝ Με πραγµατικά όργανα. (Ψηφιακά πολύµετρα, παλµογράφοι). Με εικονικά όργανα (VIs). (Με τη χρήση Η/Υ και τη βοήθεια του προγράµµατος LAB VIEW). Βιβλιογραφία: Χ. Χαµζάς Αθ. Παπούλης (Ηλεκτρικά Κυκλώµατα Σήµατα και Συστήµατα Κεφάλαιο 2.3). ΠΡΟΕΡΓΑΣΙΑ 1. Στο Σχ.1, έχουµε διάφορες κυµατοµορφές ηλεκτρικών σηµάτων. Για κάθε κυµατοµορφή να υπολογίσετε: την ενεργό τιµή (V rms ), τη µέση τιµή (V av ), το πλάτος (V m ), την τιµή (V p-p ), την περίοδο (Τ) και τη συχνότητα (F), όπου φυσικά υπάρχουν.

3 2 ΑΠΑΝΤΗΣΗ: Στο κύκλωµα του Σχ.2, ο πυκνωτής είναι αφόρτιστος. Ο διακόπτης (S) για (t=0) µεταφέρεται από τη θέση (2) στη θέση (1). Με τη µέθοδο Laplace ή µε χρήση διαφορικών εξισώσεων: α). Να υπολογισθεί η σταθερά χρόνου (τ=rc) και η τάση του πυκνωτή V C (t) για ( t 0 ), αν (R=10 ΚΩ) και (C=0.1 µf). Ποια η σταθερά χρόνου αν (R=100 ΚΩ) και (C=10 µf); β). Ποια η τιµή της V C (t), για χρόνο (t) ίσο µε το µισό χρόνο της σταθεράς (τ); Να υπολογισθεί ο χρόνος ανύψωσης και πτώσης, για τα δύο ζεύγη τιµών. γ). Από ποια σχέση δίνεται η σταθερά χρόνου (τ), αν γνωρίζουµε την τάση του πυκνωτή στην πλήρη φόρτισή του και την τιµή της V C (t), σε µια γνωστή χρονική στιγµή (t); ΑΠΑΝΤΗΣΗ:...

4 3 3. Στο κύκλωµα του Σχ.3, ο διακόπτης (S) τη χρονική στιγµή (t=0) µεταφέρεται από τη θέση (2) στη θέση (1). Με τη µέθοδο Laplace ή µε χρήση διαφορικών εξισώσεων να βρεθούν και υπολογισθούν: α). Οι τιµές των παραµέτρων, κρίσιµη αντίσταση, απόσβεση, συχνότητα συντονισµού, φυσική συχνότητα, συντελεστής ποιότητας και λόγος απόσβεσης, για τιµές της ωµικής αντίστασης (R=820 Ω), (R=633 Ω), (R=20 Ω) και (R=2 Ω). Τι εκφράζουν οι παραπάνω παράµετροι σε ένα φυσικό σύστηµα; β). Να υπολογισθεί για ( t 0 ), η τάση του πυκνωτή VC(t) και το ρεύµα του κυκλώµατος i(t), αν (R=820 Ω), (R=633 Ω), (R=20 Ω) και (R=2 Ω). γ). Να σχεδιασθούν οι ταλαντώσεις V C (t), για τις τέσσερις τιµές της (R). Πότε η διάρκεια των ταλαντώσεων είναι µεγαλύτερη και πότε µικρότερη και γιατί; Η φυσική συχνότητα των ταλαντώσεων (όπου υπάρχουν), είναι η ίδια; Ναι ή όχι και γιατί; δ). Η ταλάντωση V C (t) στα άκρα του πυκνωτή, για (R=20 Ω),από ποιες κυµατοµορφές µπορεί να προκύψει; Σχεδιάστε ένα µπλοκ διάγραµµα µε αθροιστές, πολλαπλασιαστές κ.λ.π, που να δείχνει τον τρόπο σύνθεσης της ταλάντωσης V C (t). ΑΠΑΝΤΗΣΗ:...

5 4 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Να γίνει η αναγνώριση των οργάνων και των υλικών που έχετε στη διάθεση σας. 1. α). Να γίνουν οι κατάλληλοι χειρισµοί στα κουµπιά της γεννήτριας του εργαστηρίου, έτσι ώστε να έχετε στην έξοδό της θετική τάση (5 Volt). Μετρήστε την τάση των (5 Volt) µε ψηφιακό βολτόµετρο και παλµογράφο. Καταχωρήστε τις τιµές στον ΠΙΝΑΚΑ Ι. β). Καλέστε το πρόγραµµα LAB VIEW. Κάντε αριστερό κλικ κατά σειρά πάνω στο βελάκι που είναι δίπλα στη λέξη (OPEN), στη λέξη (Examples), στη λέξη αναζήτηση (Search) και γράψτε τη λέξη (Simple). Στη συνέχεια κάντε διπλό αριστερό κλικ στο εικονικό όργανο (Simple Digital Multimeter.vi). Το εικονικό όργανο που έχει εµφανισθεί είναι εκείνο της Εικ.1; Πώς ενεργοποιείτε και πώς σταµατά η λειτουργία του εικονικού οργάνου; Τι µπορείτε να µετρήσετε µε το όργανο αυτό; Οι αριθµοί στα εικονίδια (Device) και (channel) τι υποδηλώνουν; γ). Συνδέστε το κανάλι (0), ακροδέκτες [68-(34+67)] µε την έξοδο της γεννήτριας των (5 Volt). Μετρήστε την τάση µε το εικονικό όργανο και καταχωρήστε την ένδειξή του στον ΠΙΝΑΚΑ Ι. δ). Ακολουθήστε την ίδια διαδικασία για να βρείτε το εικονικό όργανο που αντιστοιχεί σε παλµογράφο (Oscilloscopes) µονής δέσµης. Μετρήστε την τάση των (5 Volt) µε το όργανο αυτό και καταχωρήστε το αποτέλεσµα της µέτρησης στον ΠΙΝΑΚΑ Ι. ΠΙΝΑΚΑΣ Ι Ψηφιακό βολτόµετρο Παλµογράφος Εικονικό βολτόµετρο (Digital Multimeter.vi) Εικονικός παλµογράφος (1 Channel Simple Scope.vi).Volt. Volt.Volt.Volt

6 5 ΑΠΑΝΤΗΣΗ:. 2. Για κάθε σήµα του ΠΙΝΑΚΑ ΙΙ, να µετρηθούν τα µεγέθη που αναφέρονται στον πίνακα, µε άµεσο ή έµµεσο τρόπο. Σηµειώστε δίπλα στην τιµή το γράµµα (Α), όταν πρόκειται για άµεση µέτρηση και το γράµµα (Ε) για έµµεση µέτρηση. Όπου υπάρχει αδυναµία µέτρησης κάποιου µεγέθους µε τα όργανα που έχετε στη διάθεσή σας, σηµειώστε το (Χ). Το εικονικό όργανο (Frequency Counter.vi), µπορεί να µετρήσει τη συχνότητα περιοδικών σηµάτων και την ενεργό και µέση (mean) τιµή ενός σήµατος. Το (Frequency Counter.vi) είναι εκείνο της Εικ.2 και θα το καλέσετε µε τον ήδη σε σας γνωστό τρόπο. Οι περιοχές χρόνου του εικονιδίου (Gate Time), που υπάρχουν στη πρόσοψη του οργάνου, σε τι µας χρειάζονται; Το (Frequency Counter.vi), ποια περιοχή συχνοτήτων καλύπτει; Γιατί;

7 6 ΜΟΡΦΗ ΣΗΜΑΤΟΣ. ΠΙΝΑΚΑΣ ΙΙ ΟΡΓΑΝΑ ΜΕΓΕΘΗ. ΜΕΤΡΗΣΗΣ. F(Hz) T(ms) V rms (V) V av (V) Παλµογράφος. Ψηφιακό βολτόµετρο. Εικονικό βολτόµετρο. (SimpledigitalMultimeter.vi) Εικονικό όργανο (Frequency Counter.vi) Παλµογράφος. Ψηφιακό βολτόµετρο. Εικονικό βολτόµετρο. (SimpledigitalMultimeter.vi) Εικονικό όργανο (Frequency Counter.vi) Παλµογράφος. Ψηφιακό βολτόµετρο. Εικονικό βολτόµετρο. (SimpledigitalMultimeter.vi) Εικονικό όργανο (Frequency Counter.vi) Παλµογράφος. Ψηφιακό βολτόµετρο. Εικονικό βολτόµετρο. (SimpledigitalMultimeter.vi) Εικονικό όργανο (Frequency Counter.vi) Παλµογράφος. Ψηφιακό βολτόµετρο. Εικονικό βολτόµετρο. (SimpledigitalMultimeter.vi) Εικονικό όργανο (Frequency Counter.vi) Παλµογράφος. Ψηφιακό βολτόµετρο. Εικονικό βολτόµετρο. (SimpledigitalMultimeter.vi) Εικονικό όργανο (Frequency Counter.vi)

8 3. Ο ακροδέκτης (8) της κάρτας LAB VIEW, έχει δυναµικό (+5 Volt) ως προς τον ακροδέκτη (9), που είναι και γείωση (0 Volt). Την τάση αυτή των (+5 Volt) θα τη χρησιµοποιήσετε σαν πηγή για την τροφοδότηση του πρωτοτάξιου κυκλώµατος (RC) Σχ.3. Ο διακόπτης (S) είναι διπλής ενέργειας και στη θέση (1) έχουµε τη φόρτιση του πυκνωτή, ενώ στη θέση (2) την εκφόρτισή του µέσω του αντιστάτη. Καλέστε το πρόγραµµα LAB VIEW και επιλέξτε το εικονικό όργανο (σταθερά χρόνου µε βηµατική συνάρτηση). Το όργανο αυτό Εικ.3, µετρά απ ευθείας τη σταθερά χρόνου (τ) ενός κυκλώµατος, του οποίου η απόκριση (τάση) στα άκρα κάποιου εξαρτήµατός του αυξάνεται µε το χρόνο και λαµβάνει πρακτικά τη µέγιστη τιµή µετά από πέντε σταθερές χρόνου (πλήρη φόρτιση). Εξηγήστε το ρόλο των εικονιδίων, που υπάρχουν στην πρόσοψη του εικονικού οργάνου. 7

9 8 α). Να συναρµολογηθεί το κύκλωµα του Σχ.3, πάνω στην πλακέτα συναρµολόγησης κυκλωµάτων (strips), για ζεύγη τιµών του αντιστάτη (R) και του πυκνωτή (C), όπως αυτές του ΠΙΝΑΚΑ ΙΙΙ. Συνδέστε το κανάλι (0) [68-(34+67)] στα άκρα του πυκνωτή. Τοποθετήστε το διακόπτη (S) στη θέση (2). Με την εκκίνηση του προγράµµατος, µεταφέρετε αµέσως το διακόπτη (S) από τη θέση (2) στη θέση (1) (φόρτιση). Έχετε στην οθόνη του εικονικού οργάνου σας την αναµενόµενη κυµατοµορφή και την αναµενόµενη τιµή της σταθεράς χρόνου και του χρόνου ανύψωσης; Αν όχι, ξαναδοκιµάστε πάλι. Αν ναι καταχωρήστε τις ενδείξεις του οργάνου σας στον ΠΙΝΑΚΑ ΙΙΙ. β). Θα µπορούσατε να µετρήσετε τη σταθερά χρόνου άµεσα ή έµµεσα, µε τα γνωστά κλασσικά όργανα; Ναι ή όχι και γιατί; γ). Αλλάξτε την τιµή του εικονιδίου (αριθµός σηµείων για υπολογισµό), τη µία φορά από (100) σε (1000) και τη δεύτερη από (100) σε (1). Επαναλάβατε τη διαδικασία του βήµατος (3α). Συγκρίνετε τις νέες τιµές της σταθεράς χρόνου, µε εκείνες του βήµατος (3α). Υπάρχουν αποκλίσεις; Ναι ή όχι και γιατί; δ). Αλλάξτε τα όρια τη µία φορά από (60%-70%) που είναι, σε (80%-90%) και τη δεύτερη από (60%-70%) σε (10%-20%). Επαναλάβατε τη διαδικασία του βήµατος (3α). Συγκρίνετε τις νέες τιµές της σταθεράς χρόνου, µε εκείνες του βήµατος (3α). Υπάρχουν αποκλίσεις; Ναι ή όχι και γιατί; R=10 ΚΩ C=0.1µF R=100 ΚΩ C=10µF Σταθερά χρόνου. (µε απ ευθείας µέτρηση) (msec) ΠΙΝΑΚΑΣ ΙΙΙ Σταθερά χρόνου.(µε υπολογισµό 100 σηµείων) (msec) Χρόνος ανύψωσης. (msec)

10 9 ΑΠΑΝΤΗΣΗ: 4. Καλέστε το πρόγραµµα (Multisim), που κάνει την προσοµοίωση ηλεκτρικών κυκλωµάτων µε Η/Υ. α). Σχεδιάστε το κύκλωµα του Σχ.3 και για ζεύγη τιµών του αντιστάτη (R) και του πυκνωτή (C), όπως αυτές του ΠΙΝΑΚΑ ΙΙΙ πάρτε τις κυµατοµορφές των αποκρίσεων V C (t) και i(t). Από την κυµατοµορφή της V C (t) και για τις δύο θέσεις του διακόπτη (S), να µετρηθεί η σταθερά χρόνου και ο χρόνος ανύψωσης και πτώσης. β). Σχεδιάστε το κύκλωµα του Σχ.4 και για κάθε τιµή του ωµικού αντιστάτη (R), όπως φαίνεται στον ΠΙΝΑΚΑ ΙV, πάρτε τις κυµατοµορφές των αποκρίσεων V C (t) και i(t). Οι κυµατοµορφές που έχετε, είναι όµοιες µε εκείνες του ΠΙΝΑΚΑ ΙV; γ). Μετρήστε την περίοδο (Τ) και υπολογίστε τη συχνότητα (F) των ταλαντώσεων V C (t), για (R=20 Ω) και (R=2 Ω). Τι συµβαίνει µε τη συχνότητα και τη διάρκεια των ταλαντώσεων, όταν µειώνεται η ωµική αντίσταση; Αν η ολική ωµική αντίσταση του κυκλώµατος ήταν µηδενική, ποιο φαινόµενο θα είχαµε; ΑΠΑΝΤΗΣΗ:.

11 10 ΜΟΡΦΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗΣ (µε βηµατική διέγερση). (sec/div=2 msec) V C (t) i(t) V C (t) i(t) R=820 Ω R=820 Ω R=20 Ω R=20 Ω R=633 Ω R=633 Ω R=2 Ω R=2 Ω δ). Ο ακροδέκτης (8) της κάρτας LAB VIEW, έχει δυναµικό (+5 Volt) ως προς τον ακροδέκτη (9), που είναι και γείωση (0 Volt). Την τάση αυτή των (+5 Volt) θα τη χρησιµοποιήσετε σαν πηγή για την τροφοδότηση του κυκλώµατος (RLC) Σχ.4. Συναρµολογήστε το κύκλωµα του Σχ.4, καλέστε το πρόγραµµα LAB VIEW και επιλέξτε τον εικονικό παλµογράφο µονής δέσµης. Χρησιµοποιήστε το κανάλι (0) [68-(34+67)], για να πάρετε τις αποκρίσεις των V C (t) και i(t), όπως αυτές του ΠΙΝΑΚΑ ΙV. Για να πετύχετε την καταγραφή των ταλαντώσεων στην οθόνη του παλµογράφου, ρυθµίστε τα (SEC/DIV) και (VOLT/DIV) σε τιµές, που θα σας δίνουν έστω και στιγµιαία, µια ικανοποιητική µορφή αυτών, ενώ θα ανοιγοκλείνετε µε γρήγορες κινήσεις τον διακόπτη (S). Για την καταγραφή των ταλαντώσεων, ενώ θα τρέχετε το πρόγραµµα και θα ανοιγοκλείνετε το διακόπτη, πατήστε (STOP). Αν δεν πετύχετε την καταγραφή, ξαναδοκιµάστε. Στην Εικ.4, έχουµε την ταλάντωση της V C (t), όπως αυτή έχει καταγραφεί στην οθόνη του εικονικού παλµογράφου, για (R=20 Ω). Τι θα πρέπει να διαθέτει ένας πραγµατικός παλµογράφος, για να µπορέσουµε να µετρήσουµε τις παραµέτρους των ταλαντώσεων των V C (t) και i(t);

12 11 ε). Για (R=20 Ω) και ενώ ο διακόπτης (S) είναι στη θέση (1), µεταφέρεται στη θέση (2). Ποιες οµοιότητες και ποιες διαφορές υπάρχουν µεταξύ της ταλάντωσης V C (t) και εκείνης του βήµατος (4γ); ΑΠΑΝΤΗΣΗ:...