laboratorium podstaw elektroniki

ĆWICZENIE NR1
 LABORATORIUM PODSTAW
ELEKTRONIKI

Rok akademicki
2009/2010
TEMAT: Sprawdzenie prawa Ohma. Pomiar mocy czynnej biernej i
pozornej
Kierunek studiów:
Semestr:
Wykonawcy:
Grupa:
Data wykonania:
Podpis:
Spis aparatury pomiarowej
Woltomierz
Typ …………………………… nr …………………………… klasa ………
Amperomierz
Typ …………………………… nr …………………………… klasa ………
Dekada indukcyjności:
Typ …………………………… nr …………………………… klasa ………
Zasilacz napięcia stałego:
Typ …………………………… nr …………………………… klasa ………
Zasilacz napięcia zmiennego:
Typ …………………………… nr …………………………… klasa ………
PRAWO OHMA DLA PRĄDU STAŁEGO
Prowadzący ćwiczenie podaje wartości L =...[𝐻], I1 =…[𝑚𝐴], I2 =… [𝑚𝐴]
Czynności do wykonania
1. Ustawić na dekadzie indukcyjnej wartość L wskazaną przez prowadzącego.
2. Zmierzyć wartość rezystancji dekady indukcyjnej RR za pomocą miernika oporności.
3. W układzie (rys.1) zmieniają wartość napięcia stałego UZ ustawić wartość prądu I1
(potem I2) wskazaną przez prowadzącego ćwiczenia i zmierzyć spadek napięcia na
dekadzie UR1 (UR2). Wyniki wpisz do Tabeli 1.
4. Oblicz na podstawie wskazań amperomierza i woltomierza rezystancję dekady
indukcyjnej RR1 (RR2).
5. Obliczyć moce rozpraszane w dekadzie PR1 (PR2)
Tabela 1.
L
I1
UR1
RR1
PR1
I2
UR2
RR2
PR2
RR
H
mA
V
𝛀
mW
mA
V
𝛀
mW
𝛺
………..
……….
…………..
Rys 1. Pomiar spadku napięcia na dekadzie indukcyjnej dla prądu stałego
PRAWO OHMA DLA PRĄDU ZMIENNEGO (f=50Hz)
6. Do układu jak na rys 2 podłączyć zasilanie prądu zmiennego 50Hz
Tabela 2.
L
I1
URL1
ZRL1
XL1
P
Q
S
H
mA
V
𝛀
𝛀
mW
mVAr
mVA
……
cos𝜑
sin𝜑
𝜑
RR
°
𝛺
𝜑
RR
°
𝛺
……….
Tabela 3.
L
I2
URL2
ZRL2
XL2
P
Q
S
H
mA
V
𝛀
𝛀
mW
mVAr
mVA
cos𝜑
sin𝜑
…… ……….
……
Rys 2. Pomiar spadku napięcia na dekadzie indukcyjnej dla prądu zmiennego
7. Zmieniając wartość napięcia UZ tak aby uzyskać wartość prądu płynącego
w obwodzie jakie wskazał prowadzący I1=………, (I2= ), zmierzyć
spadek napięcia na dekadzie indukcyjnej URL1=………, (URL2 = …)
Obliczenia
1. Oblicz na podstawie wskazań amperomierza i woltomierza impedancję dekady
indukcyjnej ZRL1 (ZRL2).
ZRL1 = RR + jXL =
𝑈𝑅𝐿1
𝐼1
Wartość reaktancji XL obliczyć ze wzorów(porównaj i zinterpretuj wyniki)
1.
XL = 𝜔L = 2πf·L
2.
2
𝑋𝐿 = √𝑍𝑅𝐿1
− 𝑅𝑅2
2.Przedstawić na wykresie wskazowym napięcia UR, URL, UL oraz prąd I
3.Obliczyć i zinterpretować spadek napięcia na oporności biernej UL
4.Oblicz wartość współczynnika cos.
Obliczenia wykonaj dwoma sposobami
a) na podstawie zmierzonych napięć cos𝜑 =
𝑈𝑅
𝑈𝑅𝐿1
b) na podstawie zmierzonej rezystancji i ustawionej indukcyjności cos𝜑 =
𝑅𝑅
𝑍𝑅𝐿1
5.Oblicz:
moc czynną
P = U∙I∙cos𝜑
moc bierną
Q = U∙I∙sin 𝜑
i moc pozorną
S = U∙I
Podaj interpretacje i jednostki podanych mocy
6.Podaj jakie zjawiska mogą wystąpić w układzie, jeżeli w obwodzie znajdą się elementy
RLC połączone w różnych konfiguracjach (obwody rezonansowe).
7. Podaj co to jest impedancja Y, konduktancja G i susceptancja B.
Y = G + jB
ĆWICZENIE NR2
 LABORATORIUM PODSTAW
ELEKTRONIKI

Rok akademicki
2009/2010
Temat ćwiczenia :
Sprawdzenie II prawa Kirchhoffa
Kierunek studiów:
Semestr:
Wykonawcy:
Grupa:
Data wykonania:
Podpis:
Spis aparatury pomiarowej
Woltomierz
Typ …………………………… nr …………………………… klasa ………
Woltomierz
Typ …………………………… nr …………………………… klasa ………
Amperomierz
Typ …………………………… nr …………………………… klasa ………
Amperomierz
Typ …………………………… nr …………………………… klasa ………
Amperomierz
Typ …………………………… nr …………………………… klasa ………
Dekada oporności:
Typ …………………………… nr …………………………… klasa ………
Dekada oporności:
Typ …………………………… nr …………………………… klasa ………
Dekada oporności:
Typ …………………………… nr …………………………… klasa ………
Zasilacz napięcia stałego: Typ …………………………… nr …………………………… klasa ………
Cel ćwiczenia :
Doświadczalne sprawdzenie wzorów na zastępczą rezystancję rezystorów łączonych
szeregowo i równolegle, sprawdzenie praw Ohma i Kirchhoffa.
1. Mieszane łączenie rezystancji :
Rys 1. Schemat pomiarowy układu
Sprawdzić w układzie połączeń jak na rysunku 1 , rozpływ prądów, poziomy napięć i
obliczyć rezystancję zastępczą RAB i RZ . Na podstawie danych podanych przez prowadzącego
należy obliczyć pozostałe wielkości występujące w tabeli 1. (Przykładowe zadania do
wykonania przedstawiono w tabeli 2). Następnie zmontować układ, ustawić wartości
rezystorów R1 , R2 , R3 , podać obliczoną wartość napięcia zasilającego UZ . Przyrządy powinny
wskazać wartości obliczone na podstawie praw Ohma i Kirchhoffa. Wskazania przyrządów
wpisujemy do tabeli 1. Oblicz również rezystancję zastępczą RZ trzech rezystorów R1 , R2 , R3
, posługując się prawem Ohma.
Wzory przydatne do obliczeń.
𝑅𝑍 =
1
𝑅𝐴𝐵
=
𝑈𝑍
𝐼1
1
𝑅2
= 𝑅1 +
+
1
𝑅3
,
𝑅2 ∙𝑅3
𝑅2 +𝑅3
, 𝑈𝐴𝐵 = 𝐼1 ∙ 𝑅𝐴𝐵 ,
𝑅𝐴𝐵 =
𝑅2 ∙𝑅3
𝑅2 +𝑅3
,
𝑅2 =
𝑈𝐴𝐵
𝐼2
I1 = I2 + I3
, 𝑅3 =
𝑈𝐴𝐵
𝐼3
,
Tabela 1.
Sposób
połączenia
UZ
( R3 // R2 )  R1V
UAB
I1
A
V
I2
A
I3
A
R1
R2

A
R3

RAB

RZ

Wpisać
wyniki
obliczeń
Wpisać
wyniki
wskazań
przyrządów
–
–
–
–
–
W tabeli 2 przedstawiono przykładowe dane zadań do obliczeń w ramach przygotowania do
zajęć laboratoryjnych.
Tabela 2.
lp
1
Sposób
połączenia
UZ
UAB
I1
I2
I3
R1
R2
R3
( R3 // R2 )  R1
V
V
mA
mA
mA



15
6,65
200
400
3
12
9
16
13
19
21
40
100
12,2 105
15
10
100
60
80
RAB RZ


300
4R2
320
120
50
100
150
30
2R2
W sprawozdaniu należy przedstawić sposób wyliczenia danej wielkości i wyjaśnić różnice
między obliczonymi wartościami a wskazaniami przyrządów.
Przykłady rozwiązywania obwodów z wykorzystaniem PRAW KIRCHHOFFA I OHMA
Zadanie 1
Ile wynosi natężenie prądu w obwodzie przedstawionym na rysunku?
ε1=2V, ε2=9V, R1=2Ω, R2=10Ω, rW=1Ω
Dane:
ε1=2V;
Oblicz:
ε2=9V;
R1=2Ω;
R2=10Ω;
rW=1Ω
I=?
Rozwiązanie
W obwodzie przedstawionym na rysunku siły elektromotoryczne ε1 i ε2 są połączone
przeciwnie. O kierunku płynięcia prądu I w obwodzie zewnętrznym decyduje więc źródło o
większej sile elektromotorycznej. Ponieważ ε2 > ε1, więc w obwodzie zewnętrznym prąd płynie
od bieguna dodatniego (+) do bieguna ujemnego (-) przez opór R1, źródło ε1 i opór R2.
Aby wyliczyć szukane natężenie prądu, skorzystamy z II prawa Kirchhoffa. Wystartujemy z
dowolnego punktu obwodu (np. z A) i przejdziemy cały obwód zgodnie z kierunkiem prądu, aż
do chwili, gdy znów znajdziemy się w punkcie wyjścia. Po drodze będziemy notować skoki
napięcia na poszczególnych elementach obwodu (oporniki zmniejszają napięcie, podobnie jak
siły elektromotoryczne "przeciwnie zwrócone" do kierunku prądu).
Zgodnie z II prawem Kirchhoffa suma tych skoków napięcia jest równa zeru.
Oczywiście dwa powyższe zapisy są równoznaczne, drugi jest bardziej elegancki. ;-)
Z tego wzoru możemy wyliczyć teraz szukane natężenie prądu:
Zadanie 2
Oblicz prądy płynące w obwodzie jak na rysunku, dla danych: R1=1𝛀; R2=2𝛀;
R3=3𝛀. E1=2V; E2 =4V
Rozwiązanie
Z I prawa Kirchhoffa (prawo zachowania ładunku)
J1=J2+J3
(1)
Z II prawa Kirchhoffa ( prawo zachowania energii)
E1 – J1R1 – J2R2 = 0
(2)
E2 – J3R3 – J2R2 = 0
(3)
Podstawiając (1) do wzoru (2) otrzymamy
E1 – J2R1 – J3R1 – J2R2 = 0
(4)
E2 – J3R3 – J2R2 = 0
(5)
Z równania (4)
J3R1= E1 – J2R1– J2R2 = E1 – J2(R1+R2 )
J3 =
podstawiamy do równania
E1 − J2 (R1 + R 2 )
R1
(5) otrzymamy
E2 – [E1 − J2 (R1 + R2 ) ]
𝑅3
𝑅1
Po podstawieniu danych otrzymamy
3
4 – 2 – J2∙3∙ – 2J2 = 0
1
2 – 7J2 = 0 stąd
𝟐
J2 = 𝐀
𝟕
Z równania (5)
J3 =
E2 – J2 R2
𝑅3
2
=
4 − 7∙2
3
=
8
2
𝟏𝟎
7
7
𝟕
J1 = J2+J3 = + =
28−4
7
𝑨
3
=
24
21
𝟖
= 𝐀
𝟕
– J2R2 = 0
ĆWICZENIE NR 3
 LABORATORIUM PODSTAW
ELEKTRONIKI

TEMAT: Diody prostownicze, stabilizacyjne, LED
Rok akademicki
2009/2010
Kierunek studiów:
Semestr:
Wykonawcy:
Grupa:
Data wykonania:
Podpis:
Spis aparatury pomiarowej
Zestaw do pomiaru charakterystyk I(U) diod.
I.
BADANIE WŁAŚCIWOŚCI DIÓD PÓŁPRZEWODNIKOWYCH
Grupa laboratoryjna dostaje od prowadzącego ćwiczenie diody prostownicze
1.
Zadania do realizacji:
a) Zmierzyć charakterystyki statyczne elementów w kierunku przewodzenia.
b) Zmierzyć charakterystyki statyczne elementów w kierunku zaporowym.
2.
Układy Pomiarowe:
Rys.1 Pomiar charakterystyki diody w kierunku przewodzenia
Rys.2 Pomiar charakterystyki diody w kierunku zaporowym
Materiał
Barwa
Arsenek galu - GaAs
Podczerwień
Fosforek galu - GaP
Żółta, zielona, czerwona
Azotek galu - GaN
Biała, niebieska
Fosforo-arsenek galu - GaAs1-xPx
Żółta, pomarańczowa, czerwona
Galo-arsenek glinu - AlxGa1-xAs
Podczerwień, czerwona
3.Tabele Pomiarowe:
3.1 Dioda prostownicza
Charakterystyki statyczne elementów w kierunku przewodzenia
ID[mA]
UD[V]
Charakterystyki statyczne elementów w kierunku zaporowym
ID[µA]
UD[V]
3.2 Dioda stabilizacyjna
Charakterystyki statyczne elementów w kierunku przewodzenia
ID[mA]
UD[V]
Charakterystyki statyczne elementów w kierunku zaporowym
ID[mA]
UD[V]
3.3 Dioda LED (czerwona)
Charakterystyki statyczne elementów w kierunku przewodzenia
ID[mA]
UD[V]
3.4 Dioda LED (żółta)
Charakterystyki statyczne elementów w kierunku przewodzenia
ID[mA]
UD[V]
3.5 Dioda LED (zielona)
Charakterystyki statyczne elementów w kierunku przewodzenia
ID[mA]
UD[V]
4.
Opracowanie wyników:
Na podstawie zmierzonych punktów pomiarowych należy wykonać następujące wykresy:
1)
Wspólny wykres charakterystyk statycznych w kierunku przewodzenia i
zaporowych dla każdego badanego elementu. (układ osi liniowy)
2)
Nanieść wszystkie charakterystyki na jeden wspólny wykres. (układ osi liniowy)
3)
Wykres charakterystyki w kierunku przewodzenia w układzie liniowo
logarytmicznym dla każdego elementu osobno.
4)
Jeden wykres charakterystyk w kierunku przewodzenia w układzie lin-log dla
wszystkich badanych elementów.
Na podstawie zmierzonych charakterystyk należy:
1)
Wyznaczyć rezystancje statyczną w kierunku przewodzenia dla 3 punktów pracy:
przed , na i za „kolankiem”
2)
Wyznaczyć rezystancje dynamiczną w kierunku przewodzenia dla 3 punktów
pracy: przed , na i za „kolankiem”
3)
Wyznaczyć wartości współczynników w równaniu diody dla każdego elementu.
4)
Dla każdej diody nanieść na wykresach liniowym i liniowo logarytmicznym (w
kierunku przewodzenia) charakterystyki zmierzone i przybliżone wyznaczonymi
współczynnikami z równania diody.
5)
Wyznaczyć najmniejszy i największy błąd względny i bezwzględny pomiędzy
wykresami zmierzonymi a przybliżonymi równaniem diody.
6)
Wyznaczyć błędy pomiarowe dla każdej charakterystyki wnoszone przez układ
pomiarowy (dokładność przyrządu, sposób pomiaru np. mierzony dokładnie prąd
lub napięcie) itp..
7)
Wyznaczyć błędy pomiarowe dla wyznaczonych wartości rezystancji statycznej i
dynamicznej.
5.
Wymagane zagadnienia teoretyczne przy wykonywaniu pomiarów:
1)
Właściwości materiału półprzewodnikowego.
2)
Złącze P-N w stanie przewodzenia.
3)
Złącze P-N w stanie zaporowym.
4)
Złącze P-N bez przyłożonego napięcia zewnętrznego.
5)
Wpływ temperatury na złącze P-N.
6)
Modele energetyczne złącza P-N w wyżej wymienionych stanach.
7)
Schemat zastępczy diody uwzględniający rezystancje statyczną, dynamiczną i
pojemności diody.
8)
Wpływ poszczególnych elementów schematu zastępczego na charakterystykę i
właściwości diody.
9)
Różnice pomiędzy diodą prostowniczą i impulsową: przeznaczenie, budowa diody
(wielkość bariery, domieszkowanie itp.)
10)
Jakie wielkości i w jaki sposób będzie mierzone (zakresy pomiarowe,
charakterystyki teoretyczne, układy pomiarowe, błędy pomiaru itp.)
11)
Jakie wielkości fizyczne i w jakim układzie będzie mierzone będą mierzone.
Zakres zmian mierzonych wartości i zadawanych pobudzeń np. do jakiego
napięcia w kierunku przewodzenia będziemy wyznaczać charakterystykę w
kierunku przewodzenie. Przy jakim napięcia na diodzie należy spodziewać się
„kolanka” dla krzemu, germanu itp.
12)
Co to jest rezystancja obciążenia, w jaki sposób ją rysuje się na charakterystyce.
13)
Wpływ rezystancji obciążenia na punkt pracy diody.
6.
1)
2)
3)
4)
5)
Przykładowe pytania teoretyczne:
Złącze P-N w stanie przewodzenia.
Złącze P-N w stanie zaporowym.
Złącze P-N bez przyłożonego napięcia zewnętrznego.
Wpływ temperatury na złącze P-N.
Modele energetyczne złącza P-N w wyżej wymienionych stanach.
6)
7)
8)
9)
10)
11)
12)
13)
7.
[1]
[2]
[3]
Schemat zastępczy diody uwzględniający rezystancje statyczną, dynamiczną i
pojemności diody.
Wpływ poszczególnych elementów schematu zastępczego na charakterystykę
diody.
Różnice pomiędzy diodą prostowniczą i impulsową: przeznaczenie, budowa diody
(wielkość bariery, domieszkowanie itp.) i ich wpływ na elementy w schemacie
zastępczym
Co to jest rezystancja statyczna, dynamiczna, punkt pracy ?
Dla jakich diod istotna jest rezystancja statyczna a dla jakich dynamiczna?
Co to jest rezystancja obciążenia, w jaki sposób ją rysuje się na charakterystyce?
Wpływ rezystancji obciążenia na punkt pracy diody?
Oznaczenia diod na schematach elektronicznych.
Literatura:
Wiesław Marciniak, „Przyrządy Półprzewodnikowe i Układy Scalone”, WNT, Warszawa
1979
Michał Polowczyk, „Laboratorium Przyrządów Półprzewodnikowych”, Wydawnictwo
Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 1996
Włodzimierz Janke, „Zjawiska Termiczne w Elementach i Układach
Półprzewodnikowych”, WNT, Warszawa 1992
ĆWICZENIE NR 4
LABORATORIUM PODSTAW
ELEKTRONIKI
Rok akademicki
2011/2012
Kierunek studiów:
Semestr:
Grupa:
Data wykonania:
TEMAT: Ogniwo fotowoltaiczne
Wykonawcy:
Podpis:
Spis aparatury pomiarowej
Woltomierz
Typ …………………………… nr …………………………… klasa ………
Amperomierz
Typ …………………………… nr …………………………… klasa ………
Dekada oporności:
Typ …………………………… nr …………………………… klasa ………
Dekada oporności:
Typ …………………………… nr …………………………… klasa ………
Fotoogniwo
Typ …………………………… nr …………………………… klasa ………
Cel ćwiczenia
Wyznaczenie zależności napięcia wyjściowego fotoogniwa od natężenia
oświetlenia U = f(Φ).
Wyznaczenia zależności mocy oddawanej przez fotoogniwo od oporności
obciążenia P = f(Robc).
Rys 1. Schemat pomiarowy
Rys. 2 Charakterystyka prądowo-napięciowa ogniwa fotowoltaicznego
Zadanie do wykonania:
1. Wyznaczenie zależności napięcia wyjściowego fotoogniwa od natężenia
oświetlenia
U = f(Φ). (Oświetlenie Φ ustalić dla napięć
Φ
Napięcie
zasilania
żarówki
[V]
Φ1 Φ2 Φ3 Φ4 Φ5 Φ6 Φ7 Φ8 Φ9
25 50 75 100 125 150 175 200 225
Napięcie
wyjściowe
fotoogniwa
U[V]
2. Określić punkt pracy fotoogniwa, w którym moc oddawana do obciążenia będzie
maksymalna.
Pomiary dokonać przy różnym natężeniu oświetlenia a wyniki zapisać w poniższej tabeli.
Tabela 1. Dla oświetlenia Φ1
(napięcie zasilania żarówki =…….V)
R [Ω]
U[V]
I[mA]
P[W]
Tabela 2. Dla oświetlenia Φ2
(napięcie zasilania żarówki =…….V)
R [Ω]
U[V]
I[mA]
P[W]
Na podstawie pomiarów wykreślić charakterystykę P=f(R).
W sprawozdaniu:
1)
opisać funkcjonowanie fotodiody i fotoogniwa
2)
określić sprawność układu. Wyjaśnić wpływ temperatury na sprawność układu
3)
opisać, z jakich materiałów wykonuje się fotoogniwa
4)
wyjaśnić, w jaki sposób można magazynować energię w akumulatorze jeżeli napięcie
z fotoogniwa jest mniejsze od napięcia ładowania akumulatora
Wielkości mocy padającej na powierzchnię przy różnych stanach pogody
Baterie słoneczne zasilające aparaturę stacji
Budowa modułu fotowoltaicznego
Charakterystyka prądowo napięciowa fotoogniwa
Charakterystyki prądowo-napięciowe fotoogniwa dla różnych wartości oświetlenia i moce
oddawane do obciążenia
Budowa fotoogniwa
Alternatywne źródła energii. Systemy hybrydowe.
Systemy hybrydowe są kombinacją systemu fotowoltaicznego z innym systemem konwersji
energii na energię elektryczną(rys.1). Znajdują w nich zastosowanie generatory spalinowe, turbiny
wiatrowe lub wodne.
Rys. 1. Schemat systemu hybrydowego z podłączeniem stałoproądowym.
ĆWICZENIE NR 5
LABORATORIUM PODSTAW
ELEKTRONIKI
Rok akademicki
1999/2000
TEMAT: Pomiary oscyloskopowe parametrów sygnałów
elektrycznych
Kierunek studiów:
Semestr:
Wykonawcy:
Grupa:
Data wykonania:
Podpis:
Spis aparatury pomiarowej
Oscyloskop dwukanałowy: Typ …………………………… nr …………………………… klasa ………
Generator funkcyjny:
Typ …………………………… nr …………………………… klasa ………
Źródło napięcia stałego:
Typ …………………………… nr …………………………… klasa ………
1 Określenie wielkości charakterystycznych przebiegu
elektrycznego
Rysunek 1 Schemat układu do pomiaru wielkości charakterystycznych sygnału
elektrycznego
Tabela pomiarowa
Typ przebiegu
Stały
Harmoniczny
Harmoniczny+stały
Fala prostokątna
Przebieg trójkątny
Impuls prostokątny
Amplituda
Wartość międzyszczytowa
Okres
Czas
trwania
Czas
narastania
Czas
opadania
Współczyn
nik
wypełnienia
Czas
opóźnienia