1. Pomiar i regulacja napięcia stałego
advertisement
Układy regulacji napięcia. Pomiar napięcia stałego. 1. Cel ćwiczenia: Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami regulacji napięcia stałego, stosowanymi w tym celu układami elektrycznymi, oraz metodami pomiaru tego napięcia i stosowanymi do tego celu przyrządami. 2. Wprowadzenie: Źródłami napięcia stałego mogą być zasilacze wyposażone w układy prostownicze (zamieniające napięcie przemienne na stałe), lub źródła chemiczne (baterie, akumulatory). Wszelkiego rodzaju źródła napięcia stałego mają jedną wspólną cechę: napięcie na ich wyjściu posiada stałą wartość, ściśle związaną z fizycznymi parametrami źródła. Dla celów praktycznych konieczne jest dostosowywanie napięcia zasilania do poziomu wymaganego przez odbiornik. W praktyce stosuje się liczne układy regulacji napięcia stałego. Najprostsze są układy rezystorowe, działające na zasadzie dzielnika napięcia. Zaleta tych układów jest prostota konstrukcji i wykonania, wadą, wysoki współczynnik strat podczas użytkowania. Znacznie lepsze parametry uzyskujemy stosując układy regulacji napięcia przemiennego (autotransformator) wyposażone w prostowniki. Kolejną grupą układów regulacji, są urządzenia elektroniczne. W niniejszym ćwiczeniu zajmiemy się najprostszymi układami regulacji - układami rezystorowymi. Wykorzystują one ideę podziału napięcia na dwu połączonych szeregowo rezystorach. I R1 U1 R2 U2 U Rys. 1. Rezystancyjny dzielnik napięciowy. Tworzą one rezystancyjny dzielnik napięciowy (rys. 1). Suma napięć na rezystorach R1 i R2 jest równa napięciu zasilania dzielnika. U = U1 + U2 Prąd płynący w obwodzie wyznaczamy ze wzoru: I= Jednocześnie: I= U1 , oraz R1 I = Pozwala to na stworzenie proporcji: U R1 + R2 U2 R2 U2 U = R2 R1 + R2 a ostatecznie na uzależnienie wartości napięcia U2 od U poprzez zależność: R2 ⋅U R1 + R2 U2 = Powyższy dzielnik można wykorzystywać zarówno do regulacji, jak i do pomiaru napięcia. Pomiaru napięcia stałego dokonujemy woltomierzem. Może to być woltomierz z przetwornikiem pomiarowym magnetoelektrycznym (przystosowanym wyłącznie do pomiaru napięcia stałego) lub elektromagnetycznym (pozwalającym mierzyć również napięcie przemienne). Możemy stosować również mierniki cyfrowe. 3. Program ćwiczenia: a) Bezpośredni pomiar napięcia stałego. Pomiaru dokonujemy na kilku różnych źródłach napięcia stałego. Do pomiaru wykorzystujemy woltomierze: magnetoelektryczny, elektromagnetyczny i cyfrowy. Pomiary wykonujemy dla kilku różnych zakresów pomiarowych. Wyniki umieszczamy w tabeli 1. Pomiarów dokonujemy w układzie jak na rys 2. Rw E V V V cyfr Rys. 2. Bezpośredni pomiar napięcia stałego Pomiar napięcia woltomierzami analogowymi wymaga uprzedniego wyznaczenia stałej podziałki CV. CV = gdzie: Un amax Un – zakres pomiarowy miernika, amax – maksymalna ilość działek miernika (dla wykorzystywanej skali). Mierzone napięcie wynosi: U=CV a gdzie: a – ilość działek odczytana ze skali miernika. Błąd bezwzględny: ∆U = ±(klasa·Un)/100 [V] Błąd względny: δU = ±(∆U/U)·100 [%] Tabela 1. Nr 1 12 źródło miernik 12V magn – el ... el - magn ... cyfrowy amax Un CV a U dz V V/dz dz V kl. dokł ∆U δU V % ... b) Pomiary napięcia stałego z zastosowaniem dzielnika napięcia. Pomiaru dokonujemy w obwodzie przedstawionym na rys. 3. Jako rezystory wykorzystujemy dekady pomiarowe. Należy pamiętać o takim doborze wartości rezystorów, aby nie doszło do ich przeciążenia prądowego! Jako V1 włączamy woltomierz magnetoelektryczny, a jako V2 – cyfrowy. Mierzymy napięcia U1 i U2, a następnie wyznaczamy U1obl, czyli napięcie uzyskane na podstawie obliczeń. Pomiarów dokonujemy dla kilku różnych wartości rezystancji R1 i R2. Pomiary powtarzamy dla zamienionych woltomierzy V1 i V2. I1 E R1 U1 V1 R2 Rr I2 U2 V2 Rys. 3. Układ pomiarowy do pomiaru napięcia z wykorzystaniem dzielnika napięcia Napięcie wyznaczamy ze wzorów: I1 = U1 ; R1 + R2 U 2 = I 1 R2 = U 1obl = Wyniki obliczeń zamieszczamy w tabeli 2. R1 + R2 ⋅U 2 R2 R2 ⋅U1 R1 + R2 Tabela 2 amax Un CV a R1 R2 R1 + R2 R2 U1 U2 U1obl dz V V/dz dz Ω Ω Ω V V V Uwagi c) Pomiary i nastawianie napięć stałych – jednostopniowy układ nastawiania napięcia. Jest to układ potencjometryczny. Wykorzystujemy jako potencjometr opornicę suwakową o znanej oporności. Układ montujemy według schematu przedstawionego na rys. 4. E R U1 l l2 U2 Rr Va Vc Rys. 4. Schemat jednostopniowego układu nastawiania napięcia. Mierzymy napięcie dla kilku położeń suwaka (w tym obu skrajnych) zapisując stosunek l2/l, l – długość części czynnej opornicy, gdzie: l2 – długość części opornicy, na której mierzymy napięcie. Pomiarów dokonujemy woltomierzem analogowym i cyfrowym. Wyniki umieszczamy w tabeli 3. Tabela 3. Nr 1 ... 10 R = ................ Ω l2/l amax Un CV a U2 (analog.) U2 (cyfr) - dz V V/dz dz V V d) Pomiary i nastawianie napięć stałych – dwustopniowy układ nastawiania napięć. Jest to układ zapewniający zgrubną i dokładną regulację napięcia. W obwodzie przedstawionym na rys. 5. są zamontowane dwa potencjometry R1 i R2, takie, że: R2 ≈ 10 R1. Jeden z nich służy do regulacji dokładnej, a drugi do zgrubnej. R1 lR1 E l2R1 U1 Vc l2R2 lR2 Rr Va U2 R2 Rys. 5. Schemat dwustopniowego układu nastawiania napięcia Pomiarów dokonujemy miernikami: analogowym i cyfrowym. Wyniki pomiarów umieszczamy w tabeli 4. Tabela 4. R1 R2 Ω Ω R1 = ..................Ω, l2R1/lR1 l2R2/lR2 - - 1 0 1 ½ 1 1 0 0 0 ½ 0 1 ½ 0 ½ ½ ½ 1 R2 = ..................Ω U1 amax Un2 CV2 a V dz V V/dz dz U2 analog U2 cyfr V V 4. Opracowanie ćwiczenia: a) Omów błędy występujące przy pomiarach napięcia różnymi miernikami. Jak zachowują się poszczególne mierniki. Jak zmieni się wskazanie miernika cyfrowego przy chwilowym odłączeniu analogowych? b) Porównaj dokładność pomiarów wykonanych za pomocą różnych mierników i dokładność tych samych mierników przy różnych zakresach pomiarowych. c) Porównaj dokładność pomiarów wykonanych bezpośrednio i z wykorzystaniem dzielnika napięcia (dla różnych R1 i R2). d) Porównaj pomiary wykonane woltomierzami: analogowym i cyfrowym. e) Jaki wpływ mają rezystory R1 i R2 na regulację napięcia w metodzie 2-stopniowej. Który z nich służy do regulacji dokładnej, a który do zgrubnej?
