Podstawy Automatyzacji i Mechatroniki

(1)

Katedra Automatyki, Biomechaniki i Mechatroniki

90-924 Łódź, ul. Stefanowskiego 1/15, budynek A22

tel. 42 631 22 25, e-mail: K-16@adm.p.lodz.plwww.abm.p.lodz.pl

Strona 1 z 14

Podstawy

Automatyzacji i

Mechatroniki

Ćw. 1

Badanie przebiegu napięcia dla prądu przemiennego

2017

Opracował dr. inż. Bartosz Stańczyk

(2)

Strona 2 z 14

Multimetr

Multimetr cyfrowy służy do pomiaru, co najmniej trzech wielkości:



Napięcia elektrycznego (stałego i zmiennego) [V]



Natężenia prądu [A]



Rezystancji (oporu elektrycznego) [R]

Urządzenie takie może być również wyposażone w możliwość pomiaru



Spadku napięcia na diodzie



Pojemności kondensatorów



Temperatury



Częstotliwości



Wzmocnienia tranzystorów



Ciągłości przewodnictwa

Multimetry posiadają dwa rodzaje doboru zakresu pomiarowego: automatyczny oraz manualny.

W przypadku automatycznego dostosowania zakresu pomiaru wystarczy jedynie odpowiednio

podłączyć przewody pomiarowe i wybrać żądaną funkcje. Urządzenia automatycznie dobierze

zakres pomiarowy, a następnie wyświetli wartość pomiaru oraz jednostkę. Gdy mamy do

czynienia z manualnym wyborem zakresu należy zawsze zaczynać od najwyższej wartości,

gdyż w przypadku przekroczenia maksymalnej wartości zakresu może dojść do trwałego

(3)

Strona 3 z 14

uszkodzenia multimetru. W przypadku, gdy dokonywany pomiar jest poza zakresem pomiarowym na wyświetlaczu wyświetli się 0 dla zbyt wysokiego zakresu lub OL (overload) dla zbyt niskiego. Należy pamiętać, aby zakres pomiarowy dostosować tak żeby wynik miał największą możliwą dokładność. Przed przystąpieniem do pomiarów należy odpowiednio wybrać przyłącza pomiarowe. Opis wyboru przyłączy znajduje się zawsze na multimetrze.

Podczas pomiarów należy zachować szczególną ostrożność, aby nie dotknąć sond pomiarowych w miejscach nieizolowanych, w najlepszym przypadku może to prowadzić do błędnego pomiaru w najgorszym do porażenia.

Pomiar napięcia

Pomiar napięcia odbywa się poprzez podłączenia sond do wejść oznaczonych COM oraz V, wybrania na multimetrze oznaczenia pomiaru napięcia (V~ lub V=), a następnie sondy należy przyłożyć równolegle do przewodów zasilania urządzenia (w przypadku prądu przemiennego L i N, + i – dla prądu stałego).

Schemat pomiaru natężenia [A] i napięcia [V]

Pomiar natężenia

PODCZAS POMIARU NATĘŻENIA MOŻLIWE JEST USZKODZENIE MULTIMETRU

Pomiar natężenia odbywa się poprzez podłączenie sond do wejść oznaczonych COM oraz A, w przypadku, gdy umożliwia to zakres możliwe jest przełączenie sondy w wejście mA. Na multimetrze należy wybrać odpowiedni zakres pomiarowy dla amperów. Należy pamiętać, że w przypadku pomiaru natężenia możliwe jest uszkodzenie multimetru, jeśli nieprawidłowo podłączymy sondy. Przewody pomiarowe należy podłączyć szeregowo względem obciążenia. Dokonanie pomiaru natężenia możliwe jest poprzez „przecięcie” jednego z przewodów zasilania urządzenia, a następnie włączenie w powstałe końcówki amperomierza.

(4)

Strona 4 z 14

Pomiar rezystancji

Pomiar rezystancji odbywa się poprzez podłączenie sond do wejść oznaczonych COM oraz Ω, następnie dobieramy zakres i dokonujemy pomiaru, pamiętając, aby nie dotykać odizolowanych części sond pomiarowych.

Oporność elementów

Wszystkie elementy elektroniczne i elektryczne posiadają swoją oporność, w przypadku, gdy jest ona bliska 0 mówimy o zwarciu, natomiast elementy posiadające wysoką oporność są wykorzystywane jako elementy izolacyjne.

Opornik, rezystor [1] (z łac. resistere, stawiać opór) – najprostszy element bierny obwodu elektrycznego, wykorzystywany jest do ograniczenia prądu w nim płynącego. Jest elementem liniowym: występujący na nim spadek napięcia jest wprost proporcjonalny do prądu płynącego przez opornik. Przy przepływie prądu zamienia energię elektryczną w ciepło. Idealny opornik posiada tylko jedną wielkość, która go charakteryzuje – rezystancję. W praktyce występuje jeszcze pojemność wewnętrzna oraz wewnętrzna indukcyjność.

Wzory na rezystancję zastępczą[1]

Połączenie szeregowe

W połączeniu szeregowym rezystancja zastępcza jest sumą poszczególnych wartości:

Połączenie równoległe

W połączeniu równoległym odwrotność rezystancji zastępczej (tj. konduktancja zastępcza) jest sumą odwrotności poszczególnych wartości:

(5)

Strona 5 z 14 Dla dwóch rezystorów wzór na rezystancję zastępczą upraszcza się do postaci:

Kody Paskowe rezystorów[2]

Do określenia wartość rezystorów możliwe jest wykorzystanie oznaczeń znajdujących się na elementach.

Deszyfrator kolorów paskowych rezystorów

(6)

Strona 6 z 14

Podstawowe parametry opisujące opornik to [1]:

Rezystancja nominalna – rezystancja podawana przez producenta na obudowie opornika, wyrażona w omach i przyjmująca wartości określane według szeregów wartości; rezystancja rzeczywista różni się od rezystancji nominalnej, jednak zawsze mieści się w podanej klasie tolerancji. Często używanym parametrem jest konduktancja wyrażana w simensach.

Tolerancja – inaczej klasa dokładności; podawana w procentach możliwa odchyłka rzeczywistej wartości opornika od jego wartości nominalnej.

Moc znamionowa – moc jaką opornik może przez dłuższy czas wydzielać w postaci ciepła bez wpływu na jego parametry; przekroczenie tej wartości może prowadzić do zmian innych parametrów rezystora (np. rezystancji) lub jego uszkodzenia.

Napięcie graniczne – maksymalne napięcie jakie można przyłożyć do opornika bez obawy o jego zniszczenie.

Temperaturowy współczynnik rezystancji – współczynnik określający zmiany rezystancji pod wpływem zmian temperatury opornika.

Oscyloskop

Oscyloskop [3]– przyrząd elektroniczny służący do obserwowania, obrazowania i badania przebiegów zależności pomiędzy dwiema wielkościami elektrycznymi, bądź innymi wielkościami fizycznymi

(7)

Strona 7 z 14 reprezentowanymi w postaci elektrycznej. Pozwala on na wyświetlenie przebiegu sygnału w danym okresie czasowym.

Vertical - sekcja odchylania pionowego

VOLTS/DIV – pokrętło ustawienia wzmocnienia toru wejściowego, umożliwia ono dostosowanie mnożnika działek na ekranie do wartość napięcia wyrażoną w woltach [V].

POSITION – pokrętło przesuwa pionowo linię zerową danego kanału pomiarowego.

AC, GND, DC – ustawienie pozwalające na zmianę rodzaju sprzężenia wejścia toru ze wzmacniaczem wejściowym.

AC – sprzężenie zmiennoprądowe, wejście jest połączone z „masą” przez kondensator zwierający składową stałą obserwowanego przebiegu.

GND – Wejście wzmacniacza połączone jest z „masą”. Ustawienie to pozwala na zlokalizowanie na ekranie oscyloskopu linii zerowej danego toru pomiarowego i ewentualną korektę położenia za pomocą pokrętła POSITION.

DC – sprzężenie stałoprądowe, umożliwia obserwację napięcia stałego i zmiennego wraz ze składową stałą.

MODE – przełącznik umożliwiający wybór aktywnego kanału pomiarowego:

CH1– umożliwia obserwację sygnału podłączonego do wejścia INPUT 1.

CH2– umożliwia obserwację sygnału podłączonego do wejścia INPUT 2.

DUAL – umożliwia jednoczesne obserwację przebiegu obu kanałów:

1. ADD – umożliwia wyświetlenie algebraicznej sumy przebiegów z obu kanałów, 2. ALT – wyświetla przebiegi z obydwu torów naprzemiennie,

3. CHOP – (tryb „siekany”) przebiegi z obydwu torów pokazywane są naprzemiennie małymi fragmentami.

Horizontal -Sekcji odchylania poziomego

TIME/DIV – pokrętło pozwala na dostosowanie podstawy czasowej dla wszystkich kanałów. Dzięki niemu możliwe jest ustawienie działki na jednostkę czasu [ns-s].

POSITION – pokrętło przesuwa poziomo wyświetlane przebiegi.

(8)

Strona 8 z 14

Trigger - sekcji wyzwalania generatora podstawy czasu

SOURCE – przycisk umożliwia wybór źródła, które ma wyzwalać generator podstawy czasu:

1. CH1 – wyzwalanie generowane przez przekroczenie sygnału na wejściu INPUT 1.

2. CH2 – wyzwalanie generowane przez przekroczenie sygnału na wejściu INPUT 2.

3. LINE – wyzwalanie przebiegiem sieci zasilającej.

4. EXT - wyzwalanie sygnałem z wejścia TRIG IN.

MODE –wybór sposobu wyzwalania generatora podstawy czasu:

1. AUTO – Wyzwolenie automatyczne zostaje uruchomione w momencie pojawienia się sygnału na wybranym kanale za pomocą przycisku SOURCE.

2. NORM – Pomiar zostanie wyzwolony jedynie w przypadku, gdy sygnał na wybranym kanale przekroczy ustawiona wartość.

3. LEVEL – pokrętło służy do ustawienia poziomu sygnału dla wybranego kanału po przekroczeniu, którego rozpocznie się pomiar.

Cursor – sekcja odpowiedzialna za dokonywanie pomiaru sygnału

Do dokonania pomiaru na oscyloskopie używa się kursorów, do dyspozycji mamy dwa kursory X i dwa Y.

Kursory X- pozwalają na pomiar wartość amplitudy przedstawionych na ekranie oscyloskopu.

Kursory Y- pozwalają na pomiar wartość czasowych przedstawionych na ekranie oscyloskopu.

(9)

Strona 9 z 14

Pomiar na oscyloskopie

Aby dokonać prawidłowego pomiaru przebiegu sygnału na oscyloskopie, należy w przypadku pomiaru wartości amplitudy, ustawić za pomocą pokrętła VOLTS/DIV tak, aby uzyskać maksymalna wielkość sygnału na ekranie jednak skrajne wartości muszą być nadal widoczne. Następnie nakierować kolejno kursory Y na skrajne wartości amplitudy, po czym odczytać mierzone wartości na ekranie.

Kursory Y

Parametry sygnału

Pomiar amplitudy na oscyloskopie

Aby dokonać prawidłowego pomiaru przebiegu sygnału na oscyloskopie należy w przypadku pomiaru wartości częstotliwość ustawić za pomocą pokrętła TIME/DIV tak, aby uzyskać przynajmniej jeden w pełen widoczny okres na ekranie. Sygnał reprezentujący okres powinien być tak rozciągnięty, aby zajmował on jak najwięcej miejsca na ekranie, ale zarazem musi być możliwość pomiaru początku i końca okresu. Podobnie sytuacja wygląda w momencie pomiaru jakiejkolwiek wartości przebiegu czasowego sygnału.

(10)

Strona 10 z 14

Kursory X Parametry

sygnału

Pomiar częstotliwości na oscyloskopie

Płytka Stykowa

Płyta stykowa jest elementem wykorzystywana do budowania prototypowych układów elektronicznych.

Umożliwia ona w szybki i prosty sposób zbudowanie i uruchomienie układów elektronicznych.

Standardowa płytka zawiera złącza poziome połączone ze sobą według schematu przedstawionego poniżej. Najczęściej posiada także dwa pionowe złącza oznaczone kolorami czerwonym dla wartości dodatniej napięcia oraz niebieski dla wartości odniesienia napięcia (0V lub gnd).

Schemat połączeń na płytce stykowej [4]

(11)

Strona 11 z 14 Płytka uniwersalna, elementy ułożone na płytce[5].

Półprzewodnik

Dioda – dwuzaciskowy (dwuelektrodowy) element, który przewodzi prąd elektryczny w sposób niesymetryczny, to jest bardziej w jednym kierunku niż w przeciwnym.

Diody[8]

Układ przetwarzania napięcia AC-> DC [6]

Transformator (z łac. transformare – przekształcać) – maszyna elektryczna służąca do przenoszenia energii elektrycznej prądu przemiennego drogą indukcji z jednego obwodu elektrycznego do drugiego z zachowaniem pierwotnej częstotliwości. Zwykle zmieniane jest równocześnie napięcie elektryczne (wyjątek stanowi transformator separacyjny, w którym napięcie nie ulega zmianie).

(12)

Strona 12 z 14 Schemat transformatora[6].

Zasada działania transformatora

Jedno z uzwojeń (zwane pierwotnym) podłączone jest do źródła prądu przemiennego. Powoduje to przepływ w nim prądu przemiennego. Przemienny prąd wywołuje powstanie zmiennego pola magnetycznego. Zmienny strumień pola magnetycznego, przewodzony przez rdzeń transformatora przepływa przez pozostałe cewki (zwane wtórnymi). Zmiana strumienia pola magnetycznego w cewkach wtórnych wywołuje zjawisko indukcji elektromagnetycznej – powstaje w nich zmienna siła elektromotoryczna (napięcie). Jeżeli pominie się opór uzwojeń oraz pojemności między zwojami uzwojeń i przyjmie się, że cały strumień magnetyczny wytworzony w uzwojeniu pierwotnym przenika przez rdzeń do uzwojenia wtórnego (nie ma strat pola magnetycznego na promieniowanie), to taki transformator nazywamy idealnym. Dla transformatora idealnego obowiązuje wzór:

Gdzie:

U – napięcie elektryczne,

I – natężenie prądu elektrycznego, n – liczba zwojów,

Indeks we – strona pierwotna (stosuje się również indeks – 1), Indeks wy – strona wtórna (stosuje się również indeks – 2).

(13)

Strona 13 z 14 Zależność pomiędzy natężeniami i napięciami wynika z wyżej opisanych zależności i z zasady zachowania energii. W tym przypadku sprowadza się to do równości mocy wejściowej i wyjściowej:

Układy prostownicze [7]

Prostownik – element lub zestaw elementów elektronicznych służący do zamiany napięcia przemiennego na napięcie jednego znaku, które po dalszym odfiltrowaniu może być zmienione na napięcie stałe.

Jednopołówkowe (półokresowe)

Najprostszym prostownikiem jest pojedyncza dioda prostownicza wpięta w układ napięcia przemiennego. Pomimo prostoty takiego układu jest on bardzo rzadko stosowany z uwagi na występowanie dużego tętnienia napięcia wyjściowego. Dodatkowo, energia dostarczana przez źródło wykorzystywana jest tylko przez pół okresu – podczas drugiej połowy okresu napięcie jest po prostu blokowane i prąd w układzie nie płynie. Wprowadza to niesymetrię obciążenia układu prądu przemiennego, co jest niekorzystne dla sieci prądu przemiennego. Z powyższych powodów rozwiązanie stosowane tylko w układach niewielkiej mocy.

Schemat i przebieg napięcia dla mostka jednopołówkowego

Dwupołówkowe (pełno okresowe)

Prostowniki dwupołówkowe umożliwiają wykorzystanie mocy źródła napięcia przemiennego przez cały okres. Napięcie wyjściowe takiego prostownika charakteryzuje się mniejszymi tętnieniami niż w przypadku prostowników jednopołówkowych. Jedyną wadą jest to, że układ elektryczny jest nieznacznie bardziej skomplikowany. Układ mostkowy, tzw. mostek Graetza, wykorzystuje cztery diody prostownicze, i pozwala na prostowanie napięcia z dowolnego źródła przemiennego. Istnieje

(14)

Strona 14 z 14 również konstrukcja oparta na dwóch diodach, jednak wymaga ona specjalnego zasilania – uzwojenie wtórne transformatora musi być podzielone na dwie jednakowe części. Obecnie układy takie stosuje się niezwykle rzadko, ponieważ koszt dzielonego uzwojenia jest znacznie większy niż koszt diod użytych w układzie mostkowym.

Obecnie jednym z najczęściej stosowanych prostowników jednofazowych jest mostek Graetza. Proces prostowania napięcia przebiega w dwóch etapach. W pierwszej połówce okresu przewodzą tylko dwie diody, pozostałe dwie diody są spolaryzowane zaporowo. W drugiej połówce okresu sytuacja ulega odwróceniu – przewodzą tylko dwie pozostałe diody. Napięcie wejściowe jest napięciem przemiennym, czyli zmienia swoją polaryzację na dodatnią i ujemną, natomiast układ mostka jest tak skonstruowany, że napięcie wyjściowe jest jednokierunkowe – prąd płynie tylko w kierunku dodatnim (patrz rysunek powyżej). Pomimo faktu, że napięcie wyjściowe prostownika jest jednokierunkowe to jednak nie jest ono napięciem stałym i wykazuje znaczne tętnienie – dlatego też prostowniki najczęściej stosuje się z odpowiednimi filtrami dolnoprzepustowymi wygładzającymi przebieg.

Schemat i przebieg napięcia dla mostka dwupowłokowego Bibliografia

[1]. https://pl.wikipedia.org/wiki/Opornik [2] http://grylewicz.pl/rezystory-praktycznie/

[3] https://pl.wikipedia.org/wiki/Oscyloskop [4] https://abc-rc.pl/Plytka-MR200-001

[5] http://robotykadlapoczatkujacych.pl/lekcja-11-lm358-wzmacniacz-napiecia/

[6] https://pl.wikipedia.org/wiki/Transformator [7] https://pl.wikipedia.org/wiki/Prostownik

[8] http://forbot.pl/blog/artykuly/podstawy/kurs-elektroniki-6-diody-krzemowe-oraz-swiecace-led- id4251