Úloha č. 2: Měření voltampérových charakteristik elektrických prvků pomocí multifunkční karty Úvod Laboratorní úloha se zabývá měřením voltampérových charakteristik vybraných elektrických prvků pomocí měřicí karty NI USB-6009, která je přes USB port připojena k počítači a řízena (ovládána) pomocí programu vytvořeném v prostředí LabVIEW. Smyslem úlohy je seznámit studenty se záznamem reálných dat pomocí LabVIEW a použití ovladačů NIDAQmx na jednoduchém příkladu měření voltampérových charakteristik. 1. LabVIEW Grafické programovací prostředí LabVIEW (z angl. Laboratory Virtual Instruments Engineering Workbench čili laboratorní pracoviště virtuálních přístrojů ) je produktem americké firmy National Instruments. Prostředí LabVIEW je vhodné nejen k programování systémů pro měření a analýzu signálů, řízení a vizualizaci technologických procesů různé složitosti, ale také k programování velmi složitých systémů, jakým je třeba robot. Jedná se o grafické vývojové prostředí, někdy nazývané též G-jazyk (tedy grafický jazyk), které dovoluje technikům používat při tvorbě měřicích, řídicích a automatizačních systémů ikony namísto řádků textu. Na rozdíl od textových jazyků, které využívají posloupnost instrukcí, se v prostředí LabVIEW využívá programování na principu datového toku (data flow model), kde je způsob toku dat procházejících uzly v blokovém diagramu určován propojením funkcí vodiči. Virtuální měřicí přístroj je tvořen třemi základními složkami (symbolicky je ukazuje Obr. 1). První je uživatelské rozhraní nazývané Přední panel (angl. Front panel), které slouží k obsluze přístroje a ukazuje výstupní hodnoty. Srdcem přístroje je grafický zdrojový kód - tzv. Blokový diagram (angl. Block diagram) pro ovládání objektů na předním panelu a provádění požadovaných operací se vstupními daty. Poslední složkou je Panel ikony a konektorů (angl. Icon and connector pane), neboli okno pro vytváření a zobrazení ikony identifikující daný přístroj. Obr. 1. Grafické programovací prostředí LabVIEW
Přední panel Přední panel měřicího přístroje je tvořen ovládacími prvky a indikátory, které reprezentují interaktivní terminály, umožňující vstup signálů do programu a zobrazení výsledků měření prostřednictvím indikátorů. Mezi ovládací prvky patří tlačítka, spínače, otočné prvky, číselníky a další nástroje, které simulují vstupní přístrojová zařízení a dodávají data do blokového diagramu. Indikátory jsou grafy, LED diody a jiné prvky zobrazující data, která blokový diagram vygeneruje nebo získá transformací dat vstupních. Blokový diagram Poté co jsou na přední panel umístěny všechny vstupní a výstupní prvky, pokračuje programátor vytvářením blokového diagramu (schématu), který je samotným jádrem ovládacího programu měřicího přístroje. Objekty předního panelu jsou v blokovém diagramu zastoupeny terminály, které jsou propojovány s funkcemi analogickými prováděcím instrukcím textových programovacích jazyků. Diagram je dále tvořen datovými vodiči, uzly (neboli funkcemi), které provádí požadované úpravy signálů a strukturami (smyčkami), které ovlivňují průběh programu. 2. Multifunkční zařízení pro sběr dat a řízení NI USB 6009 Tato měřicí karta je jedna z nejlevnějších a současně nejmenších profesionálních zařízení DAQ firmy National Instruments pro použití v prostředí LabVIEW. Karta se připojuje k počítači kabelem USB přes komunikační rozhraní USB (USB 2.0 full-speed). Karta je vybavena osmi analogovými vstupy (AI 0 až AI 7 Analog Input), dvěma analogovými výstupy (AO 0 a AO 1 Analog Output), dvanácti obousměrnými digitálními linkami (P0.0 až P1.3) a jedním 32bitovým čítačem (vstup PFI 0, který může sloužit rovněž jako vstup pro spouštění trigger). Analogové vstupy AI lze zapojit buď jako osm nesymetrických kanálů (tzn. proti společné zemi) nebo jako čtyři diferenciální (symetrické) kanály. Na vnější konektor je rovněž vyvedeno napětí +5 V (získané z rozhraní USB) a referenční napětí +2,5 V ze stabilizátoru pro A/D převodník (ADC). Blokové schéma multifunkční karty NI USB 6009 je znázorněno na obr. 3. Obr. 2 Multifunkční karta NI USB-6008/6009
Obr. 3: Blokové schéma multifunkční karty NI USB-6008/6009 Vstupy a výstupy karty USB-6009 jsou uspořádány do dvou svorkovnic jedna slouží pro připojení analogových signálů a druhá je určena k připojení digitálních linek. Každá svorkovnice má 16 šroubovacích svorek pro vodiče o průřezu 0,08 až 1,3mm 2. Následující tabulky č. 1 a 2 ukazují připojení signálů ke svorkovnici určené pro digitální resp. analogové signály. Tab.1: Připojení digitálních signálů ke svorkovnici karty USB-6009
Tab.2: Připojení analogových signálů ke svorkovnici karty USB-6009 NI-DAQmx Zařízení USB-6009 je podporováno ovladačem NI-DAQmx pro Windows. Je to rozhraní vhodné pro programování analogových, digitálních I/O a ovládání stovek multifunkčních DAQ zařízení (zařízení pro sběr dat). NI LabVIEW obsahuje Mesurement & Automation Explorer, DAQ Assistant a Logger Lite software a především Application Programming Interface API, což je knihovna VI, ANSI C a dalších funkcí pro vytváření vlastních aplikací. LabVIEW verze 8.6 nabízí jedenáct funkci pro práci s periferiemi, podporovanými ovladačem NI-DAQmx. Tyto funkce ukazuje obrázek č. 4.
Obr. 4: Funkce knihovny DAQmx pro řízení a sběr dat Na následujícím obrázku (č. 5) je uveden příklad použití funkcí knihovny NI-DAQmx při čtení signálu z externího zařízení. Prvním krokem je vytvoření virtuálního kanálu pro komunikaci se zařízením, následuje zahájení komunikace a samotné čtení dat ze zařízení (v případě tohoto laboratorního cvičení - čtení hodnoty vybraného digitálního vstupu karty USB-6009). Po přečtení požadovaných dat je komunikace ukončena a program zastaven. Obr. 5: Příklad použití funkcí knihovny NI-DAQmx 3. V-A charakteristika a její měření Diody Polovodičová dioda je tvořena PN přechodem, který vzniká při kontaktu polovodičů typu P a typu N. V místě styku rekombinují volné elektrony polovodiče typu N s dírami polovodiče typu P. Vzniká tak oblast bez náboje a polovodič typu N se nabíjí kladně, protože v něm ubývá záporný náboj, polovodič typu P se nabíjí záporně, protože v něm ubývá kladný náboj. Mezi polovodiči vznikne napětí tzv. potenciálový val, které má směr od polovodiče typu N k polovodiči typu P. Potenciálový val způsobuje, že náboje se nemohou přes přechod P-N volně pohybovat, dokud vnějším napětím se správnou polaritou není tento val překonán.
Usměrňovací diody Obr. 4: Usměrňovací diody Dioda propouští proud jen jedním směrem. Ve schématech se značí: Proud teče jen z anody na katodu (ta je obvykle barevně označena) ne obráceně. Chování diody popisuje tzv. voltampérová charakteristika tedy závislost protékajícího proudu na přiloženém napětí. Graf na Obr. 5 není v měřítku (pravá horní strana grafu je výrazně zvětšena), aby byl patrný úbytek napětí. Pro srovnání uvádíme i germaniovou diodu, která má sice nižší úbytek napětí, vydrží však menší závěrné napětí. Obr. 5: V-A charakteristika křemíkové a germaniové diody Při praktickém používání diody jsou důležité tyto parametry: - Prahové napětí, což je napětí, které je třeba přiložit na diodu, aby došlo k jejímu otevření tj. aby jí mohl protékat proud. Toto napětí závisí na materiálu, např. u křemíku je 0,51 V, germania 0,28 V, u LED může dosahovat i 3 V. - Maximální proud v propustném směru je maximální proud, který může diodou procházet bez jejího zničení v důsledku přehřátí. U běžných malých diod je to obvykle 0,5 A, snadno se ale seženou diody na desítky A. Někdy se místo maximálního proudu používá výkonová ztráta. - Dynamický odpor je velikost odporu otevřené diody pro malý střídavý proud. Je dán sklonem charakteristiky v propustném směru. Bývá malý.
Zenerova dioda - Prahové napětí a malý dynamický odpor v propustném směru způsobují, že na otevřené diodě je v propustném směru stálý úbytek napětí o hodnotě asi 0,7 V. - Maximální závěrné napětí je maximální napětí, které dioda v opačném směru udrží, aniž by se prorazila. U běžných, křemíkových diod se pohybuje od 50 V do 1500 V. Speciální typy diod (stabilizační diody) se naopak provozují v oblasti průrazu. - Zbytkový proud je proud, který prochází diodou v závěrném směru. Bývá velmi malý. - Ideální dioda by měla tyto parametry: nulové prahové napětí, nekonečný maximální proud v propustném směru, nulový dynamický odpor, nekonečné maximální závěrné napětí, nulový zbytkový proud. Obr. 6: Výkonová Zenerova dioda V některých případech se uživateli hodí velký a stabilní úbytek napětí v řádu jednotek až desítek V. Spojením dvaceti křemíkových diod v propustném směru za sebe bychom sice získali úbytek napětí 12 V, byl by ale dost závislý na změnách teploty a proudu. Proto se vyrábějí diody, u kterých jde malým napětím způsobit nedestruktivní průraz v závěrném směru, který má dobře stanovený úbytek napětí. Funkce je patrná z následující voltampérové charakteristiky: Obr. 7: V-A charakteristika Zenerovy diody V závěrném směru je velmi strmá závislost proudu na napětí: úbytek napětí v závěrném směru skoro nezávisí na proudu! Této vlastnosti se užívá např. v napěťových stabilizátorech.
Schottkyho dioda V Schottkyho diodách nevzniká usměrňovací jev mezi dvěma druhy polovodiče, ale mezi kovem a polovodičem. Oproti běžné křemíkové diodě se liší v tom, že má nižší úbytek napětí (cca 0,3 V) kratší dobu, než se zavře při změně směru proudu (řádově 20 ns), ale také větší závěrný proud a nižší povolené závěrné napětí (cca 40 V)
Zadání laboratorního cvičení č. 2: Úkoly: 1) sestavit obvod pro měření V/A charakteristiky křemíkové diody 2) vytvořit v prostředí LabVIEW program, který umožní měření V/A charakteristiky prostřednictvím sestaveného obvodu a měřicí karty NI USB 6009 3) změřit V/A charakteristiku křemíkové diody v propustném i závěrném směru, výsledky uložit do souboru a vyhodnotit (pomocí programu) Postup práce: 1) Pro měření V/A charakteristiky je třeba na kontaktním nepájivém poli zapojit do série odpor a křemíkovou diodu, které jsou k úloze přiloženy. Poté připojíte k těmto prvkům vstupy a výstupy měřicí karty tak, abyste byli schopni měřit napětí na diodě a zároveň napětí na odporu. Z napětí na odporu potom výpočtem v programu zjistíte proud diodou a pomocí údaje o napětí na diodě a proudu pak vytvoříte požadovanou V/A charakteristiku. 2) Následuje sestavení programu v prostředí LabVIEW. Prvním krokem programu je inicializace použitých vstupů a výstupů karty, tedy definice použitého kanálu (zda se jedná o vstup nebo výstup a co daný kanál měří nebo generuje napětí, proud, ) a zahájení jeho činnosti. Dále bude program generovat výstupní napětí přicházející z měřicí karty do obvodu (0 až 5 V) a pomocí vstupů karty číst napětí na odporu i diodě. Mezi generovaným signálem a okamžikem čtení je vhodné zařadit prodlevu, aby program stačil zaznamenat změny v obvodu. Hodnoty naměřeného napětí (na vstupech měřicí karty) potom sestavený program zobrazí do grafu a uloží do souboru. Samozřejmě je nutné z hodnoty napětí na známém odporu vypočítat procházející proud. 3) Po sestavení programu proměřte V/A charakteristiku diody v propustném i závěrném směru. Směr procházení proudu diodou změníte jednoduchým přepólováním diody. Z naměřených dat vyhodnoťte: prahové napětí diody, zbytkový proud diodou v závěrném směru. Protokol o laboratorním cvičení bude obsahovat: Schéma sestaveného obvodu Obraz blokového diagramu vytvořeného programu Naměřenou V/A charakteristiku diody a její vyhodnocení
Příloha k laboratornímu cvičení: - Vzorové schéma zapojení obvodu pro měření V/A charakteristiky: - Vzorový program pojmenovaný VA_char.vi pro měření V/A charakteristiky pomocí výše uvedeného schématu bude v případě potřeby prezentován či poskytnut asistentem během cvičení - Český manuál ke kartě USB-6009, který přehledně popisuje hardwarové i softwarové charakteristiky karty, které nebyly v tomto návodu detailněji rozepisovány.