Základní odporové obvody I Laboratorní cvičení č. 2 Cíle cvičení: ověřit základní vlastnosti nezatíženého a zatíženého odporového děliče napětí, navrhnout a realizovat jednoduchý obvod se svítivou LED diodou, provést vyhodnocení měření podle níže uvedených pokynů. Obvody budou realizovány pájením na univerzálním plošném spoji. Základní pokyny a informace k pájení viz obrazová příloha níže. Použité přístroje a pomůcky: laboratorní zdroj stejnosměrných napětí Diametral P230R51D (1 ks), měřič RLCG Tesla BM 591 (měření parametrů součástek, 1 ks), přenosný (ruční) číslicový multimetr (2 ks), pájecí stanice PACE ST 50 s příslušenstvím, alternativně trafopájka 75 VA (1 ks), součástky a příslušenství pro pájení (rezistory, dioda, univerzální plošný spoj, pájka, kalafuna, pinzeta, kleště, propojovací vodiče, speciální podložka pro pájení). Úloha č. 1. Nezatížený a zatížený odporový dělič napětí (50 minut) 1. Předem vypočtěte napětí U 2T (T jako teoretické, ideální) pro známé napětí U 1T =5 V a ideální hodnoty odporu obou rezistorů R 1T =R 2T = Ω, viz obr.1a). Vzorec pro výpočet napětí U 2T zapište pod první tabulku. 2. Změřte přesně odpory obou rezistorů R 1 a R 2 měřičem RLCG nebo číslicovým multimetrem. 3. S využitím univerzálního plošného spoje realizujte pájením obvod podle obr.1a), na zdroji nastavte napětí 5 V. Po zapnutí změřte přesně napětí U 1 a U 2 pomocí číslicových multimetrů, natavených jako voltmetry V 1 a V 2. 4. Vypočtěte proudy oběma voltmetry (spotřebu) I V1 a I V2 s využitím jejich celkového vnitřního odporu. 5. Levý číslicový multimetr nyní zapojte jako ampérmetr podle obr.1b) a změřte odběr ze zdroje, tedy proud I C. 6. Ze známého vnitřního odporu a údaje napětí vypočtěte vlastní spotřebu voltmetru V 2, tedy proud I V2. 7. S využitím I. Kirchhoffova zákona vypočtěte proud I R2. Dále vypočtete ztrátový výkon P R2. 8. S využitím známé hodnoty napětí U 1 (předchozí měření) a proudu I C vypočtete příkon ze zdroje P Z. 9. Podle obr.1c) zatižte dělič napětí rezistorem R Z a změřte obě napětí. 10. Vypočtěte ztrátový výkon P RZ a proud I RZ. 11. Pod příslušné tabulky zapište požadované vztahy. U Z zdroj I V1 V 1 U 1 R 1 I V2 R 2 V 2 U 2 U Z ma I C R 1 I R2 I V2 R 2 V 2 U 2 U Z V 1 R 1 R 2 V 2 U 2Z R Z a) b) c) Obr.1. Lineární odporový dělič napětí: a) a b) nezatížený, c) zatížený. U 1T =5 V, R 1T = R 2T = Ω U 2T [V] I C [ma] U 1 [V] R 1 [Ω] I V2 [ma] U 2Z [V] R 2 [Ω] I R2 [ma] P RZ [W] U 1 [V] U 1 [V] I RZ [ma] U 2 [V] U 2 [V] I V1 [µa] P R2 [W] I V2 [µa] P Z [W] Vzorec pro výpočet U 2T : Vzorec pro příkon P Z : Vzorec pro výpočet U 2Z :
Úloha č. 2. Jednoduchý obvod se svítivou LED diodou (30 minut) 1. Změřte přesně skutečnou hodnotu odporu rezistoru R. 2. Na zdroji předem nastavte napětí 5 V co nejpřesněji pomocí voltmetru. 3. Na plošném spoji realizujte jednoduchý obvod se svítivou (LED) diodou podle obr.2a). 4. Po zapnutí zdroje by měla dioda svítit (pozor na správnou polaritu). Změřte proud diodou I D, dále napětí na diodě U D a napětí na rezistoru U R. Ověřte v praxi platnost II. Kirchhoffova zákona. 5. Vypočtěte ztrátový výkon na rezistoru P R a na diodě P D. 6. Podle obr.2b) změřte proud nakrátko I K, tedy maximální možný proud, jeli U D =0 V (namísto diody je zkrat). 7. Podle obr.2c) změřte napětí naprázdno U 0, tedy maximální možné napětí, jeli I D =0 A (dioda je vynechána). 8. Díky známým hodnotám U 0 a I K nakreslete ručně na milimetrový papír zatěžovací přímku do grafu I=f(U). Čárkovaně do ní vyznačte převodní charakteristiku diody. Ověřte, že napětí U 0 je shodné s U Z. 9. Pod tabulku zapište vztah pro návrh odporu rezistoru R (a vypočtěte jej) s využitím II. Kirchhoffova zákona a Ohmova zákona, znáteli změřené hodnoty U D a I D podle bodu 4. U Z ma I D R LED V D U D U Z ma I K R R U Z V 0 U 0 a) b) c) Obr.2. a) Obvod se svítivou (LED) diodou, b) měření proudu nakrátko, c) měření napětí naprázdno. R [Ω] U Z [V] U D [V] U R [V] I D [ma] P R [W] P D [W] I K [ma] U 0 [V] Vztah pro návrh odporu R a jeho konkrétní výpočet: Vyhodnocení měření a závěr Ve vašich sešitech, které nahrazují protokol o měření, bude první (titulní) strana vyhrazena názvu laboratorní úlohy velkými písmeny, datu měření a jménu toho, kdo měřil. Dále si do sešitu vlepte strany 1 a 2 tohoto zadání (nejlépe mírně oříznuté) a realizovaný graf (ručně na milimetrový papír, ne pomocí počítače). Všechny tabulky během měření správně vyplňte. V sešitě dále mohou být zápisky a poznámky, jsouli potřeba a povinný závěr, v němž vyhodnoťte měření č. 1 a 2. Zejména se vyjádřete k těmto bodům: Jaký je vliv velikosti obou rezistorů nezatíženého děliče napětí na odběr proudu ze zdroje? jak se změní výstupní napětí nezatíženého děliče při jeho zatížení rezistorem? Jaký je význam rezistoru, zapojeného do série s LED diodou? Jak souvisí jas diody s velikostí odporu R? Co je to proud nakrátko a napětí naprázdno? Níže v textu jsou uvedeny obrázky použitých měřidel a pomůcek včetně základních informací o pájení.
Obrazová příloha k jednotlivým úlohám Úloha č. 1. Odpory obou rezistorů změřte přesně buďto měřičem RLCG (po zapnutí hlavního vypínače zcela vlevo stiskem tlačítka R nastavíte měření odporů) nebo číslicovým multimetrem, přepnutým na měření odporů (OHM) s nastaveným měřicím rozsahem 2K. Nemáteli k dispozici speciální krokosvorky, přidržte měřený rezistor pevně rukama na přívodních kabelech. Při měření napětí se ujistěte, že jste oba číslicové multimetry přepnuly do režimu pro měření stejnosměrných napětí (DCV) s dostatečně vysokým měřicím rozsahem 20V. Analogicky postupujte při měření proudu ze zdroje. Celkový vnitřní odpor číslicových multimetrů změřte tak, že vždy jeden z nich nastavte na měření napětí DCV na rozsahu 20 V, druhý pro měření odporu (poloha přepínače OHM) na rozsahu 20 M a jím změřte přímo vnitřní odpor voltmetru. Poté měření zopakujte, multimetry si nyní vymění role. Zapojení děliče napětí s rezistory realizujte na univerzálním plošném spoji tak, že využijete zabudované vstupní svorky, do nichž zapojíte přívodní vodiče např. ze zdroje. Z těchto svorek pak napájíte drátky k rezistorům, rovněž předem napájeným na plošném spoji. Protože je plošný spoj využíván řadou studentů a je často v provozu, najděte si na něm funkční a na pohled pěkné plošky. Obr.1.1. Měření odporu rezistoru měřičem RLCG Tesla BM 591.
Obr.1.2. Měření odporu číslicovým multimetrem Metex M4650 CR. Obr.1.3. Možná podoba odporového děliče napětí na univerzálním plošném spoji (celkový pohled).
Obr.1.4. Detail univerzálního plošného spoje se zdířkami pro připojení vodičů. Obr.1.5. Měření celkového vnitřního odporu číslicového voltmetru číslicovým ohmmetrem.
Úloha č. 2. Zapojení svítivé LED diody v sérii s rezistorem je jednoduché. Aby dioda svítila, je třeba dbát na její správnou polaritu; anoda se zapájí blíže ke kladnému, katoda k zápornému pólu zdroje. Obr.2.1. Měření proudu LED diodou a napětí na diodě. Obr.2.2. Detail obvodu se svítící LED diodou.
Základní informace k pájení Pájení v laboratoři (anglicky soldering) je postup, kdy pomocí tzv. měkké pájky (slitina cínu a olova, např. Sn63Pb37 s bodem tání asi 183 C) se snažíme spojit dva vývody součástek, součástku na plošný spoj, apod. K tomu používáme pájecí stanici (jinak také pájedlo) s hrotem, rozehřátým na vyšší teplotu, cca 240350 C (měkké pájení). Zpravidla postupujeme takto: zapneme pájecí stanici a počkáme na ustálení teploty, na obrázku níže C, horkým hrotem rozehřejeme pájku (lidově cín ve formě tenkého ohebného drátku) a spojíme oba materiály, často je vhodné ještě předem namočit hrot krátce do kalafuny (pryskyřice v roli tavidla), která chemicky očistí povrchy obou materiálů (vývodů, vodičů, plošného spoje) a zajistím tím dobrou smáčivost. V laboratoři používáme pájecí stanice PACE ST 50 s hrotem, umístěným v pevném držáku, pod nímž se nachází namočená speciální houba, sloužící k očištění hrotu. Pájka (cín) se prodává jako drátek různého průměru, navinutý v cívkách. Často již obsahuje kalafunu. Vzhledem k vyšším teplotám je třeba opatrnosti, používat pinzetu a dbát na svou osobní bezpečnost. Pracoviště jsou vybavená speciální teplotně i mechanicky odolnou podložkou pro pájení. Proces pájení je z hlediska legislativy v našem regionu ošetřen evropskými normami a doporučeními, platnými pro průmyslové a komerční aplikace a nasazení. V současné době je trend přecházet z pájek olovnatých na bezolovnaté (unleaded, leadless) z ekologických důvodů. Bezolovnaté pájky jsou však stále ještě dražší a výrobně komplikovanější a vykazují některé méně vhodné vlastnosti, které se s vývojem budou jistě zlepšovat. Před vlastním pájením si pracoviště dobře prohlédněte a uspořádejte tak, aby nedošlo k úrazu. Měkká olovnatá pájka Kalafuna (tavidlo) Pájecí stanice Držák horkého hrotu Guma pro sundání hrotu Namočená houba pro očištění hrotu Univerzální plošný spoj Obr.P1. Pracoviště pro realizaci elektrických obvodů pájením.
Měkká olovnatá pájka Výměnný hrot (očko) Trafopájka o výkonu 75 VA Kalafuna (tavidlo) Obr.P2. Trafopájka alternativní pájecí stanice pro rychlé pájení. Obr.P3. Vlastní proces pájení spojování materiálu měkkou pájkou SnPb.
. Obr.P4. Spoj s horší smáčivostí pájka se tahá za hrotem (vlevo); zbytky kalafuny na spoji vpravo.