Zobrazování usměrněného napětí - jednocestné usměrnění Na obr. 5.3 je schéma jednocestného usměrňovače s diodou D a zatěžovacím rezistorem R = 100 Ω, zapojeným v sérii s proměnným rezistorem (potenciometrickým trimrem) P = 220 Ω. Uvedené hodnoty jsou pouze informativní, místo proměnného rezistoru P je možné zapojit pevný rezistor, a při zkoušení jeden nebo druhý rezistor zkratovat. Připraven je i kondenzátor 100 µf (postačí na napětí 16 V), který zatím nepřipojíme. Pro toto zapojení i většinu dalších experimentů, vyhoví transformátor se sekundárním napětím 5 V až 8 V. Na osciloskopu nastavíme následující hodnoty: Vstupní přepínač do polohy DC, časovou základnu na 5 ms / DIV a způsob spouštění (MODE) na AUTO. Napěťovému děliči přísluší poloha 2 V / DIV nebo 1 V / DIV. V podstatě jsou to stejné údaje jako při předchozím zobrazování. Také propojení mezi vstupem osciloskopu a sledovaným obvodem se nemění, tzn. při tomto měření na nízké impedanci a při dostatečné napěťové úrovni, je možné použít prosté vodiče, není tedy nutný souosý kabel. 1
Protože dioda směřuje anodou ke střídavému zdroji, propouští kladnou půlvlnu sinusového průběhu. Na stínítku se zobrazí nad vodorovnou osou přibližně tři půlvlny, se stejně širokými mezerami mezi sebou. Průběhy půlvln jsou v dolní části jakoby "propojeny" vodorovnými spojkami, tedy vose představující nulový potenciál. Dochází k tomu v důsledku probíhajícího paprsku vodorovného vychylování, když vertikální zesilovač v těchto okamžicích nedostává napětí, takže vertikální výchylka je nulová. Co se týče amplitudy průběhů, záleží na velikosti sekundárního napětí transformátoru, na velikosti zatěžovacího odporu a v neposlední řadě na "tvrdosti" sekundárního napětí. Jak všichni víme, usměrněné napětí s tepavým průběhem je pro velkou většinu elektrických obvodů nepoužitelné. Proto se připojuje filtrační kondenzátor, např. C = 100 µf, s dodržením správné polarity vývodů. V čase mezi aktivními půlperiodami již neklesá napětí na nulovou úroveň (na obrázku značeno tečkovaně), což názorně ukážou průběhy na obrazovce. Změnou zatěžovacího odporu, tj. pomocí proměnného rezistoru, potvrdíme známou skutečnost: čím větší zatížení, tím větší pokles napětí. Obrazovka umožní ověřit účinek větší filtrační kapacity, např. s paralelním připojením dalšího kondenzátoru. Pokles okamžité hodnoty napětí v čase mezi pulsy bude menší. Pro běžné použití takové vyhlazení pulsujícího průběhu ovšem nestačí, kapacitu by bylo třeba o jeden řád zvětšit. Jednocestně usměrněné napětí se zápornou polaritou Změna polarity diody v tomtéž obvodu způsobí, že se změní propustný směr, tzn. prochází opačná půlvlna střídavého průběhu. Pomocí osciloskopu můžeme zápornou půlvlnu dobře pozorovat. Na stínítku obrazovky se zobrazí pulzující 2
napětí záporné polarity - v tomto případě pod osou. Zapojení na obr. 5.4 se liší od předchozího na obr. 5.3 právě přepólováním diody. Změna ovšem platí i pro elektrolytický kondenzátor, který rovněž musíme zapojit s opačnou polaritou vývodů. Ostatní zůstává stejné jako v předchozím případě. Dvoucestné (dvojpulsní) usměrnění Nevýhody jednocestně usměrněného střídavého napětí jsou všeobecně známé, a tak častější využití nachází dvoucestný usměrňovač. Na obr. 5.5 je zapojení s můstkovým usměrňovačem. Nastavení přepínače časové základny i napěťového děliče zůstane beze změny, aby bylo možné porovnávat i drobné změny na průbězích. U svislého rozměru zobrazených průběhů zjistíme mírný pokles amplitudy, jakožto důsledek úbytku napětí na dvou diodách v sérii - typická vlastnost můstkového zapojení usměrňovače. Průběhem pulsů se dvoucestný usměrňovač zásadně liší od jednocestného a stejně tak i dalšími vlastnostmi. To si snadno ověříme při zachování stejného zatěžovacího odporu. Následně připojíme i kondenzátor, jaký sloužil v předchozích zapojeních. Obrazovka ukáže podstatně menší pokles okamžité hodnoty napětí mezi pulsy, a to při stejném zatížení a stejné filtrační kapacitě. Vrcholy amplitud přitom setrvávají na stálé úrovni, pokud je sekundární napětí dostatečně "tvrdé". Na první pohled vidíme, že zvlnění u dvojpulsního průběhu je nepochybně menší. Spočítáním zobrazených vrcholů dále zjišťujeme, že jejich počet je dvojnásobný, takže pokud se nepodaří dokonale vyhladit průběh napájecího napětí, ozývá se pod užitečným signálem slabý brum s kmitočtem nikoliv 50 Hz, nýbrž 100 Hz. 3
Dvojitá filtrace usměrněného napětí K vyzkoušení současné činnosti obou kanálů se nabízí zapojení na obr. 5.6. Vyhlazení tepavého průběhu usměrněného napětí má za úkol - kromě nárazového CI - následně připojený filtrační RC člen s kapacitou C2 = 100 µf a Rl = 30 až 40 Ω (odpor je vhodné podle potřeby upravit). Kvůli porovnání průběhů zvlnění v obou napěťových bodech přivedeme na vstup jednoho kanálu napětí přímo z katody diody, což v podstatě odpovídá jednocestnému usměrnění s nárazovým kondenzátorem. Druhý kanál připojíme k napěťovému bodu za zmiňovaným filtračním RC členem. Oba zemnící vodiče jsou připojeny k nulovému potenciálu, který představuje záporná polarita napětí. 4
Přepínač časové základny ponecháme v poloze 5 ms / díl, režim AUTO, přepínač MODE v poloze DUAL. Při činnosti obou kanálů není vhodné, aby zobrazování probíhalo společně na stejné vodorovné ose obrazovky, tj. v její střední části. Průběhy by byly "na sobě". Mnohem přehlednější bude, když jednomu kanálu vyhradíme horní polovinu obrazovky, druhému kanálu spodní polovinu. Posuv paprsku vertikálním směrem umožňuje u každého kanálu potenciometr, jehož přístrojový knoflík je označený svislými šipkami v obou směrech. Zmíněný vertikální posuv tedy dovolují oba kanály a je lhostejné ke kterému napěťovému bodu, který kanál připojíme. I u tohoto zapojení je zajímavé sledovat, jak se zobrazené průběhy mění s různou velikostí zatěžovacího odporu. Abychom mohli pohodlně posuzovat amplitudu průběhu, nastavíme předem pro každý kanál časovou osu, rozumí se bez signálu, přesně na některou vodorovnou přímku rastru. Pak můžeme snadno odečítat amplitudu pomocí počtu dílků. Nelze přehlédnout, že amplituda průběhu (maximální napětí) je v místě u diody větší než za RC filtrem - v důsledku napětí vznikajícího na 5
sériovém rezistoru. Naproti tomu kolísání (pokles) napětí za filtrem je výrazně menší - můžeme porovnat podle počtu dílků rastru. Požaduje se co nejmenší zvlnění, zcela zbavené jakýchkoliv ostřejších hran. Zajímá nás ovšem nejen křivka zvlněného průběhu, nýbrž i úroveň brumového napětí, tj. výsledná amplituda průběhu. Při sledování a hodnocení velikosti zvlnění tepavého usměrněného napětí, považujeme přítomnou stejnosměrnou složku napětí ve sledovaném signálu (v tomto případě sice ne příliš velkou, a proto nejdříve v režimu DC) za nežádoucí. Musili bychom ji kompenzovat prvkem pro vertikální posuv, obzvláště, kdybychom chtěli amplitudu průběhu na obrazovce zvětšit. Za této situace je náprava jednoduchá: Vstupní přepínač přepneme do režimu AC, čímž stejnosměrné napětí neprojde. Ostatně starší osciloskopy - kromě laboratorních - stejnosměrný režim DC většinou postrádají. V režimu AC můžeme nastavit přepínačem větší zesílení, přepnutím do polohy s nižším napěťovým údajem (řádově desetiny voltu). Při přepínání režimu AC - DC dochází k vertikálnímu posuvu obrazu, a proto nezbývá než nastavovacím prvkem polohu obrazu znovu "usadit". Je samozřejmé, že při porovnávání úrovně zvlnění, tj. amplitud obou průběhů, nastavíme u obou kanálů stejnou velikost zesílení. Na místě sériového rezistoru R1, ve filtračním obvodu, nalezneme v některých zdrojích tlumivku. Můžete si vyzkoušet, že úbytek napětí na tlumivce je minimální, což je výhodné zvláště u zdrojů, dodávajících velký proud. Pro odzkoušení můžeme místo tlumivky zapojit vinutí s větším počtem závitů, např. z transformátoru. Tlumivku však v praxi transformátorem nahradit nelze. Jádro tlumivky musí mít vzduchovou mezeru, aby nemohlo snadno dojít k přesycení jádra. Použitá literatura ŠROTÝŘ, M.: Elektrická měření I., 255s., SNTL Praha 1982 MALINA, V.: Poznáváme elektroniku VII. Osciloskopy, Kopp České Budějovice 2002 6