Virtuální a reálná elektronická měření: Virtuální realita nebo Reálná virtualita?

PEDAGOGICKÁ FAKULTA ZČU V PLZNI KATEDRA TECHNICKÉ VÝCHOVY Virtuální a reálná elektronická měření: Virtuální realita nebo Reálná virtualita? Pavel Benajtr 17. dubna 2010

Obsah 1 Úvod... 1 2 Reálná elektronická měření... 2 2.1 Měření s reálnými součástkami a přístroji: Základní měření na zesilovači... 2 2.1.1 Zadání úlohy... 2 2.1.2 Vypracování úlohy... 4 2.2 Měření s využitím RC Didactic Systems: Diodové usměrňovače... 9 2.2.1 Jednocestný usměrňovač funkce a převodní charakteristika... 9 2.2.2 Jednocestný usměrňovač filtrace výstupního napětí... 11 2.2.3 Dvoucestný usměrňovač funkce a převodní charakteristika... 12 2.2.4 Dvoucestný usměrňovač zobrazení funkce pomocí LED diod... 14 2.2.5 Přesný jednocestný diodový usměrňovač funkce a převodní charakteristika... 15 3 Virtuální elektronická měření... 18 3.1 Měření s využitím programu Multisim NI 10: Základní měření na zesilovači... 18 3.1.1 Zadání úlohy... 18 3.1.2 Vypracování úlohy... 19 3.2 Měření s využitím programu Multisim NI 10: Diodové usměrňovače... 23 3.2.1 Jednocestný usměrňovač funkce a převodní charakteristika... 23 3.2.2 Jednocestný usměrňovač filtrace výstupního napětí... 25 3.2.3 Dvoucestný usměrňovač funkce a převodní charakteristika... 27 3.2.4 Dvoucestný usměrňovač zobrazení funkce pomocí LED diod... 29 3.2.5 Přesný jednocestný diodový usměrňovač funkce a převodní charakteristika... 31 4 Celkové porovnání a vyhodnocení výsledků... 33 4.1 Základní měření na zesilovači... 33 4.2 Diodové usměrňovače... 33 5 Závěr... 34 Seznam obrázků... 35 Literatura a použité zdroje... 36

1 Úvod V součastné době se stále častěji můžeme setkat s virtuálními učebnicemi (e-book) určenými pro výuku tzv. elektronické výukové podpory. Vznikají také virtuální školy a univerzity, které doplňují nebo zcela nahrazují výuku vybraných oborů. Je velmi pravděpodobné, téměř jisté, že v tomto trendu se bude nadále pokračovat. Je však možné přenést i zcela odborné předměty, jako jsou elektronická měření, do virtuálního prostředí? Pokud by se jednalo pouze o teoretické nebo informaticky zaměřené předměty, lze říci, že je to možné. V případě praktické výuky by již nebylo snadné rozhodnout, zda daný odborný předmět lze ve virtuálním prostředí vyučovat. V této práci proto porovnáme vybrané úlohy z elektronických měření, které byly provedeny jak s reálnými součástkami a přístroji, tak v simulačním programu na počítači. 1

2 Reálná elektronická měření V těchto úlohách použijeme reálné součástky a přístroje, které lze nalézt v laboratoři, určené pro elektrotechnická měření. Do reálných měření můžeme také zahrnout RC Didactic Systems. Jedná se o stavebnici určenou především k výuce elektroniky. Jednotlivé součástky se umisťují do speciálně určených panelů, které se následně propojují pomocí vodičů. Stavebnice také komunikuje s počítačem, který s příslušným programem rozšiřuje možnosti měření a zpracování výsledků (např. jako osciloskop). 2.1 Měření s reálnými součástkami a přístroji: Základní měření na zesilovači Cílem této úlohy je seznámit se s použitím tranzistoru jako zesilovačem v zapojení SE (se společným emitorem). Sestavení obvodu provedeme na základě schématu uvedeného v zadání úlohy, kde je také stanoveno, jaké přístroje a součástky máme při tomto měření použít. K propojení jednotlivých prvků použijeme vodiče, které se běžně k těmto účelům používají. Následně vypracujeme měření podle zadaných úkolů. 2.1.1 Zadání úlohy Cíl: Seznámit se s použitím tranzistoru jako zesilovače v zapojení SE. Potřeby: tranzistor KC635, R c =1k, R 1 =10k, P 1 =250k - vše na panelu č.3, C 1 =2 F, C 2 =8 F, R Z =3,3k, RC generátor BK 124, zdroj BK 127, voltmetr DV 10, osciloskop OS-5020G, vodiče. Úvod: Tranzistor v zapojení se společným emitorem se využívá jako zesilovač v třídě A, tzn., pracovní bod leží přibližně uprostřed lineární části výstupní charakteristiky, tedy uprostřed statické zatěžovací přímky. Vstupní i výstupní napětí se souměrně pohybuje kolem nastaveného pracovního bodu. Pro toto zapojení je charakteristické: střední vstupní odpor, velký výstupní odpor, velké výkonové zesílení a obrácení fáze (mezi výstupním a vstupním signálem). Napěťové zesílení je dáno činitelem napěťového zesílení měření: 2

Napěťový zisk je dán výrazem: Schéma zapojení: Obrázek 1: Schéma zapojení - Základní měření na zesilovači Úkoly: 1) Proveďte základní zapojení obvodu (bez zatěžovacího odporu R Z a bez vstupního signálu). Napájecí napětí nastavte na 20V (měřeno na zdroji). Potenciometrem P 1 nastavte polohu pracovního bodu tranzistoru do středu statické zatěžovací přímky, tzn., aby kolektorové napětí bylo 10V (měřte voltmetrem V 1 ve stejnosměrném režimu). 2) Ověřte, že tranzistor pracuje jako zesilovač signálu. Na vstup (svorky AB) přiveďte signál z RC generátoru (f=1khz, U 1 =0,02V měřeno V 1 ve střídavém režimu). Zobrazte na osciloskopu vstupní i výstupní signál současně. Výsledek zakreslete a vysvětlete průběh signálů. Pomocí V 1 změřte výstupní napětí a vypočtěte činitele napěťového zesílení A u. 3) Pomocí voltmetru V 1 ověřte přesnost kalibrace vert. zesilovačů obou kanálů CH1 i CH2. Voltmetr V 1 ve střídavém režimu připojujte postupně na výstup i vstup tranzistoru. 4) Na výstup tranzistoru připojte zatěžovací odpor R Z a opět určete A u. Odpor nechte nadále připojený. 3

5) Připojte V 1 na vstup tranzistoru. Zvyšujte vstupní napětí až do hodnoty, kdy signál na výstupu začne být zkreslován. Pokud zkreslení nebude souměrné v obou polorovinách, proveďte změnu nastavení pracovního bodu tranzistoru. Změřte maximální hodnotu vstupního napětí (výstupní signál ještě není zkreslen) a opět určete A u. Porovnejte dosud vypočítané hodnoty A u. 6) Ověřte přesnost kalibrace časové základny. Na vstup tranzistoru přiveďte signál o přesné frekvenci 1 khz, vstupní napětí nastavte na 0,015 V. Na osciloskopu nastavte vhodnou frekvenci časové základny. Kalibraci proveďte pro jednotlivé kanály samostatně. Nastavte vertikální zesilovače CH1 20 mv/d a CH2 2 V/d. Přesnost časové základny ověřte ještě pro dvě další zvolené frekvence v rozsahu 1 khz až 10 khz. 7) Změřte závislost napěťového zisku a u (db) na frekvenci. Frekvenci měňte od 30Hz do 50 khz (10 hodnot v daném intervalu). U 1 nastavte a udržujte na 0,02V. Vyneste do grafu. Vstupní napětí měřte V 1, výstupní napětí osciloskopem (pozor na přepočet). Časovou základnu nastavujte od 2ms/cm do 100s/cm. Pozn.: Voltmetr DV 10 připojte k síti nejdříve a nechte stále zapnutý. 2.1.2 Vypracování úlohy Úkol 1 Pomocí potenciometru nastavujeme polohu pracovního bodu tranzistoru do středu statické zatěžovací přímky, dokud se na voltmetru V 1 nezobrazí napětí 10V. Úkol 2 Výpočet činitele napěťového zesílení A u Nastavená hodnota vstupního napětí: U 1 = 0,02V Naměřená hodnota výstupního napětí: U 2 = 5,35V 4

Vstupní a výstupní signál zobrazený na osciloskopu Zesilovač invertuje výstupní signál a dle výpočtu jej zesílí o hodnotu 267,5. Vstupní signál má podobu harmonického průběhu a výstupní signál je obrácený harmonický průběh s větší amplitudou, ale shodnou periodou. Což odpovídá funkci invertujícího zesilovače. Úkol 3 Hodnota zjištěná z obrazovky osciloskopu pro vstupní signál: U 1amp = 0,028V Hodnota zjištěná z obrazovky osciloskopu pro výstupní signál: U 2amp = 7,5V Výpočet okamžité hodnoty Při porovnání napětí U 1 a U 2 s hodnotami v úkolu 2, je zřejmé, že jsou tyto hodnoty přibližně shodné. Což vede k závěru, že kalibrace vertikálních zesilovačů obou kanálů je přesná. Případné odchylky v porovnání obou hodnot mohou být způsobeny chybou při čtení hodnot z obrazovky osciloskopu. Úkol 4 Hodnota výstupního napětí po připojení zatěžovacího odporu: U 2 = 4,12V. Výpočet činitele napěťového zesílení A u Po připojení zatěžovacího odporu se zesilovací účinek a výstupní napětí snížilo. Velikost výstupního napětí a zesílení by bylo proto možné měnit tímto odporem. 5

Úkol 5 Naměřené hodnoty po zkreslení výstupního signálu Vstupní napětí: U 1 = 0,04V Výstupní napětí: U 2 = 6,36V Výpočet činitele napěťového zesílení A u Při nastavení na hranici zkreslení výstupního signálu se zesilovací účinek a výstupní napětí snížilo na nejnižší hodnotu v porovnání s předchozím měřením v úkolech 2 a 4. Ačkoliv výstupní napětí vypadá na první pohled největší, je to způsobeno dvojnásobně velkým vstupním napětím. Proto při porovnání musíme výstupní napětí vydělit dvěma. Úkol 6 Tabulka naměřených a vypočtených hodnot f [khz] nastavené Citlivost [ms/dílek] Počet dílků f [khz] vypočtené 1 0,1 1 1 2 0,5 1 2 5 0,1 2 5 Výpočet frekvence f [khz] Vzhledem ke shodným hodnotám frekvence uvedených v tabulce, je zřejmé, že kalibrace časové základny je v pořádku. 6

Úkol 7 Tabulka naměřených a vypočtených hodnot f [Hz] 30 60 100 200 400 50k 10k U 1 [V] 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 U 2amp [V] 0,6 1,4 2,2 4 5,2 5,2 5,2 U 2 [V] 0,42 0,99 1,56 2,83 3,68 3,68 3,68 a u [db] 26,44 33,89 37,84 43,02 45,30 45,30 45,30 Výpočet okamžité hodnoty Výpočet napěťového zisku a u Graf závislosti napěťového zisku a u na frekvenci f 50 Závislost napěťového zisku a u [db] na frekvenci f [Hz] 45 40 a u [db] 35 30 25 20 20 520 1020 1520 2020 2520 3020 3520 4020 4520 f [Hz] Obrázek 2: Graf závislosti napěťového zisku a u na frekvenci f Z grafu lze odvodit závěr, že zesílení signálu bez zkreslení je nad hodnotou 400Hz. U nižších frekvencí by došlo ke zkreslení signálu. 7

Obrázek 3: Zapojení obvodu v laboratoři 8

2.2 Měření s využitím RC Didactic Systems: Diodové usměrňovače Cílem této úlohy je seznámit se s diodovými usměrňovači. Na rozdíl od předchozí úlohy provedeme měření pomocí RC Didactic Systems. Úloha diodové usměrňovače je již zadána od výrobce a jsou k ní dodané také potřebné prvky pro zapojení obvodů. Je zde ale také možnost některé obvody pozměnit nebo případně sestavit vlastní. Úloha se skládá z několika různých měření. Najdeme zde jednocestný diodový usměrňovač, dvoucestný diodový usměrňovač a přesný jednocestný diodový usměrňovač s operačním zesilovačem. Jednotlivé obvody sestavíme podle zadání a při dodržení uvedených postupů získáme výsledky, které lze porovnat se vzorovým řešením. 2.2.1 Jednocestný usměrňovač funkce a převodní charakteristika Zadání: V obvodu jednocestného diodového usměrňovače zobrazte programem SCOPE vstupní a výstupní napětí usměrňovače pro různé typy diod (Si a Shottky). V módu XY zobrazte převodní charakteristiky obou usměrňovačů. Schéma zapojení: IN A D IN B 1,8V 100Hz AC U 1 R 1k U 2 -IN A -IN B Obrázek 4: Schéma zapojení - Jednocestný usměrňovač Nastavení parametrů: Frekvence: 100Hz Amplituda: 1,8V Funkce: 9

Měření: Obrázek 5: Jednocestný diodový usměrňovač Pomocí programu SCOPE jsme zobrazili vstupní a výstupní napětí. Na výsledném grafu (vpravo) můžeme vidět činnost jednocestného diodového usměrňovače. Dioda usměrňuje pouze v kladné půlvlně. Také je patrný rozdíl mezi Shottkyho diodou (žlutá křivka, výstupní napětí) a univerzální křemíkovou diodou (modrá křivka, výstupní napětí). Vstupní napětí charakterizuje bíla křivka, která má harmonický průběh. Převodní charakteristiky obou usměrňovačů jsou zobrazena na druhém grafu (vlevo). 10

2.2.2 Jednocestný usměrňovač filtrace výstupního napětí Zadání: Zobrazte programem SCOPE průběhy výstupního napětí jednocestného usměrňovače s jednoduchým kondenzátorovým filtrem pro různé velikosti C. Schéma zapojení: IN A D IN B 4,5V 100Hz AC U 1 R C U 2 10k -IN A -IN B Obrázek 6: Schéma zapojení - Jednocestný usměrňovač s filtrem C Nastavení parametrů: Frekvence: 100Hz, Amplituda: 4,50V, Funkce: Měření: Obrázek 7: Jednocestný diodový usměrňovač s filtrem C 11

Pomocí programu SCOPE jsme zobrazili vstupní a výstupní napětí. Na výsledném grafu můžeme vidět činnost jednocestného diodového usměrňovače s použitím filtru C (kondenzátoru). Vstupní napětí charakterizuje bílá křivka, která má harmonický průběh. Žlutou barvou je označen průběh (výstupní napětí), kdy dioda usměrňuje pouze v kladné půlvlně a velikost filtru C je nulová (bez filtru). Po připojení kondenzátoru o velikosti 1µF již dochází k vyhlazování výstupního napětí. Tento průběh (výstupní napětí) je označen modrou barvou. Připojením kondenzátoru o velikosti 20µF dosáhneme mnohem většího vyhlazení, což lze pozorovat na křivce (výstupním napětí) označené zelenou barvou. Aby nedocházelo ke zvlnění výstupního napětí, je vhodné použít filtr. 2.2.3 Dvoucestný usměrňovač funkce a převodní charakteristika Zadání: V obvodu dvoucestného diodového usměrňovače zobrazte programem SCOPE vstupní a výstupní napětí usměrňovače. V módu XY zobrazte převodní charakteristiku dvoucestného diodového usměrňovače. Schéma zapojení: IN A D 1 D 4 4,5V 100Hz AC U IN B R 1k -IN B D 2 D 3 -IN A Obrázek 8: Schéma zapojení - Dvoucestný usměrňovač Nastavení parametrů: Frekvence: 100Hz Amplituda: 4,50V Funkce: 12

Měření: Obrázek 9: Dvoucestný diodový usměrňovač Pomocí programu SCOPE jsme zobrazili vstupní a výstupní napětí. Na výsledném grafu (vpravo) můžeme vidět činnost dvoucestného diodového usměrňovače. K usměrnění dochází v kladné i záporné půlvlně (modrá křivka, výstupní napětí), což je realizováno pomocí vhodného zapojení čtyř diod. Vstupní napětí charakterizuje žlutá křivka, která má tvar harmonického průběhu. Převodní charakteristika usměrňovače je zobrazena na druhém grafu (vlevo). 13

2.2.4 Dvoucestný usměrňovač zobrazení funkce pomocí LED diod Zadání: Diody LED zapojené v obvodu dvoucestného usměrňovače indikují svým svícením (jsou v propustném směru) průchod proudu jednotlivými větvemi usměrňovače. Schéma zapojení: D 1 D 4 6V 0,2Hz AC U R 1k D 1, D 3 zelená LED D 2, D 4 červená LED D 2 D 3 Obrázek 10: Schéma zapojení - Dvoucestný usměrňovač Nastavení parametrů: Frekvence: 0,2Hz, Amplituda: 6,00V, Funkce: Měření: 14 Obrázek 11: Dvoucestný diodový usměrňovač zapojený pomocí LED diod

Při průchodu proudu jednotlivými větvemi dvoucestného diodového usměrňovače, můžeme pozorovat rozsvícení vždy jednoho páru diod (zelených a červených) v určitém časovém intervalu. Rychlost změny indikace závisí na velikosti zvolené frekvence. Proto byla nastavena nízká frekvence 0,2Hz. 2.2.5 Přesný jednocestný diodový usměrňovač funkce a převodní charakteristika Zadání: V obvodu přesného jednocestného diodového usměrňovače zobrazte programem SCOPE vstupní a výstupní napětí usměrňovače. V módu XY zobrazte převodní charakteristiku přesného jednocestného diodového usměrňovače. Schéma zapojení: D IN A IN B 0,9V 100Hz AC U 1 R 51 U 2 Nastavení parametrů: Frekvence: 100Hz Amplituda: 0,90V Funkce: -IN A -IN B Obrázek 12: Schéma zapojení -Přesný jednocestný diodový usměrňovač 15

Měření: Obrázek 13: Přesný jednocestný diodový usměrňovač Pomocí programu SCOPE jsme zobrazili vstupní a výstupní napětí. Na výsledném grafu (vpravo) můžeme vidět činnost přesného jednocestného diodového usměrňovače. Vstupní napětí charakterizuje žlutá křivka, která má harmonický průběh. Dioda usměrňuje pouze v kladné půlvlně, což je patrné na modré křivce (výstupní napětí). Vzhledem k vhodnému zapojení s operačním zesilovačem, kopíruje výstupní napětí v kladné půlvlně vstupní signál. Převodní charakteristika usměrňovače je zobrazena na druhém grafu (vlevo). 16

Obrázek 14: Zapojení obvodu pomocí RC Didactic Systems 17

3 Virtuální elektronická měření 3.1 Měření s využitím programu Multisim NI 10: Základní měření na zesilovači Měření úlohy provedeme se stejným zadáním jako v případě reálného měření. Obvod zapojíme v simulačním programu Multisim NI 10, který nám na rozdíl od prvního měření umožňuje připojit více měřících přístrojů a zjednodušit měření s využitím přepínačů. 3.1.1 Zadání úlohy Jak již bylo uvedeno, zadání úlohy je shodné s předchozím měřením pomocí reálných součástek a přístrojů. V některých případech však není možné dodržet přesné zadání. Například tranzistor použitý v reálném měření není v simulačním programu Multisim NI 10 k dispozici, a proto byl nahrazen součástkou s obdobnými parametry. Schéma zapojení Multisim NI10: 5 XFG1 J3 Key = Q 9 C2 2µF R2 300kΩ Key=A 100% R1 10kΩ 1 2 R3 1kΩ 3 U4 BC639 C1 8µF 8 J1 Key = Q J2 Key = W 6 14 0 V1 24 V 0 10 U1 0.000 V AC 10MOhm - 0 7 R4 3.3kΩ U2 0.000 V DC 10MOhm - U3 0.000 V AC 10MOhm - 0 0 0 0 XSC1 Tektronix J4 P G 1 2 3 4 T J5 Key = Q 11 0 12 Key = Q Obrázek 15: Schéma zapojení - Základní měření na zesilovači 18

3.1.2 Vypracování úlohy Úkol 1 Pomocí potenciometru nastavujeme polohu pracovního bodu tranzistoru do středu statické zatěžovací přímky, dokud se na voltmetru V 1 nezobrazí napětí 10V. Úkol 2 Výpočet činitele napěťového zesílení A u Nastavená hodnota vstupního napětí: U 1 = 0,02V Naměřená hodnota výstupního napětí: U 2 = 7,848V Vstupní a výstupní signál zobrazený na osciloskopu Zesilovač invertuje výstupní signál a dle výpočtu jej zesílí o hodnotu 392,4. Vstupní signál má podobu harmonického průběhu a výstupní signál je obrácený harmonický průběh s větší amplitudou, ale shodnou periodou. Což odpovídá funkci invertujícího zesilovače. Úkol 3 Hodnota zjištěná z obrazovky osciloskopu pro vstupní signál: U 1amp = 0,0275V Hodnota zjištěná z obrazovky osciloskopu pro výstupní signál: U 2amp = 11V Výpočet okamžité hodnoty Při porovnání napětí U 1 a U 2 s hodnotami v úkolu 2 je zřejmé, že jsou tyto hodnoty přibližně shodné. Což vede k závěru, že kalibrace vertikálních zesilovačů obou kanálů je přesná. Případné odchylky v porovnání obou hodnot mohou být způsobeny chybou při čtení hodnot z obrazovky osciloskopu. 19

Úkol 4 Hodnota výstupního napětí po připojení zatěžovacího odporu: U 2 = 6,702V. Výpočet činitele napěťového zesílení A u Po připojení zatěžovacího odporu se zesilovací účinek a výstupní napětí snížilo. Velikost výstupního napětí a zesílení by bylo proto možné měnit tímto odporem. Úkol 5 Naměřené hodnoty po zkreslení výstupního signálu Vstupní napětí: U 1 = 0,04V Výstupní napětí: U 2 = 8,275V Výpočet činitele napěťového zesílení A u Při nastavení na hranici zkreslení výstupního signálu, se zesilovací účinek a výstupní napětí snížilo na nejnižší hodnotu v porovnání s předchozím měřením v úkolech 2 a 4. Ačkoliv výstupní napětí vypadá na první pohled největší, je to způsobeno dvojnásobně velkým vstupním napětím. Proto při porovnání musíme výstupní napětí vydělit dvěma. Úkol 6 Tabulka naměřených a vypočtených hodnot f [khz] nastavené Citlivost [ms/dílek] Počet dílků f [khz] vypočtené 1 0,5 2 1 5 0,1 2 5 10 0,05 2 10 Výpočet frekvence f [khz] 20 Vzhledem ke shodným hodnotám frekvence uvedených v tabulce, je zřejmé, že kalibrace časové základny je v pořádku.

Úkol 7 Tabulka naměřených a vypočtených hodnot f [Hz] 30 60 100 200 400 1400 50k 10k U 1 [V] 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 U 2amp [V] 0,92 1,835 3 5,35 8,25 9,5 9,5 9,5 U 2 [V] 0,65 1,3 2,12 3,78 5,84 6,72 6,72 6,72 a u [db] 30,24 36,24 40,51 45,54 49,3 50,52 50,52 50,52 Výpočet okamžité hodnoty Výpočet napěťového zisku a u Graf závislosti napěťového zisku a u na frekvenci f 55 Závislost napěťového zisku a u [db] na frekvenci f [Hz] 50 45 a u [db] 40 35 30 25 20 20 520 1020 1520 2020 2520 3020 3520 4020 4520 f [Hz] Obrázek 16: Graf závislosti napěťového zisku a u na frekvenci f Z grafu lze odvodit závěr, že zesílení signálu bez zkreslení je nad hodnotou 1400Hz. U nižších frekvencí by došlo ke zkreslení signálu. 21

Obrázek 17: Základní měření na zesilovači - Multisim NI 10 22

3.2 Měření s využitím programu Multisim NI 10: Diodové usměrňovače Měření úlohy provedeme se stejným zadáním jako v případě reálného měření. Úlohy zapojíme v simulačním programu Multisim NI 10. 3.2.1 Jednocestný usměrňovač funkce a převodní charakteristika Zadání: V obvodu jednocestného diodového usměrňovače zobrazte programem SCOPE vstupní a výstupní napětí usměrňovače pro různé typy diod (Si a Shottky). V módu XY zobrazte převodní charakteristiky obou usměrňovačů. Schéma zapojení Multisim NI10 pro Si a Shottkyho diodu: XSC2 XFG1 Tektronix P 1 2 3 4 T G D1 1N4148 R1 1kΩ 0 XSC1 0 2 XFG2 1 A _ B _ Ext Trig _ 4 D2 BAT85 R2 1kΩ 0 XSC3 Ext Trig _ A _ B _ 3 Obrázek 18: Schéma zapojení - Jednocestný usměrňovač Nastavení parametrů: Frekvence: 100Hz Amplituda: 1,8V Funkce: 23

Měření: Obrázek 19: Jednocestný diodový usměrňovač - Multisim NI 10 V simulačním programu jsme zobrazili vstupní a výstupní napětí pomocí osciloskopu Tektronix. Na displeji přístroje můžeme vidět činnost jednocestného diodového usměrňovače. Dioda usměrňuje pouze v kladné půlvlně. Také je patrný rozdíl mezi Shottkyho diodou (fialová křivka, výstupní napětí) a univerzální křemíkovou diodou (modrá křivka, výstupní napětí). Vstupní napětí charakterizuje žlutá křivka, která má harmonický průběh. Převodní charakteristiky obou usměrňovačů jsou zobrazena ve dvou samostatných grafech. 24

3.2.2 Jednocestný usměrňovač filtrace výstupního napětí Zadání: Zobrazte programem SCOPE průběhy výstupního napětí jednocestného usměrňovače s jednoduchým kondenzátorovým filtrem pro různé velikosti C. Schéma zapojení Multisim NI10 pro různé velikosti kondenzátoru C: XFG1 D1 6 1N4148 1 R1 10kΩ C1 0F 0 XFG2 XSC1 2 D2 1N4148 R2 10kΩ 3 C2 1µF Tektronix P 1 2 3 4 T G 0 0 XFG3 4 D3 1N4148 R3 10kΩ 5 C3 20µF 0 Nastavení parametrů: Frekvence: 100Hz Amplituda: 4,50V Funkce: Obrázek 20: Schéma zapojení - Jednocestný usměrňovač s filtrem C 25

Měření: Obrázek 21: Jednocestný diodový usměrňovač s filtrem C - Multisim NI 10 V simulačním programu jsme zobrazili vstupní a výstupní napětí pomocí osciloskopu Tektronix. Na displeji přístroje můžeme vidět činnost jednocestného diodového usměrňovače s použitím filtru C (kondenzátoru). Vstupní napětí charakterizuje žlutá křivka, která má harmonický průběh. Modrou barvou je označen průběh (výstupní napětí), kdy dioda usměrňuje pouze v kladné půlvlně a velikost filtru C je nulová (bez filtru). Připojením kondenzátoru o velikosti 1µF již dochází k vyhlazování výstupního napětí. Tento průběh (výstupní napětí) je označen fialovou barvou. S kondenzátorem o velikosti 20µF dosáhneme mnohem většího vyhlazení, což lze pozorovat na křivce (výstupní napětí) označené zelenou barvou. Aby nedocházelo ke zvlnění výstupního napětí, je vhodné použít filtr. 26

3.2.3 Dvoucestný usměrňovač funkce a převodní charakteristika Zadání: V obvodu dvoucestného diodového usměrňovače zobrazte programem SCOPE vstupní a výstupní napětí usměrňovače. V módu XY zobrazte převodní charakteristiku dvoucestného diodového usměrňovače. Schéma zapojení Multisim NI10: XFG1 1 3 XSC1 Ext Trig _ D1 1N4148 4 D4 1N4148 A _ B _ R1 XSC2 D2 1N4148 1kΩ D3 1N4148 A _ B _ Ext Trig _ 0 Obrázek 22: Schéma zapojení - Dvoucestný usměrňovač Nastavení parametrů: Frekvence: 100Hz Amplituda: 4,50V Funkce: 27

Měření: Obrázek 23: Dvoucestný diodový usměrňovač - Multisim NI 10 V simulačním programu jsme zobrazili vstupní a výstupní napětí pomocí osciloskopu. Na výsledném grafu (vlevo) můžeme vidět činnost dvoucestného diodového usměrňovače. K usměrnění dochází v kladné i záporné půlvlně (modrá křivka, výstupní napětí), což je realizováno pomocí vhodného zapojení čtyř diod. Vstupní napětí charakterizuje červená křivka, která má harmonický průběh. Převodní charakteristika usměrňovače je zobrazena na druhém grafu (vpravo). 28

3.2.4 Dvoucestný usměrňovač zobrazení funkce pomocí LED diod Zadání: Diody LED zapojené v obvodu dvoucestného usměrňovače indikují svým svícením (jsou v propustném směru) průchod proudu jednotlivými větvemi usměrňovače. Schéma zapojení Multisim NI10: XFG1 4 LED1 LED4 5 R1 1Ω 3 LED2 LED3 0 Obrázek 24: Schéma zapojení - Dvoucestný usměrňovač Nastavení parametrů: Frekvence: 0,2Hz Amplituda: 6,00V Funkce: 29

Měření: Obrázek 25: Dvoucestný diodový usměrňovač zapojený pomocí LED diod Při průchodu proudu jednotlivými větvemi dvoucestného diodového usměrňovače, můžeme pozorovat rozsvícení vždy jednoho páru diod (zelených a červených) v určitém časovém intervalu. Rychlost změny indikace závisí na velikosti zvolené frekvence. Proto byla nastavena nízká frekvence. 30

3.2.5 Přesný jednocestný diodový usměrňovač funkce a převodní charakteristika Zadání: V obvodu přesného jednocestného diodového usměrňovače zobrazte programem SCOPE vstupní a výstupní napětí usměrňovače. V módu XY zobrazte převodní charakteristiku jednocestného usměrňovače. Schéma zapojení Multisim NI10: XFG1 D1 1N4148 U1 3 1 A _ XSC1 Ext Trig _ B _ OPAMP_3T_VIRTUAL R1 51Ω 2 0 A _ XSC2 Ext Trig _ B _ Nastavení parametrů: Frekvence: 100Hz Amplituda: 0,90V Funkce: Obrázek 26: Schéma zapojení - Přesný jednocestný diodový usměrňovač 31

Měření: Obrázek 27: Přesný jednocestný diodový usměrňovač - Multisim NI 10 V simulačním programu jsme zobrazili vstupní a výstupní napětí pomocí osciloskopu. Na výsledném grafu (vlevo) můžeme vidět činnost přesného jednocestného diodového usměrňovače. Vstupní napětí charakterizuje červená křivka, která má harmonický průběh. Dioda usměrňuje pouze v kladné půlvlně, což je patrné na modré křivce (výstupní napětí). Vzhledem ke vhodnému zapojení s operačním zesilovačem, kopíruje křivka výstupního napětí v kladné půlvlně vstupní signál. Převodní charakteristika usměrňovače je zobrazena na druhém grafu (vpravo). 32

4 Celkové porovnání a vyhodnocení výsledků 4.1 Základní měření na zesilovači Při porovnání získaných hodnot reálného a virtuálního měření je zřejmé, že se hodnoty neshodují. Je pravděpodobné, že výsledné hodnoty při virtuálním měření ovlivnil výběr tranzistoru. V databázi součástek programu Multisim NI 10 se nenachází tranzistor KC635 a proto byl zvolen jiný, avšak s podobnými parametry. Pokud však porovnáme získané výsledky z hlediska funkce zesilovače lze říci, že jsou měření velmi podobná. Z tohoto pohledu by bylo možné uvažovat o nahrazení laboratorního měření virtuální obdobou. Virtuální měření má dále také výhodu nižších nároků na bezpečnostní předpisy. Proto je pravděpodobnost úrazu způsobená elektrickým proudem minimální. Také rychlost měření je oproti reálnému mnohem vyšší, to však závisí na znalostech v ovládání simulačního programu. Další výhodou u virtuálního měření je, že nedojde k trvalému poškození součástek nebo přístrojů při chybném zapojení obvodu. Nevýhodou však je, že praktická zkušenost s měřením je mnohem nižší a i přes velmi reálné chování součástek není možný fyzický kontakt se součástkami a přístroji. 4.2 Diodové usměrňovače Porovnáme-li získané výsledky ve formě grafů z obou měření, dojdeme k závěru, že se shodují. Zadání úlohy neklade velké nároky na provedení a vyhodnocení výsledků a proto by bylo možné nahradit měření zcela virtuální obdobou. Pokud však vezmeme v úvahu účel stavebnice a to, že je do jisté míry také virtuální, bylo by nahrazení simulačním programem složitější řešení. Simulační program klade mnohem větší nároky na znalosti z oboru elektrotechniky a vyžaduje také znalosti v jeho ovládání. Za výhodu bychom mohli považovat možnost měřit více obvodů současně. U stavebnice RC Didactic Systems je na rozdíl od simulačního programu omezeno množství úloh, které lze měřit, avšak pro pochopení základních principu elektroniky je mnohem vhodnější. 33

5 Závěr V předchozí kapitole jsme porovnali získané výsledky z reálných a virtuálních měření. První úloha (Základní měření na zesilovači), je určena pro laboratorní měření. Z pohledu provedení zapojení a vypracování úkolů je vhodná především pro výuku elektrotechniky. Naopak druhá úloha realizována pomocí stavebnice RC Didatic Systems (Diodové usměrňovače) je primárně určena pro pochopení principů a funkce jednotlivých elektronických obvodů. Z tohoto důvodu lze měření na této stavebnici zařadit do výuky pro odborné školy, ale zároveň je vhodné i pro školy, kde není výuka elektrotechniky jedním z hlavních oborů. Simulační program Multisim NI 10 je z hlediska simulace součástek a přístrojů na vysoké úrovni. Po porovnání získaných výsledků je možné nahradit reálná měření virtuálními. Přesto je program vhodný zejména pro odborné školy, kde lze využít jeho hlavní přednosti a realizovat mnohem složitější zapojení, která by nebyla při reálném měření v laboratoři možná, například z finančního hlediska. Pro ověření výsledků byla vybrána skupina studentů. Každý si vyzkoušel úlohy zadané v této práci. Při základním měření na zesilovači pomocí reálných součástek a přístrojů se studenti shodli, že měření je časově náročné a vyžaduje odbornější znalosti. Avšak měření stejné úlohy v simulačním programu se zdálo být náročné méně přesto, že bylo nejprve nutné seznámit se s ovládání programu. Zadání úlohy diodové usměrňovače pro stavebnici RC Didactic Systems studenty velmi zaujalo svou jednoduchostí. I když bylo měření v simulačním programu rychlejší než v případě stavebnice, studenti se shodli, že pro pochopení činnosti usměrňovacích obvodů byla stavebnice mnohem názornější a v simulačním programu chyběla praktická zkušenost s měřením. Na závěr jim byla položena otázka, zda by mohlo virtuální měření nahradit reálné. Ve většině případů byla odpověď jednoznačná. Některá obtížnější měření by studenti raději realizovali v simulačním programu. Na závěr lze říci, že je v mnoha případech možné zcela nahradit reálná laboratorní měření virtuálními. Je však nutné zvážit všechna hlediska, aby tato změna byla vhodná. 34

Seznam obrázků Obrázek 1: Schéma zapojení - Základní měření na zesilovači... 3 Obrázek 2: Graf závislosti napěťového zisku a u na frekvenci f... 7 Obrázek 3: Zapojení obvodu v laboratoři... 8 Obrázek 4: Schéma zapojení - Jednocestný usměrňovač... 9 Obrázek 5: Jednocestný diodový usměrňovač... 10 Obrázek 6: Schéma zapojení - Jednocestný usměrňovač s filtrem C... 11 Obrázek 7: Jednocestný diodový usměrňovač s filtrem C... 11 Obrázek 8: Schéma zapojení - Dvoucestný usměrňovač... 12 Obrázek 9: Dvoucestný diodový usměrňovač... 13 Obrázek 11: Dvoucestný diodový usměrňovač zapojený pomocí LED diod... 14 Obrázek 10: Schéma zapojení - Dvoucestný usměrňovač... 14 Obrázek 12: Schéma zapojení -Přesný jednocestný diodový usměrňovač... 15 Obrázek 13: Přesný jednocestný diodový usměrňovač... 16 Obrázek 14: Zapojení obvodu pomocí RC Didactic Systems... 17 Obrázek 15: Schéma zapojení - Základní měření na zesilovači... 18 Obrázek 16: Graf závislosti napěťového zisku a u na frekvenci f... 21 Obrázek 17: Základní měření na zesilovači - Multisim NI 10... 22 Obrázek 18: Schéma zapojení - Jednocestný usměrňovač... 23 Obrázek 19: Jednocestný diodový usměrňovač - Multisim NI 10... 24 Obrázek 20: Schéma zapojení - Jednocestný usměrňovač s filtrem C... 25 Obrázek 21: Jednocestný diodový usměrňovač s filtrem C - Multisim NI 10... 26 Obrázek 22: Schéma zapojení - Dvoucestný usměrňovač... 27 Obrázek 23: Dvoucestný diodový usměrňovač - Multisim NI 10... 28 Obrázek 24: Schéma zapojení - Dvoucestný usměrňovač... 29 Obrázek 25: Dvoucestný diodový usměrňovač zapojený pomocí LED diod... 30 Obrázek 26: Schéma zapojení - Přesný jednocestný diodový usměrňovač... 31 Obrázek 27: Přesný jednocestný diodový usměrňovač - Multisim NI 10... 32 35

Literatura a použité zdroje Zadání úlohy: KAT/ELTC, Základní měření na zesilovači Zadání úlohy: RC Didactic Systems, Diodové usměrňovače 36