Компьютерные электроизмерительные приборы.

Сборка электрических схем способом пайки.

Вольтамперные характеристики нелинейных проводников

 

Цель работы. Ознакомиться с принципом работы компьютерных (виртуальных) электроизмерительных приборов. Научиться соединять детали посредством пайки. Собрать предложенную схему и провести измерение вольтамперной характеристики лампы накаливания и полупроводникового диода. Познакомиться с обработкой экспериментальных результатов с помощью специализированных компьютерных программ.

 

 

Приборы и оборудование. Компьютер, виртуальный мультиметр, источник питания, электрическая лампочка, диод, монтажная плата, комплект проводов, паяльник, пинцет.

 

 

1. Компьютерные измерительные приборы

 

Компьютер, оснащенный интерфейсом, который позволяет преобразовывать электрические величины в цифровой код сам становиться измерительным прибором. Таким образом, дополнив компьютер специализированным устройством можно превратить его в вольтметр, амперметр, осциллограф, измеритель других физических величин.

Интерфейсные приборы, подключаемые к компьютеру, почему-то называются виртуальными измерительными приборами. Хотя название виртуальные приборы в данном случае не самое удачное. Поскольку сам по себе интерфейсный прибор вполне реально существует в виде электронного устройства. В отличие от по-настоящему виртуальных приборов, которые реализуются только в виде компьютерных программ симулирующих работу реальных приборов. Так же подобные устройства производители еще называют USB-приборами или компьютерными приборами. В дальнейшем будет использоваться последнее название

Существует два типа компьютерных приборов. Приборы первого типа представляют собой плату, которая вставляется в слот материнской платы компьютера. По формальным признакам компьютерный прибор первого типа весьма похож на звуковую или видео карту и точно также имеет на задней панели разъемы для подключения к внешним устройствам или измерительным цепям. Часто подобные устройства называются: плата-осциллограф, плата сбора данных, плата ввода-вывода аналоговой и цифровой информации и т.п.

Компьютерный приборы второго типа представляют собой выносные устройства, которые соединяются с компьютером через USB или RS-232 (СОМ) порт. Приборы данного типа более универсальны, так как могут быть подключены к любому компьютеру, например, к ноутбуку. Встречаются и иные варианты связи прибора с компьютером, например, такие как Bluetooth.

На панели компьютерного прибора обычно расположены только входные разъемы, а все управление прибором, в том числе установка режимов и переключение пределов осуществляется с помощью графической программы отображаемой на экране монитора. Поэтому обязательно на компьютере должны быть инсталлированы соответствующие пакеты программ и драйвера.

В данной лабораторной работе используется компьютерный мультиметр, который был разработан и изготовлен на кафедре ФТТ.

 

 

Принцип работы мультметра

Конструкция мультиметра основана на использовании возможностей специализированного микроконтроллера фирмы AVR типа ATmega8. Микроконтроллеры AVR кроме собственно 8-разрядного микрокомпьютера имеют в своем составе многоканальные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), таймеры и другие устройства. Компьютер использует до 130 команд. В микросхеме ATmega8 используется 10-разрядный АЦП с быстродействием 65 мкс. Причем имеется возможность реализовать одновременное измерение электрических сигналов по нескольким входам. Работа микроконтроллера осуществляется под управлением специальной программы, которая предварительна записывается в память микроконтроллера.

Блок-схема компьютерного мультиметра приведена на рис. 13.1, схематический внешний вид на рис. 13.2.

 

 

Рис. 13.1. Блок-схема компьютерного мультиметра.

1. Входной делитель вольтметра.

2. Входные шунты амперметра.

3. Входной усилитель гальванометра.

4. Встроенный звуковой генератор.

Кроме того обозначено: f – вход частотомера, ФГ- выход функционального генератора. АЦП – аналого-цифровой преобразователь, Р1… - порты ввода-вывода микроконтроллера.

 

Основные технические характеристики:

Пределы измерения напряжения: 25мВ, 250 мВ, 2,5 мВ, 250 В;

Пределы измерения тока: 0.25мА, 2.5 мА, 25 мА, 250 мА, 1 А;

Диапазон измерения температуры определяется используемой термопарой;

Погрешность: ~ 1% на всех диапазонах;

Диапазон рабочих частот НЧ генератора: 120 – 3000 Гц;

Интерфейс: RS-232 или USB;

Напряжение питания: + 5 В (стаб.), +12 В (не стаб.);

Габаритные размеры: 18.5х14.5х4 см.

Рис. 13.2. Передняя панель мультиметра.

 

На передней панели компьютерного мультиметра расположены гнезда под винтовой зажим (клеммы) слева – вход вольтметра, справа – вход амперметра. Здесь же находятся ручки переключения пределов вольтметра и амперметра. В отличие от промышленных виртуальных приборов в данном случае пределы переключаются в ручную, но установленный предел отображается на экране компьютера. Так же на экране компьютера отображается результат измерения.

Мультиметр позволяет измерять как постоянные, так и переменные токи. Переключение осуществляет тумблером на передней панели. К компьютеру мультиметр подключается через СОМ-порт.

После включения компьютера и загрузки Windows необходимо запустить программу виртуального мультиметра ASD. На верхней панели открыть список измерительных приборов и в меню выбрать нужный прибор. Здесь приняты международные стандарты. DC – обозначает постоянный ток. АС – переменный ток.

В открывшемся окошке отображается цифровой индикатор и диск с указанием включенного в данный момент предела измерений. До начала измерений и подачи питания на схему необходимо на панели мультиметра установить нужный предел измерения. В остальном, процедура измерения не отличается от работы с обычным цифровым прибором.

Компьютер предоставляет дополнительные возможности для обработки измерений. Данные измерений можно сразу записывать в виде текстового файла в Блокноте или в Word и сохранить на флешке для дальнейшей обработки. Запустив программу Excel или Origin можно непосредственно вводить данные в программу для построения графика или выполнения математической обработки результатов измерения.

В данной работе мультимер включается в режим измерения напряжений и токов. Изменяя напряжение на схеме, снимают зависимость тока в нелинейном элементе от приложенного напряжения. Полученные данные с помощью программ Excel или Origin представляют в виде графика.

С целью обучения студентов навыкам работы с паяльником часть измерительной схемы собирают в помощь пайки.

 

2. Сборка электрических схем способом пайки

 

2.1. Техника безопасности при работе с паяльником

Температура жала паяльника выше 200ºС, корпус нагрет выше 100ºС. Поэтому брать паяльник можно только за ручку, даже если вы думаете, что он холодный. Паяльник всегда должен находиться на специальной подставке. Провода от паяльника не должны находиться рядом с корпусом паяльника и тем более не должны касаться корпуса. Даже если вы думаете, что паяльник холодный. Поэтому следует на рабочем столе поддерживать порядок, а пальник на подставке расположить чуть в стороне от места монтажа.

При пайке на конце жала находится капелька расплавленного припоя. Поэтому нельзя размахивать паяльником, так как жидкий припой при резком движении может оторваться от жала и попасть на тело или одежду. Чтобы крупная капля припоя не сорвалась вам на ноги держать паяльник надо только над рабочим столом.

Не разрешается наклоняться близко к месту пайки. При неудачной пайке провода могут спружинить и отбросить капельку припоя в сторону и она может попасть в лицо.

 

2.2. Порядок работы с паяльником

Перед работой проверить подключение заземления корпуса паяльника. Жало паяльника должно быть зачищено от окалины и залужено оловом.

Включить паяльник в сеть и подождать примерно 5 минут пока паяльник нагреется. Степень готовности паяльника проверяют по его способности расплавлять припой и канифоль. Канифоль должна плавиться и только слегка дымить. Если канифоль сильно «горит» давая обильный белый дым, то паяльник перегревается. В таком случае у паяльника будет быстро окисляться жало, и он будет плохо паять. Нормально нагретый паяльник легко плавит припой.

При работе припаиваемый проводник прижимают к контакту, а другой рукой берут в руку паяльник. Жалом паяльника на секунду касаются канифоли. Затем жалом расплавляется край кусочка припоя. На жале собирается небольшая капелька расплавленного припоя. Снова на короткое время жалом касаются канифоли и плавно направляют жало паяльника к месту пайки. Прижимают жало к соединяемым проводникам и двигая паяльник по проводникам, переносят припой на соединяемые детали. Убедившись, что олово растеклось по месту пайки, отводят жало в сторону и, продолжая удерживать соединяемые проводники неподвижно две - три секунды ожидают, пока расплавленный припой затвердеет. После этого паяльник ставят на подставку.

Избегайте касания места пайки сразу после пайки – можно обжечь пальцы.

 

2.3. Техника пайки

Пайка это соединение металлических материалов путем нанесения на соединяемые детали расплавленного металла – припоя с последующем его застыванием. Температура плавления припоя находится ниже соответствующих температур плавления соединяемых металлов. Как правило, припой наносят вместе с флюсом для устранения окисной пленки, которая возникает при нагреве.

Припоем называется легкоплавкий металлический сплав, которым спаиваются провода и детали. Самый хороший припой - чистое олово. Температура плавления 270° С. При радиомонтаже обычно пользуются оловянно-свинцовыми припоями - сплав олова и свинца. Плавятся такие припои при температуре 180-200° С. Обозначаются они тремя буквами — ПОС (припой оловянно свинцовый), за которыми следует двузначная цифра, показывающая содержание олова в процентах. Например, ПОС-40, ПОС-60. Для радиомонтажных работ наиболее подходит припой ПОС-60.

Флюсы — это противоокислительные вещества. Они применяются для того, чтобы подготовленные к пайке места деталей или проводников не окислялись во время пайки. Без флюса припой может не прилипнуть к поверхности металла. В качестве флюса можно применять некоторые соединения содержащие кислоту. Для радиомонтажа надо применять флюсы, в которых нет кислоты. Одним из таких флюсов является канифоль - твердая смола природного происхождения.

При пайке в труднодоступных местах конструкции нередко пользуются жидкой канифолью - раствором канифоли в этиловом спирте. Такую канифоль наносят на спаиваемые поверхности тонкой кисточкой.

Пайка это своего рода искусство, которым можно овладеть, если немного потренироваться.

 

3. Изучение вольтамперных характеристик лампы

Вольтамперная характеристика - зависимость тока в неком элементе от приложенного к нему напряжения. Вольтамперная характеристика (ВАХ) данного элемента это график функции I = f (U). Для металлических проводников и электролитов сила тока прямо пропорциональна напряжению. Здесь, как правило, выполняется закон Ома. Поэтому вольтамперная характеристика такого проводника имеет вид прямой линии проходящей через начало координат. Или I = k·U, здесь k - тангенс угла наклона прямой. В данном случае k = Δ I /Δ U и он численно равен 1/ R. Здесь R – сопротивление элемента.

В ряде элементов вследствие разного рода физических процессов ток зависит от приложенного напряжения. ВАХ такого элемента уже не будет описываться прямой линией. Такие элементы называют нелинейными.

Для нелинейных элементов вводится понятие дифференциального сопротивления R = d U /d I. На практике дифференциальное сопротивление при заданном значении напряжения определяется по известной ВАХ элемента. Для этого на ВАХ выбирают относительно линейный участок, и вычисляют:

R = Δ U /Δ I. (13.1)

 

Одним из примеров нелинейных проводников является электрическая лампа. Для получения света в лампе накаливания используется эффект нагревания проводника (нити накаливания) при протекании электрического тока (тепловое действие тока). До включения в сеть нить лампы находится при комнатной температуре, её сопротивление относительно невелико. В первый момент после включения по нити протекает очень большой ток, который в три-пять раз больше рабочего тока лампы. Температурная зависимость сопротивления от температуры для чистых металлов дается выражением:

R_t = R₂₀ [ 1+a (t - 20°C)], (13.2)

где R₂₀ - сопротивление проводника при 20 °С, a - температурный коэффициент сопротивления вольфрама. Вследствие температурной зависимости сопротивления проводника за короткое время сопротивление нити увеличивается в десятки раз, что приводит уменьшению тока протекающего через лампу. При номинальном напряжении U сопротивление лампы можно определить из выражения:

R = U ²/ P,

где Р – мощность лампы. Либо необходимо независимо измерить номинальный ток и рассчитать R по закону Ома.

Если измерить сопротивление лампы при напряжении много меньшем чем номинальное напряжение, можно считать, что температура нити порядка комнатной. Из выражения (13.2), зная сопротивление нити лампы при комнатной температуре R ₂₀ и в разогретом состоянии R _t, можно оценить температуру нити лампы. Из (13.2) можно получить:

t = (R _t – R ₂₀ + 20·α · R ₂₀)/α· R ₂₀ (13.3)

Сильная зависимость сопротивления нити лампы от температуры приводит к тому, что в широком диапазоне напряжений закон Ома не выполняется. Поэтому ВАХ лампы отклоняется от прямой линии.

В данной работе изучается ВАХ индикаторной лампочки.

 

4. Полупроводниковый диод

 

Другим примером нелинейного элемента является полупроводниковый диод. Диод состоит из двух полупроводников с разными типами проводимости, которые соединены между собой. На границе соединения образуется так называемый p–n-переход, который и отвечает за нелинейные свойства диода.

В зависимости от того какие носители электрического заряда преобладают различают два типа полупроводников. У одних концентрация дырок намного превышает концентрацию электронов. Это полупроводники p-типа (p — positive — положительный). У других концентрация электронов намного превышает концентрацию дырок. Такие полупроводники называются n-типа (n — negative — отрицательный). Различие свойств достигается внедрением в структуру вещества специфических примесей. Даже ничтожные количества примесей весьма сильно увеличивают электропроводность полупроводников. Примеси, поставляющие электроны в зону проводимости, называются донорами. Примером донорной примеси могут служить атомы мышьяка, вводимые в кристаллическую решетку кремния. Полупроводники с донорной примесью называются полупроводниками п -типа.

Примеси другого типа, называемые акцепторными, вызывают появление дырок, то есть вакантных мест, возникающих в результате разрывов валентных связей. Оказывается, что в электрических и магнитных полях дырки движутся так же, как двигались бы положительно заряженные частицы с зарядом, равным по величине заряду электрона. Таким образом образуется дырочная проводимость, то есть проводимость р -типа, а полупроводники с такой проводимостью называются полупроводниками р -типа.

Сами по себе полупроводники n-типа или р-типа не имеют каких-либо особенностей, и при постоянной температуре для них выполняется закон Ома. В этом случае вольтамперная характеристика (ВХА) имеет вид прямой линии проходящей через начало координат (рис.1). Температурная зависимость сопротивления такого полупроводника изучалась в работе №6.

Граница соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой дырочную проводимость, называется электронно-дырочным переходом (р-п –переходом). Сопротивление р-п -перехода зависит от величины проходящего через него тока. Поэтому р-п -переход является нелинейным элементом. Идеализированная ВАХ р-п -перехода показана на рис. 13.3.

 

 

Рис. 13.3. Вольтамперная характеристика диода. Пунктиром условно показана ВАХ линейного сопротивления.

 

Кроме нелинейных свойств величина проходящего через р-п -переход сильно зависит от направления тока. Если ток идет в направлении от р к п -полупроводнику, то сопротивление перехода сравнительно мало; это направление называют пропускным или прямым. На рис. 1 эта часть ВАХ находиться в области положительных значений тока и напряжения.

При пропускании тока в направлении от п - к р -полупроводнику (обратное направление) сопротивление перехода возрастает в несколько тысяч раз по сравнению с его сопротивлением в пропускном направлении. Это значит, что р-п -переход фактически обладает односторонней проводимостью. На корпусе диода стрелкой указывают его пропускное направление.

Одностороння проводимость диода широко применяется для выпрямления переменного тока. На рис 13.4 показана работа диода в качестве выпрямителя. Положительные полупериоды переменного тока проходят через диод, так как его сопротивление в пропускном направлении мало и в нагрузке R _н протекает пульсирующий ток. Отрицательные полупериоды не проходят через диод. В этом случае ток в нагрузке равен нулю. Таким образом, после диода получается одно полярное напряжение. Если сгладить пульсации, то можно получить постоянное напряжение.

Рис. 13.4. Выпрямление переменного тока с помощью полупроводникового диода.

В данной работе экспериментально определяется зависимость силы тока, протекающего через полупроводниковый диод, от приложенного к диоду напряжения.

 

 

Задание 1

Сборка электрической схемы способом пайки

Принадлежности: монтажная плата, провода, радиодетали, паяльник, пинцет, нож, припой и канифоль.

Содержание задания. Собрать по предложенной схеме цепь для измерения вольтамперных характеристик.

 

Сборка схемы

Для измерения вольтамперной характеристики лампы собрать схему, приведенную на (рис. 13.5).

Рис. 13.5. Принципиальная схема для снятия ВАХ лампочки. 1 – переменное сопротивление в качестве потенциометра, 2 – индикаторная лампа.

 

Для сборки схемы предназначена специальная монтажная плата. На плате с одной стороны установлены клеммы для подключения источника питания, лампы и входов компьютерного мультиметра. С противоположной стороны платы установлены гнезда, которые можно использовать для подключения обычных измерительных приборов. Для регулировки напряжения в качестве потенциометра на плате установлено переменное сопротивление.

Согласно монтажной схеме (рис. 4) необходимо выполнить соединения методом пайки.

 

Рис. 13.6. Пример монтажа схемы для измерения вольтамперной характеристики лампы.

1. Компьютерный мультиметр. 2. Кабель. 3. Ограничивающий резистор. 4. Переменный резистор. 5. Монтажная плата.

 

 

Задание 2.

ИЗМЕРЕНИЕ ВОЛЬТАМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАМПЫ

1. Перед началом измерений установить на мультиметре пределы 25 В и 25 мА.

2. Включить компьютер. После загрузки Widows запустить программу виртуального мультиметра. Файл ADС (приложение) в папке ADС на рабочем столе. В меню «Приборы» и открыть панели DC-вольтметр и DC-амперметр.

3. Запустить программу Excel (Origin). Обе программы находятся на рабочем столе.

4. Включить питание.

5. На панели программы ADC нажать зеленый треугольник. Вращая ручку потенциометра на монтажной плате установить нулевое напряжение.

6. Изменяя напряжение переменным резистором от нуля до 4.5 В провести измерения тока лампы не менее чем при 10-15 различных напряжениях источника питания. Шаг изменения напряжения 0.2 - 0.3 В. Одновременно все получаемые значения показаний вольтметра и миллиамперметра записать в книге Excel в две колонки.

 

 

Задание 3.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЯ ВАХ ЛАМПЫ

 

1. В Excel построить график ВАХ лампы. «Мастер диаграмм». «Точеная диаграмма». «Готово».

2. Пользуясь инструментом «Линия» из набора панели рисования провести на графике прямую линию. Прямую линию приблизительно совместите с экспериментальным графиком. Сделайте выводы о выполнимости закона Ома для данного проводника.

3. В области малых значений напряжений выбрать приблизительно линейный участок и вычислить дифференциальное сопротивление (13.1). Для этого запрограммируйте вычисления в любой ячейке Excel.

4. Повторите подобные вычисления для участка в области максимальных напряжений.

5. По формуле 13.3 здесь же в Excel рассчитайте значение температуры нити лампочки. Температурный коэффициент удельного сопротивления вольфрама a = 0.0046 С^-1.

6. Все вычисления на странице Excel следует сопроводить пояснительными надписями. Файл с результатами расчета сохранить на флешке или на рабочем столе с указанием фамилии студента. Для отчета распечатать страницу.

 

Задание 4

ИЗМЕРЕНИЕ ВОЛЬТАМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ДИОДА

 

1. Воспользоваться схемой собранной в предыдущем опыте. Вместо лампы включить диод. Обратите внимание, чтобы ток через диод протекал в пропускном направлении. Направление тока текущего от плюса к минусу должно совпадать с направлением нарисованной на корпусе диода стрелки.

2. Учтя опыт работы с данной монтажной схемой выставить потенциометр на ноль. Включить питание. Провести измерения тока через диод не менее чем при 5 различных напряжениях источника питания, меняя напряжение переменным резистором от нуля до примерно 1 – 2 В с шагом примерно 0.2 В. Данные заносите в Excel на отдельную страницу.

3. Отключить питание. Поменять полярность включения диода. Теперь стрелка на корпусе должна быть направлена встречно направлению тока. Провести измерение тока во всем диапазоне напряжений до 5 В. Шаг изменения напряжения 0.5 В.

4. Построить график вольтамперной характеристики диода (см. рис. 1). Перед построением графика следует правильно проставить знаки перед значением U и I, а так же учесть порядок размещения в данных таблице, в начале отрицательные значения потом положительные значения.

5. Для линейного участка в области положительных напряжений вычислить дифференциальное сопротивление.

6. Вычислить дифференциальное сопротивление для области отрицательных напряжений.

7. Сравнить полученные результаты и сделать вывод о проводимости диода для прямого и обратного включения.

8. Все результаты оформить аналогично предыдущему случаю.

 

 

Отчет о работе должен содержать:

1. Краткое изложение теории.

2. Схема по которой собиралась опытная установка.

3. Графики вольтамперной характеристики лампы и диода.

4. Расчеты сопротивлений.

 

 

Контрольные вопросы

1. Принцип работы компьютерных приборов.

2. Что такое вольтамперная характеристика.

3. Линейные и нелинейные проводники.

4. Объясните принцип работы диода.

5. Почему диод можно использовать для выпрямления переменного тока.

 

Литература

1. Савельев И. В. Курс общей физики, T.5.−М.: Физматлит, 1998.

2. Киреев П.С. Физика полупроводников. – М.: Высшая школа, 1975.

 

[1] Ж. Био и Ф. Савар открыли этот закон в 1820 г., который был обобщен П. Лапласом.

[2] Э. Холл (амер. физ.) открыл этот эффект в 1879 г. в тонких пластинках золота.

[3] Гипотезу о том, что магнетизм связан с круговыми токами в веществе, высказал еще А. Ампер (фран. физ.) в 1820 г.

[4] Что такое диамагнетизм вещества?

[5] Диамагнетизм был открыт М. Фарадеем (анг. физ.) в 1845 г.

[6] Какие вещества называю парамагнетиками?

[7] Что такое намагниченность магнетика?

[8] Какая величина называется напряженностью магнитного поля?

[9] Первая кривая магнитной проницаемости получена А. Г. Столетовым 1874 г.

[10] Каков физический смысл коэрцитивной силы?

[11] Магнитный гистерезис был открыт почти одновременно нескольким учеными в 1880-1882 г.

[12] Экспериментальное доказательство существования ферромагнитных доменов получено Г. Баркзаузеном (нем. физ.) 1919 г.

[13] Теория доменного строения создана Я, И. Френкелем и Я. Г. Дорфманом в 1930 г. В 1934 к развитию этой теории приложили руку Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшиц (все сов. физики.).

[14] Что такое точка Кюри? П. Кюри (фран. физ.) открыл этот закон в 1895 г.

[15] М. Фарадей (анг. физ) открыл закон электромагнитной индукции в 1831 г.

[16] Э. Х. Ленц (рус. физ.) сформулировал это правило в 1833 г.

[17] Дж. Генри (амер. физ.) открыл явление самоиндукции в 1832 г.

[18] Подумайте для чего необходимо выполнение условия для величины сопротивления.

[19] Какая цепь называется колебательным контуром?

[20] Какой ток называется квазистационарным?

[21] Каким уравнением описываются процессы в контуре при R = 0?

[22] Каким уравнением описываются гармонические колебания?

[23] У. Томсон (анг. физ.) развил теорию колебаний в контуре в 1853 г.

[24] Что такое формула Томсона?

[25] Почему затухают колебания в реальном контуре?

[26] Каким уравнением описывается затухающие колебания?

[27] Что такое добротность контура?

[28] Что такое критическое сопротивление?

[29] Каковы причины затухания в реальном контуре? Будут ли затухать колебания в контуре из сверхпроводника?