JU MJEŠOVITA ELEKTROTEHNIČKA I DRVOPRERAĐIVAČKA SREDNJA ŠKOLA BIHAĆ
www.etsbi.edu.ba
Praktikum za drugi
razred elektrotehničara
Interna skripta
Igor Prša, ing. el.
Bihać, 2011.
Verzija: 2.0.1 – 2011/12
Copyright © 2006 - 2011 Igor Prša.
Nijedan dio ovog praktikuma ne smije se preslikavati niti umnažati na bilo koji način bez prethodnog
pismenog dopuštenja autora.
Praktikum je namijenjen internoj uporabi u JU Mješovita elektrotehnička i drvoprerađivačka srednja
škola Bihać.
Upozorenje:
Predavači i učenici moraju se uvijek osloniti na vlastito iskustvo i znanja u procjeni i uporabi bilo koje
informacije, metode, sheme, spojeva, ili pokusa opisanih u ovom praktikumu. Pri uporabi takvih
podataka ili metoda oni bi trebali biti svjesni svoje vlastite sigurnosti i sigurnosti drugih, uključujući i
druge osobe za koje su odgovorni.
Autor ne preuzima odgovornost u slučaju bilo kakve ozljede i/ili štete za osobe ili imovinu po osnovu
odgovornosti ili na neki drugi način, nastalih zbog uporabe podataka ili metoda sadržanih u ovom
praktikumu.
Predgovor
Praktikum za drugi razred elektrotehničara nastao je kao plod petogodišnjeg predavanja
predmeta Praktična nastava, sa osnovnim ciljem da se učenicima omogući pomoć u
savladavanju, razumijevanju i praktičnoj primjeni nastavnih sadržaja, uz razvijanje
kreativnosti u razmišljanju i radu.
Vježbe su usklađene sa aktualnim nastavnim planom i programom drugog razreda za
zanimanje Elektrotehničara računarske tehnike i automatike. Pored navedenog, vježbe su
urađene i osmišljene u skladu sa trenutnim materijalno-tehničkim mogućnostima škole.
Unutar sadržaja vježbi izvršene su ispravke nedostataka koji su uočeni u dosadašnjem radu.
Pojedine vježbe su dodatno proširene gradivom tako da se ovim praktikumom mogu koristiti i
učenici drugih zanimanja elektrotehničke škole.
U svakoj vježbi izloženo je dovoljno uvodnih teorijskih razmatranja, tako da učenici
mogu nesmetano pratiti nastavu, ako iz pojedinih stručnih predmeta u tom trenutku nisu
obrađivali navedenu cjelinu i gradivo. Vježbe obrađuju gradivo koje se obrađuje iz predmeta:
Osnove elektrotehnike 2 i Elektronika. U vježbama su sadržane i neke cjeline iz predmeta
Električna mjerenja.
Izvođenjem vježbi učenik postaje sposoban služiti se analognim i digitalnim
instrumentima (ampermetrima, voltmetrima, vatmetrima, digitalnim multimetrima itd.),
instrumentima sa dvodimenzionalnim prikazom mjerene veličine (katodni osciloskop),
primjenjivanju mjernih metoda u skladu sa potrebama i zahtjevima mjerene veličine,
samostalnoj obradi mjernih rezultata i izvođenju zaključka.
Vježbe su osmišljene tako da se prvi nastavni sat provede u pripremi, tj. sastavljanju
strujnih krugova po shemi spoja, ponavljanju i proširivanju teorijskih znanja. Drugi nastavni
sat je predviđen za realizaciju vježbe, odnosno odgovarajuća mjerenja i ispitivanja tako da
svaki učenik ima svoje podatke i da aktivno sudjeluje u izvođenju vježbi. U slučaju
nedostatka tehničkih sredstava za paralelno izvođenje vježbi, one se mogu izvoditi u
parovima, tako da jedan učenik vrši mjerenje a drugi bilježi rezultate. Treći nastavni sat
posvećen je obradi rezultata mjerenja, crtanju odgovarajućih dijagrama i izvođenju
zaključaka koje su učenici naučili obavljanjem vježbe.
Zadaci vježbi su računalno
(http://www.ni.com/multisim/).
simulirani
pomoću
programa
„NI
Multisim
10“
Iako je prilikom osmišljavanja i pisanja ovog praktikuma uložen veliki trud u provjeri
podataka i ispravljanju grešaka, sasvim je moguće da su se desili propusti. Dugujem
zahvalnost svima koji ukažu na takve propuste i daju svoje sugestije za unaprjeđenje
pojedinih vježbi i cijelog praktikuma.
Autor
Sadržaj
Sadržaj
Univerzalni mjerni instrument .............................................................................................................. 11
Analogni univerzalni mjerni instrument ................................................................................................ 11
Izbor ljestvice ..................................................................................................................................... 13
Mjerenje napona ............................................................................................................................... 14
Mjerenje struje .................................................................................................................................. 16
Mjerenje otpora ................................................................................................................................ 17
Digitalni univerzalni mjerni instrument................................................................................................. 19
Mjerenje napona ............................................................................................................................... 21
Mjerenje struje .................................................................................................................................. 22
Mjerenje otpora ................................................................................................................................ 23
Izmjenične veličine ................................................................................................................................ 25
Karakteristike izmjeničnih veličina .................................................................................................... 26
Djelatni otpor u krugu izmjenične struje ........................................................................................... 32
Osciloskop ............................................................................................................................................. 33
Princip rada analognog osciloskopa .................................................................................................. 34
Mjerenje amplitude ........................................................................................................................... 36
Mjerenje frekvencije ......................................................................................................................... 39
Mjerenje faznog pomaka................................................................................................................... 39
Kalibracija osciloskopa....................................................................................................................... 40
Primjeri mjerenja pomoću osciloskopa ............................................................................................. 41
Generator funkcija................................................................................................................................. 43
Zadatak vježbe ................................................................................................................................... 44
Naponsko djelilo .................................................................................................................................... 47
Neopterećeno naponsko djelilo ........................................................................................................ 47
Opterećeno naponsko djelilo ............................................................................................................ 48
Zadatak vježbe ................................................................................................................................... 50
Zavojnica (svitak) ................................................................................................................................... 53
Zavojnica (svitak) u krugu izmjenične struje ..................................................................................... 54
Mjerenje induktivnosti zavojnica U-I metodom ................................................................................ 55
Zadatak vježbe ................................................................................................................................... 56
Kondenzator .......................................................................................................................................... 57
7
8
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Kondenzator u krugu izmjenične struje ............................................................................................ 58
Mjerenje kapaciteta kondenzatora U-I metodom ............................................................................ 59
Zadatak vježbe ................................................................................................................................... 60
Serijski spoj otpornika, zavojnice i kondenzatora ................................................................................. 61
Zadatak vježbe ................................................................................................................................... 62
Paralelni spoj otpornika, zavojnice i kondenzatora .............................................................................. 65
Zadatak vježbe ................................................................................................................................... 66
Transformator ....................................................................................................................................... 69
Zadatak vježbe ................................................................................................................................... 70
Električna snaga..................................................................................................................................... 71
Elektrodinamički vatmetar ................................................................................................................ 72
Zadatak vježbe: .................................................................................................................................. 73
Označavanje poluvodičkih elemenata................................................................................................... 75
Europski sistem (Pro-elektron) .......................................................................................................... 75
Američki sistem (JEDEC - Join Electron Device Engineering Council) ................................................ 76
Japanski sistem (JEITA - JIS C7012) .................................................................................................... 76
Kućišta poluvodičkih elemenata........................................................................................................ 77
Primjer dokumentacije proizvođača za poluvodički element: .......................................................... 80
Zadatak vježbe ................................................................................................................................... 83
Poluvodičke diode ................................................................................................................................. 85
Testiranje ispravnosti i polarizacije dioda ......................................................................................... 88
Zadatak vježbe ................................................................................................................................... 89
Strujno-naponska karakteristika diode ................................................................................................. 91
Zadatak vježbe ................................................................................................................................... 91
Statički i dinamički otpor diode ......................................................................................................... 92
Direktna polarizacija diode ................................................................................................................ 93
Reverzna polarizacija diode ............................................................................................................... 94
Strujno-naponska karakteristika zener diode ....................................................................................... 95
Zadatak vježbe ................................................................................................................................... 95
Direktna polarizacija zener diode (BZX55C5V6) ................................................................................ 96
Reverzna polarizacija zener diode (BZX55C5V6) ............................................................................... 97
Direktna polarizacija zener diode (1N4461) ...................................................................................... 98
Reverzna polarizacija zener diode (1N4461) ..................................................................................... 99
Ispravljači ............................................................................................................................................. 101
www.etsbi.edu.ba
Sadržaj
Glađenje (filtracija) izlaznog napona ............................................................................................... 101
Valovitost......................................................................................................................................... 102
Poluvalni ispravljači ............................................................................................................................. 103
Zadatak vježbe ................................................................................................................................. 105
Punovalni ispravljači ............................................................................................................................ 107
Zadatak vježbe ................................................................................................................................. 109
Stabilizatori napona............................................................................................................................. 111
Referentni element ......................................................................................................................... 112
Stabilizator sa zener diodom ........................................................................................................... 113
Serijski tranzistorski stabilizator ...................................................................................................... 114
Integrirane izvedbe stabilizatora ..................................................................................................... 115
Stabilizatori stalnog napona sa tri izvoda ........................................................................................ 116
Integrirani stabilizatori podesivog napona s tri izvoda ................................................................... 116
Zadatak vježbe ................................................................................................................................. 117
Bipolarni tranzistori ............................................................................................................................. 121
Ispitivanje tranzistora ...................................................................................................................... 122
Provjera ispravnosti tranzistora sa ommetrom............................................................................... 124
Ispitivanje i određivanje elektroda tranzistora ............................................................................... 125
Zadatak vježbe ................................................................................................................................. 125
Strujno naponske karakteristike bipolarnih tranzistora ...................................................................... 127
Ulazne karakteristike tranzistora u spoju zajedničkog emitera ...................................................... 127
Prijenosne karakteristike u spoju zajedničkog emitera................................................................... 128
Izlazne karakteristike tranzistora u spoju zajedničkog emitera ...................................................... 130
Tvornički podaci............................................................................................................................... 131
Zadatak vježbe ................................................................................................................................. 132
Pojačalo u spoju zajedničkog emitera ................................................................................................. 137
Stabilizacija radne točke .................................................................................................................. 139
Amplitudno-frekvencijska karakteristika pojačala .......................................................................... 141
Zadatak vježbe ................................................................................................................................. 142
Literatura ............................................................................................................................................. 147
Igor Prša, ing. el.
9
Univerzalni mjerni instrument
Univerzalni mjerni instrument
Za servisiranje raznih električnih uređaja u kućanstvu, u radionici, ili za održavanje
električnih strojeva u proizvodnim pogonima potrebno je mjeriti struje, napone i otpore. Pošto
je nepraktično nositi više instrumenata napravljen je univerzalni mjerni instrument (naziva se
i multimetar). On je lako prenosiv, mehanički otporan i dovoljno točan za rad na terenu, a
njime se mogu mjeriti istosmjerni i izmjenični naponi i struje, i električni otpor. U prvom dijelu
biće obrađen analogni instrument (instrument sa kazaljkom) a zatim i digitalni instrument koji
rezultat ispisuje u obliku brojki na LCD pokazniku.
Analogni univerzalni mjerni instrument
U analogne univerzalne instrumente se ugrađuje mehanizam sa obrtnim svitkom.
Između polova stalnog magneta ugrađen je svitak na kome je učvršćena kazaljka.
Protjecanje struje kroz svitak stvara magnetno polje. Uzajamno djelovanje ovog magnetnog
polja i polja stalnog magneta dovodi do zakretanja kazaljke. Protivmoment stvaraju spiralne
opruge i po prestanku struje vraćaju kazaljku na nulu.
Slika 1.1. Instrument sa obrtnim svitkom.
Ovakvim analognim instrumentom mogu se mjeriti samo istosmjerne struje i naponi.
Kako bi instrument mogao da mjeri i izmjenične veličine u njega se ugrađuje ispravljač sa
dvije ili četiri diode koji izmjeničnu struju i napon pretvori u istosmjernu. Kada se mjere
izmjenične veličine instrument pokazuje efektivnu vrijednost struje i napona.
Prije nego što počnemo da koristimo analogni instrument i uvježbamo rad sa njime na
časovima praktične nastave, moramo upoznati neke važne pojmove.
Mjerni opseg (naziva se i domašaj) je najveća vrijednost mjerene veličine koju
instrument može izmjeriti. Mjerni opseg određujemo mi postavljanjem preklopnika u
odgovarajući položaj.
Konstanta instrumenta je broj koji se dobije kada se mjerni opseg podijeli sa brojem
podjeljaka na ljestvici u koju ćemo gledati.
Do rezultata mjerenja se dolazi tako što se broj podjeljaka koji očitamo pomnoži sa
konstantom.
Podjeljak na ljestvici je rastojanje između bilo koje dvije oznake na ljestvici.
NAPOMENA: Ovo je definicija iz knjige koja može dovesti do različitih tumačenja - koliko
zapravo ljestvica sa slike 1.1. ima podjeljaka? U ovom primjeru broj podjeljaka je četiri
(kazaljka pokazuje 3,2 podjeljaka), a crtice između napisanih brojeva samo olakšavaju
očitavanje rezultata. Ako međutim svaku označenu crticu shvatimo kao podjeljak onda je broj
podjeljaka 20, a kazaljka pokazuje 16 podjeljaka. Ovaj drugi način koji neki primjenjuju
komplicira stvari. Možemo se zapitati čemu služi napisana trojka i četvorka ako se mora
brojati 16 crtica?
Igor Prša, ing. el.
11
12
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Da bi imali točno očitavanje u kazaljku se mora gledati pod pravim kutom. U ovome nam
pomaže malo ogledalo (kazaljka i njen lik u ogledalu se poklope).
Kao primjer analognog univerzalnog instrumenta opisati ćemo instrument „Unimer 43“
proizvođača Iskra. Ovaj instrument ima više crnih i crvenih ljestvica. Crvene ljestvice se
koriste za mjerenje izmjeničnih struja i napona, a crne ljestvice su za istosmjerne veličine. Za
mjerenje otpora se koristi posebna crna ljestvica. Izgled ovog instrumenta je na slici 1.2.
Slika 1.2. Instrument „UNIMER 43“ - ISKRA Kranj.
Na instrumentu se nalazi više oznaka. Neke od njih su:
Instrument je napravljen za rad u vodoravnom položaju. Ako se postavi pod
kutom, ili se uspravi pokazivanje neće biti točno.
Ova oznaka se može naći na instrumentima koji su predviđeni za rad u
uspravnom položaju i koji se montiraju npr. na radne stolove.
Instrument sa ovakvom oznakom može da mjeri i istosmjerne i izmjenične
veličine.
Ovo je oznaka za klasu točnosti, odnosno maksimalnu procentualnu grešku
koju pravi instrument pri punom skretanju kazaljke. Najčešće klase točnosti su:
0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 5.
Instrument sa obrtnim kalemom i ugrađenim ispravljačem sa diodama.
Ispitni napon 3
www.etsbi.edu.ba
.
Univerzalni mjerni instrument
Izbor ljestvice
Kada imamo više ljestvica postavlja se pitanje - u koju gledati? U ovom primjeru vidjeti
ćemo da pravilan izbor ljestvice olakšava mjerenje a gledanje u pogrešnu ljestvicu ga
nepotrebno usložnjava.
Pošto broj očitanih podjeljaka na izabranoj ljestvici treba pomnožiti sa konstantom,
ljestvicu treba birati tako da konstanta bude broj lak za množenje - dakle da bude 0,1; 1; 10
ili 100. Lošim izborom ljestvice konstanta će biti dva, pet ili npr. 3,3.
Na slici 1.3. je prikazano pokazivanje instrumenta "Unimer 45" prilikom mjerenja
istosmjernog napona od 170 . Na slici 1.3a preklopnik je postavljen u položaj 600 =. To
znači da je mjerni opseg 600 , tj. pri punom skretanju kazaljke instrumenta napon je 600 ,
na polovini ljestvice je 300 itd. Naponi veći od 600 se ne mogu mjeriti.
Na ljestvici označenoj slovima V, A na kojoj se očitava napon i struja imamo dvije
ljestvice - gornju, koja ide od 0 do 6 podjeljaka, i donju od 0 do 30 podjeljaka. Ako je naš
izbor gornja ljestvica konstanta će biti:
=
= 100 /
.
Očitavamo 1,7 podjeljaka, = 1,7. Rezultat mjerenja je ∙ = 170 . Ako međutim
izaberemo donju ljestvicu konstanta će biti 600⁄30 = 20. Očitavamo 8,5 podjeljaka pa je
rezultat 20 ∙ 8,5 = 170 . Rezultat je isti, možemo dakle gledati i donju ljestvicu. Ipak, poslije
mjerenja će ostati dvojba jesmo li dobro procijenili 8,5 podjeljaka? Možda je ipak procjena
pogrešna, možda je točna procjena 8,4 ili 8,6 podjeljaka?
a)
b)
Slika 1.3. Primjeri očitavanja prilikom mjerenja.
Pošto je mjereni napon 170 to znači da možemo smanjiti mjerni opseg i prebaciti
preklopnik u položaj 300 . Dobijemo veće skretanje kazaljke i vjerojatno točnije mjerenje.
Dakle, na slici 1.3b mjerni opseg je 300 .
Naravno da ćemo gledati u donju ljestvicu sa 30 podjeljaka pa će konstanta biti:
=%
%
= 10 /
.
Očitavamo 17 podjeljaka, što pomnoženo sa konstantom 10 daje 170 .
Ako smo skloni kompliciranju stvari možemo izabrati i gornju ljestvicu sa 6 podjeljaka.
Tada konstanta neće biti 10, nego 300⁄6 = 50. Broj podjeljaka koji instrument pokazuje na
ovoj ljestvici je 3,4 pa da bi došli do rezultata treba pomnožiti 50 ∙ 3,4 = 170 .
Igor Prša, ing. el.
13
14
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Mjerenje napona
Instrument se pretvara u voltmetar tako što se veliki kružni preklopnik postavi na
područje označeno slovom V. Zavisno od toga mjerimo li istosmjerni ili izmjenični napon mali
preklopnik se postavi lijevo ili desno na odgovarajuću oznaku (= ili ~). Mjerenje se obavezno
počinje sa najvećeg mjernog opsega. Na taj način se sprječava uništenje instrumenta koje je
lako moguće ako se mjerenje počne na malom mjernom opsegu a napon bude veći od
očekivanog. U tom slučaju kazaljka naglo skreće, može da se iskrivi ili ispadne iz ležišta a u
opasnosti je svitak u okretnom sistemu. Osigurač (ako postoji) i zaštitne diode nisu uvijek
dovoljno sigurna zaštita.
Ako je skretanje kazaljke malo, ili se uopće ne primijeti, može se postepeno i vrlo
oprezno smanjivati mjerni opseg dok kazaljka ne skrene toliko da omogući normalno
očitavanje. Biramo ljestvicu u koju ćemo gledati, određujemo konstantu instrumenta i očitamo
skretanje kazaljke. Broj podjeljaka koji smo očitali množimo sa konstantom i dobijemo
mjereni napon. Na osnovu dobivenog rezultata vidimo može li se još smanjiti mjerni opseg.
Ako se mjeri istosmjerni napon točka većeg potencijala (ili npr. + pol baterije) mora se
dovesti na priključak +VAΩ. Ako se ovdje pogriješi kazaljka će skretati na pogrešnu stranu
(lijevo). Kada se mjeri izmjenični napon ne mora se voditi računa o priključcima, ispravljač u
instrumentu osigurava da kazaljka uvijek skreće udesno.
Voltmetar se vezuje paralelno elementu na kome mjerimo napon. Unutrašnji otpor
voltmetra je veoma veliki (u idealnom slučaju beskonačan) tako da kroz voltmetar praktično
ne protječe struja.
Primjer 1. Mjerenje napona baterije
Slika 1.4. Korak 1.
Mjerni opseg je postavljen na 500 i možemo primijetiti da je skretanje kazaljke malo.
Ako izaberemo ljestvicu sa pet podjeljaka konstanta je 100 ⁄
. Očitavamo nešto
više od 0,1 podjeljak ali teško je procijeniti je li to 0,11; 0,12 ili 0,13. Kada to pomnožimo sa
100 rezultat može biti između 11 i 13 , što zavisi od osobne procjene. Očigledno je da se
na ovom području ne može izvršiti točno mjerenje pa smanjujemo mjerni opseg.
www.etsbi.edu.ba
Univerzalni mjerni instrument
Slika 1.5. Korak 2.
Na mjernom opsegu 150 logično je gledati u crnu ljestvicu sa 15 podjeljaka da bi
rezultat očitavanja pomnožili sa konstantom 10. Očitavamo nešto više od 1,2 podjeljaka,
recimo da je procjena 1,25 što znači da je napon oko 12,5 .
PAŽNJA! Najčešća učenička greška je da ovdje očitaju 1,1 podjeljak - previdi se
činjenica da ovdje između jedinice i dvojke nema devet crtica nego samo četiri!
Naravno sljedeći logičan potez je novo smanjenje mjernog opsega. Sljedeći mjerni
opseg na instrumentu je 50 , veći je od mjerenog napona, što znači da bez bojazni
prebacujemo preklopnik na brojku 50.
Slika 1.6. Korak 3.
Na mjernom opsegu 50 izborom ljestvice sa pet podjeljaka konstanta je 50⁄5 = 10.
Sada već sa mnogo većom sigurnošću očitavamo 1,25 podjeljaka odnosno 12,5 .
Slika 1.7. Korak 4.
Igor Prša, ing. el.
15
16
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Na mjernom opsegu 15 na crnoj ljestvici od 0 do 15 podjeljaka praktično direktno
očitavamo napon. Na ovom području vidi se da je mjereni napon zapravo 12,6 . Ovo
mjerenje je očigledno i najtočnije, kao što se vidi uopće nije teško izvršiti dobre procjene sa
točnošću od 0,1 .
S obzirom da je sljedeći raspoloživi mjerni opseg 5 a mjereni napon je veći od njega,
smanjenje mjernog opsega na 5 ne dolazi u obzir!
Primjer 2: Mjerenje izmjeničnog napona
Priključni kablovi instrumenta su dobro izolirani tako da nema opasnosti od strujnog
udara ako ne dodirujemo metalne vrhove.
Napon u priključnici je izmjenični pa mali preklopnik mora biti prebačen ulijevo.
Primijetimo da je oznaka ~ crvena, što znači da se pri mjerenju izmjeničnih veličina koriste
crvene ljestvice a najveći mjerni opseg je 1000 . Na crvenoj ljestvici sa 10 podjeljaka
(konstanta je 100 ⁄
) očitavamo 2,2 podjeljaka, tj. 220 . Mjereni napon je manji
od sljedećeg mjernog opsega od 300 , pa ćemo za točniji rezultat prebaciti preklopnik na
položaj 300.
Na slici 1.8. vidimo da na ljestvici sa 30 podjeljaka (konstanta 10) kazaljka stoji na
dvadeset trećem podjeljku, što znači da je napon ustvari 230 . S obzirom da su dozvoljena
odstupanja napona gradske mreže do 10%, izmjereni napon je ispravan.
Kada se mjere izmjenične struje i naponi kazaljka će uvijek skretati u pravom smjeru bez
obzira gdje se stavi koja priključnica instrumenta, što je zasluga ispravljača u instrumentu.
Slika 1.8. Očitavanje vrijednosti prilikom mjerenja izmjeničnog napona.
Mjerenje struje
Ampermetar se u strujni krug vezuje serijski. Unutrašnji otpor ampermetra u idealnom
slučaju je jednak nuli a i u stvarnosti je vrlo mali.
Univerzalni instrument se pretvara u ampermetar postavljanjem velikog preklopnika na
područje označeno slovom A. Mjerenje se počinje obavezno na najvećem mjernom opsegu,
koji po potrebi veoma oprezno smanjujemo. Mali preklopnik se postavi na odgovarajuću
oznaku za vrstu struje koja se mjeri.
Ako se ukaže potreba za promjenom mjernog opsega prvo se struja mora prekinuti na
nekom prekidaču ili isključenjem napajanja, pa tek onda se preklopnik postavi u drugi položaj
i prekidač se ponovo uključi. Na ovaj način se sprječava da se prekida struja na kontaktima
preklopnika i da on bude oštećen uslijed varničenja.
U praksi će biti rijetke situacije kada će se koristiti ampermetar. Često je nepraktično
prekidati strujni krug i serijski u njega ubacivati instrument, jer je potrebno prekinuti postojeću
vezu. Ponekad se doslovno mora presjeći žica ili odlemiti element iz uređaja.
www.etsbi.edu.ba
Univerzalni mjerni instrument
Mjerenje otpora
Prije upotrebe analognog univerzalnog instrumenta za mjerenje otpora treba priključke
instrumenta kratko spojiti. Kazaljka mora skrenuti do kraja, odnosno mora pokazati nulu. Ako
nije došla do nule, ili je možda prešla preko nule udesno, njen položaj se podešava, tj.
postavi se na nulu okretanjem označenog promjenjivog otpornika. Ovo podešavanje mora da
se vrši povremeno zbog starenja i trošenja baterije u instrumentu.
Vrijednost mjerenog otpora se dobije kada se očitani broj podjeljaka pomnoži sa brojem
koji pokazuje veliki preklopnik.
Mjerenje otpora se ne mora početi sa najvećeg mjernog opsega. Veliki preklopnik se
postavi na više područja, a zadrži se u položaju na kome kazaljka stoji otprilike negdje
između 1/2 i 2/3 ljestvice jer je u tom dijelu očitavanje najtočnije. Ovo će se najbolje vidjeti u
konkretnom primjeru.
Slika 1.9. Priprema analognog univerzalnog instrumenta za mjerenje otpora.
Veliki broj mjerenja, možda i 90% su mjerenja otpora. Mjerenjem otpora grijača,
prekidača namotaja motora i transformatora, kao i nekih elektroničkih komponenti može se
doći do zaključka o ispravnosti dijelova uređaja bez priključivanja napona i bez opasnosti.
Veliki preklopnik treba prebaciti u jedno od područja označenih sa Ω a mali preklopnik
udesno.
Analognim instrumentima za mjerenje struje i napona nije potreban vlastit izvor
napajanja. Međutim, za mjerenje otpora baterija je neophodna. Većina instrumenata koristi
jednu ili dvije baterije od 1,5 . Instrument praktično kroz mjereni otpor (preko preklopnika i
priključnica) propušta struju iz baterije pa će kazaljka više skretati pri mjerenju manjih otpora.
Zbog toga su način mjerenja otpora i omska ljestvica drugačiji nego kada se mjeri struja i
napon.
Očitavanje vrijednosti otpora vrši se na posebnoj crnoj ljestvici. Ova ljestvica je drukčija
od ostalih jer je obrnuta, tj. nula se nalazi na desnoj strani a na lijevoj strani je ∞. Osim toga
razmak između podjeljaka nije isti, prvi podjeljci su dosta razmaknuti a zatim gledajući
nalijevo razmak je sve manji, da bi pri kraju bili toliko zbijeni da je točno očitavanje
nemoguće.
Igor Prša, ing. el.
17
18
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Primjer: Mjerenje otpora od 180Ω na različitim položajima preklopnika
Slika 1.10. Pokazivanje instrumenta za različite položaje preklopnika instrumenta.
Na slici 1.10a je položaj kazaljke pri mjerenju otpora 180Ω kada je preklopnik na
položaju X1. Točan broj podjeljaka je teško odrediti jer na malom rastojanju je čak 100
podjeljaka. Broj podjeljaka koji procijenimo (dakle, oko 180) množi se sa 1 pa je rezultat
mjerenja oko 180Ω.
Ako se preklopnik pomjeri u položaj X10 (slika 1.10b) kazaljka pokazuje 18 podjeljaka,
vidi se da ne postoji dvojba je li broj podjeljaka 17, 18, 19 ili možda 17,5. Ovih 18 podjeljaka
pomnoži se sa deset kao što pokazuje preklopnik, dakle rezultat je 180Ω.
Ako bi isti otpor pokušali izmjeriti na području X100 bio bi veliki problem procijeniti
pokazuje li kazaljka 1,7; 1,8 ili 1,9 podjeljaka. Na primjer ako procijenimo da je u pitanju 1,7
podjeljaka, kada se to pomnoži sa 100 pravi se greška od 10Ω iako procjena uopće nije bila
loša.
Na slici 1.10d se vidi da je mjerenje ovog otpora na području X1k praktično nemoguće.
Biće dobro ako uopće prijetimo da rezultat nije 0Ω, a kamoli očitati 0,18 podjeljaka koje
pokazuje kazaljka.
Moguća greška prilikom mjerenja otpora nastaje kada se rukama pridržava otpornik koji
se mjeri. Tako se paralelno mjerenom otporu dodaje otpor vlastitog tijela i rezultat je manji od
prave vrijednosti. Ovo je naročito izraženo na području X1k.
Greška je također moguća ako se mjeri vrijednost otpornika koji je zalemljen na tiskanu
pločicu (PCB). Utjecaj drugih elemenata vezanih paralelno tom otporu također smanjuje
rezultat mjerenja.
www.etsbi.edu.ba
Univerzalni mjerni instrument
Digitalni univerzalni mjerni instrument
Sve što je rečeno o analognim instrumentima u vezi načina priključenja u krug,
unutrašnjeg otpora i načina mjerenja (početak mjerenja sa najvećeg mjernog opsega) važi i
za digitalne instrumente.
Kod digitalnog instrumenta očitavanje mjerene veličine je mnogo lakše i točnije.
Vrijednost se direktno očita na LCD pokazniku, dakle nema dvojbe oko izbora ljestvice,
određivanja konstante instrumenta i množenja sa njom, i nema subjektivnih grešaka pri
očitavanju broja podjeljaka. Ako je mjerena veličina veća od mjernog opsega instrument će
to vjerojatno „preživjeti“ a grešku će signalizirati ispisivanjem cifre „1“ na prvom mjestu. Nije
osjetljiv ni na zamjenu priključaka „+“ i pokazati će točnu vrijednost uz ispisivanje minusa
ispred rezultata mjerenja.
Ipak, zbog načina indikacije ovaj instrument nije pogodan za praćenje promjene mjerene
veličine.
Slika 1.11. Digitalni mjerni instrument „VC150“ - Voltcraft.
Prije svake izmjene mjernog područja treba odstraniti mjerne vrhove od objekta na
kojem se vrši mjerenje.
Poseban oprez se preporučuje prilikom rada sa izmjeničnim naponom većim od 25 ili
sa istosmjernim naponom većim od 35 , jer može nastati električni udar opasan po život.
Provjerite prije svake upotrebe digitalni mjerni uređaj i mjerne kablove od oštećenja. Ni u
kome slučaju ne vršite mjerenje ako je zaštitna izolacija oštećena.
Da bi se izbjegao električni udar, obratite pažnju da za vrijeme mjerenja ne dirate
priključke za mjerenje odnosno mjerne točke direktno ili indirektno. Za vrijeme mjerenja ne
smije se hvatati preko označenog dijela na mjernim vrhovima.
Ne upotrebljavati digitalni mjerni instrument za vrijeme nevremena. Obratite pažnju da
su vaše ruke, obuća, odjeća, podloga, sklopovi i dijelovi sklopova obavezno suhi.
Ne uključujte nikada mjerni instrument kada ste ga prenijeli iz hladne u topliju prostoriju,
jer nastala vodena kondenzacija može da ga ošteti. Ostavite mjerni instrument isključen dok
se ne prilagodi sobnoj temperaturi.
Mjerne vrijednosti pokazuju se na digitalnom mjernom instrumentu u brojčanom
(digitalnom) obliku na LCD pokazniku. Pomoću rotacijskog preklopnika se mogu odabrati
pojedine mjerne funkcije. Kod modela VC150 izbor mjernog područja vrši se ručno.
Digitalni mjerni instrument VC150 se uključuje i isključuje pritiskom na dugme POWER.
Uvijek isključite uređaj za mjerenje ukoliko ga ne koristite.
Igor Prša, ing. el.
19
20
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Dugme HOLD vam omogućava da zadržite vrijednost mjerenja na LCD pokazniku.
Simbol „H“ se pojavljuje na LCD pokazniku. Ova funkcija olakšava očitavanje mjerene
vrijednosti. Ponovni pritisak na dugme vraća ponovno opciju mjerenja.
Tabela 1.1. Simboli na LCD pokazniku digitalnog mjernog instrumenta VC150.
OL ili 1
Overload = prekoračenje; mjerno područje je prekoračeno.
Baterija za napajanje mjernog instrumenta je ispražnjena,
što je moguće prije zamijeniti bateriju.
Mjerno područje za testiranje dioda.
Mjerno područje za mjerenje napona opasnih po život.
Mjerno područje za akustički test provodljivosti.
Mjerna područja za mjerenje izmjeničnih veličina.
Mjerna područja za mjerenje istosmjernih veličina.
mV
V
Volt (jedinica za električni napon).
A
Amper (jedinica za jačinu električne struje).
mA
Miliamper (10(% A).
µA
Mikroamper (10( A).
Ω
Ohm (jedinica za električni otpor).
kΩ
Kiloohm (10% Ω).
MΩ
H
www.etsbi.edu.ba
Milivolt (10(% ).
Megaohm (10 Ω).
Aktivna je HOLD funkcija.
Univerzalni mjerni instrument
Mjerenje napona
NAPOMENA: Prije mjerenja napona, uvijek provjerite da se ne nalazite u mjernom
području za mjerenje struje. Kada se na LCD pokazniku pojavi „1“ ili „OL“ (overload =
prekoračenje), tada ste prekoračili mjerno područje. Odaberite naredno veće mjerno
područje.
Slika 1.12. Raspored crnog i crvenog mjernog vodiča kod mjerenja napona.
Za mjerenje istosmjernog napona (DC) postupite prema sljedećem:
-
-
Uključite digitalni mjerni instrument i odaberite mjerno područje V
.
Priključite mjerne vodiče u odgovarajuće mjerne utičnice kao što je prikazano na
slici.
Priključite mjerne vrhove na objekt za mjerenje (baterija, sklop itd.). Crveni mjerni
vrh odgovara plus polu, a crni mjerni vrh odgovara minus polu.
Pripadajući polaritet mjerne vrijednosti biti će prikazan na LCD pokazniku zajedno
sa trenutnom mjernom vrijednosti. Kada se pri mjerenju istosmjernog napona na
ekranu ispred mjerne vrijednosti pojavi znak „-“, tada je izmjereni napon negativan
(ili su mjerni kablovi zamijenjeni).
Kada ste završili mjerenje, odvojite mjerne vodove od objekta za mjerenje i
isključite digitalni mjerni instrument.
Za mjerenje izmjeničnog napona (AC) postupite prema sljedećem:
-
Uključite digitalni mjerni instrument i odaberite mjerno područje V
. Na
pokazniku se pojavljuje simbol „AC“.
Povežite (spojite) dva mjerna vrha sa objektom za mjerenje (generator, sklop itd.).
Mjerna vrijednost će biti pokazana na LCD pokazniku.
Kada ste završili mjerenje, odvojite mjerne vodove od objekta za mjerenje i
isključite digitalni mjerni instrument.
Igor Prša, ing. el.
21
22
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Mjerenje struje
NAPOMENA: Maksimalno dozvoljeni napon u strujnom krugu ne smije da prelazi 250 V.
Mjerenja struja većih od 5 A smiju se izvoditi samo u trajanju od maksimalno 10 sekundi i sa
pauzom između mjerenja u trajanju od 15 minuta. Sva strujna mjerna područja su osigurana i
time zaštićena od preopterećenja.
a) struje do 200 mA
b) struje do 10 A
Slika 1.13. Raspored crnog i crvenog mjernog vodiča kod mjerenja struje.
Za mjerenje istosmjerne struje (DC) postupite prema sljedećem:
-
-
-
-
Priključite crveni mjerni vodič u 10A - mjernu utičnicu (kod struje veće od 200*+)
odnosno u mA - mjernu utičnicu (kod struje manje od 200*+). Crni mjerni vodič
priključite na COM - mjernu utičnicu.
Odaberite željeno mjerno područje. Po mogućnosti, počnite mjerenje uvijek sa
najvećim mjernim opsegom, zato što će kod prekoračenja reagirati zaštitni
osigurač.
Priključite u seriju sa mjernim objektom oba mjerna vrha (baterija, sklop itd.).
Pripadajući polaritet mjerne vrijednosti, biti će prikazan na LCD pokazniku zajedno
sa trenutnom mjernom vrijednosti. Kada se pri mjerenju istosmjerne struje na
ekranu ispred mjerne vrijednosti pojavi znak „-“, struja protječe u suprotnom
smjeru (ili su mjerni kablovi zamijenjeni).
Kada ste završili mjerenje, odstranite mjerne vodove od objekta za mjerenje i
isključite digitalni mjerni instrument.
Pažnja! Nikada ne mjerite u 10A području struje preko 10 A odnosno u mA/µA
području struje preko 200 mA, zato što će tada reagirati osigurač u mjernom
instrumentu.
www.etsbi.edu.ba
Univerzalni mjerni instrument
Mjerenje otpora
NAPOMENA: Uvjerite se da su svi dijelovi kruga, prekidači i komponente i drugi objekti
za mjerenje u krugu odvojeni od izvora napona i ispražnjeni.
Slika 1.14. Raspored crnog i crvenog mjernog vodiča kod mjerenja otpora.
Za mjerenje električnog otpora postupite prema sljedećem:
-
-
-
-
Uključite digitalni mjerni instrument i odaberite mjerno područje „Ω“.
Priključite mjerne vodiče na mjerne utičnice instrumenta kao što je vidljivo na slici.
Provjerite neprekidnost mjernih vodiča tako što ćete spojiti mjerne vrhove jedan
sa drugim. Nakon toga na LCD pokazniku će biti prikazan otpor od približno 0,5Ω
(vlastiti otpor mjernih vodiča).
Povežite mjerne vrhove sa mjernim objektom. Ako mjerni objekt nema otpornost
veću od 20,Ω ili nije u prekidu, mjerna vrijednost će biti prikazana na LCD
pokazniku. Sačekajte dok se mjerna vrijednost ne stabilizira. Kod otpora većeg od
1,Ω, ovo može da potraje nekoliko sekundi.
Kada se na LCD pokazniku pojavi „1“ ili „OL“ (Overload = prekoračenje), tada ste
prekoračili mjerno područje, odnosno, mjerni krug je u prekidu. U tom slučaju
odaberite veće mjerno područje.
Kada ste završili mjerenje, odstranite mjerne vodove od objekta za mjerenje i
isključite digitalni mjerni instrument.
Kada vršite mjerenje otpora, pazite da su mjerne točke koje dirate mjernim vrhovima
slobodne od prljavštine, ulja, laka ili slično, jer njihova prisutnost može da dovede do
pogreške u mjerenju.
Igor Prša, ing. el.
23
Izmjenična struja
Izmjenične veličine
Izmjenična struja je svaka struja koja u toku vremena mijenja svoj intenzitet (jačinu)
(ja
i
smjer. Izmjenične struje se dijele na periodične
periodi
i ne periodične struje. Nas posebno zanimaju
periodične struje
ruje koje se dijele na proste (sinusne) i složene (ne sinusne)
sinusne) struje.
Prostom izmjeničnom ili sinusnom strujom se naziva ona struja čije se promjene, po
intenzitetu i smjeru, periodično
periodično ponavljaju u jednakim vremenskim intervalima. Njen
vremenski oblik dat je na slici 1.15.
1.15
Slika 1.15.
1.1 Vremenski oblik izmjenične sinusne struje.
Izmjenična struja nastaje kao posljedica oscilatornog kretanja električnih
elektri
električ
naboja duž
vodiča. Pri tome se količina
čina elektriciteta koja protječe kroz poprečni
čni presjek vodiča mijenja u
toku vremena. Zbog toga se mora uzeti u obzir veličina
veli ina struje u svakom trenutku. Trenutna
vrijednost struje se označava
čava malim slovom -.
Dakle, kod izmjenične
čne sinusne struje nema „strujanja“ elektrona, jer oni ne struje
s
od
jednog pola izvora do drugog (kao kod istosmjerne struje),
struje), nego oni osciliraju
oscil
oko svog
središnjeg položaja.
u obrtnih strojeva koje se
Izmjenična struja se, u elektroenergetici, proizvodi pomoću
nazivaju generatori. U svim obrtnim generatorima električna
elek na energija se proizvodi na principu
pojave induciranja napona u navoju koji se okreće.
okre
U njima se mehanička
čka energija pretvara u
električnu.
U općem slučaju vodič se u magnetnom polju kreće
kre
pod nekim kutom u odnosu na
njegove silnice. Pri tome se brzina
brzin kretanja vodiča rastavlja na vodoravnu
odoravnu i okomitu
komponentu (slika 1.16).
Slika 1.16.
1.1 Brzina kretanja vodiča u magnetnom polju.
Pod djelovanjem
lovanjem vodoravne komponente ./ , vodič klizi duž magnetnih silnica i ne
presijeca ih. Zato se u vodiču
vodič inducira napon uzrokovan okomitom komponentom brzine
kretanja, koja uzrokuje da vodič presijeca magnetni tok (fluks).
Promatrajmo sada vodič koji se okreće
e u homogenom magnetnom polju dat na slici
1.17.
Igor Prša, ing. el.
25
26
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Slika 1.17
7. Okretanje vodiča u homogenom magnetnom polju.
Inducirani napon je, u općem
opć
slučaju, određen formulom:
0 = 1 ∙ ∙ . ∙ 2-34
Inducirani napon u vodiču,
vodič
koji se obrće
e konstantnom brzinom u homogenom
magnetnom polju, mijenja se po veličini
veli
i smjeru proporcionalno sinusu kuta zakretanja, pa
se može grafički predstaviti u obliku sinusoide.
sinusoide
Za vrijeme jednog punog obrtaja, kut a se ravnomjerno mijenja od 0° do 360°. Pri tome
nastaju i promjene induciranog napona u vodiču.
Slika 1.18
8. Induciranje napona i struje u vodiču koji se okreće
okreć
u homogenom magnetnom polju.
U vodiču koji se okreće
će
e stalnom brzinom u homogenom magnetnom polju, inducira se
napon čija
ija se promjena veličine
ine i smjera ponavlja istim redom poslije svakog punog okreta.
Tako dobiveni napon
on naziva se izmjenični napon. Ako zatvorimo krajeve
ve vodiča u krugu će
poteći struja čija se veličina
čina i smjer periodično
periodi no mijenjaju. Takva struja se naziva izmjenična
struja.
Karakteristike izmjeničnih veličina
veli
Period
Period je dio vremena koje je potrebno da se izvrši jedna potpuna promjena izmjenične
veličine po jačini i smjeru. Period se označava
ozna
sa 5, a mjeri se u sekundama 627.
Izmjenična veličina
ina za vrijeme jednog perioda dva puta promijeni svoj smjer. Dakle,
promjena izmjenične veličine
čine
ine u jednom smjeru traje polovinu perioda, a za vrijeme druge
polovine
ine perioda smjer je suprotan.
suprotan
Promjena induciranog napona zavisi od brzine kojom se navojak obrće
obr u magnetnom
obrć
polju. Uzmimo, na primjer, da je brzina obrtanja navojka 50 puta u jednoj
jednoj sekundi. To znači
da se u toku jedne sekunde desi 50 promjena intenziteta i smjera izmjenične
izmjeni
veličine,
odnosno, u jednoj sekundi se pojavi 50 perioda. S obzirom na to da 50 perioda traje jednu
sekundu, vrijeme trajanja jednog perioda dobijemo kao:
1
0,02627
50
Vremena trajanja svakog perioda su međusobno
me usobno jednaka ukoliko je brzina obrtanja
navojka
vojka konstantna (nepromjenjiva).
(nepromjenjiva)
5
www.etsbi.edu.ba
Izmjenična struja
Maksimalna
imalna vrijednost (amplituda)
(amplituda
To je najveća
a vrijednost koju postiže izmjenična veličina. U toku jednog perioda,
izmjenična veličina
ina dva puta postiže maksimalnu vrijednost: jednom
jed
u pozitivnom, a drugi put
u negativnom smjeru. Maksimalne vrijednosti se označavaju
ozna
velikim slovom i indeksom „m“
(maksimum). Maksimalna vrijednost
vrij
struje se označava sa :9 , a maksimalna
ksimalna vrijednost
napona sa 89 .
Maksimalna vrijednost induciranog napona se računa
ra
po formuli:
89 = 1 ∙ ∙ .
Frekvencija (učestalost)
Frekvencija je
e broj perioda u jednoj sekundi.
sekundi Frekvencija se označava
čava sa „=“.
„
Jedinica
za mjerenje
jerenje frekvencije je Herc 6;<7.
Između frekvencije i perioda vlada slijedeći
slijede odnos:
=
>
?
ili 5
>
@
Iz ovoga možemo izvesti jedinicu za frekvenciju kao: ;<
1 ⁄2
Veće jedinice
nice od herca su: kiloherc 6 ;<7, megaherc 6,;<7,, gigaherc 6C;<7.
Početna faza
Početna faza je fazni kut koji odgovara početnom trenutku vremena.
Do sada smo kao početak
četak mjerenja vremena ((A 0)) uzimali trenutak kada je trenutna
vrijednost induciranog napona u navojku jednaka nuli
nuli. To, međutim,
đutim, nije pravilo, ve
već
predstavlja poseban slučaj.
Pretpostavimo da je početak
četak promatranja izmjenične veličine
ine negdje izme
između položaja 1 i
položaja 2, na slici 1.18. Za takav položaj vodiča početna
etna faza je pomjerena za kut 0 u
odnosu na koordinatni početak,
četak, a inducirani napon 0 ima određenu pozitivnu vrijednost
(slika 1.19a).
a)
b)
Slika 1.19. Početna
Poč
faza izmjenične veličine: a) pozitivna, b) negativna.
negativna
Sa slike uočavamo
avamo da je dijagram izmjenične veličine
ine pomjeren ulijevo u odnosu na
koordinatni početak
etak za određ
određeni kut B (teta). Dakle, početna
etna faza je pozitivna kada je
dijagram promatrane veličine
čine pomjeren ulijevo u odnosu na koordinatni početak.
poč
Pretpostavimo sada da je početak
po
promatranja izmjenične veličine negdje između
izme
položaja 1 i položaja 4, na slici 1.18. Na slici 1.19b. uočavamo da je dijagram promatrane
veličine
ine pomjeren udesno u odnosu na koordinatni po
početak, a početna
četna faza je negativna.
Dakle, početna
etna faza je negativna kada je dijagram promatrane veličine
čine pomjeren udesno u
odnosu na koordinatni početak
četak.
Iz svega navedenog
og možemo zaključiti
zak
da za početno vrijeme (AA 0), promatrana
izmjenična veličina
ina može imati bilo koju od svojih trenutnih vrijednosti u toku jednog perioda.
Igor Prša, ing. el.
27
28
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Kružna frekvencija
Osim u stupnjevima ( ° ) električni kut se može predstaviti i tzv.
v. lučnom
luč
mjerom ili
radijanima. Radi lakšeg razumijevanja mjerenja kuta radijanima promatrajmo kružnicu na
slici 1.20. Polumjer ovakve kružnice jednak je jedinici
jedin (F 1) i ona
na se naziva jedinična
jedini
kružnica. S obzirom da je polumjer jednak jedinici, obim kružnice (2FE) predstavlja puni luk.
luk
Dakle,
le, obim ovakve kružnice iznosi:
odnosno 360°
2EFF
2FE
2∙1∙E
2EF
- 3 rad iz čega slijedi:
- 3 ,
1 radijan = 57° 17' 44,8".
Jedan radijan odgovara kutu čiji je kružni luk jednak polumjeru
u kružnice.
kružnice
Slika 1.20. Jedinična kružnica.
Pretpostavimo da se jedinični
jedini
polumjer obrće oko točke „0“ i da je brzina obrtanja
konstantna. Za jedan puni obrtaj, koji odgovara geometrijskom kutu 360°
360
2EF - 3 ,
potrebno je vrijeme 5 koje odgovara vremenu od jednog perioda. Pri istim uvjetima polumjer
će opisati luk koji odgovara kutu 4 za proporcionalno kraće vrijeme A.
A Proporcionalnost
opisanog luka i vremena potrebnog da se on opiše, matematički
matemati ki se može izraziti kao:
2E: 5
4: A ili
HI
?
J
K
Količnik 4 ⁄A se naziva kutna
kut
(ugaona) brzina,, a ona se u elektrotehnici naziva kružna
frekvencija, odnosno:
Pošto je 5
L
1⁄= imamo: L
2E=.
2E
5
4 F
M
N
A
2
Nakon što smo se upoznali sa osnovnim karakteristikama izmjeničnih
izmjenič
veličina, sada
možemo napisati osnovne matematičke
matemati
jednadžbe za trenutne vrijednosti induciranog
napona, odnosno struje:
0
-
89 ∙ 2-3LA
:9 ∙ 2-3LA
89 ∙ 2-32E=A,
:9 ∙ 2-32E=A.
Srednja vrijednost
Pošto je kod sinusne
ne struje površina pozitivnog
pozitivnog poluperioda jednaka površini negativnog
poluperioda, srednja matematička
matematička vrijednost struje, za ma koji broj cijelih perioda, jednaka je
nuli.
Međutim, za električne
čne potroša
potrošače čiji
iji je rad ovisan od smjera struje potrebno je
prethodno izvršiti ispravljanje
avljanje izmjenične u istosmjernu struju. S obzirom da se ispravljanjem
izmjenične struje uspostavlja samo jedan smjer, srednja
srednja vrijednost struje :O se određuje za
interval između
u dvije nulte vrijednosti. Na slici 1.21.. je predstavljena pozitivna poluperioda
poluper
izmjenične struje.
www.etsbi.edu.ba
Izmjenična struja
Slika 1.21. Srednja
ednja vrijednost izmjenične
i
sinusne
ne struje za polovinu perioda.
Površina omeđena
ena krivuljom struje i vvremenskom
remenskom osom, u intervalu 5⁄2, predstavlja
odgovarajuću količinu
inu elektriciteta P.
Ovu površinu možemo transformirati u ekvivalentnu površinu pravokutnika
pravo
čija je
osnovica 5⁄2, a visina 0,637
637 ∙ :9 . Ova visina predstavlja srednju vrijednost
rijednost sinusne
sinus
struje
(koja fizikalno ne postoji),, a njena vrijednost u odnosu na maksimalnu vrijednost iznosi:
:QR
H
I
∙ :9
0,637 ∙ :9 .
Srednja, matematička,
ka, vrijednost izmjenične
izmjeni ne struje je brojno jednaka istosmjernoj struji,
konstantne jačine,
ine, pri kojoj bi za vrijeme polovine perioda ((5⁄2) kroz krug protekla ista
količina elektriciteta (P)) kao i pri promatranoj izmjeničnoj struji.
Analogno je srednja vrijednost izmjeničnog napona:
8QR
H
I
∙ 89
0,637 ∙ 89 .
Efektivna vrijednost
Efektivno djelovanje izmjenične
izmjeni
struje izražava se usporedbom sa efektivnim
djelovanjem istosmjerne struje, odgovarajuće
odgovaraju jačine. Dakle, efektivna vrijednost
rijednost izmjenične
izmjeni
struje brojno je jednaka istosmjernoj struji konstantne jačine
ja ine koja u strujnom krugu razvija
istu količinu
inu toplote kao i promatrana izmjenična
izmjeni
struja.
Radi određivanja brojčane
čane zavisnosti efektivne vrijednosti izmjenične
čne struje, potrebno je
izračunati količine
ine toplote koje razvijaju istosmjerna i izmjenična struja. Količina
Količ
toplote koju
razvija istosmjerna struja : na otporniku S za vrijeme 5 određuje
đuje se prema Jouleovom
(Džulovom) zakonu kao:
P
:H ∙ S ∙ 5
Da bismo odredili količinu
činu toplote
t
koju razvija izmjenična struja promatrajmo dijagram na
slici 1.22.
Slika 1.22.. Dijagram trenutnih vrijednosti kvadrata izmjenične
izmjeni ne struje.
Sa slike je vidljivo da dijagram kvadrata izmjenične struje ima stalno pozitivnu vrijednost,
a pošto je snaga funkcija kvadrata struje, znači
zna i da snaga ima stalan smjer.
Igor Prša, ing. el.
29
30
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Toplota proizvedena izmjeničnom
izmjeni
strujom na otporniku S za vrijeme 5 jednaka je
površini ograničenoj
enoj vremenskom osom A (u intervalu 5) i krivom koja predstavlja kvadrat
izmjenične struje. Ova površina jednaka je površini pravokutnika
pravo
čija je osnovica 5, a visina
H⁄
:9 2.
je:
Dakle, količina
ina toplote koju razvija izmjenična struja na otporniku S za vrijeme 5 jednaka
H
:9
∙S∙5
2
Ako izjednačimo
imo izraze za koli
količinu toplote istosmjerne i izmjenične struje dobivamo:
dobi
P≅
:H ∙ S ∙ 5
Nakon sređivanja izraza,, slijedi:
:H
W
UV
H
H
:9
∙S∙5
2
odnosno :
@
UV
√H
0,707 ∙ :9
Dakle, efektivna vrijednost izmjenične
izmjeni
struje je za √2 puta manja od njene maksimalne
vrijednosti.
Analogno
logno je efektivna vrijednost izmjeničnog napona:
8
@
89
√2
0,707 ∙ 89
U praksi se uvijek koriste efektivne vrijednosti izmjenične struje i napona. U svim
slučajevima
ajevima kada se navode vrijednosti struje i na
napona, podrazumijeva
jeva se da se radi o
efektivnim vrijednostima. Najveći
Najve broj mjernih instrumenata se umjerava (baždari)
(
u
efektivnim
m vrijednostima struje i napona.
napona
Fazni odnosi
Pri proučavanju fizikalnih procesa u kolima izmjenične struje možemo uočiti
uo
da
izmjenične veličine
ine jednake frekvencije prolaze u isto ili različito
različito vrijeme kroz svoje
karakteristične vrijednostiti (nulte i maksimalne).
maksimalne)
Fazna jednakost
Za dvije ili više izmjeničnih veličina
veli ina koje se mijenjaju po istom sinusnom zakonu, sa
istom frekvencijom i koje istovremeno prolaze kroz svoje nulte i maksimalne vrijednosti,
poklapajućii se po smjeru, kažemo da imaju jednake faze, odn
odnosno
osno kažemo da se nalaze u
fazi.
Slika 1.23. Dijagram dviju struja jednakih faza.
www.etsbi.edu.ba
Izmjenična struja
Dakle, dvije izmjenične
čne struje,
struje koje se nalaze u fazi, imat će početne
četne fazne kutove, kao i
kutove koji određuju
uju trenutni položaj u svako
svakom
m trenutku, jednake vrijednosti.
vrijednosti Matematički
izrazi za trenutne vrijednosti ovih struja su:
-->
-HH
:>9 ∙ 2-3YLA Z B> [
:H9 ∙ 2-3YLA Z BH [
gdje su: B> i BH - početni
četni fazni kutovi,
:>9 ∙ 2-34>
:H9 ∙ 2-34H
YLA Z BH [ - fazni kutovi (u radijanima).
4> = YLA Z B> [ i 4H = YLA
Razlika početnih
etnih faznih ugl
uglova naziva se fazni pomak (\), odnosno:
Uvjet fazne jednakosti je \
\
BH ] B>
0 odnosno B>
BH .
Fazna razlika
Za dvije ili više izmjeničnih veličina
veli ina koje se mijenjaju po istom sinusnom zakonu, sa
istom frekvencijom, poklapajući
poklapajuć se po smjeru, ali koje ne prolaze istovremeno kroz svoje
nulte i maksimalne vrijednosti, kažemo da između
izme njih postoji fazna razlika, odnosno
odnos kažemo
da su fazno pomjerene.
Dakle, veličine
ine koje su fazno pomjerene, a imaju jednaku frekvenciju, zadržavaju isti
međusobni položaj u toku cijelog procesa promjena.
promjena
Slika 1.24. Dijagram dvaju napona različitih faza.
Dva izmjenična napona,, koji se ne nalaze u fazi, imat će početne
četne fazne kutove, kao i
kutove koji određuju
uju trenutni položaj
polož u svakom trenutku, različite. Matematički
Matemati
izrazi za
trenutne vrijednosti ovih napona su:
8>9 ∙ 2-3YLA Z B> [
0>
8H9 ∙ 2-3YLA Z BH [
0H
gdje su: B> i BH - početni
četni fazni kutovi
Sa slike je vidljivo da je B
B>
0 i BH
\
E⁄2, pa je fazni pomak:
BH ] B>
E ⁄2 ] 0
E⁄2.
Dakle, kao zaključak može se reći da napon 0> fazno zaostaje za naponom 0H za kut
E⁄2, odnosno, može se također
đer reći da napon 0H fazno prednjači naponu 0> za kut E⁄2.
Na osnovu ovoga možemo izvesti i slijedeću
slijede u definiciju faznog pomaka:
Vremenski interval koji prođe
prođ od trenutka u kojem je jedna veličina
čina imala karakterističnu
karakteristi
vrijednost, do trenutka u kojem druga veličina
veli
postigne istu
stu takvu vrijednost naziva se fazni
pomak. Za veličinu čije
ije karakteristi
karakteristične
ne vrijednosti nastupaju ranije od odgovaraju
odgovarajućih
vrijednosti druge veličine,
ine, kaže se da fazno prednja
prednjači, a za drugu veličinu
činu da fazno zaostaje.
Igor Prša, ing. el.
31
32
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Fazni pomak postoji ne samo između
izme istovrsnih veličina većć i između
đu razli
različitih veličina,
na primjer, između
u napona i struje ili struje i napona samoindukcije itd.
Djelatni otpor u krugu izmjenične
izmjeni
struje
Otpornost u krugu izmjenične
izmjenič struje se naziva djelatna (aktivna, omska)
omska otpornost. Ona
je u kolima izmjenične struja veća
veća nego u kolima istosmjerne struje zbog povećanih
pove
gubitaka
koji nastaju
taju uslijed površinskog efekta i histereze. Ovo uvećanje
anje se u praksi obično
obi
može
zanemariti. U krugu izmjenične
izmjenič
struje sa čisto djelatnim otporom, napon
napo i jačina struje
mijenjaju se po istom zakonu i istovremeno prolaze
prolaze kroz svoje karakteristične
karakteristič točke. Dakle,
napon i struja se u kolima sa čisto
č
aktivnom otpornosti nalaze u fazi.
Slika 1.25.. Vremenski oblici struje i napona za krug sa djelatnim otporom.
Ako kroz otpor S teče
če sinusna struja - = :9 ∙ 2-3LA,, onda na otporu vlada napon:
S∙-
0^^
S ∙ :9 ∙ 2-3LA
89 ∙ 2-3LA
Vidimo da za maksimalne vrijednosti
vrije
struje i napona vrijedi Ohmov zakon, odnosno:
89
:9 ∙ S tj. :9
:9
89
_V
^
Također,
er, možemo pokazati da i za efektivne vrijednosti struje i napona vrijedi Ohmov
zakon:
:
www.etsbi.edu.ba
@
√2
√2 ∙ S
89 1
∙
√2 S
8@
S
Osciloskop
Osciloskop
Ovaj elektronički mjerni uređaj služi za brzi dvodimenzionalni prikaz signala. Osciloskop
se najčešće koristi za prikaz vremenske ovisnosti nekog mjernog signala ` = =YA[, gdje se
vodoravna (X-os) podrazumijeva kao vremenska os. Alternativno se osciloskop može koristiti
za prikaz funkcijske ovisnosti dva signala (takozvani X-Y način rada), gdje se na Y-os
osciloskopa dovodi jedan od mjernih signala, dok se na X-os dovodi signal u čijoj funkciji
želimo promatrati signal doveden na Y-os.
Osciloskop se sastoji od katodne cijevi s grijanom katodom (negativnom elektrodom)
kao izvorom snopa elektrona, pojačala mjernog signala (pojačalo za okomitu os), pojačala za
vodoravni otklon (vodoravnu os) i generatora pilastog napona (vremenske baze),
fluorescentnog zaslona katodne cijevi i raznog dodatnog sklopovlja.
Slika 1.26. Katodna cijev analognog osciloskopa.
Katodna cijev sadrži skup anoda za ubrzavanje elektrona u smjeru zaslona i fokusiranje
tako dobivenog elektronskog snopa (tzv. „elektronski top“), te dva para otklonskih pločica, od
kojih je jedan postavljen vodoravno, a drugi okomito. Princip rada osciloskopa je sljedeći:
•
Ukoliko na vodoravno postavljeni par pločica (Y-os) primijenimo napon različit
od nule, uslijed djelovanja elektrostatske sile snop elektrona će se otkloniti u
okomitom smjeru u odnosu na os katodne cijevi.
•
Napon doveden na okomito postavljeni par pločica (X-os) uzrokovati će
otklanjanje snopa elektrona u vodoravnom smjeru.
Dolaskom brzih elektrona na fluorescentni zaslon katodne cijevi dolazi do pretvorbe
njihove kinetičke energije u svjetlost čime je omogućen prikaz signala. Napon s vremenske
baze (pilasti napon) dovodi se na odgovarajuće pojačalo na čijem se izlazu nalaze otklonske
pločice za X-os. Linearni porast napona pilastog signala omogućuje da se snop elektrona
prethodno otklonjen otklonskim pločicama Y-osi pomiče po ekranu proporcionalno s
proteklim vremenom. Kao rezultat toga dobije se prikaz u realnom vremenu mjerenog signala
dovedenog na pojačalo Y-osi.
Za stabilan prikaz vremenske ovisnosti signala dovedenog na Y-os potrebno je podesiti
okidanje, odnosno iznos i vremensku derivaciju signala kod kojih se signal počinje prikazivati
na zaslonu (tzv. trigger LEVEL and SLOPE), tako da iscrtavanje signala uvijek počinje u istoj
točki signala (što je vrlo bitno kod prikaza periodičkih signala).
Igor Prša, ing. el.
33
34
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Slika 1.27. Izgled upravljačke ploče analognog osciloskopa.
Slika 1.27. prikazuje upravljačku (prednju) ploču tipičnog osciloskopa s katodnom cijevi.
Na zaslonu katodne cijevi nalazi se raster koji u pravilu ima 10 podjeljaka (DIV) po
vodoravnoj osi i 8 podjeljaka po okomitoj osi.
Osciloskopi se obično izvode s barem dva ulaza (kako bi se ostvario istovremeni prikaz
dva ili više signala). Za svaki ulazni naponski signal određuje se okomita rezolucija u ⁄a:
koja se za osciloskop na slici 1.27. može nalaziti u rasponu od 5 * ⁄a: do 10 ⁄a: . Na
primjer, ukoliko se želi preko cijelog okomitog raspona ekrana prikazati sinusni mjerni signal
vršne vrijednosti 40 (napon koji se mijenja od −40 do Z40 ), odabrat ćemo okomitu
rezoluciju od 10 ⁄a: . S druge strane, da bismo mogli uočiti bitne značajke vremenskih
promjena mjernog signala potrebno je na odgovarajući način podesiti vremensku bazu (Xos). Podešavanje vremenske baze obavlja se kotačićem TIME/DIV čiji raspon za dani
osciloskop može ići od 0,5 b2⁄a: do 0,5 2⁄a: , što dogovara vremenskom intervalu u
kojem promatramo signal (preko cijele širine ekrana) u rasponu 5b2 do 52.
Princip rada analognog osciloskopa
Svaki analogni osciloskop ima tri osnovna dijela koji omogućuju prikaz signala koga
gledamo. To su:
•
•
•
X-otklonski sustav ili vremenska baza,
Y-otklonski sustav,
Okidni (trigerski) sustav.
Na sva tri navedena sustava možemo dovoditi signal sa vanjskog izvora dok X otklonski
sustav (vremenska baza) i trigerski sustav, većinom koriste interne izvore. Obično,
osciloskopom promatramo vremenski promjenjive signale i to periodične signale. U tom
slučaju na Y otklonski sustav dovodima naponski signal koji promatramo, a X otklonski
sustav služi kao vremenska baza.
Pretpostavimo da na ulaz dovodimo sinusni signal amplitude A i frekvencije f. Ako
koristimo XY prikaz a na X ulaz nismo doveli nikakav signal odnosno cYA[ = 0 prikaz na
osciloskopu će biti okomita duž od točke (0, -A) do točke (0, +A) (slika 1.24.).
www.etsbi.edu.ba
Osciloskop
Slika 1.28. Prikaz sinusnog signala na Y-otklonskom sustavu X(t)=0.
Generator vremenske baze koji se koristi kao interni izvor signala za X otklonski sustav
ima signal oblika kao na slici 1.29. To je u osnovi linearni signal kojim upravlja generator
linearnog napona i triger. Generator vremenske baze daje signal koji se linearno mijenja od
−8 do Z8 za vrijeme 5, zatim se signal brzo vraća u točku −8 po eksponencijalnom zakonu
za vrijeme A> znatno kraće od vremena 5, poslije toga za vrijeme AH signal ima vrijednost −8.
Triger starta početak linearnog dijela signala. Vrijeme 5 mi biramo izborom razmjere po
vremenskoj ljestvici. Za vrijeme koje izaberemo točka koju ispisuje elektronski mlaz kreće se
od krajnjeg lijevog položaja na zaslonu, do krajnjeg desnog položaja na zaslonu. Poslije toga
za vrijeme A> koje je vrlo kratko i koje je konstantno, elektronski mlaz se vraća sa krajnjeg
desnog položaja u početni položaj. Vrijeme AH je promjenjivo i njega definira trigerski sustav.
Naime, trigerski sustav se brine da se ispisivanje signala na zaslonu obavlja tako da poslije
jednog prolaska zrake preko zaslona naredni prolazak ide po istoj putanji, u protivnom na
zaslonu bismo vidjeli grupu isprepletenih linija i ne bismo mogli vršiti mjerenje.
Slika 1.29. Signal vremenske baze osciloskopa.
Trigerski sustav radi tako što ispis signala (on upravlja startanjem linearnog dijela
vremenske baze) počinje u točki čiju amplitudu i karakter (raste ili opada) mi biramo preko
tipki na prednjoj ploči osciloskopa. Vrijeme AH traje od isteka vremena A> do nailaska
vrijednosti na ulaznom signalu čiji parametri su postavljeni na trigerskom sustavu (slika 1.29).
Kao što se sa slike 1.30. vidi, ulazni signal je periodičan i mi na zaslonu vidimo samo
jedan njegov dio. Taj dio ne mora da bude period niti cio broj perioda. To zavisi od toga što
mjerimo. Dobro je na ekranu imati više od jednog perioda signala, ali ne previše jer je tada
očitanje loše. Taj dio koji se vidi ispisuje se uzastopnim prolascima elektronskog mlaza po
istoj putanji na zaslonu. Ako je broj ovih prolazaka veliki (veći od 25 u sekundi) tromost oka
kao i fosforescencija učiniti će da umjesto samo točke koja u stvarnosti prelazi zaslonom mi
vidimo trag u obliku linije na dvodimenzionalnoj ravni zaslona. Ovo pravi problema kod
mjerenja osciloskopom sporo-promjenjivih signala, čije su frekvencije manje od 25;<. Za to
se može koristiti osciloskop sa pamćenjem ili digitalni osciloskop koji je danas dosta u
uporabi. Kod promatranja signala sa većim frekvencijama od 25;< prikaz na osciloskopu je
utoliko mirniji što je frekvencija veća.
Igor Prša, ing. el.
35
36
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Postoji gornje ograničenje po frekvenciji mjerenja osciloskopom koje je posljedica
njegove konstrukcije i proizvođači daju taj podatak. Osciloskop je utoliko kvalitetniji što je ova
gornja granična frekvencija signala koji se može mjeriti veća. Danas su to uglavnom
frekvencije: 20,;<, 30,;<, 50,;< ili 100,;<.
Slika 1.30. Princip djelovanja trigerskog sustava.
Parametre trigera postavlja korisnik koristeći dugmad i potenciometre na prednjoj strani
osciloskopa. Kod postavljanja parametara trigera postavljaju se: amplituda, karakter, izvor,
način rada. Za način rada birajte „normal“. Za izvor birajte „interni“ i to CH1 ili CH2. Izabrani
kanal mora imati prisutan signal na ulazu, različit od nule. Karakter može biti rastući ili
opadajući. Amplituda se bira od Z8K do −8K kontinuirano, pri čemu je važno da odabrani
ulazni kanal ima amplitudu signala veću od odabrane amplitude na trigeru.
Odabrani kanal za okidanje mora imati spojenu svoju masu sa masom izvora signala,
dok drugi kanal ne mora.
Mjerenje amplitude
Osciloskop pokazuje trenutne vrijednosti naponskog signala dovedenog na ulaz (Y
otklonski sustav) kao funkcije vremena. Sa dijagrama koji imamo na zaslonu vršimo očitanje
koristeći razmjeru koju smo odabrali po okomitoj osi. Ako je ulazni signal prevelik (te bi
putanja izašla iz vidljive ravni zaslona) ili premalen (odnosno amplituda je tako mala da bi
mjerenje bilo loše) imamo mogućnost da pojačavamo ili slabimo signal prije njegovog
dovođenja na okomiti otklonski sustav.
Sa stanovišta mjerenja mi definiramo razmjeru prikaza na zaslonu u odnosu na stvarnu
vrijednost signala. Razmjera se daje u ⁄
. Sada se očitanje amplitude svodi na
mjerenje rastojanja na zaslonu izraženo u
d-* i množenjem aktivnom razmjerom.
www.etsbi.edu.ba
Osciloskop
Slika 1.31. Mjerenje amplitude osciloskopom.
Signali koje mjerimo mogu biti istosmjerni, izmjenični, unipolarni, bipolarni, itd. Trebamo
imati mogućnost mjerenja kako apsolutnih iznosa amplituda tako i njihovih vrijednosti u
odnosu na neku referentnu vrijednost. Ta referentna vrijednost se, obično, uzima kao nula i
zove se MASA (engl. GND - ground). Iako engleski termin GND asocira na uzemljenje,
termin MASA ima posebno značenje. Pod terminom masa podrazumijevamo referentnu
točku na električnoj shemi u odnosu na koju tretiramo ostale točke po potencijalu. Potencijal
mase se uzima kao nula, ali on ne mora da bude na potencijalu zemlje niti na bilo koji način
uzemljen (iako može).
Kod dovođenja signala na ulaz osciloskopa mjernom sondom, masu sonde spajamo na
shemi ili izvoru signala na točku koju tretiramo kao masu. Ovdje treba voditi računa da je
preko mrežne instalacije od 220 kojom se napaja osciloskop, masa sonde spojena na
uzemljenje naponske mreže, to isto vrijedi za generator funkcija te sve mase ovih uređaja
uvijek treba spajati na istu točku na shemi.
Pošto mi imamo mogućnost da promjenjivim otpornikom za okomiti otklon pomjeramo
signal po okomitoj osi zaslona onda prije mjerenja uvijek treba prvo usvojiti liniju MASE na
zaslonu. To radimo tako što aktiviramo GND dugme za dati kanal, čime kratko spajamo
ulaze sonde osciloskopa za taj kanal. Na zaslonu osciloskopa ćemo dobiti ravnu liniju te
sada promjenjivim otpornikom za okomito pomicanje postavimo masu na liniju koju želimo.
Poslije toga deaktiviramo GND i aktiviramo DC i na zaslonu će se pojaviti ulazni signal. Sada
su sve vrijednosti ulaznog signala smještene iznad usvojene linije MASE na plus potencijalu,
a vrijednosti ispod ove linije su na minus potencijalu.
Pored GND načina rada po ulaznom kanalu imamo mogućnost izbora DC ili AC. Ovo
često unosi zabunu kod mjerenja jer termini asociraju na istosmjerne (DC) i izmjenične (AC)
signale, pa učenici imaju predstavu da sa DC načinom rada mjere istosmjerne, a sa AC
mjere izmjenične signale. Ova interpretacija je pogrešna i zato ćemo to detaljno objasniti.
Ulazni signal u općem slučaju ima slijedeći analitički oblik:
8e = 8fg Z 8hg .
Ovdje je 8fg istosmjerna komponenta ulaznog signala a 8hg izmjenična komponenta
ulaznog signala (slika 1.32.). Kako mjerimo ovakav signal?
Prvo sa DC načinom rada pogledamo kompletan signal (znači, DC način rada tretira
cijeli signal, a ne samo istosmjerne signale ili istosmjernu komponentu signala). Vidi se da ne
možemo dobro očitati amplitudu izmjenične komponente signala, jer je mala u odnosu na
istosmjernu, te bi povećanje razmjere izbacilo prikaz signala izvan vidljivog dijela zaslona,
tako da ovdje očitamo samo amplitudu istosmjerne komponente i snimamo oblik signala.
Sada aktiviramo AC način rada te povećanjem razmjere uvećamo izmjenični dio signala i
očitamo amplitudu izmjenične komponente. Znači, AC način rada prikazuje samo izmjenični
dio signala. Kod snimanja DC i AC komponente signala masu na zaslonu postavljamo
neovisno, cilj je dobiti što bolju razmjeru signala na zaslonu.
Igor Prša, ing. el.
37
38
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Slika 1.32. DC i AC način rada osciloskopa.
Iz izloženog proizlazi zaključak da sa DC načinom rada tretiramo kompletne signale, a
sa AC načinom rada gledamo samo izmjenični dio signala i to onda kada je amplituda
izmjenične komponente signala 8hg znatno manja od istosmjerne komponente signala 8fg .
Osciloskopi obično imaju dva kanala (nekad i četiri). Istovremeni prikaz oba kanala na
jednom zaslonu može se obaviti korištenjem katodne cijevi sa dva neovisna elektronska
mlaza ili korištenjem elektroničkog komutatora. Pošto je izvedba sa elektroničkim
komutatorom jednostavnija i jeftinija pa samim time i prisutnija u praksi, objasnit ćemo ovaj
princip.
Dvokanalni osciloskop ima dva ulaza označena kao CH1 i CH2. Ako se koristi XY način
rada onda je jedan od ovih ulaza signal koji upravlja Y otklonskim sustavom (CH1), a drugi
upravlja X otklonskim sustavom (CH2). Na osciloskopu je prisutna jedna putanja koju opisuje
kombinirano djelovanje ova dva ulazna kanala.
Kada koristimo vremensko prikazivanje signala onda na jedan kanal dovodimo jedan
signal koji gledamo a na drugi kanal drugi signal. Ova dva signala će biti predstavljena na
zaslonu sa zajedničkom vremenskom bazom koju formira sam osciloskop, tako da je
moguća vremenska usporedba dva signala (vremenska osa je ista). Za okidanje možemo
odabrati jedan ili drugi kanal i u pravilu se bira onaj kanal na koji dovodimo poznati signal,
recimo sa generatora funkcija. Izuzetak čini pojačavanje signala kada je zbog male
amplitude ulaznog signala sa generatora funkcija za okidanje bolje odabrati izlaz iz pojačala.
Princip elektroničkog komutatora je vrlo jednostavan. Poseban elektronički sklop
(elektronički komutator) vrši prebacivanje ulaza u Y otklonski sustav sa jednog na drugi
kanal. Ovo se može izvoditi na dva načina:
•
•
ALT načinom rada, kada je na ulazu Y otklonskog sustava prisutan signal sa
jednog kanala cijeli jedan prolaz zrake preko zaslona, a u slijedećem prolazu
se pušta drugi kanal i tako naizmjenično.
CHOP načinom rada, kada se prebacivanje izvodi za vrijeme mnogo kraće od
trajanja jednog perioda vremenske baze tako da se nekoliko hiljada puta za
vrijeme jednog prolaza ispisuje izmjenično jedan pa drugi signal.
Izbor ALT ili CHOP način rada vrši korisnik tipkama na prednjoj ploči osciloskopa. Zbog
velike frekvencije prebacivanja oba načina rada daju mirnu sliku na zaslonu i osjećaj
kontinuiteta.
www.etsbi.edu.ba
Osciloskop
Mjerenje frekvencije
Mjerenje frekvencije se svodi na mjerenje perioda signala i korištenje poznatog izraza:
1
5
Za mjerenje perioda postavimo signal tako da neka referentna točka na signalu bude na
jednoj od okomitih linija (pomjeramo signal vodoravno sa X promjenjivim otpornikom), zatim
od te točke mjerimo rastojanje izraženo u podjeljcima do kraja perioda signala. Poslije toga
izmjereno rastojanje množimo sa odabranom razmjerom po vremenskoj ljestvici (slika 1.33.).
==
Slika 1.33. Mjerenje perioda signala.
Mjerenje faznog pomaka
Mjerenje faznog pomaka osciloskopom se izvodi vrlo jednostavno. Signali, čiji se fazni
pomak mjeri, se dovode na kanale 1 i 2. Mase na zaslonu oba kanala se postave na istu
liniju. (Napomena: kanale možemo neovisno jedan od drugog pomjerati po okomitoj liniji).
Zatim se odabere vremenska baza tako da očitanje bude najbolje.
Za ovo mjerenje možemo na zaslonu imati i manje od jednog perioda signala (slika
1.34.). Na prvi kanal dovodimo referentni signal (uzimamo da je \> = 0), a na drugi kanal
dovodimo signal čiji fazni pomak mjerimo. Na osciloskopu izmjerimo vrijeme koje protekne
između prolaza referentnog signala kroz nulu i slijedećeg signala, pri čemu ti prolazi trebaju
biti ili oba rastuća ili oba padajuća. Iz ovog vremena možemo izračunati fazni pomak u
stupnjevima prema izrazu:
\=
∆A
∙ 360° = = ∙ ∆A ∙ 360°
5
U izrazu 5 je period signala koji se može izmjeriti na način opisan u prethodnom dijelu.
Slika 1.34. Mjerenje faznog pomaka.
Igor Prša, ing. el.
39
40
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Kalibracija osciloskopa
Vremenom, svaki osciloskop može da počinje praviti grešku u mjerenju. Greška se
pojavljuje kao rezultat deformacije karakteristika internih pojačala u X ili Y otklonskom
sustavu. Zato većina osciloskopa ima mogućnost kontinuiranog namještanja ovog pojačanja.
Ono se izvodi preko promjenjivog otpornika koji je centralni dio preklopnika za razmjeru po X
i Y otklonskom sustavu. U normalnom radu ovaj promjenjivi otpornik je u krajnjem desnom
položaju. Da bismo mogli pravilno izvesti kalibraciju treba nam izvor signala poznatih i
stabilnih parametara. Za te namjene može poslužiti izvor koji posjeduje sam osciloskop. To
je signal pravokutnog signala obično amplitude od 0,2 i frekvencije 1 ;<. Spojimo sonde
ulaznih kanala na ovaj izvor i izvršimo provjeru. Ovo treba povremeno raditi i kada nemamo
osjećaj da osciloskop pokazuje pogrešno.
Ovaj izvor može poslužiti i za kalibraciju sondi. Naime sonde za osciloskop nisu obična
dva komada vodiča za dovod signala. One se rade sa posebnom pažnjom i njihova
konstrukcija treba biti takva da im karakteristična impedancija odgovara ulaznoj impedanciji
osciloskopa. Ukoliko to nije slučaj doći će do deformacije signala. Za te namjene sve sonde
su opremljene promjenjivim otpornicima kojima možemo izvršiti prilagodba karakteristične
impedancije.
Jednim promjenjivim otpornikom vršimo kompenzaciju sonde za niske frekvencije (L), a
drugim za visoke frekvencije (H). To se postiže tako što sonde spojimo na interni izvor
signala i pomjeramo promjenjivi otpornik dok se signal ne izravna (slika 1.35.). Za niske
frekvencije koristimo interni signal 1 ;<, a za visoke frekvencije koristimo signal 1,;<.
Slika 1.35. Kompenzacija sondi osciloskopa.
www.etsbi.edu.ba
Osciloskop
Primjeri mjerenja pomoću osciloskopa
Primjer 1.
Za valni oblik koji prikazuje osciloskop na slici odrediti: period signala, frekvenciju i
napon od vrha do vrha (8 ). Preklopnik vremenske baze (TIME/DIV) je podešen na
vrijednost 100 b2⁄
, dok je preklopnik napona (VOLTS/DIV) podešen na vrijednost
⁄
20
.
Slika 1.36. Valni oblik signala na osciloskopu za primjer 1.
Širina jedne potpune promjene signala je 5,2 podjeljka, iz čega slijedi da je period:
∙ 100 b2⁄
5 = 5,2
= 520b2 = 0,52*2.
Frekvencija je:
>
==?=
>
,jH9Q
= 1,92 ;<.
Visina signala od vrha do vrha je 3,6 podjeljaka, iz čega slijedi da je napon signala od
vrha do vrha:
8
= 3,6
∙ 20 ⁄
= 72 .
Primjer 2.
Za sinusni napon koji prikazuje osciloskop na slici odrediti: frekvenciju, amplitudu i
efektivnu vrijednost. Preklopnici su podešeni na vrijednosti: TIME/DIV = 500 b2⁄
,
VOLTS/DIV = 5 ⁄
.
Slika 1.37. Valni oblik signala na osciloskopu za primjer 2.
Širina jedne potpune promjene signala je 4 podjeljka. Slijedi da je:
5 = 4
∙ 500 b2⁄
= 2*2.
Frekvencija je:
Igor Prša, ing. el.
41
42
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
>
>
= = ? = H9Q = 500;<.
Vrijednost napona od vrha do vrha je:
8
∙5 ⁄
= 5
= 25 .
Iz čega slijedi da je amplituda signala na osciloskopu:
89
=
l
_mm
H
=
Hj
H
= 12,5 .
Efektivna vrijednost napona signala na osciloskopu se računa prema poznatom
obrascu:
8=
_Vno
√H
=
>H,j
√H
= 8,84 .
Primjer 3.
Dvokanalni osciloskop na ekranu prikazuje dva naponska signala kao na slici. Odrediti:
frekvenciju, efektivne vrijednosti i faznu razliku signala. Preklopnici su podešeni na
vrijednosti: TIME/DIV = 100 b2⁄
, VOLTS/DIV = 2 ⁄
.
Slika 1.38. Valni oblik signala na osciloskopu za primjer 3.
Širina jedne potpune promjene oba signala je 5 podjeljaka, pa je njihov period:
∙ 100 b2⁄
5 = 5
= 500b2 = 0,5*2
Iz čega slijedi da je frekvencija:
==
1
1
=
= 2000;< = 2 ;<
5 0,5 ∙ 10(%
Maksimalna vrijednost (amplituda) signala A je: 2
se može izračunati da je efektivna vrijednost signala A:
8h
@
=
8p
@
=
4
Maksimalna vrijednost signala B je: 2,5
√2
5
√2
= 2,83
∙ 2 ⁄
= 3,54
∙ 2 ⁄
= 4 , pa
= 5 , slijedi da je:
Pošto je period signala 5 podjeljaka, može se zaključiti da 5 podjeljaka iznosi 360°, iz
čega slijedi da je:
Fazni kut je: \ = 0,5
1
= 0,5
=
360°
= 72°
5
∙ 72 °⁄
Pa možemo reći da signal A prednjači ispred signala B za 36°.
www.etsbi.edu.ba
= 36°
Generator funkcija
Generator funkcija
Iako je generator funkcija prvenstveno generator, odnosno naponski izvor, on spada u
grupu elektroničke
ke instrumentacije jer mu je namjena takva da se koristi u sklopu mjerenja,
odnosno ispitivanja karakteristika pojedinih sklopova. Veliki broj elektroničkih
elektronič
sklopova se
može ispitati dovođenjem
enjem naponskog signala koji se mijenja u vremenu po sinusnom ili
nekom drugom zakonu. To je u principu naponski izvor kojemu možemo mijenjati oblik,
frekvenciju i amplitudu.
Naziv funkcijski generator nastao je u vrijeme
vrije
kada su ovakvi uređaji
aji upotrebljavani za
zadavanje funkcijskih signala na ulazu analognih računala.
ra
a. Pošto su se ovakvi izvori počeli
po
masovno koristiti i u druge namjene, ali sa istom funkcijom naziv je zadržan. Danas se ovi
generatori prave sa mogućnošć
ćnošću promjene frekvencije od 1b;< do 40C;<
C;<. S obzirom da
ovako širok frekventni opseg nije jednostavno postići, to se
e jednom vrstom sklopova
generiraju niske frekvencije, a drugom vrstom visoke frekvencije, generatori se proizvode
prema namjeni sa nekim opsegom frekvencija koje mogu generirati.
Snaga ovih naponskih generatora je vrlo niska od 10*r do 200*r
*r. O ovome treba
voditi računa da sklop kojim opterećujemo
optere
generator ima što veći
ći ulazni otpor, u protivnom
doći će do izobličenja
enja signala na izlazu generatora. Ovo izobličenje
enje nastaje zbog postojanja
izlaznog otpora generatora koji nije zanemariv, te se ulazni otpor sklopa pojavljuje kao
djelitelj sa unutrašnjim (izlaznim otporom) generatora. Ovo je posebno uočljivo
uo
kada
dovodimo pravokutni signal na sklop koji je neka RC kombinacija. Tada su izobličenja
izobli
izlaznog signala jako vidljiva. Za generatore koje mi koristimo treba nastojati da ulazni otpor
o
sklopa ne bude manji od 1 Ω.
Slika 1.39.
1
Prednja ploča generatora funkcija.
Većina
ina generatora ima prednju plo
ploču dosta ujednačenu
enu te je i sama upora
uporaba
jednostavna. Ovdje ćemo
emo dati samo neke napomene o kojima treba voditi ra
računa.
Preklopnikom (1) biramo tip signala. Izlaz uzimamo sondom sa BNC konektora sa natpisom
DC-OUT ili AC-OUT. Sonda mora biti originalna za taj tip generatora
generatora ili sonda koju koristimo
za osciloskop, ali jedinična. Za kontinuirano namještanje amplitude koristi se promjenjivi
otpornik (2) koji omogućuje
ćuje promjenu amplitude od 0 do 9 l (AMPLITUDE
AMPLITUDE). 9 l obično
iznosi 10 (20 , peak-to--peak, tj. od vrha do vrha). Ukoliko nam treba signal male
amplitude onda nam stoji na raspolaganju mogućnost korištenja drugog izlaza sa
umanjenjem amplitude od 10 puta.
puta. Trenutno aktivnu amplitudu mjerimo osciloskopom, a za
orijentaciju nam može poslužiti
služiti pozicija promjenjivog otpornika AMPLITUDE.
AMPLITUDE
Frekvenciju kontinuirano namještamo promjenjivim otpornikom (3)) pri čemu
č
mijenjamo
frekvenciju od 0,2 ∙ q do 2,4 ∙ q,
q gdje je q odabrani opseg pomoću
u preklopnika
preklop
(4). S obzirom
na način generiranja signala potrebno je vanjskim preklopnikom mijenjati karakteristike
komponenti (obično su to kapaciteti) za cijelu dekadu, tu operaciju uradi korisnik izborom
frekventnog opsega.. Sada nam stoji na raspolaganju kontinuirana
kontinu
promjena frekvencije
promjenjivim otpornikom,, kao što je rečeno.
re
Igor Prša, ing. el.
43
44
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
U osnovnom načinu rada izlaz iz generatora je bipolaran signal sa srednjom vrijednosti
jednakoj nuli. To znači da je pozitivna amplituda signala jednaka negativnoj, te da je trajanje
pozitivnog dijela signala jednako trajanju negativnog dijela signala. Ukoliko nam treba
određeni istosmjerni nivo signala, onda isti dodajemo sa OFFSET (5). Treba voditi računa da
ukupna amplituda ovako dobivenog signala ne može preći 12 . Isto tako imamo mogućnost
promjene odnosa pozitivnog i negativnog dijela signala.
Zadatak vježbe
•
Odrediti period, frekvenciju, maksimalnu i efektivnu vrijednost 6 različitih signala
iz generatora funkcija. Navodeći vrijednosti preklopke za naponsko područje
VOLTS/DIV i preklopke vremenske baze TIME/DIV, nacrtati ono što se vidi na
zaslonu osciloskopa.
Slika 1.40. Shema mjerenja sinusnog napona osciloskopom.
Tabela 1.2. Rezultati mjerenja sinusnog napona osciloskopom.
Redni broj mjerenja
s [2⁄
]
Položaj preklopke TIME/DIV
c[
]
Očitanje na zaslonu po x osi
5[2]
Period signala
=[;<]
Frekvencija signala
t [
⁄
]
Položaj preklopke VOLTS/DIV
`[
]
Očitanja na zaslonu po y osi
8 [ ]
Napon od vrha do vrha
89 [ ]
Amplituda signala
8uv [ ]
Napon izmjeren voltmetrom
8 @ [ ]
Efektivni napon
www.etsbi.edu.ba
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Generator funkcija
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Igor Prša, ing. el.
45
Naponsko djelilo
Naponsko djelilo
Neopterećeno naponsko djelilo
U mnogim praktičnim slučajevima potrebno je na trošilo dovesti samo određeni dio
napona izvora električne energije. U tu se svrhu koriste naponska djelila. Uloga im je
smanjivanje napona ako je raspoloživi napon izvora prevelik ili podjela napona na određene
dijelove radi analize signala u nekom od slijedećih stupnjeva složenoga kruga.
Najjednostavnije dijelilo sastoji se od dva serijski spojena otpornika kao na slici 1.41.
Slika 1.41. Shema neopterećenog djelila napona.
Napon izvora se djelomično smanjuje na otporniku S> (8> ), a na otporniku SH dobije se
potrebni napon za napajanje trošila SK . Kada je djelilo neopterećeno (SK → ∞) kroz serijski
spoj otpora teče ista struja, a napon izvora jednak je zbroju napona na otpornicima:
8> = : ∙ S>
8 = 8> Z 8H = :YS> Z SH [
8H = : ∙ SH
⇒
Uvrsti li se struja : u jednadžbe za 8> i 8H dobije se:
^x
x y^W
8> = 8 ^
:=^
_
x y^W
^W
x y^W
8H = 8 ^
To su karakteristične relacije naponskog djelila, a potvrđuju ranije iznesenu tvrdnju o
proporcionalnom odnosu napona i odgovarajućih otpora.
Ako s krajeva otpornika SH uzimamo napon za trošilo izlazi da se na trošilo može dovesti
bilo koji napon od 0 do napona izvora 8, ako pri tomu mijenjamo omjer otpora djelila.
Primjerice za:
SH = 0
S> = SH
S> = 2SH
S> = 0
⇒
⇒
⇒
⇒
8H = 0;
>
8H = H 8;
>
8H = % 8;
8H = 8.
Složenija naponska djelila omogućuju dobivanje nekoliko vrijednosti napona iz jednog
izvora. Koriste se primjerice u ADC sklopovima gdje se analogni signal preko višestrukoga
djelila napona vodi na komparatore radi pretvorbe u digitalni oblik.
Ako želimo postići kontinuiranu promjenu napona na trošilu koristi se potenciometar. To
je promjenljivi otpornik s tri kontakta (jedan je klizni kontakt), a priključuje se umjesto fiksnih
otpornika S> i SH . Shema spajanja promjenjivog otpornika (potenciometra) prikazana je na
slici 1.42.
Igor Prša, ing. el.
47
48
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Slika 1.42. Promjenjivo neopterećeno naponsko djelilo (potenciometarski spoj).
Princip rada promjenjivog otpornika analogan je naponskom djelilu. Izlazni napon je:
8uv = 8
Spg
Spg
=8
Shp Z Spg
Shg
Pomicanjem klizača promjenjivog otpornika omjer Spg ⁄Shg mijenja se od 0 (klizač u
krajnjem donjem položaju) do napona izvora 8 (klizač u krajnjem gornjem položaju).
Promjena napona trebala bi biti linearna. Mala odstupanja mogu se javiti na graničnim
položajima promjenjivog otpornika, a posljedica su mehaničke izvedbe promjenjivog
otpornika. Promjena položaja kliznog kontakta (točka B) ostvaruje se zakretanjem
promjenjivog otpornika za kut 4 između graničnih položaja.
Opterećeno naponsko djelilo
Neopterećeno naponsko djelilo samo po sebi nije od neke praktične koristi, sve dok se s
jednog od krajeva djelila ne uzima napon za trošilo. Uvjeti se tada bitno mijenjaju. Djelomični
napon sa slike 1.41. vodi se na trošilo (otpornik S% ) kao na slici 1.43.
Slika 1.43. Opterećeno naponsko djelilo.
Budući da sada struja teče i kroz S% mijenjaju se naponski odnosi. Napon 8% može se
odrediti temeljem ranije postavljenih relacija, imajući u vidu da su otpori SH i S% paralelno
spojeni:
SH ∙ S%
SH%
SH ∙ S%
SH Z S%
8% = 8
=8
=8
S
∙
S
S> Z SH%
S> ∙ SH Z S> ∙ S% Z SH ∙ S%
S> Z S HZ S%
H
%
Ako se fiksni otpornici S> i SH zamijene promjenjivim otpornikom, napon 8% se može
mijenjati od 0 do 89 l ovisno o položaju klizača (kut zakreta promjenjivog otpornika).
Slika 1.44. Opterećeno naponsko djelilo u potenciometarskom spoju.
www.etsbi.edu.ba
Naponsko djelilo
U spoju prema slici 1.44. ukupni otpor promjenjivog otpornika S klizačem je razdijeljen
na otpor F i ostatak S − F. Napon s djelomičnog otpora F dolazi na trošilo otpora S% .
F ∙ S%
F ∙ S%
F Z S%
8% = 8
=8
F ∙ S%
F ∙ S − F H Z S ∙ S%
S−FZ
F Z S%
Unutar graničnih položaja promjena napona 8% = =YF[ je nelinearna. Za gornji granični
položaj dobije se:
A za krajnji donji položaj:
F=S
⇒
8% = 89
F=0
⇒
8% = 0.
l
= 8.
Promjena napona trošila normirana na maksimalni napon (8% ⁄8) u ovisnosti o omjeru
F⁄S prikazana je na slici 1.45. Različiti omjeri otpora promjenjivog otpornika i otpora trošila
S⁄S% uzeti su kao parametar.
Slika 1.45. Normirana naponska karakteristika promjenjivog otpornika za različita opterećenja.
Vidljivo je da ovisnost napona trošila biva sve linearnija kako omjer S⁄S% pada. Za
izbjegavanje nelinearnosti potrebno je odabrati S ≪ S% , jer se tada dobiju uvjeti prividnog
praznog hoda (otvorenog kruga) i vrlo povoljno „linearno“ podešavanje struje. Naime za
S% → ∞ funkcija 8% = =YF[ postaje čisto linearna što odgovara slučaju neopterećenoga
naponskog djelila.
U praksi otpor promjenjivog otpornika S treba biti najmanje 5 puta veći od otpora trošila.
Potenciometarski spoj omogućuje reguliranje napona u širokim granicama pri malim
strujama. Međutim korisnost { mu je loša i postaje to slabija što je ugađanje linearnije. Zbog
toga se potenciometarski spoj koristi za ugađanje struja slabih tereta, gdje se ne postavlja
pitanje potroška snage, kao u elektroničkim sklopovima i regulacijskoj tehnici gdje se radi sa
signalima male snage. Primjerice potenciometarski spoj ima primjenu u krugovima za
napajanje tranzistora, regulaciju jakosti zvuka, u analogno-digitalnoj konverziji, za mjerne
svrhe u kompenzacijskim krugovima, itd. U visokonaponskoj tehnici upotrebljavaju se omsko,
kapacitivno i kombinirano naponsko djelilo.
Igor Prša, ing. el.
49
50
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Zadatak vježbe
•
Spojite promjenljivo neopterećeno naponsko djelilo s promjenjivim otpornikom
prema priloženoj shemi. Nacrtajte krivulju 8H = =Y4[ gdje je 4 kut zakreta
promjenjivog otpornika.
Slika 1.46. Spoj za snimanje izlaznog napona na naponskom djelilu
sa promjenjivim otpornikom.
Tabela 1.3. Rezultati mjerenja naponskog djelila sa promjenjivim otpornikom.
Položaj klizača
1
2
3
4
5
6
7
8
9
8> [ ]
8H [ ]
8H ⁄8>
Odnos napona 8H ⁄8> u zavisnosti od položaja klizača promjenjivog otpornika (α).
www.etsbi.edu.ba
10
Naponsko djelilo
•
Spojite promjenljivo naponsko djelilo s promjenjivim otpornikom i nacrtajte
karakteristične krivulje 8% = =Y4[ gdje je 4 kut zakreta promjenjivog otpornika, za
različite opteretne otpornike S% .
Slika 1.47. Shema mjerenja opterećenog naponskog djelila sa promjenjivim otpornikom.
Tabela 1.4. Rezultati mjerenja opterećenog naponskog djelila sa promjenjivim otpornikom.
1
Položaj klizača
2
3
4
5
6
7
8
9
10
8% za S% = 1 |
8% za S% = 680|
8% za S% = 330|
Promjena izlaznog napona za različite položaje promjenjivog otpornika.
Igor Prša, ing. el.
51
Zavojnica
Zavojnica (svitak)
Zavojnica je elektronički element koji se koriste u kolima izmjenične struje, izrađuje se
od bakarne žice izolirane lakom, koja se namotava na izolaciono tijelo ili na feromagnetno
jezgro uz prethodno izoliranje jezgre papirom. Zavojnica može biti izrađena sa zračnom
jezgrom bez izolacionog tijela. Zavojnica električnu energiju pretvaraju u magnetnu za
vrijeme izgradnje magnetnog polja, odnosno, magnetnu energiju pretvaraju u električnu za
vrijeme razgradnje magnetnog polja. U stacionarnom stanju ona u kolima istosmjerne struje
(ako je djelatni otpor veoma mali) predstavlja kratki spoj.
Slika 1.48. Primjer zavojnica male induktivnosti.
Zavojnice dijelimo prema vrsti jezgre na: zavojnice bez feromagnetne jezgre i zavojnice
sa feromagnetnom jezgrom. Prema nazivnoj frekvenciji zavojnice dijelimo na:
visokofrekventne (VF) i niskofrekventne (NF) zavojnice.
VF zavojnice su one koje se primjenjuju na frekvencijama reda ;< i ,;<, namotaji
izrađuju od jednožilne ili višežilne žice. Namotaji se obično motaju bifilarno kako bi
smanjili parazitni kapaciteti zavojnice. Jezgra se izrađuju kao feritna i karbonilna. Jezgra
izrađuje na taj način što se feromagnetni materijal pretvori u prah (samelje se), miješa
izolacionim sredstvom, sabija u željeni oblik, suši i peče na temperaturi većoj od 2000 °C.
se
se
se
sa
NF zavojnice su prigušnice i transformatori, primjenjuju se na frekvencijama ispod
10 ;<, a naročito u elektroenergetici, kao transformatori i prigušnice.
Parametri zavojnice su: induktivnost (}), induktivni otpor (c~ ), faktor dobrote (P~ ),
nazivni napon (8) i nazivna struja (:).
Induktivnost, je svojstvo zavojnice da se u njoj inducira elektromagnetna sila (napon),
zbog promjenljivog magnetnog toka koji stvara promjenljiva struja. Induktivnost je
geometrijska osobina zavojnice, jer zavisi od broja navoja (•), presjeka jezgre (€), dužine
zavojnice ( ) i vrste materijala od kojeg je izrađena jezgra (bR ). Računamo je pomoću
jednadžbe:
•H ∙ €
} = b ∙ bR ∙
b - magnetna propustljivost vakuuma, koja iznosi 4E ∙ 10(• = 1,256 ∙ 10( [;⁄*];
bR - relativna magnetna propustljivost materijala od kojeg je izrađena jezgra zavojnice
(iznosi od 1 za zrak do 25000 za specijalne dinamo limove sa velikim koercitivnim
poljem), nema dimenzije, tj. to je neimenovan broj;
• – broj navoja zavojnice (neimenovan broj);
€ – poprečni presjek jezgre (*H );
– dužina zavojnice (*).
Igor Prša, ing. el.
53
54
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Faktor dobrote, definiramo
ramo kao odnos induktivnog otpora zavojnice c~ (kad zanemarimo
parazitni kapacitet zavojnice - ƒ , koji je veoma mali) i djelatnog otpora zavojnice S~ (svaka
realna zavojnica ima djelatni otpor):
otpor)
P~
c~
S~
Nazivni napon,, je najveća efektivna vrijednost napona za koji je zavojnica konstruirana
konstrui
da trajno radi. Ako se nazivni napon prekorači
prekora i za duži vremenski period dolazi do proboja
izolacije među
u namotajima zavojnice ili njenog uništenja. Visinu napona, odnosno broj navoja
po jednom voltu možemo izračunati
izrač
po empirijskoj (iskustvenoj) jednadžbi koja glasi:
45 ] 60
6„F 3 .
€‚
3
€‚ – presjek željezne jezgre (d*H ).
⁄ 7
Nazivna struja, je najveća
ća efektivna vrijednost izmjenične struje koja može trajno da teče
te
kroz zavojnicu, a da ne izazove pregrijavanje namotaja i jezgra zavojnice.
Jačinu
inu struje možemo izračunati
izrač
ako poznajemo poprečni
ni presjek žice ((+) od koje je
izrađen
en namotaj zavojnice i preporučljivu
preporu
gustoću struje (…),
), koja treba da se kreće
kre
u
H
granicama 3 ] 56+⁄** 7,, odnosno:
:
†
6+7.
h
Zavojnica (svitak) u krugu izmjenične struje
Zavojnica ima sposobnost da pri protjecanju
protje
izmjenične struje vrši koncentraciju
magnetne energije u prostoru oko zavojnice i unutar zavojnice. Zbog toga zavojnica,
zavojnic pored
djelatnog otpora, pruža izmjenič
zmjeničnoj struji dodatni otpor.
Slika 1.49.. Vani oblici struje i napona za krug sa zavojnicom.
Ako kroz zavojnicu } teče
teč sinusna struja dobiva složenim matematičkim
čkim postupkom:
:9 ∙ 2-3LA, tada se napon na zavojnici
∆L ∙ } ∙ d 2LA 89 ∙ d 2LA
∆A
Vidimo da za maksimalne vrijednosti struje i napona vrijedi Ohmov zakon, odnosno:
0~
}∙
89
L ∙ } ∙ :9
tj.
:9
_V
‡~
Veličina L} ima karakter otpornosti
otpor
i izražava protivljenje (reakciju)) zavojnice promjeni
jačine
ine struje u njoj, pa se zbog toga naziva reaktivna induktivna otp
otpornost
ornost ili induktivna
reaktansa:
c~
www.etsbi.edu.ba
L}
2E=}
Zavojnica
Dakle, za maksimalne i efektivne vrijednosti struje i napona vrijedi Ohmov zakon u
obliku:
:9 =
_V
sˆ
odnosno
:
@
=
_‰Š
sˆ
Sa slike 1.49. je vidljivo da u kolima izmjenične struje, sa čisto induktivnom otpornošću,
napon na zavojnici fazno prednjači struji za 90°, odnosno, struja kroz zavojnicu faz no kasni
za naponom za 90°.
Otpor idealne zavojnice u krugu istosmjerne struje je nula (= = 0⇒L} = c~ = 0), pa se
idealna zavojnica u krugu istosmjerne struje ponaša kao kratak spoj.
Mjerenje induktivnosti zavojnica U-I metodom
a)
b)
Slika 1.50. Mjerenje induktivnosti zavojnice U-I metodom.
Mjerenjem istosmjernog napona 8 i struje : kroz zavojnicu možemo odrediti djelatni
otpor realne zavojnice S~ (slika 1.50a).
8
:
Mjerenjem izmjeničnog efektivnog napona 8~ i struje :~ možemo odrediti impedanciju
realne zavojnice ‹ (slika 1.50b).
S~ =
‹=
8~
:~
Pomoću S~ i ‹ možemo izračunati induktivni otpor zavojnice c~ , induktivnost zavojnice }
i kosinus kuta faznog pomaka d 2\.
c~ = Œ‹ H − S~H
c~ = L} = 2E=}⇒} =
d 2\ =
•‹ H − S~H
c~
=
2E=
2E=
S~
S~
⇒\ = Fdd 2
‹
‹
Igor Prša, ing. el.
55
56
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Zadatak vježbe
•
Izmjeriti induktivnost zavojnica dostupnih na radnom mjestu pomoću U-I metode
i LCR metra.
Tabela 1.5. Mjerenje djelatnog otpora zavojnice prema shemi na slici 1.50a.
Zavojnica
S~ [|]
(ommetar)
8[ ]
:[+]
S~ [|]
(račun)
[%]
(greška)
1.
2.
3.
[%] =
S~ YF č03[ − S~ Y ** A F[
∙ 100
S~ Y ** A F[
Tabela 1.6. Mjerenje induktivnosti zavojnice prema shemi na slici 1.50b.
=[ ;<] 8~ [ ] :~ [*+]
Zavojnica
‹[|]
c~ [|]
}[*;] }[*;]
(račun)
(LCR)
[%]
(greška)
d 2\
0,5
1.
1
2
0,5
2.
1
2
0,5
3.
1
2
[%] =
•
}YF č03[ − }Y}ƒS[
∙ 100
}Y}ƒS[
Nacrtati ovisnost c~ i } o frekvenciji na osnovu podataka iz tabele 1.6.
www.etsbi.edu.ba
\[°]
Kondenzator
Kondenzator
Kondenzator je spremnik statičkog elektriciteta i energije električnog polja koje nastaje u
prostoru između dva električki vodljiva tijela zbog razdvajanja električnog naboja.
Slika 1.51. Primjer različitih vrsta kondenzatora.
Osnovna veličina kondenzatora je njegov električni kapacitet ƒ, koji je određen odnosom
količine elektriciteta P i napona 8 na oblogama kondenzatora:
P
8
Nazivni kapacitet jeste kapacitet pri normalnim radnim uvjetima i označen je na samom
kondenzatoru. Kapacitet se izražava u faradima (q). Međutim, s obzirom da je farad vrlo
velika jedinica, kapacitet se obično izražava u mikrofaradima (bq), nanofaradima (3q) i
pikofaradima ( q).
ƒ=
Kapacitet kondenzatora zavisi od vrste dielektrika, geometrijskog oblika, dimenzija, itd.
Utjecaj dielektrika na kapacitet je uvjetovan intenzitetom polarizacije samog dielektrika.
Sposobnost dielektrika da se polarizira u električnom polju karakterizira se dielektričnom
propustljivošću, koja se još zove i dielektrična konstanta:
• = •R ∙ •
gdje je •R − relativna dielektrična konstanta dielektrika, a • − dielektrična konstanta
vakuuma i ona iznosi 8,85 ∙ 10(>H [q ⁄*].
Vrijednosti kapaciteta kondenzatora (ako nije posebno naglašeno, u q), kao i
dozvoljena odstupanja kapaciteta od nazivne vrijednosti, nazivni napon i drugi parametri
ispisuju se na samom tijelu kondenzatora. Dozvoljena odstupanja kapaciteta od nazivne
vrijednosti, koja se izražavaju u procentima, definirana su klasama točnosti. Ta odstupanja
mogu biti simetrična (±10%, ±20%) i nesimetrična (−10%, +30%). S obzirom da veoma
često, zbog malih dimenzija kondenzatora, na njima nema mjesta za ispisivanje tolerancije
kapaciteta, uveden je sistem slovnog označavanja (isti standard važi i za označavanje
tolerancije otpornosti otpornika).
Igor Prša, ing. el.
57
58
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Kondenzator u krugu izmjenične
izmjeni
struje
Ako
ko na kondenzator priključimo
priključ
izmjenični
ni napon, s obzirom da se vrijednost tog napona
stalno mijenja po zakonu sinusa, možemo zaključiti
zaklju
da će se u krugu izmjenične
izmjeni
struje sa
kondenzatorom vršiti
iti trajan proces periodičnog
periodi nog „punjenja“ i „pražnjenja“ kondenzatora. U
krugu sa kondenzatorom teče
teč izmjenična struja, ali to ne znači
či da struja prolazi kroz
dielektrik kondenzatora većć da je ona posljedica trajne periodi
periodične
ne izmjene određene
odre
količine
elektriciteta između izvora elektri
ektrične struje i kondenzatora. S obzirom da se polaritet ploča
plo
kondenzatora mijenja proporcionalno frekvenciji, to se i smjer električnog
električnog polja mijenja isto
toliko puta, pa nastaje oscilatorno pomicanje
pom
naelektriziranih čestica
estica koje na taj na
način čine
tzv. struju dielektričnog pomicanja.
pomicanja
Dakle, u krugu izmjenične
čne struje sa kondenzatorom, pored provodne struje u vodičima
kruga,, postoji i struja dielektričnog
dielektrič
pomicanja u dielektriku kondenzatora.
Slika 1.52.. Vremenski oblicu struje i napona za krug sa kondenzatorom.
Ako se na kapacitet ƒ priključi sinusni napon 0g
kapacitet dobija složenim matematičkim
matemati
postupkom:
89 ∙ 2-3LA,, tada se struja kroz
∆‘
∆0g
L ∙ ƒ ∙ 89 ∙ d 2LA :9 ∙ d 2LA
ƒ∙
∆A
∆A
Vidimo da za maksimalne vrijednosti struje i napona vrijedi Ohmov zakon, odnosno:
-g =
:9
L ∙ ƒ ∙ 89
tj.
89
UV
‡g
Veličina 1⁄Lƒ ima karakter otpornosti i naziva se reaktivna kapacitivna otpornost ili
kapacitivna reaktansa:
cg
1
Lƒ
1
2E=ƒ
Dakle, za maksimalne i efektivne vrijednosti struje i napona vrijedi Ohmov zakon u
obliku:
:9
_V
s’
odnosno
:
@
_‰Š
s’
Sa slike 1.52.. je vidljivo da u kolima izmjenične struje, sa čisto
isto kapacitivnom otpornoš
otpornošću,
struja na kondenzatoru fazno
o prednjači
prednja i naponu za 90°, odnosno, napon na k ondenzatoru
fazno kasni za strujom za 90°..
Otpor idealnog kondenzatora
kondenzator u krugu istosmjerne struje je ∞ (= 0⇒ 1⁄Lƒ
∞) pa se idealni kondenzator u krugu istosmjerne struje ponaša kao prekid kruga.
www.etsbi.edu.ba
cg
Kondenzator
Mjerenje kapaciteta kondenzatora U-I metodom
Slika 1.53. Shema za mjerenje kapaciteta kondenzatora U-I metodom.
Mjerenjem izmjeničnog efektivnog napona na kondenzatori 8g i struje kroz kondenzator
:g možemo odrediti kapacitet kondenzatora ƒ.
Djelatni ili omski otpor kondenzatora Sg možemo zanemariti pa je kapacitivni otpor cg
jednak prividnom otporu ‹g .
‹g = cg =
8g
:g
Budući da kapacitivni otpor ovisi o kapacitetu kondenzatora i o kružnoj frekvenciji L,
možemo ga izračunati i pomoću tih elemenata:
cg =
1
1
=
Lƒ 2E=ƒ
8g
1
:g
:g
=
⇒ƒ =
=
:g
Lƒ
L ∙ 8g 2E=8g
Igor Prša, ing. el.
59
60
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Zadatak vježbe
•
Izmjeriti kapacitet kondenzatora dostupnih na radnom mjestu pomoću U-I
metode i LCR metra.
Tabela 1.7. Mjerenje kapaciteta kondenzatora prema shemi na slici 1.53.
Kondenzator
=[ ;<] 8g [ ] :g [*+] cg [|]
ƒ[bq]
(račun)
ƒ[bq]
(LCR)
[%]
(greška)
0,5
1.
1
2
0,5
2.
1
2
0,5
3.
1
2
[%] =
•
ƒYF č03[ − ƒY}ƒS[
∙ 100
ƒY}ƒS[
Nacrtati ovisnost cg i ƒ o frekvenciji na osnovu podataka iz tabele 1.7.
www.etsbi.edu.ba
RLC spojevi
Serijski spoj otpornika, zavojnice i kondenzatora
Za serijski RLC spoj, je karakteristično da se priključeni napon raspodjeljuje na pad
napona na aktivnom otporu 8^ , pad napona na zavojnici 8~ i pad napona na kondenzatoru
8g .
Slika 1.54. Shema serijskog RLC kruga.
Pad napona 8^ je u fazi sa strujom koja protječe kroz krug, pad napona 8~ fazno
prednjači struji kroz krug za 90°, dok pad napona 8g fazno kasni za strujom kroz krug za 90°.
Znajući takve naponske odnose možemo nacrtati međusobne ovisnosti napona i otpornosti
(trokuti napona i otpornosti).
a)
b)
c)
Slika 1.55. Trokuti napona i otpornosti: a) c~ > cg ; b) c~ < cg ; c) c~ = cg .
U zavisnosti od odnosa reaktivnih otpora c~ i cg postoje tri karakteristična slučaja:
1.
2.
3.
Ako je c~ > cg , tada je 8~ > 8g pa kažemo da je spoj induktivnog karaktera, a
napon 8 prednjači struji za ugao \ > 0.
Ako je c~ < cg , tada je 8~ > 8g pa kažemo da je spoj kapacitivnog karaktera, a
napon 8 kasni iza struje za ugao \ < 0.
Ako je c~ = cg , tada je 8~ = 8g pa kažemo da je spoj u naponskoj rezonanci, jer
su napon 8 i struja : u fazi (\ = 0).
Pretpostavimo da je induktivna otpornost veća od kapacitivne. Napon 8 se određuje
primjenom Pitagorine teoreme za trokut kao:
8 H = 8^H Z Y8~ − 8g [H
8 = •8^H Z Y8~ − 8g [H
odnosno
Na temelju Ohmovog zakona možemo pisati:
8^ = : ∙ S;
8~ = : ∙ c~ ;
8g = : ∙ cg
Uvrštavanjem ovih vrijednosti u jednadžbu za napone dobivamo:
8 = •Y: ∙ S[H Z Y: ∙ c~ − : ∙ cg [H = •: H ∙ [S H Z Yc~ − cg [H ] = : ∙ •S H Z Yc~ − cg [H
Iz ove jednadžbe dobivamo izraz za efektivnu vrijednost struje u krugu:
:=
_
•^W yYsˆ (s’ [W
tj.
:=
_
•
Izraz u nazivniku predstavlja ukupni otpor ili impedanciju kruga:
‹ = •S H Z Yc~ − cg [H
Igor Prša, ing. el.
61
62
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Pri poznatim vrijednostima ‹, S, c~ i cg primjenom trigonometrijskih funkcija za trokut
dobivamo:
^
•
\ = Fd2-3
\ = Fdd 2 ;
sˆ (s’
;
•
\ = FdA–
sˆ (s’
.
^
Kod serijskog RLC kruga pri c~ = cg u krugu nastupa serijska ili naponska rezonancija.
Fizikalna suština naponske rezonancije je potpuna razmjena reaktivne energije između
magnetnog polja namotaja zavojnice i električnog polja dielektrika kondenzatora, pri čemu
nastaje osciliranje energije koje podržava izvor. Prema tome, kada bi djelatni otpor kruga bio
jednak nuli (S = 0), dovoljno bi bilo pobuditi LC krug i u njemu bi primljena energija trajno
oscilirala vlastitom frekvencijom (LQ ) bez prisutnosti izvora.
Vlastitu frekvenciju oscilatornog kruga pri režimu naponske rezonance određujemo kao:
c~ = cg ⇒L} =
1
⇒LQ
Lƒ
=
1
√}ƒ
Frekvencija izvora pri kojoj nastupa naponska rezonanca naziva se rezonantna
frekvencija:
LR
v
=
>
√~g
;
=R
v
= HI
>
√~g
;
5 = 2E√}ƒ.
Dakle, rezonantna frekvencija izvora jednaka je frekvenciji slobodnih oscilacija
oscilatornog kruga. Impedancija serijskog oscilatornog kruga pri rezonanci je minimalna i
jednaka je aktivnoj otpornosti, a amplituda električnih oscilacija pri rezonanci dostiže
maksimum.
Zadatak vježbe
•
Spojiti elemente prema shemi. Izmjeriti struju kroz serijski RLC krug, izmjeriti
napone na otporniku S, zavojnici }, kondenzatoru ƒ i na rednoj vezi RLC. Na
osnovu izmjerenih vrijednosti odrediti impedanciju cijelog kruga. Odrediti
induktivni otpor zavojnice i kapacitivni otpor kondenzatora.
Slika 1.56. Shema serijskog RLC kruga.
Tabela 1.8. Mjerenje parametara serijskog RLC kruga.
=[ ;<]
:[*+]
0,5
1
5
10
www.etsbi.edu.ba
8[ ]
8^ [ ]
8~ [ ]
8g [ ]
‹[|]
S[|]
c~ [|]
}[*;]
cg [|]
ƒ[bq]
RLC spojevi
•
Snimiti zavisnost napona 8^ , 8~ i 8g u funkciji od frekvencije, mijenjajući
frekvenciju od 10;< do 100 ;<.
Tabela 1.9. Frekvencijska ovisnost napona na elementima serijskog RLC kruga.
Napon
8^ [ ]
10;<
50;<
100;<
500;<
1 ;<
5 ;<
10 ;<
50 ;<
100 ;<
8~ [ ]
8g [ ]
Igor Prša, ing. el.
63
RLC spojevi
Paralelni
aralelni spoj otpornika, zavojnice i kondenzatora
Za paralelni RLC spoj,, je karakteristično
karak
da se ukupna struja : dijeli, prema prvom
p
Kirhofovom zakonu, na struje :^ , :~ i :g .
Slika 1.57.
1.57 Sema paralelnog RLC kruga.
Struja :^ je u fazi sa naponom 8, struja :~ fazno kasni za naponom 8
8 za 90°, dok struja
:g fazno prednjačii naponu 8 za 90°. Znaju ći takve strujne odnose možemo nacrtati
međusobne
usobne ovisnosti struja i provodnosti (trokute struja i provodnosti).
provodnosti)
a)
b)
c)
Slika 1.58. Trokuti
kuti struja i provodnosti: a) 1~ > 1g ; b) 1~ < 1g ; c) 1~~
1g .
U zavisnosti od odnosa reaktivnih provodnosti 1~ i 1g postoje tri karakteristična
karakteristi
slučaja:
1.
2.
3.
Ako je 1~ > 1g , tada je :~ > :g pa kažemo da je spoj induktivnog karaktera,
karaktera a
napon 8 prednjači struji za ugao \ > 0.
Ako je 1~ < 1g , tada je :~ ” :g pa kažemo da je spoj kapacitivnog karaktera,
karaktera a
napon 8 kasni iza struje za ugao \ ” 0.
Ako je 1~ = 1g , tada je :~ :g pa kažemo da je spoj u strujnoj rezonanciji,
rezonanciji jer su
napon 8 i struja : u fazi (\ 0).
Pretpostavimo da je induktivna provodnost veća
ve od kapacitivne. Struja : se određuje
primjenom Pitagorine teoreme za trokut
tro
kao:
: H = :^HH Z Y:~ ] :g [H
odnosno
Na temelju Ohmovog
og zakona možemo pisati:
:^
C ∙ 8;
:~
•:^H ] Y:~ ] :g [H
:
1~ ∙ 8;
:g
1g ∙ 8
Uvrštavanjem ovih vrijednosti
vrijedn
u jednadžbu za struje dobivamo:
:=8
8 ∙ •C H Z Y1~ ] 1g [H
tj.
U
8
•— W yYpˆ (p’ [W
Izraz u nazivniku predstavlja ukupnu provodnost ili admitansu kruga:
`
•C H Z Y1~ ] 1g [H
Pri poznatim vrijednostima `, C, 1~ i 1g primjenom trigonometrijskih funkcija za trokut
tro
dobivamo:
—
Fdd 22 t;
\ = Fdd
\
Fd2-3
pˆ (p’
;
t
\
FdA–
pˆ (p’
.
—
Igor Prša, ing. el.
65
66
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Kod paralelnog RLC kruga pri 1~ = 1g u krugu nastupa paralelna ili strujna rezonancija.
Fizikalna suština strujne rezonancije je potpuna razmjena reaktivne energije između
magnetnog polja namotaja zavojnice i električnog polja dielektrika kondenzatora, pri čemu se
energija izvora troši samo na pokrivanje djelatnih gubitaka.
Vlastitu frekvenciju oscilatornog kruga pri režimu strujne rezonance određujemo kao:
1~ = 1g ⇒
1
= Lƒ⇒LQ
L}
=
1
√}ƒ
Frekvencija izvora pri kojoj nastupa strujna rezonancija naziva se rezonantna
frekvencija:
LR
v
=
>
√~g
;
=R
v
=
>
;
HI√~g
5 = 2E√}ƒ.
Dakle, rezonantna frekvencija izvora jednaka je frekvenciji slobodnih oscilacija
oscilatornog kruga. Provodnost paralelnog oscilatornog kruga pri rezonanci je minimalna i
jednaka je djelatnoj provodnosti, a reaktivne struje grana su jednake i fazno pomjerene za
180°.
Zadatak vježbe
•
Spojiti elemente prema shemi. Izmjeriti ukupnu struju kroz paralelni RLC krug,
izmjeriti struje kroz otpornik S, zavojnicu }, kondenzator ƒ. Izmjeriti pad napona
na paralelnom RLC krugu. Na osnovu izmjerenih vrijednosti odrediti impedanciju
cijelog kruga. Odrediti induktivni otpor zavojnice i kapacitivni otpor kondenzatora.
Slika 1.59. Shema paralelnog RLC kruga.
Tabela 1.10. Mjerenje parametara paralelnog RLC kruga.
=[ ;<]
8[ ]
:[*+]
0,5
1
5
10
www.etsbi.edu.ba
:^ [*+]
:~ [*+]
:g [*+]
‹[|]
S[|]
c~ [|]
}[*;]
cg [|]
ƒ[bq]
RLC spojevi
•
Snimiti zavisnost struja :^ , :~ i :g u funkciji od frekvencije, mijenjajući frekvenciju
od 10;< do 100 ;<.
Tabela 1.11. Frekvencijska ovisnost struja kroz elemente paralelnog RLC kruga.
Napon
:^ [ ]
10;<
50;<
100;<
500;<
1 ;<
5 ;<
10 ;<
50 ;<
100 ;<
:~ [ ]
:g [ ]
Igor Prša, ing. el.
67
Transformator
Transformator
Transformator je statički elektromagnetski stroj koji pretvara izmjenični napon i struju
jedne vrijednosti u izmjenični napon i struju druge vrijednosti uz istu frekvenciju. Sastoji se od
dva svitka koji nisu povezani galvanskom vezom. Veza se ostvaruje isključivo preko
magnetskog polja uz direktnu primjenu principa međuindukcije. Transformator je na
primarnoj strani priključen na izmjenični izvor, a na sekundarnoj opterećen trošilom.
Slika 1.60. Princip rada transformatora.
Transformatori se primjenjuju za vjerno prenošenje oblika strujnih i naponskih impulsa
male snage, prilagođavanje struje i napona i njihovu transformaciju, promjenu impedancije,
kao i za izolaciju električnih krugova (galvansku izolaciju).
Idealni transformator (bez gubitaka) prenosi snagu jednaku dovedenoj. U praktičnim
izvedbama transformatora gubici se stvaraju u zavojima i jezgri transformatora, tako da se
samo dio dovedene snage prenosi na trošilo. Gubici stvoreni na djelatnom otporu zavoja
svitka nazivaju se gubicima u bakru ˜ge , a gubici u jezgri nastali zbog vrtložnih struja i
histereze feromagnetskog materijala su gubici u željezu ˜‚ . Dodatni gubici mogu nastati u
zračnom rasporu na poprečnom presjeku jezgre, koji se postavlja radi poboljšanja svojstava
transformatora.
Transformatori mogu biti realizirani sa i bez feromagnetske jezgre, što bitno određuje
njihova svojstva. Naime, induktivnost svitka } bez jezgre ne ovisi o struji koja teče kroz
svitak. Induktivnost je konstantna i određena je geometrijskim karakteristikama svitka. Krug s
takvim svitkom je linearan. Međutim, za svitak s feromagnetskom jezgrom ne vrijedi linearna
ovisnost između struje i magnetskog toka, pa ni induktivnost takvih svitaka nije konstantna,
već zavisi od veličine struje. Električni krugovi koji sadržavaju svitke s feromagnetskom
jezgrom nelinearni su, što znači da izobličuju strujni signal.
Transformatori se od bakarne žice izolirane lakom. Željezna jezgra je sastavljena od
međusobno izoliranih limova, na taj način postiže se veliki električni otpor vrtložnim strujama
u jezgru. Željezni limovi su „U“, „E“ i „I“ profila. Na stupove transformatora se stavljaju već
formirani namotaji i jezgro se zatvara paketom limova „I“ profila. Kod „U” profila namotaji su
na zasebnom, a kod jezgra „E” profila na istom stubu. Namotaji mogu imati i više izvoda.
Igor Prša, ing. el.
69
70
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Odnos broja namotaja sekundara i primara naziva se koeficijent transformacije ili
prijenosni omjer:
™
3 = ™š .
›
Ako se zanemare gubici snaga u transformatoru, tada je snaga sekundara približno
jednaka snazi primara.
˜œ = ˜O ⇒8œ ∙ :œ = 8O ∙ :O
Uš
U›
_
= _› =
š
™›
™š
Opterećenje kojim transformator opterećuje izvor na koji se priključuje je:
gdje je SO =
_š
Uš
•œ
8œ 8O •O
•œ H SO
Sœ =
=
= SO ∙ • ž = H
•
:œ
•O
3
:O •O
œ
opterećenje sekundara, a Sœ reducirani otpor sekundara u primarni krug.
Zadatak vježbe
•
Spojiti elemente prema shemi. Za navedene položaje preklopke izmjeriti napone
na primaru i sekundaru transformatora. Izmjerene vrijednosti unijeti u tabelu i na
osnovu njih odrediti prijenosni omjer transformatora.
Slika 1.61. Shema za određivanje prijenosnog omjera transformatora sa dva primara.
Tabela 1.12. Rezultati mjerenja prijenosnog omjera transformatora.
Položaj
preklopke
Frekvencija
napona [;<]
1
100
2
100
1
1k
2
1k
www.etsbi.edu.ba
Napon primara
8œ [ ]
Napon sekundara
8O [ ]
Omjer transformacije
3
Električna snaga
Električna snaga
U svakom se naponskom izvoru pretvara neka energija (mehanička, kemijska, sunčeva)
u električnu energiju. Tako dobivena energija može obavljati rad. Ovisno o vrsti trošila rad
koji izvrši struja prolaskom kroz trošilo ima za posljedicu pretvorbe u druge oblike energije:
-
toplinsku (termički uređaji);
mehaničku (elektromotori);
kemijsku (elektroliza i punjenje akumulatora ili baterija);
svjetlosnu (žarulje sa žarnom niti).
Poznato je iz fizike da je energija sposobnost tijela da vrši rad. Proizvedena energija
predstavlja pokazatelj rada što ga izvrši električna struja, pa se energija i rad brojčano
izražavaju istim jedinicama. Jedinica za rad, odnosno energiju, u SI sustavu je 1[…] (Joule),
pri čemu je:
1[…] = 1[•*] = 1[ +2] = 1[r2] = 1 Ÿ
– ∙ *H
2H
Džul ili vatsekunda je rad koji se izvrši u dijelu kruga pri naponu od 1 za vrijeme od 12.
Budući da je u elektrotehnici vatsekunda vrlo mala jedinica, radije se primjenjuju veće
jedinice. To su:
Vatsat: 1[rℎ] = 3600[…];
Kilovatsat: 1[ rℎ] = 1000[rℎ] = 3600000[…] = 3,6[,…];
Megavatsat: 1[,rℎ] = 10 [rℎ].
Jedan te isti rad može se obaviti u više ili manje vremena, ovisno o upotrijebljenoj snazi.
Za električnu snagu vrijede isti odnosi kao i za mehaničku snagu, tj. snaga je rad izvršen u
jedinici vremena. Jedinica električne snage je 1r = 1 +.
U krugu istosmjerne struje snaga je definirana proizvodom struje kroz trošilo i napona na
krajevima trošila, to jest:
˜ =8∙:
Za mjerenje snage se koriste mjerni instrumenti namijenjeni isključivo za mjerenje snage
koji se zovu vatmetri, ili kombinacija dva mjerna instrumenta (voltmetar i ampermetar) kojim
se snaga mjeri na indirektan način, mjerenjem napona i struje. Električna snaga se tada
računa na osnovu prethodne jednadžbe.
Kada je u krugu istosmjerne struje trošilo koji ima karakter otpornosti čija je vrijednost
poznata onda se snaga može odrediti mjerenjem samo jedne fizikalne veličine (napona ili
struje) na osnovu sljedećih jednadžbi:
˜=
_W
^
ili ˜ = : H ∙ S
U kolima izmjenične struje aktivna snaga je definirana kao:
˜ = 8 ∙ : ∙ d 2\[r]
U području niskih frekvencija do reda 400;< mjerenje snage provodi se pomoću
vatmetara kao u kolima istosmjerne struje.
Mjerenje snage može se izvršiti i na indirektan način mjerenjem napona i struje,
odnosno otpornosti. Treba naglasiti da se na osnovu očitanja ampermetra i voltmetra može
odrediti samo prividna snaga kao:
€ = 8 ∙ :[ +]
Igor Prša, ing. el.
71
72
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Razlika između
u prividne snage € i aktivne snage ˜ predstavlja jalovu (reaktivnu) snagu
P,, koja se može odrediti iz jednadžbe:
P = 8 ∙ : ∙ 2-3\
\
•€ H ] ˜H 6 +F7
Fdd 2
˜
€
Slika 1.62. Mjerenje snage trošila izmjenične
izmjeni
struje.
Elektrodinamički
ki vatmetar
Elektrodinamički
ki vatmetar je mjerni instrument koji služi za izravno ili neposredno
mjerenje snage u strujnom krugu. Vatmetar ima dva svitka. Strujni je nepomičan,
nepomi
a naponski
pomičan. Počeci
eci i krajevi obaju svitaka izvedeni su na priklju
priključnice
čnice vatmetra. Oznaka
priključnice za početak
etak strujnog svitka je I*, a oznaka priključnice
nice za kraj strujnog svitka je
vrijednost
rijednost strujnog mjernog opsega.
opse
Oznaka priključnice za početak naponskog svitka je U*,
a oznaka priključnice
nice za kraj naponskog svitka odre
određena
ena je položajem preklopke naponskog
mjernog opsega. Promjenom redoslijeda priključnih
priklju
stezaljki (početak - kraj) bilo u strujnom,
bilo u naponskom svitku, mijenja se smjer struje, a time i smjer otklona kazaljke.
Slika 1.63. Elektrodinamički
Elektrodinami
vatmetar.
Elektrodinamičkim
kim vatmetrom možemo mjeriti istosmjernu i izmjeni
izmjeničnu djelatnu snagu.
Kod mjerenja u izmjeničnom
čnom
nom strujnom krugu, djelatna snaga jednaka je prividnoj, odnosno
umnošku efektivnih vrijednosti struje i napona na trošilu samo kod čistog
č
djelatnog
opterećenja.
enja. Kod jalovog optereć
opterećenja
enja izazvanog induktivnim i kapacitivnim trošilima dola
dolazi do
faznog pomaka između
đu
u struje i napona, pa je djelatna snaga manja od umnoška struje i
napona.
www.etsbi.edu.ba
Električna snaga
Vatmetrom se ne može izravno na ljestvici očitati vrijednost mjerene snage, već samo
otklon kazaljke na ljestvici, odnosno kut 4. Da bismo mogli odrediti snagu koju nam pokazuje
instrument, moramo uzeti u obzir mjerne opsege strujnog i naponskog svitka, te ukupan broj
podjeljaka na ljestvici vatmetra. Pomoću strujnog mjernog opsega :¢£ i naponskog mjernog
opsega 8¢£ , te ukupnog broja podjeljaka ljestvice ∑ 4 odredi se konstanta vatmetra ¥ ,
odnosno omjer vata (r) po jednom podjeljku ljestvice, (r ⁄
):
¥
=
:¢£ ∙ 8¢£
∑4
Mjerenu snagu dobijemo tako da konstantu vatmetra pomnožimo s otklonom kazaljke na
ljestvici, prema izrazu:
˜=
¥
∙4
Izravni spoj vatmetra upotrebljava se kod mjerenja malih snaga, odnosno tamo gdje
nam vrijednosti mjernih opsega strujnog i naponskog svitka dozvoljavaju. Kod mjerenja
vatmetrom, ampermetrom je potrebno mjeriti struju koja teče strujnim svitkom da ne dođe do
preopterećenja, a time i do uništenja instrumenta. Napon nam je uvijek donekle poznat i
njegove male promjene nisu opasne po oštećenje instrumenta.
Zadatak vježbe:
•
U krugu izmjenične struje izmjeriti aktivnu snagu trošila pomoću vatmetra i
odrediti prividnu snagu na osnovu izmjerenih vrijednosti napona i struje. Na
osnovu izmjerenih vrijednosti odrediti faktor snage d 2\ i reaktivnu snagu P
trošila.
Slika 1.64. Shema za mjerenje snage.
Tabela 1.13. Rezultati mjerenja snage.
Trošilo
1.
2.
3.
4.
5.
S[|]
}[*;]
ƒ[bq]
8[ ]
:[+]
€[ +]
¥ [r ⁄
4¥ [
˜[r]
]
]
P[ +F]
d 2\
Igor Prša, ing. el.
73
Označavanje poluvodičkih elemenata
Označavanje poluvodičkih elemenata
Iako poluvodičke strukture imaju dosta standardiziran način označavanja, tako da je iz
oznake jasno o kojoj komponenti se radi, s obzirom na veliki broj komponenti najbolji način
da odgonetnemo o kojoj komponenti se radi i sa kojim karakteristikama, je korištenje
kataloških podataka.
Postoji veliki broj sistema označavanja poluvodičkih elemenata, a najčešće se koriste
Europski, Američki i Japanski označavanja poluvodiča.
Europski sistem (Pro-elektron)
Format: dva slova, (opcija treće slovo), serijski broj (sufiks)
Primjer: BC107, BZX12, AC109, BC547B.
Prvo slovo označava materijal od kojeg je poluvodič izrađen. Značenje je sljedeće:
A – germanij,
B – silicij,
C – galij-arsenid,
D – indij-antimonid,
R - poluvodiči bez ispravljačkog djelovanja (foto elementi).
Drugo slovo označava primarnu upotrebu elemenata. Značenje je sljedeće:
A – detektorske, ispravljačke i diode za miješanje;
B – diode sa promjenjivim kapacitetom (varikap diode);
C – NF tranzistori;
D – NF tranzistori snage;
E – tunel dioda;
F – VF tranzistor;
G – kombinirani elementi;
H – elementi osjetljivi na magnetska polja;
K – Hall modulatori i umnožitelji;
L – VF tranzistori snage;
N – Optokapler;
P – elementi osjetljivi na radijacije, svjetlosni detektor;
Q – elementi koji emitiraju radijacije, svjetlosno emitiranje;
R – elementi za električnu kontrolu i okidanje, tiristor, dijak, UJT tranzistor;
S – tranzistori male snage za prekidačke namjene;
T – snažni prekidači i kontrolni elementi, tiristor, trijak;
U – tranzistori za prekidačko napajanje
X – diode za umnožavanje, varikap dioda;
Y – ispravljačke diode i regulatori;
Z – naponski stabilizatori i regulatori, zener dioda;
Opcionalno treće slovo označava da je komponenta namijenjena za industrijsku ili
profesionalnu uporabu. Obično su to slova W, X, Y i Z.
Broj kao treći element oznake, označava registarski broj proizvoda i on može biti
dvocifreni ili trocifreni. Često se iza broja nalazi i još jedno slovo, npr A, koje označava da se
radi o jednoj od varijanti osnovnog tipa, koji se razlikuje po nekom parametru.
Diode za stabilizaciju, ispravljačke diode i tiristori mogu imati dodatna slova i brojeve. Za
zener diode često se iza oznake nalazi slovo koje označava toleranciju:
A - 1%, B - 2%, C - 5%, D - 10% i E - 15%.
Igor Prša, ing. el.
75
76
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Iza ove oznake slijedi broj koji označava nazivni radni napon. Decimalni zarez u ovoj
oznaci je označen sa slovom V.
Npr. BZY 93-C7V5 je oznaka diode za stabilizaciju, koja ima toleranciju 5% i predviđena
je za radni napon 7,5V.
Kod ispravljačkih dioda iza standardne oznake može se nalaziti jedan broj koji označava
maksimalni reverzni napon npr. BYX34-500 je ispravljačka dioda sa reverznim naponom od
500V.
Kod oznake za tiristore dodatni broj označava maksimalni reverzni napon.
Američki sistem (JEDEC - Join Electron Device Engineering Council)
Format: broj, slovo, serijski broj, (sufiks).
Primjer: 2N2222A, 2N904, 1N4148.
Američki proizvođači označavaju poluvodiče sa tri elementa. Prvi element je broj koji
pokazuje broj PN spojeva. Broj 1 označava jedan PN spoj, odnosno to je oznaka za diode.
Broj 2 označava dva PN spoja, odnosno tranzistore. Broj 3 označava tri PN spoja, odnosno
tiristore.
Drugi element je slovo N.
Treći element je broj koji označava pod kojim je element registriran.
Često se iza broja nalaze i slova A, B, C, koja označavaju da se radi o varijanti
osnovnog tipa tranzistora, koji se razlikuje po nekom parametru:
A – malo pojačanje;
B – srednje pojačanje;
C – veliko pojačanje.
Japanski sistem (JEITA - JIS C7012)
Format: broj, dva slova, serijski broj, (sufiks).
Primjer: 2SC65, 2SC1213AC.
Prvi element je broj koji pokazuje broj PN spojeva (1) ili tranzistor (2).
Drugi element se sastoji od dva slova. Prvo slovo je S, koje označava da je to poluvodič.
Drugo slovo ima sljedeće značenje:
A – PNP VF tranzistor;
B – PNP NF tranzistor;
C – NPN VF tranzistor;
D – NPN NF tranzistor;
F – element od silicija;
H – tiristor;
J – P kanalni unipolarni tranzistor;
K – N kanalni unipolarni tranzistor.
Treći element je broj pod kojim je registriran proizvod.
Opcionalno se dodaje sufiks koji označava reviziju osnovnog modela elementa.
Npr. 2SC65 je VF tranzistor NPN tipa, registarski broj 65.
www.etsbi.edu.ba
Označavanje poluvodičkih elemenata
Kao
o što se vidi iako je označavanje
ozna
poluvodičkih
kih komponenti dosta standardizirano s
obzirom na veliki broj tih komponenti najbolji način
na
je ipak korištenje
rištenje kataloga. Na kraju ove
vježbe dati su kataloški podaci za neke komponente koje ćemo
emo koristiti, za svaku
svak novu
komponentu koja se prvi puta koristi potrebno je pronaći
prona i njene kataloške podatke na
internetu te ih priložiti kao dodatak vježbi.
Kućišta poluvodičkih
kih elemenata
Velika većina komponenti je ugrađena u određene
ene tipove kuć
kućišta. Kućišta su,
prvenstveno, neophodna da bi se sama komponenta, odnosno njen funkcionalni dio zaštitio
od vanjskih utjecaja (vlage, temperature, mehaničkih
mehani
oštećenja).
enja). Pored toga, sama kućišta
ku
su tako izvedena da se preko njih komponenta vezuje (lemi)
(lem u određeni
đeni elektroni
elektronički krug.
Drugim riječima, kućišta
išta omogu
omogućuju da se preko njih pričvrste
vrste električni izvodi kojima se
ostvaruje električna
na veza sa drugim komponentama.
Slika 2.1.
1. Različite
Razli
vrste kućišta poluvodičkih
kih dioda i tranzistora.
Često
esto se prema vanjskom izgledu kućišta
ku išta može prepoznati vrsta elektronske
komponente, to se posebno može reći
re i za komponente sa izvodima. Međutim,
Međ
kod SMD
komponenti,, kada su komponente paralelopipednog, odnosno cilindričnog
cilindričnog oblika vrlo je teško
vizualno razlikovati
zlikovati otpornik od kondenzatora, odnosno otpornik ili kondenzator od diode.
Slika 2.2.
2. Usporedba SMD sa klasičnim
klasi
elektroničkim
kim komponentama.
U našem radu ćemo koristiti samo poluvodičke
poluvodi ke komponente u klasičnim
klasi
kućištima.
Izgled kućišta najčešće
će korištenih poluvodičkih
poluvodi kih elemenata je prikazan na sljedećim
sljede
slikama.
Igor Prša, ing. el.
77
78
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
www.etsbi.edu.ba
Označavanje poluvodičkih elemenata
Igor Prša, ing. el.
79
80
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Primjer dokumentacije proizvođača za poluvodički element:
www.etsbi.edu.ba
Označavanje poluvodičkih elemenata
Igor Prša, ing. el.
81
82
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
www.etsbi.edu.ba
Označavanje poluvodičkih elemenata
Zadatak vježbe
•
Redni
broj
Koristi poluvodiče koji su ti dostupni na radnom mjestu. Prepiši oznake se tijela
poluvodiča i protumači oznake u sljedećoj tabeli. Nakon što odrediš značenje
oznaka pronađi odgovarajuću katalošku dokumentaciju za poluvodičke
elemente.
Oznaka poluvodičkog
elementa
Tip poluvodiča
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Osnovni parametri elemenata iz dokumentacije proizvođača:
Igor Prša, ing. el.
83
Poluvodičke diode
Poluvodičke diode
Diode su poluvodičke
čke
ke komponente sastavljene od PN spoja i imaju izvode anodu i
katodu. Struja pozitivnog polariteta može teći
te i samo u jednom smjeru, od anode prema
katodi. U suprotnom smjeru struja neće
ne tećii kod idealne diode, dok u stvarnosti po
postoji mala
struja od nekoliko *+ do nekoliko b+.. Curenje je nepoželjno i što je manje to je bolje. Pošto
diode imaju određeni
eni otpor, napon će lagano pasti kako struja teče
če kroz diodu. Tipi
Tipični pad
napona na diodi je oko 0,6 ] 1 , i to: 0,7 za silicijsku, a 0,3 za germanijsku diodu.
Granični
ni napon i struja se moraju uzeti u obzir, npr. kada se dioda koristi za ispravljanje, ona
mora izdržati reverzni napon kako ne bi došlo do proboja diode.
Slika 2.3. Simboli različitih vrsta poluvodičkih dioda.
Ovisnost struje diode o priključenom
priklju
naponu, odnosno strujno-naponsku
naponsku karakteristiku
(U-II karakteristiku), opisuje Shocklyeyeva jednadžba:
:
:Q ¦
_
_§
] 1¨
Na strujno-naponskoj karakteristici postoje tri područja:
podru
područje
čje zapiranja, područje
podru
vođenja i područje
je proboja. Napon koljena, koji se nekada naziva i napon uklju
uključenja diode, je
onaj napon u području vođenja
đenja u kojem dioda naglo po
počinje
inje voditi struju. Napon koljena ovisi
o materijalu izrade, te iznosi 0,7
0
za silicij, 0,3 za germanij, 1 za galijij-arsenid i 0,2 za
spoj metal-poluvodič.
Slika 2.4. Strujno naponska karakteristika diode.
Igor Prša, ing. el.
85
86
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Najvažniji podaci za poluvodičku
poluvodi
diodu su:
Nominalna propusna (direktna) struja – :‚ je maksimalna dozvoljena trajna struja diode
pri kojoj se ne prekorači
či dozvoljeno zagrijavanje pri nominalnim uvjetima
ima hlađenja.
hlađ
Nominalni propusni (direktni) napon – 8‚ je pad napona na propusno polariziranoj diodi
pri nominalnoj propusnoj struji (0,3
(
za germanij, 0,7 za silicij).
Nominalni nepropusni (zaporni) napon – 8^ je maksimalna vrijednost napona kojeg
nepropusno polarizirana dioda može podnijeti trajno bez opasnosti da će nastupiti proboj.
Nominalna nepropusna (zaporna) struja – :^ je struja koja teče
teč kroz diodu pri
nominalnom reverznom
m naponu 8^ .
Brzina prekidanja – ARR maksimalno vrijeme oporavka kod nepropusne polarizacije.
Slika 2.5. Različiti oblici poluvodičkih dioda
Većina
ina dioda ima valjkast oblik i tada je katoda označena
ena sa prstenom, ukoliko to nije
slučaj na tijelu diode
ode je oznaka elektroda. Ako ne možemo nikako identificirati elektrode po
natpisu ili obliku onda možemo to pokušati instrumentom. Spojimo + kraj instrumenta na
elektrodu za koju pretpostavljamo da je
j anoda, a - kraj na katodu.
Koristimo područje
čje na instrumentu ozna
označeno
eno znakom diode. Instrument će pokazati
napon direktno polariziranog
g PN spoja (za Si diode oko 0,7 ). Ukoliko pretpostavljeni smjer
nije dobar instrument će pokazivati da ne može izmjer
izmjeriti ( I ), tada okrenemo polaritet diode i
ako je dioda ispravna dobiti ćemo traženi napon.
Slika 2.6
6.. Mjerenje napona direktno polariziranog PN spoja.
Pored standardnih dioda postoje i mnoge
mnoge specijalne diode kao što su: zener
z
diode
(Zenerove diode) , LED diode, tunel diode, varikap diode itd. Mi ćemo koristiti zzener diode i
LED diode te ćemo
emo ovdje dati osnovne karakteristike tih dioda.
www.etsbi.edu.ba
Poluvodičke diode
Zener diode isto tako imaju nelinearnu strujno-naponsku karakteristiku, pri čemu je ona
identična običnoj diodi za direktnu polarizaciju a razlikuje se u dijelu reverzne polarizacije. Ta
razlika je osnovna odlika karakteristike zener diode i ona se koristi upravo u ovom dijelu. Na
sljedećoj slici data je tipična karakteristika zener diode i naznačeni su osnovni parametri koji
je određuju.
Slika 2.7. Strujno naponska karakteristika zener diode.
Kao što vidimo bitan nam je zenerov napon 8• , radna struja u oblasti zenerovog napona
:, minimalna :9u© i maksimalna struja u oblasti zenerovog napona :9 l , dinamički otpor S• .
Pored navedenih karakteristika koje su opisane na samom dijagramu važna je još disipacija
snage. Ovaj podatak se nalazi u katalogu i o njemu treba voditi računa kada formiramo
električne krugove sa zener diodama. Jednostavno vodimo računa da radna struja bude
manja od maksimalne, a maksimalnu određujemo iz poznate disipacije snage prema
jednadžbi:
:9
l
œ
=_ .
ª
Kod označavanja zener dioda važan je raspored elektroda i on se označava na isti način
kao kod običnih dioda, i važan je zenerov napon. Zenerov napon se obično ispisuje na tijelo
diode u obliku 6V8 (6,8 ), 12V (12 ) itd.
Slika 2.8. Zener dioda male snage.
Igor Prša, ing. el.
87
88
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Kod LED dioda karakteristika je po obliku ista kao kod ispravljačke
čke diode pri čemu
napon PN spoja u provodnom smjeru zavisi od tipa
tipa LED diode. On se kreće
kreć od 1,5 do 2
što zavisi od boje korištene diode. Kod LED dioda katoda se označava
označava isječ
isječkom na tijelu.
Mi ćemo
emo uglavnom koristiti crvene, zelene i žute LED diode sa 5**
** razmaka među
izvodima elektroda
ektroda i radnom strujom od 10*+.
Testiranje ispravnosti i polarizacije dioda
Kod analognog voltmetra koristi se ljestvica za manji otpor (do 2 Ω).
Ω Obična signalna
dioda ili ispravljačka
ka dioda treba pokazati mali otpor (tipi
(tipično 2/3 ljestvice ili nekoliko stotina
oma) u jednom smjeru, dok u drugom treba pokazati beskonačni
beskona ni otpor. Otpor ne bi trebao
biti blizu 0Ω (kratki spoj) ili u prekidu u oba smjera.
sm
Germanijska dioda će pokazati niži otpor,
zbog nižeg pada napona na njoj.
Slika 2.9.. Ispitivanje ispravnosti diode pomoću
pomo analognog mjernog instrumenta.
Na digitalnom instrumentu, obično
obi
postoji područje
je za ispitivanje dioda. Silicijska
Silicijs dioda
će pri tom pokazati 0,5 do 0,8 u propusnom smjeru i prekid u nepropusnom smjeru.
Germanijeva dioda će pokazati manji napon, između
izme 0,2 i 0,4 u propusnom smjeru.
Većina
ina dioda (99 od 100) su u kratkom spoju kada su neispravne.
Slika 2.10. Ispitivanje ispravnosti diode pomoću
pomo digitalnog mjernog instrumenta.
www.etsbi.edu.ba
Poluvodičke diode
Zadatak vježbe
•
Redni
broj
Koristi diode koje su ti dostupne na radnom mjestu, te utvrdi njihovu ispravnost
na prethodno opisan način. Rezultate ispravnosti unesi u tabelu:
Oznaka
diode
Otpor u
direktnom
smjeru
Otpor u
reverznom
smjeru
[Ω]
[Ω]
Napon
Napon
Ispravnost diode
AK
KA
(da/ne)
[ ]
[ ]
(prekid/kratak spoj)
1.
2.
3.
4.
5.
Skice ispitanih dioda
Igor Prša, ing. el.
89
Strujno-naponska karakteristika diode
Strujno-naponska karakteristika diode
Poluvodičke diode sastoje se od PN strukture, koja se pri priključenom naponu, ponaša
kao električni ventil, odnosno posjeduje ispravljačka svojstva. Dioda je, dakle, neupravljivi
ventil koji se u sklopu ponaša kao nelinearni aktivni otpor, a čija veličina ovisi o polaritetu i
veličini priključenog napona.
Osnovna svojstva diode dana su njenom statičkom strujno-naponskom karakteristikom
koja prikazuje ovisnost struje kroz diodu o priključenom naponu. Osnovni nazivni parametri
diode jesu:
nazivna propusna struja «¬ - maksimalna dopuštena trajna struja diode pri kojoj se ne
prekorači dopušteno zagrijavanje pri nazivnim uvjetima hlađenja.
nazivni propusni napon -¬ - pad napona na propusno polariziranoj diodi pri nazivnoj
propusnoj struji. Za silicijske diode iznosi 0,75 − 1 , a za germanijske diode 0,3 − 0,6 .
nazivni nepropusni ili zaporni napon -® - maksimalna vrijednost napona kojeg može
podnijeti nepropusno polarizirana dioda bez opasnosti od proboja.
nazivna nepropusna ili zaporna struja «® - struja koja teče kroz diodu kod zapornog
napona 8^ .
Zadatak vježbe
•
Izvršiti spajanje ispitne opreme prema shemama za direktan i reverzan smjer
polarizacije diode.
•
Izmjeriti struje i napone pri direktnom i reverznom smjeru polarizacije diode, te
dobivene vrijednosti unijeti u tabelu.
•
Na osnovu tabelarnih vrijednosti nacrtati statičku karakteristiku diode, pri tome pazeći
na pravilan izbor razmjere koordinatnih osa.
•
Odrediti statičku i dinamičku otpornost diode u radnom području za radnu točku
određenu naponom na diodi od 0,75 i izmjeničnim naponom od 0,05 .
•
Odrediti vrijednost napona praga diode.
Slika 2.11. Izbor diode (1N4001) u programu Multisim.
Igor Prša, ing. el.
91
92
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Statički i dinamički otpor diode
U propusnom području kod nekog određenog napona 8f na izvodima diode, kroz diodu
teče neka struja :f . Time je određena statička radna točka diode, kao što je prikazano na
slici.
Slika 2.12. Određivanje statičkog i dinamičkog otpora diode.
U statičkoj radnoj točki mogu se definirati statički otpor diode i dinamički otpor diode.
Statički otpor diode određen je omjerom istosmjernog napona i struje u statičkoj radnoj
točki 5 diode:
SO? =
8f?
:f?
Dinamički otpor diode Ff je otpor koji dioda kao nelinearni element predstavlja
izmjeničnoj struji u nekoj radnoj točki 5. On je definiran kao omjer male promjene napona ∆8
oko radne točke i određene male promjene struje ∆:, koju je prouzrokovala promjena napona
∆8:
Ff =
Za primjer na slici vrijednosti su:
SO? =
Ff =
¯8f
¯:f
8f?
1,2
=
= 0,22|
:f?
5,46+
¯8f 66,2*
=
= 0.045|
¯:f
1,46+
Napon praga otvaranja diode je definiran kao napon u propusnom području pri kome
struja kroz diodu iznosi 1% od maksimalne struje pri direktnoj polarizaciji diode.
www.etsbi.edu.ba
Strujno-naponska karakteristika diode
Direktna polarizacija diode
Slika 2.13. Shema spoja za direktnu polarizaciju diode.
8f [ ]
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
:f [*+]
Slika 2.14. Strujno-naponska karakteristika za direktnu polarizaciju diode.
Igor Prša, ing. el.
93
94
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Reverzna polarizacija diode
Slika 2.15. Shema spoja za reverznu polarizaciju diode.
−8f [ ]
40
45
48
49
49,5
50
50,5
51
51,5
:f [b+]
Slika 2.16. Strujno-naponska karakteristika za reverznu polarizaciju diode.
www.etsbi.edu.ba
52
Strujno-naponska karakteristika zener diode
Strujno-naponska karakteristika zener diode
Zener dioda je dioda koja u radu koristi dio karakteristike koji odgovara reverznim
naponima nešto većim od probojnog napona. Napon koji određuje radnu točku , zove se
zenerov napon. Zener dioda se koristi za stabilizaciju istosmjernog napona, pa je potrebno
da ima što strmiji dio karakteristike za reverzne napone veće od probojnog napona. Pored
toga kako radi u području električnog proboja, ova dioda mora biti građena od takvog
poluvodiča da se u radnom području ne ošteti, tj. da je proces reverzibilan. Također se mora
voditi računa da se ne prekorači maksimalno dozvoljena snaga discipacije. Zener diode
izrađuju se od silicija sa povećanim postotkom primjesa u P i N području. Izrađuju se sa
probojnim naponima od 3 do 150 .
Zadatak vježbe
•
Izvršiti spajanje ispitne opreme prema shemama za direktan i reverzan smjer
polarizacije zener diode.
•
Izmjeriti struje i napone pri direktnom i reverznom smjeru polarizacije zener diode, te
dobivene vrijednosti unijeti u tabelu.
•
Na osnovu tabelarnih vrijednosti nacrtati statičku karakteristiku diode, pri tome pazeći
na pravilan izbor razmjere koordinatnih osa. Posebno obratiti pažnju prilikom crtanja
reverzne karakteristike.
•
Odrediti vrijednost napona praga diode u propusnom području.
•
Odrediti zenerov napon iz strujno-naponske karakteristike u reverznoj polarizaciji.
Slika 2.17. Izbor zener diode (BZX55C5V6) u programu Multisim.
Igor Prša, ing. el.
95
96
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Direktna polarizacija zener diode (BZX55C5V6)
Slika 2.18. Shema spoja za direktnu polarizaciju zener diode.
8• [ ]
0,1
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
:• [*+]
Slika 2.19. Strujno-naponska karakteristika za direktnu polarizaciju zener diode.
www.etsbi.edu.ba
2
Strujno-naponska karakteristika zener diode
Reverzna polarizacija zener diode (BZX55C5V6)
Slika 2.20. Shema spoja za reverznu polarizaciju zener diode.
−8• [ ]
1
2
3
4
5
5,5
5,75
6
6,25
6,5
:• [b+]
Slika 2.21. Strujno-naponska karakteristika za reverznu polarizaciju zener diode.
Igor Prša, ing. el.
97
98
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Direktna polarizacija zener diode (1N4461)
Slika 2.22. Shema spoja za direktnu polarizaciju zener diode.
8• [ ]
0,1
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
:• [*+]
Slika 2.23. Strujno-naponska karakteristika za direktnu polarizaciju zener diode.
www.etsbi.edu.ba
2
Strujno-naponska karakteristika zener diode
Reverzna polarizacija zener diode (1N4461)
Slika 2.24. Shema spoja za reverznu polarizaciju zener diode.
−8• [ ]
1
2
3
4
5
6
6,5
7
7,5
8
:• [b+]
Slika 2.25. Strujno-naponska karakteristika za reverznu polarizaciju zener diode.
Igor Prša, ing. el.
99
Ispravljači
Ispravljači
Ispravljač je elektronički sklop koji služi za pretvaranje izmjenične struje (napona) u
istosmjernu. Najčešće se u ispravljačima koriste poluvodičke diode kao glavni elektronički
elementi kojima se vrši ispravljanje. Osim dioda, koriste se i tiristori.
Pod ispravljanjem izmjenične struje (napona) u istosmjernu često se podrazumijeva i
glađenje (filtraciju, smanjivanje valovitosti) izlaznog napona, te stabiliziranje napona. Često
se u sklopu ispravljača nalazi i transformator koji smanjuje napon na pogodnu vrijednost (na
primjer mrežnih 230 na 15 ).
Slika 2.26. Primjer sheme ispravljača.
Glađenje (filtracija) izlaznog napona
Filtracija izlaznog napona se izvodi s raznim spojevima kondenzatora i zavojnica.
Najjednostavnija filtracija je provedena s jednim kondenzatorom paralelno spojenim na izlaz
ispravljača, dok se za bolje karakteristike ispravljača mogu koristiti L, π ili T LC spojevi.
Slika 2.27. Filtarski spojevi za glađenje ispravljenog napona.
Osnovne karakteristike ovakvih spojeva jest da su oni niskopropusni filtri, tako da se
kondenzatori uvijek spajaju paralelno, a zavojnice serijski.
Igor Prša, ing. el.
101
102
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Tabela 2.1. Osnovne karakteristike filtarskih spojeva. Približni izrazi, gdje je C [bq], R [Ω], L [;].
Tip ispravljača
Filtar na
slici 2.
Poluvalni
Izlazni napon
89 −
a)
b)
Faktor valovitosti
5774
ƒ ∙ Sœ
89 −
c)
d)
10000
∙ 89
ƒ ∙ Sœ
Punovalni
89 − •
Izlazni napon
89 −
0,64 ∙ 89
-
10000
∙ 89
ƒ ∙ Sœ
10000 S
Z ž8
ƒ ∙ Sœ Sœ 9
45611
∙ } ∙ Sœ
ƒH
3,6 ∙ 10
ƒ H ∙ S ∙ Sœ
10000
∙ 89
ƒ ∙ Sœ
89 −
89 − •
10000
∙ 89
ƒ ∙ Sœ
10000 S
Z ž8
ƒ ∙ Sœ Sœ 9
Faktor valovitosti
2887
ƒ ∙ Sœ
1,19
ƒ∙}
5701
∙ } ∙ Sœ
ƒH
1,44 ∙ 10•
ƒ H ∙ S ∙ Sœ
Najčešće se kao filtar koristi elektrolitski kondenzator spojen paralelno sa potrošačem.
Za vrijeme pozitivne poluperiode kondenzator C se puni preko diode D, a za vrijeme
negativne poluperiode kondenzator se prazni preko otpora R. Kondenzator ne dozvoljava
velike varijacije napona na trošilu, na taj način što u sebi akumulira naboj i predaje ga
potrošaču za vrijeme dok dioda ne propušta struju.
Što je kapacitet kondenzatora veći to je i napon valovitosti manji. Napon valovitosti se
definira kao razlika između maksimalne i minimalne vrijednosti ispravljenog napona.
Valovitost
Prilikom ispravljanja i filtriranja napona, nije u moguće u potpunosti potisnuti
komponente izmjeničnog napona, tj. nije moguće dobiti idealni istosmjerni napon, već on ima
neku valovitost. Valovitost je osciliranje vrijednosti napona oko srednje vrijednosti i definira
se kao omjer vrijednosti između dva vrha i srednjeg napona. Valovitost ovisi o tipu
ispravljača (bolja je, naravno, za punovalne ispravljače), upotrjebljenom filtru, te opterećenju
ispravljača.
Slika 2.28. Valni oblici napona na ispravljaču.
Klasične primjene ispravljača su ispravljanje izmjeničnog mrežnog napona za
elektroničke uređaje koji za svoj rad zahtijevaju istosmjerni napon. Ispravljač obično
predstavlja drugi stupanj u realizaciji klasičnih istosmjernih napajanja - iza transformatora, a
prije stabilizatora. Ispravljači se nalaze i kao samostalni uređaj, poznat pod nazivom adapter
(AC/DC pretvarač).
www.etsbi.edu.ba
Poluvalni ispravljači
Poluvalni ispravljači
Poluvalni ispravljač (engl.
engl. halfwave rectifier)
rectifier) je sklop koji služi za propuštanje samo
jedne poluperiode izmjeničnog
čnog napona. Tipičan
Tipi an predstavnik poluvalnih ispravlja
ispravljača je samo
jedna dioda spojena serijski s trošilom. Budućii da propušta samo jednu poluperiodu ulaznog
izmjeničnog napona, učinkovitost
činkovitost ovakvog sklopa je manja od 50%.
Slika 2.29. Poluvalni ispravljač.
Najjednostavniji poluvalni ispravljač
ispravlja se sastoji od elementa sa ispravljačkim
ispravljač
svojstvom poluvodička
ka dioda i mrežnog transformatora. Na izlaz ispravljača
ispravlja a spojen je potroša
potrošač R. Za
vrijeme pozitivne poluperiode, u sekundarnom krugu će tećii struja određena
odre
naponom
sekundara i otporom potrošača.
potrošač Struja teče
e jer je dioda direktno polarizirana tj. anoda je na
višem potencijalu od katode. Kad nastupi negativna poluperioda tada je dioda nepropusno
polarizirana tj. katoda je na višem potencijalu u odnosu na anodu, pa neće
ne
teći struja u
sekundarnom krugu.. Kako dioda provodi samo za vrijeme jedne poluperiode to
t ovakav
ispravljač nazivamo poluvalni ispravlja
ispravljač.
Slika 2.30.. Shema poluvalnog ispravljača
ispravlja a za vježbu, bez kondenzatora i sa kondenzatorom.
Ovaj ispravljač ne možemo upotrijebiti za napajanje elektroničkih uređaja
uređ
koji zahtijevaju
konstantnu vrijednost
st istosmjernog napona. Da bi poboljšali oblik dobivenog istosmjernog
napona, iza diode ubacujemo filtarske elemente, čiji
iji je zadatak da je što mogu
moguće više smanje
trenutne promjene poluvalno ispravljenog napona.
a) napon na izvoru
b) napon nakon diode
Igor Prša, ing. el.
103
104
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
c) napon nakon kondenzatora
d) usporedba napona izvora i napona na potrošaču
potroša
Slika 2.31.. Valni oblici napona kod poluvalnog ispravljača.
ispravlja
Sa slike vidimo da napon ne postoji samo za vrijeme pozitivne poluperiode, tj. kad je
dioda propusno polarizirana. Vrijednost napona na potrošaču
potroša u je umanjena u odnosu na
napon generatora
ra za pad napona na diodi (0,7
(
). Za vrijeme negativne poluperiode dioda je
reverzno polarizirana (jako veliki otpor diode) pa je napon na potrošaču
potrošaču jednak nuli to jest
sav napon izvora je na diodi. Zbog toga moramo voditi računa
ra una da maksimalni napon izvora
bude manji od maksimalno dozvoljenog reverznog napona diode.
Zbog lakšeg proračuna
čuna pretpostavit će
e se da je dioda idealna (nema pada napona na
diodi), što znači da je 89 = 8œ9
.
œ9
Također
er dopuštena vrijednost napona zaporne polarizacije diode mora biti ve
veća od 89 .
Napon na potrošaču je:
0 YA[ = ±
89 2-3YLA[,0 ² A ² E ³
0,E ² A ² 2E
gdje je L
HI
?
Srednja vrijednost ispravljenog napona (istosmjerna komponenta) dana je izrazom:
89
0,318 ∙ 89 0,45 ∙ 8 @ 8fg
E
Efektivna vrijednost napona na potrošaču
potroša je dana izrazom:
8œQR
8œ
Napon na potrošaču
ču može se izraziti:
0
@
89
2
8œQR Z 0œ/
gdje je 0œ/ napon valovitosti na potrošaču.
potroša u. Kako je efektivna vrijednost nesinusoidalnih
veličina
ina jednaka drugom korijenu sume kvadrata vrijednosti pojedinih komponenti:
komponenti
8œ
@
H
H
Z 8œ/
Œ´8œQR
@µ
efektivna
a vrijednost valovitosti je:
8œ/
@
Œ´8œH
Œ
@
H
] 8œQR
µ
1 1
8œ9 ¶ ] H
4 E
0,386 ∙ 8œ9
Kod ispravljača
a napona kvaliteta istosmjernog napona se mjeri faktorom valovitosti
(engl. ripple factor)) koji je jednak omjeru efektivne vrijednosti napona valovitosti i srednje
vrijednosti napona, mjerenih na potrošaču:
potroša
F
8œ/ @
8œQR
0,386 ∙ 8œ9
0,318 ∙ 8œ9
1,21
Poboljšanje oblika izlaznog napona, povećanje
pove anje istosmjerne komponente uz smanjenje
valovitosti, postiže se postupkom filtriranja (glađenja)
(gla enja) ispravljenog napona.
www.etsbi.edu.ba
Poluvalni ispravljači
Slika 2.32. Mjerenje napona valovitosti na osciloskopu.
Iznos napona valovitosti 8Ru
ili izračunati prema izrazu:
možemo očitati na osciloskopu (mjeren od vrha do vrha)
8Ru
=
89
=Ru ∙ S ∙ ƒ
gdje je =Ru frekvencija napona valovitosti koja za poluvalni ispravljač iznosi 50;<, a za
punovalni ispravljač 100;<.
Za ispravljače moguće je definirati i faktor ispravljanja (engl. ratio of retification) koji je
jednak omjeru srednje snage prema ukupnoj snazi predanoj potrošaču:
Fœ =
˜œQR 8œQR
=
˜œ
8œ @
Zadatak vježbe
•
Navesti najveći dopušteni zaporni napon i najveću dopuštenu struju pri propusnoj
polarizaciji za diodu 1N4001.
•
Izračunati srednju vrijednost ispravljenog napona poluvalnog ispravljača bez spojenog
kondenzatora uz napon na sekundarnom namotaju transformatora 8O = 24 .
•
•
Pomoću osciloskopa snimiti napon na potrošaču za različite vrijednosti otpora potrošača
R i kapaciteta kondenzatora C. Za svaku kombinaciju vrijednosti odrediti napon
valovitosti.
Nacrtati valne oblike napona na potrošaču i napona valovitosti za izmjerene vrijednosti.
Tabela 2.2. Rezultati mjerenja.
Napon
izvora
[ ]
Otpornik
R [Ω]
Kondenzator
C [bq]
1.
5
1000
-
2.
5
1000
1
3.
5
1000
470
4.
5
1000
4700
5.
5
10
470
6.
5
10
4700
Redni
broj
Napon na
potrošaču
8œQR [ ]
Napon valovitosti
8Ru [ ]
izračunato
izmjereno
Igor Prša, ing. el.
105
106
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Valni oblici napona na potrošaču.
Valni oblici napona valovitosti prema izmjerenim vrijednostima.
www.etsbi.edu.ba
Punovalni ispravljači
Punovalni ispravljači
Punovalni ispravljač (engl
engl. fullwave rectifier)) je sklop koji služi za propuštanje obje
poluperiode izmjeničnog
nog napona, ali tako da pozitivnu poluperiodu propusti, a negativnu
fazno pomakne za 180° tj. promijeni joj predznak na pona.
Slika 2.33.. Punovalni ispravljač
ispravlja sa dvije diode i transformatorom sa srednjim izvodom.
Punovalni ispravljačč može biti realiziran s dvije diode i transformatorom s dva
sekundarna namotaja. Prilikom pozitivne poluperiode, na gornjem namotaju je također
tako
pozitivna poluperioda, pa vodi dioda D1, dok u drugom slučaju,
čaju, kada je negativna
poluperioda, voditi će dioda D2. Tako se osigurava punovalno ispravljanje izmjeničnog
izmjeni
napona.
Slika 2.34.
2.34 Punovalni ispravljač u mosnom spoju.
Najjednostavniji punovalni ispravljač
ispravlja se sastoji od elementa sa ispravljač
ispravljačkim svojstvom četiri poluvodičke
ke diode vezane u mosnom spoju (Graetzov-om
(Graetzov om spoju) i mrežnog
transformatora. Na izlaz ispravljača
ispravlja spojen je potrošač R. Za vrijeme pozitivne poluperiode
vode diode D1 i D2. Kad nastupi negativna poluperioda tada vode diode D3 i D4. Kroz
potrošač R teče
e ispravljena struja za vrijeme obje poluperiode pa se ovaj ispravlja
ispravljač naziva
punovalni ispravljač.
Slika 2.35.. Shema punovalnog ispravljača
ispravlja a za vježbu, bez kondenzatora i sa kondenzatorom.
Igor Prša, ing. el.
107
108
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Ovaj ispravljač možemo upotrijebiti za napajanje elektroničkih uređaja koji zahtijevaju
konstantnu vrijednost istosmjernog napona. Da bi poboljšali oblik dobivenog istosmjernog
napona, iza diode ubacujemo filtarske elemente, čiji
iji je zadatak da je što mogu
moguće više smanje
trenutne promjene punovalno
no ispravljenog napona.
a) razlika napona izvora i napona nakon dioda
b) napon nakon punovalnog ispravljača
ispravlja
c) filtrirani napon nakon kondenzatora
d) usporedba napona izvora i napona na potrošaču
potroša
Slika 2.36.. Valni oblici napona kod punovalnog ispravljača.
ispravlja
Na slici je prikazan oblik signala na generatoru (AC izvoru) i napon na potrošaču
potroša R.
Amplituda ispravljenog napona je manja od amplitude signala AC izvora za pad napona na
dvije direktno polarizirane diode (2 ∙ 0,7 1,4 ).
Napon na potrošaču,
ču, zanemaruju
zanemarujući pad napona na diodama, je:
0 YA[
|89 sinYLA[|,
0 ² A ² 2E
Srednja komponenta ispravljenog napona (istosmjerna komponenta), uz zanemariv pad
napona na diodama iznosi:
8œQR =
0,637 ∙ 89
H_V
V
I
Efektivna vrijednost napona valovitosti je:
8œ/
@
= Ϋ8
Œ œH
@
H
] 8œQR
µ
0,9 ∙ 8
@
gdje je 89
1 1
8œ9 ¶ ] H
2 E
√2 ∙ 8
@
0,308 ∙ 8œ9
Faktor valovitosti (engl.
engl. ripple factor)
factor iznosi:
F
8œ/ @
8œQR
0,308 ∙ 8œ9
0,637 ∙ 8œ9
0,483
Kao i kod poluvalnih ispravljača
isprav
iznos napona valovitosti 8Ru
osciloskopu (mjeren od vrha do vrha) ili izračunati
izra
prema izrazu:
8Ru
89
=Ru ∙ S ∙ ƒ
možemo očitati
o
na
gdje je =Ru frekvencija napona valovitosti koja za punovalni
punovalni ispravljač iznosi 100;< (u
općem slučaju
aju frekvencija valovitosti je dvostruko ve
veća
a od frekvencije mreže na koju je
punovalni ispravljač spojen).
www.etsbi.edu.ba
Punovalni ispravljači
Zadatak vježbe
•
Navesti najveći dopušteni zaporni napon i najveću dopuštenu struju pri propusnoj
polarizaciji za diodu 1N4007.
•
Izračunati srednju vrijednost ispravljenog napona punovalnog ispravljača bez spojenog
kondenzatora uz napon na sekundarnom namotaju transformatora 8O = 16 .
•
•
Pomoću osciloskopa snimiti napon na potrošaču za različite vrijednosti otpora potrošača
R i kapaciteta kondenzatora C. Za svaku kombinaciju vrijednosti odrediti napon
valovitosti.
Nacrtati valne oblike napona na potrošaču i napona valovitosti za izmjerene vrijednosti.
Tabela 2.3. Rezultati mjerenja.
Napon
izvora
[ ]
Otpornik
R [Ω]
Kondenzator
C [bq]
1.
10
1000
-
2.
10
1000
1
3.
10
1000
47
4.
10
1000
470
5.
10
1000
4700
6.
10
10
-
7.
10
10
47
8.
10
10
470
9.
10
10
4700
Redni
broj
Napon na
potrošaču
8œQR [ ]
Napon valovitosti
8Ru [ ]
izračunato
izmjereno
Igor Prša, ing. el.
109
110
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Valni oblici napona na potrošaču.
Valni oblici napona valovitosti prema izmjerenim vrijednostima.
www.etsbi.edu.ba
Stabilizatori napona
Stabilizatori napona
Stabilizatori su dio istosmjernih izvora napajanja. Nakon transformiranja, ispravljanja i
filtriranja izmjeničnog mrežnog napona, na izlazu ispravljača dobiva se ispravljeni napon. Taj
se napon sastoji od istosmjerne komponente i male izmjenične komponente napona
valovitosti, koja je posljedica nesavršenog filtriranja ispravljenog napona. Istosmjerna
komponenta može se mijenjati zbog promjene mrežnog napona i promjene opterećenja.
Zadaća stabilizatora je svesti te promjene na minimum. Također stabilizator dodatno
prigušuje izmjeničnu komponentu napona valovitosti.
Stabilizator se može prikazati blok-shemom na slici 2.37. Ulazni napon stabilizatora 0_~
je izlazni napon ispravljača i sadrži promjenjivu istosmjernu komponentu napona 8_~ i
izmjenični napon valovitosti 0e / . Na izlaz stabilizatora priključuje se realno trošilo, koje se
nadomjesti promjenjivim otporom S? .
Slika 2.37. Blok shema stabilizatora napona.
Nijedan stabilizator nije idealan i napon na njegovom izlazu mijenja se s promjenom
radnih uvjeta: ulazni napon, struja trošila i temperatura.
Osnovne značajke stabilizatora napona jesu:
-
područje vrijednosti napona koji se može dovesti na ulaz a da izlazni napon
ostane u zadanim granicama,
vrijednost izlaznoga napona,
dopušteno odstupanje izlaznoga napona,
vrijednost struje kojom se može opteretiti stabilizator, tj. izlazna struja.
Učinkovitost stabilizatora napona iskazuje se pomoću sljedećih parametara:
-
faktor stabilizacije,
izlazni otpor,
temperaturni koeficijent,
faktor potiskivanja brujanja.
Faktor stabilizacije je omjer promjene izlaznoga napona i promjene ulaznoga napona
koja uzrokuje promjenu izlaznoga napona uz stalnu vrijednost struje opterećenja i
temperature okoline:
q€ =
∆8U•
∆8_~
Prema gornjoj definiciji, za dobar stabilizator faktor stabilizacije treba biti što manji broj
kako bi za određenu promjenu ulaznoga napona bila što manja promjena izlaznoga. Stoga
se ponekad faktor stabilizacije definira kao omjer promjene ulaznoga napona i njome
izazvane promjene izlaznoga napona. U tom slučaju faktor stabilizacije mora biti što veći
broj.
C=
∆8_~
∆8U•
Igor Prša, ing. el.
111
112
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Izlazni otpor stabilizatora je omjer promjene izlaznoga napona i promjene struje
opterećenja stabilizatora koja uzrokuje promjenu izlaznoga napona uz stalnu vrijednost
ulaznoga napona i temperature okoline:
SU• =
∆8U•
∆:U•
Temperaturni koeficijent (engl. temperature coefficient of output voltage) omjer je
promjene izlaznoga napona i promjene temperature okoline koja je izazvala promjenu
izlaznoga napona uz stalnu vrijednost ulaznoga napona i struje opterećenja. Iskazuje se u
milivoltima po Celzijevu stupnju:
∆8U•
∆5
Faktor potiskivanja brujanja (engl. ripple rejection) omjer je vrijednosti napona
brujanja (izmjenična komponenta ispravljenoga napona) od vrha do vrha na ulazu i
vrijednosti napona brujanja od vrha do vrha na izlazu stabilizatora izražen u decibelima.
5
=
qp = 20 –
8Ru
8Ru
»ˆ
¼ª
Referentni element
Osnovni element stabilizatora je referentni element. To je element na kojem se
uspostavlja stalni napon, po mogućnosti neovisan o radnim uvjetima kao što su promjena
struje, temperature i slično. Kao jednostavan, ali vrlo djelotvoran referentni element u
stabilizatorima se najčešće koristi zenerova dioda. To je pn-dioda koja radi u području
proboja, kako je to prikazano na slici 2.38. U proboju, probojni zenerov napon 8• praktički je
stalan i vrlo se malo mijenja sa strujom. Zenerova dioda koristi se pri zapornoj polarizaciji i
zenerov napon 8• suprotnog je polariteta od polariteta propusno polarizirane diode 8œ . Iz
istih je razloga smjer struje zenerove diode :• suprotan smjeru struje propusno polarizirane
diode :f .
Slika 2.38. Simbol i strujno-naponska karakteristika zener diode.
Zenerove diode označuju se posebnim električkim simbolom, prikazanim na slici 2.38.
Izvode se za niz različitih napona. Uz zenerov napon, bitan parametar zenerove diode je
dinamički otpor
F• =
∆8•
∆:•
definiran kao recipročna vrijednost nagiba karakteristike u području proboja. Dinamički
otpor treba biti što manji.
www.etsbi.edu.ba
Stabilizatori napona
Temperaturni koeficijent zenerove diode ukazuje kako se i koliko mijenja zenerov napon
s promjenom temperature. Zenerove diode su najčešće diode s lavinskim probojem, pa je
temperaturni koeficijent pozitivan, što znači da zenerov napon raste s temperaturom. Ima i
zenerovih dioda, koje su temperaturno kompenzirane. Njihov je temperaturni koeficijent
znatno smanjen.
Za ispravan rad diode kao referentnog elementa kroz zenerovu diodu mora teći
minimalna struja :•9u© dovoljno velika da se izbjegne koljeno karakteristike u proboju i da se
dosegne zenerov napon. Maksimalna struja zenerove diode :•9 l ograničena je
maksimalnom disipacijom snage ˜•9 l , koja ovisi o izvedbi diode, tipu kućišta i eventualno
dodanom hladilu.
Stabilizator sa zener diodom
Najjednostavnija izvedba stabilizatora prikazana je na slici 2.39. Na ulaz stabilizatora
dovodi se nestabilizirani napon iz ispravljača označen 0_~ . Na izlaz se priključuje trošilo
promjenjivog otpora S? . Između ulaza i izlaza stabilizatora spojen je otpornik S> , a paralelno
izlazu spojena je zenerova dioda ‹.
Slika 2.39. Stabilizator sa zenerovom diodom.
Da bi se na zenerovoj diodi uspostavio zenerov napon 8• istosmjerni ulazni napon 8_~
mora biti veći od izlaznog stabiliziranog napona. Zenerov napon ujedno je i izlazni napon 8U•
stabilizatora. Razlika ulaznog i izlaznog napona je na otporniku S> . Padom napona na
otporniku S> određena je struja :> kroz taj otpornik
:> =
8_~ − 8U• 8_~ − 8•
=
S>
S>
Struja :> dijeli se na struju zenerove diode :• i izlaznu struju trošila :U•
pri čemu je struja trošila
:> = :• Z :U•
:U• =
8U• 8•
=
S? S?
Princip stabilizacije je održavanje izlaznog napona stabilnim, tj. što manje ovisnim o
promjeni radnih uvjeta kao što su promjena ulaznog napona ili promjena otpora trošila. Ako
se promijeni ulazni napon, promijenit će se pad napona na otporniku S> a time i njegova
struja :> . Zenerova dioda održava stalni napon 8• , a time i stalni izlazni napon 8U• .
Ako se nije promijenio otpor trošila S? , nije s promijenila ni njegova struja. U tom se
slučaju struja zenerove diode :• mijenja s promjenom struje :> . Izlazni napon ostat će
nepromijenjen u onolikoj mjeri koliko se napon zenerove diode 8• ne mijenja s promjenom
struje :• .
Ukoliko se uz nepromijenjeni ulazni napon promijeni trošilo, tj. njegov otpor S? , uz stalni
napon 8U• = 8• promijeniti će se izlazna struja :U• . Kako se nije promijenio pad napona na
otporniku S> , nije se promijenila ni struja :> , tako da se izlazna struja :U• mijenja na račun
Igor Prša, ing. el.
113
114
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
promjene struja zenerove diode :• .
Promjenom radnih uvjeta mijenja se struja zenerove diode :• . Pri projektiranju
stabilizatora treba osigurati da uz poznate promjene ulaznog napona 8_~ i otpora trošila S?
struja zenerove diode ostane u intervalu :•9u© < :• < :•9 l , gdje je :•9u© minimalna struja
određena koljenom karakteristike diode, a :•9 l je maksimalna struja određena
maksimalnom dozvoljenom disipacijom snage. Osiguravanje struje zenerove diode potrebne
za ispravan rad stabilizatora postiže se podešavanjem iznosa otpora S> .
Serijski tranzistorski stabilizator
U stabilizatoru sa zenerovom diodom dioda je jako opterećena. Budući da se
stabilizatori projektiraju za veće izlazne struje, velika struja teče i kroz diodu uvjetujući na njoj
veliku disipaciju snage. Disipacija snage diode znatno se smanjuje u serijskom
tranzistorskom stabilizatoru prikazanom na slici 2.40. Stabilizator se zove serijski, jer je
element koji služi za stabilizaciju, bipolarni tranzistor, spojen u seriju s izlaznim priključcima.
Tranzistor prati i preuzima na sebe promjene ulaznog napona i opterećenja na izlazu, pri
čemu se na izlazu održava stabilan napon.
Slika 2.40. Serijski tranzistorski stabilizator napona.
Istosmjerni izlazni napon stabilizatora manji je od napona zenerove diode za napon
spoja baza-emiter tranzistora:
8U• = 8• − 8p½
Napon 8p½ malo se mijenja sa strujom i jednak je naponu koljena propusno
polariziranog spoja baza-emiter.
Ulazni napon 8_~ mora biti veći od napona zenerove diode 8• , kako bi dioda radila u
području proboja. Razlika ulaznog napona 8_~ i napona zenerove diode 8• uspostavlja pad
napona na otporniku S> , kojim se regulira struja tog otpornika
:> =
8_~ − 8•
S>
Pad napona na otporniku S> zaporno polarizira spoj kolektor-baza tranzistora i
osigurava njegov rad u normalnom aktivnom području.
Struja :> dijeli se na struju zenerove diode i baznu struju tranzistora
:> = :• Z :p
Izlazna struja je emiterska struja tranzistora i za rad tranzistora u normalnom aktivnom
području vrijedi
:• = Y1 Z ¾[:p
www.etsbi.edu.ba
Stabilizatori napona
pa se za izlazni napon može pisati
8U• = :• S? = Y1 Z ¾[:p S?
Rad serijskog tranzistorskog stabilizatora sličan je radu stabilizatora sa zenerovom
diodom. Dobar rad ovisi o nepromjenjivosti napona 8• i 8p½ sa strujama zenerove diode :• i
bazne struje tranzistora :p . Pri promjeni ulaznog napona 8_~ mijenja se struja :> . Ako se ne
mijenja otpor trošila S? , uz stalan izlazni napon 8U• = 8• − 8p½ ne mijenja se izlazna struja
:U• , ne mijenja se ni bazna struja tranzistora :p , pa promjenu struje :> preuzima zenerova
dioda. Promjena otpora trošila mijenja izlaznu struju :U• , a s njom i baznu struju tranzistora :p .
Ako se pri tome ne mijenja ulazni napon 8_~ , uz stalni napon 8• ne mijenja se ni struja :> .
Bazna struja tranzistora mijenja se na račun promjene struje zenerove diode.
Promjenom radnih uvjeta mijenja se struja zenerove diode :• . Uz poznate promjene
ulaznog napona 8_~ i otpora trošila S? za ispravan rad stabilizatora treba osigurati da struja
zenerove diode ne bude manja od struje :•9u© određene naponom koljena probojne
karakteristike, niti veća od struje :•9 l , određena maksimalnom dozvoljenom disipacijom
snage.
U serijskom tranzistorskom stabilizatoru tranzistor preuzima disipaciju snage. Izlazna
struja je emiterska struja tranzistora. Zenerova dioda spojena je u krug baze i kroz nju teče
praktički ¾ puta manja struja u odnosu na struju koja teče kroz zenerovu diodu u stabilizatoru
sa zenerovom diodom. To je bitna prednost. Uloga zenerove diode u stabilizatoru je
održavanje referentnog napona, što se lakše postiže ako dioda radi s manjim snagama i
manje se grije.
Integrirane izvedbe stabilizatora
Postoji veliki broj različitih tipova integriranih stabilizatora. Mogu se svrstati u četiri
skupine: stabilizatori opće namjene, stabilizatori stalnoga izlaznog napona s tri izvoda,
stabilizatori podesivoga izlaznog napona s tri i četiri izvoda i impulsni stabilizatori.
Stabilizatori opće namjene (engl. general purpose precision multi-terminal regulators),
mogu poslužiti za gradnju velikog broja različitih izvedbi stabiliziranih izvora napona
napajanja. Ulazni napon može im se kretati u širokom rasponu, a dodavanjem vanjskih
elemenata može se dobiti izlazni napon također u širokom rasponu. Kao primjer može se
navesti integrirani sklop poznat pod oznakom 723.
Stabilizatori stalnoga izlaznog napona s tri izvoda (engl. fixed voltage three-terminal)
daju na izlazu stalan napon određene vrijednosti. Proizvode se serije s različitim iznosima
koji se najčešće upotrebljavaju.
Kod stabilizatora podesivoga izlaznog napona s tri i četiri izvoda (engl. adjustable
voltage three and four terminal) iznos izlaznoga napona određuje se vrijednostima otpora
dijelila koje se dodaje izvana.
Kod serijskih stabilizatora napona serijski element (tranzistor) djeluje kao promjenljivi
otpor koji na sebe preuzima promjene ulaznog napona. Ovisno o razlici ulaznoga i izlaznog
napona te struji opterećenja na serijskom tranzistoru može doći do znatnog utroška snage
(engl. power disipation). Stoga je stupanj iskoristivosti (odnos snage predane trošilu i
snage privedene iz izvora, engl. efficiency) kod serijskih stabilizatora vrlo nizak, često ispod
20%.
Primjenom impulsnih stabilizatora napona (engl. switching regulators) moguće je
smanjiti utrošak snage na serijskom tranzistoru te ga učiniti gotovo neovisnim o razlici
ulaznoga i izlaznog napona i tako povećati stupanj iskoristivosti iznad 75%.
Osnovne karakteristične veličine integriranih izvedbi stabilizatora jesu: područje
vrijednosti ulaznih napona (engl. input voltage range), vrijednosti napona koje se mogu dobiti
na izlazu (engl. output voltage range), moguća odstupanja izlaznoga napona (engl. output
Igor Prša, ing. el.
115
116
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
voltage tolerance), vrijednost struje kojom se može opteretiti stabilizator, tj. izlazna struja
(engl. output current), naponski faktor stabilizacije (engl. line regulation), opteretni faktor
stabilizacije, (engl. load regulation), temperaturni koeficijent (engl. temperature coefficient of
output voltage) i faktor potiskivanja brujanja (engl. ripple rejection).
Naponski faktor stabilizacije je promjena izlaznoga napona uz zadanu promjenu
ulaznoga napona. Iskazuje se u milivoltima ili postotku promjene izlaznoga napona.
Opteretni faktor stabilizacije je promjena izlaznoga napona uz zadanu promjenu struje
trošila. Iskazuje se također u milivoltima ili postotku promjene izlaznoga napona.
Temperaturni koeficijent i faktor potiskivanja napona brujanja definiraju se na isti
način kao kod serijskoga tranzistorskog stabilizatora.
Stabilizatori stalnog napona sa tri izvoda
Kao tipični predstavnici stabilizatora stalnog napona s tri izvoda mogu se uzeti
stabilizatori serije 78XX za pozitivne vrijednosti, odnosno 79XX za negativne vrijednosti.
Veličinu izlaznog napona označavaju znamenke XX. Izlazi tih stabilizatora mogu se opteretiti
strujom od 1+. Kod većih opterećenja djeluje unutrašnja zaštita.
Slika 2.41. Integrirani stabilizatori napona sa tri izvoda.
Integrirani stabilizatori podesivog napona s tri izvoda
Izlazni napon integriranih stabilizatora podesivog napona s tri izvoda ovisi o
vrijednostima izvana dodanih otpornika:
8U• = 8R
@
•1 Z
SH
ž Z :hf† SH
S>
8R @ je napon koji vlada između izvoda integriranog sklopa na koje se spaja otpornik S> .
Za sklop s oznakom LM317 8R @ iznosi 1,25 . :hf† je struja koja iz integriranog sklopa teče
kroz otpor SH . Tipična vrijednost za tu struju je 50b+.
Slika 2.42. Integrirani stabilizator podesivog napona s tri izvoda (LM317).
Dopušteni ulazni napon sklopa LM317 je 35 . radi smanjenja utjecaja prijelaznih pojava
dodaju se paralelno ulazu i izlazu kondenzatori kapaciteta nekoliko stotina nanofarada.
www.etsbi.edu.ba
Stabilizatori napona
Zadatak vježbe
Slika 2.43. Shema serijskog tranzistorskog stabilizatora za vježbu.
•
Odredite izlazne vrijednosti napona stabilizatora sa slike za vrijednosti ulaznog napona
koje su zadate u tabeli 2.4.
Tabela 2.4. Rezultati mjerenja.
8_~ [ ]
8U• [ ]
•
•
2
4
5
6
7
8
9
10
12
Grafički prikažite ovisnost izlaznog napona o promjenama ulaznog napona. Pomoću
grafičkog prikaza ovisnosti odredite faktor stabilizacije za promjenu ulaznog napona za
±2 od vrijednosti 10 .
Izmjerite vrijednosti izlaznog napona i struje kroz trošilo za vrijednosti otpora trošila S?
koje su zadate u tabeli 2.5, kada je na ulaz priključen izvor istosmjernog napona od 15 .
Grafički prikažite ovisnost izlaznog napona o promjenama opterećenja.
Igor Prša, ing. el.
117
118
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Tabela 2.5. Rezultati mjerenja.
S? [|]
8U• [ ]
10
27
33
47
56
68
100
:? [+]
•
Kolika će struja teći kroz tranzistor u slučaju kratkog spoja na izlazu stabilizatora? Prelazi
li vrijednost te struje iznos dopuštene struje kolektora tranzistora?
•
Osciloskopom izmjerite napon brujanja na ulazu i izlazu stabilizatora na slici 2.44 uz
ulazni napon od 15 i priključeni otpor tereta od 47Ω. Na temelju izmjerenih napona
brujanja izračunajte faktor potiskivanja napona brujanja.
Slika 2.44. Punovalni ispravljač sa serijskim tranzistorskim stabilizatorom napona.
www.etsbi.edu.ba
Stabilizatori napona
qp =
•
Izračunajte vrijednosti izlaznog napona stabilizatora napona sa slike 2.45. ako su
vrijednosti otpora S> = 220| i SH = 1,5 |.
Slika 2.45. Punovalni ispravljač sa integriranim stabilizatorom napona LM317.
8U• =
•
Izmjerite vrijednosti izlaznog napona i struje kroz trošilo za vrijednosti ulaznog napona
zadanih u tabeli 2.6.
Tabela 2.6. Rezultati mjerenja.
8_~ [ ]
8U• [ ]
9
10
11
12
13
14
15
:? [+]
•
Grafički prikažite ovisnost izlaznog napona o promjenama ulaznog napona. Pomoću
grafičkog prikaza ovisnosti odredite faktor stabilizacije za promjenu ulaznog napona za
±2 od vrijednosti 12 .
Igor Prša, ing. el.
119
120
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
•
Izmjerite vrijednosti izlaznog napona i struje kroz trošilo za vrijednosti otpora trošila S?
koje su zadate u tabeli 2.7, kada je na ulaz priključen izvor istosmjernog napona od 15 .
Grafički prikažite ovisnost izlaznog napona o promjenama opterećenja.
Tabela 2.7. Rezultati mjerenja.
S? [|]
8U• [ ]
:? [+]
www.etsbi.edu.ba
10
27
33
47
56
68
100
Bipolarni tranzistori
Bipolarni tranzistori
Tranzistori su poluvodičke komponente kod kojih se izlaz može kontrolirati signalom na
jednoj ili više ulaznih elektroda u obliku struje kroz spoj baza-emiter (bipolarni tranzistor) ili s
naponom na ulaznoj elektrodi Gate (kod tranzistora sa efektom polja – FET). Većina
tranzistora je izrađena od silicija i imaju tri izvoda: bazu emiter i kolektor.
U osnovi, tranzistori se klasificiraju prema materijalu od kojeg su izrađeni (germanij Ge
ili silicij Si) i prema njihovom polaritetu (PNP li NPN). Unutar tih kategorija postoji vrlo širok
raspon tipova: opća namjena, za linearne ili prekidačke (switching) aplikacije do 3,;< i
disipacije do 500*r; tranzistor snage, njihova tipična primjena je u izlaznim stupnjevima
audio pojačala, čija je glavna karakteristika sposobnost da disipiraju toplinu; zatim tu su
visokonaponski tipovi, npr u RGB izlaznim stupnjevima koji pogone katodnu cijev, i u
kombinaciji s visokom snagom u switching napajanjima i otklonskom snopu, visokofrekventni
tranzistori s kratkim prijelaznim vremenom i često niskošumnim karakteristikama za primjenu
VHF, UHF, SHF prijemnom dijelu. Darlington tranzistor koji ma vrlo veliko pojačanje snage,
prekidački tranzistori za brze impulse ili logičke signale, komplementarni parovi – usklađeni
NPN/PNP tranzistori koji se koriste u audio klasi B, za pojačanje snage.
Slika 2.46. Primjeri kućišta tranzistora male snage sa označenim izvodima.
Igor Prša, ing. el.
121
122
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Slika 2.47. Primjeri kućišta tranzistora velike snage sa označenim izvodima.
Ispitivanje tranzistora
Digitalni instrument se može iskoristiti kao da se na brz i jednostavan način provjeri jesu
li spojevi tranzistora otvoreni ili kratko spojeni. Za ovaj test možemo promatrati tranzistor kao
spoj dvije diode kao što je prikazano na slici i za PNP i NPN tranzistore. Spoj baza-kolektor
je jedna dioda i spoj baza-emiter je druga dioda.
Slika 2.48. Zamjenski model tranzistora prilikom ispitivanja ispravnosti.
Ispravna je ona dioda koja će pokazati jako veliki otpor (otvorena dioda) kada je dioda
reverzno polarizirana i jako mali otpor kada je dioda direktno polarizirana. Neispravna
otvorena dioda će pokazati jako veliki otpor i za direktnu i za reverznu polarizaciju.
Neispravna kratko spojena dioda će pokazati otpor nula ili jako mali otpor za direktnu i
reverznu polarizaciju.
Mnogi digitalni instrumenti imaju položaj preklopnika za testiranje dioda koji
omogućavaju provedbu testa za ispravnost tranzistora. Kada je instrument postavljen u
položaj za testiranje dioda on daje unutarnji napon koji je dovoljan za reverznu i direktnu
polarizaciju tranzistorskih spojeva. Mnogi instrumenti imaju različit unutrašnji napon, ali 2,5
do 3,5 je tipičan opseg vrijednosti napona.
www.etsbi.edu.ba
Bipolarni tranzistori
Direktno polariziran spoj baza-emiter
Direktno polariziran spoj baza-kolektor
Neispravan tranzistor prekid B-E ili B-C
Reverzno polariziran spoja baza-emiter
Reverzno polariziran spoj baza-kolektor
Neispravan tranzistor kratak spoj B-E ili B-C
Slika 2.49. Ispitivanje tranzistora pomoću digitalnog mjernog instrumenta.
Igor Prša, ing. el.
123
124
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Stanje kada je tranzistor ispravan. Na slici 2.49a, crvena (pozitivna) sonda instrumenta
je spojena na bazu NPN tranzistora, a crna (negativna) sonda je spojena na emiter tako da
je spoj baza – emiter direktno polariziran. Ako je spoj dobar instrument će pokazati napon
između 0,5 i 0,9 , dok je napon od 0,7 tipičan napon za direktnu polarizaciju.
Na slici 2.49b sonde su zamijenile mjesta tako da je spoj baza-emiter reverzno
polariziran. Ako tranzistor radi ispravno, instrument će pokazati očitanje napona koga stvara
unutrašnji izvor napona. Napon od 2,6 predstavlja tipičnu vrijednost koja predstavlja da
spoj ima jako veliki otpor. Postupak za provjeru spoja baza-kolektor se ponavlja kao što je
prikazano na slici 2.49c i 2.49d.
NAPOMENA: Za PNP tranzistor polaritet sondi je suprotan za svaki test.
Stanje kada je tranzistor neispravan. Kada tranzistor ima grešku da je spoj otvoren, tada
će se dobiti napon otvorenog kruga (2,6 je tipični napon za mnoge instrumente) i za
direktnu i reverznu polarizaciju tog spoja kao što je prikazano na slici 2.49e. Ako je spoj
kratko spojen instrument će pokazati 0 za direktnu i reverznu polarizaciju tog spoja, kao što
je prikazano na slici 2.49f. Ponekad oštećeni spoj može imati mali otpor za obje polarizacije
spoja umjesto čiste nule. U tom slučaju, instrument će pokazati mali napon koji je manji od
napona za otvoren krug. Na primjer, takav spoj tranzistora će dati očitanje na instrumentu od
1,1
za obje polarizacije umjesto 0,7 za direktnu polarizaciju i 2,6 za reverznu
polarizaciju.
NAPOMENA: Za PNP tranzistor polaritet sondi je suprotan za svaki test.
Provjera ispravnosti tranzistora sa ommetrom.
Digitalni instrumenti koji nemaju mogućnost provjere tranzistora sa testom za diode
mogu se upotrijebiti za testiranje jesu li spojevi tranzistora otvoreni ili kratko spojeni,
postavljanjem instrumenta u funkciju za mjerenje otpora. Za direktno polarizirani PN spoj kod
dobrog tranzistora dobije se otpor koji se kreće od nekoliko stotina oma do nekoliko hiljada
oma (ovaj otpor će zavisiti od baterije koja se nalazi u instrumentu). Za reverzno polariziran
PN spoj kod ispravnog tranzistora dobije se otpor koji je izvan opsega (beskonačan otpor).
Slika 2.50. Ispitivanje ispravnosti tranzistora pomoću analognog ommetra.
Ako je otpor izvan opsega to znači da je reverzni otpor veoma veliki, kao što i
očekujemo. Ako je otpor nekoliko stotina ili nekoliko hiljada oma za direktnu polarizaciju
spoja to znači da je otpor mali u usporedbi sa otporom reverzno polariziranog spoja.
www.etsbi.edu.ba
Bipolarni tranzistori
Ispitivanje i određivanje elektroda tranzistora
Ako ne znamo raspored pojedinih priključaka tranzistora, potrebno je najprije sa
ommetrom pronaći koja je elektroda baza (baza je vodljiva prema ostalim elektrodama u
jednom smjeru, a u drugom je nevodljiva). Zatim ispitamo dali je tranzistor NPN ili PNP tipa.
Za ovo određivanje, pomoći ćemo se shemom tranzistora sa ekvivalentnim diodama.
PNP tip tranzistora (ommetar na mjerno područje x 100 Ω)
Kada smo pronašli bazu tranzistora, ommetar priključimo između nepoznatih elektroda,
a između baze i negativnog priključka ommetra (crvena žica), priključimo otpornik od
približno 45 Ω. Ako ommetar pokaže vrijednost od 1 − 3 Ω. Znači da je plus pol ommetra
(crna žica) priključena na emiter, a minus (crvena žica) na kolektor.
NPN tip tranzistora (ommetar na mjerno područje x 100 Ω)
Kad smo pronašli bazu tranzistora, ommetar priključimo između nepoznatih elektroda, a
između baze i pozitivnog priključka (crna žica) ommetra priključimo otpornik od približno
45 Ω. Ako ommetar pokaže vrijednost od 1 − 3 Ω, znači da je minus pol ommetra (crvena
žica) priključen na emiter, a plus pol (crna žica) na kolektor.
Ukoliko pokazane vrijednosti prelaze preko gornjih granica vrijednosti otpora, priključke
valja zamijeniti i mjerenje ponoviti.
Zadatak vježbe
•
Odrediti, skicirati i označiti elektrode bipolarnih tranzistora koji su dati na radnom
mjestu.
•
Ispitati ispravnost bipolarnih tranzistora pomoću digitalnog i/ili analognog
instrumenta koristeći tabele.
Igor Prša, ing. el.
125
126
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Tabela 2.8. Ispitivanje ispravnosti bipolarnih tranzistora pomoću digitalnog instrumenta.
Redni
broj
Tip
tranzistora
8p½ [ ]
direktno
reverzno
8pg [ ]
direktno
reverzno
Ispravnost
Napomena
Da/Ne
1.
2.
3.
4.
5.
Tabela 2.9. Ispitivanje ispravnosti bipolarnih tranzistora pomoću ommetra.
Redni
broj
Tip
tranzistora
Sp½ [ Ω]
direktno
1.
2.
3.
4.
5.
www.etsbi.edu.ba
reverzno
Spg [ Ω]
direktno
reverzno
Ispravnost
Da/Ne
Napomena
Strujno naponske karakteristike bipolarnih tranzistora
Strujno naponske karakteristike bipolarnih tranzistora
Bipolarni tranzistor sastoji se od tri poluvodička
poluvodi ka sloja na koja su priklju
priključene metalne
elektrode. Slojevi i elektrode nazivaju se baza (B), emiter (E) i kolektor (C). S obzirom na
raspored poluvodičkih
kih slojeva tranzistori mogu biti NPN ili PNP tipa.
Budući da tranzistor
istor ima tri elektrode, jedna se upotrebljava kao ulazna, druga kao
izlazna, a treća je zajednička
čka
ka ulaznom i izlaznom strujnome krugu. Zajedni
Zajednička elektroda
može biti bilo koja pa se u praksi primjenjuju sva tri načina
na ina spajanja tranzistora: spoj
zajedničkog emitera, spoj zajedničke
zajedni
baze i spoj zajedničkoga
koga kolektora.
kolektora Svaki spoj ima
svoje osobitosti koje ga čine prikladnim za odre
određene
ene svrhe. U praksi se najčešće
naj
upotrebljava spoj zajedničkog
čkog emitera pa će
e na njemu biti pokazana osnovna svojstva i
primjene bipolarnih tranzistora.
Za praktičnu
nu primjenu tranzistora potrebno je poznavati odnose između
izmeđ
izme pojedinih struja i
napona tranzistora. Proizvođači
Proizvođači tranzistora daju za svaki tip i osnovni spoj tzv. statičke
karakteristike iz kojih se vide omjeri pojedinih struja
struja i napona tranzistora. Karakteristike
pojedinoga tipa tranzistora čine
ine srednju vrijednost velikoga broja karakteristika istovrsnih
tranzistora. Karakteristike pojedinih primjeraka istoga tipa tranzistora mogu jako odstupati od
tipične karakteristike. Za praktičnu
prakti
primjenu najvažnije su ulazne, prijenosne i izlazne
karakteristike tranzistora.
Ulazne karakteristike tranzistora u spoju zajedničkog
zajedni kog emitera
Slika 2.51.
1. Snimanje ulaznih karakteristika tranzistora u spoju zajedničkog
zajedničkog emitera.
Ulazne karakteristike
istike tranzistora pokazuju međusobnu
me usobnu ovisnost struje baze :p i napona
između baze i emitera 8p½ uz stalan napon 8g½ . Iz karakteristika se vidi da struja baze
počinje teći tek kad napon 8p½ ima određeni iznos (za silicijske
jske tranzistore to je oko 0,5 ).
Promjena napona 8g½ vrlo malo utječe
utje na iznos struje :p .
Igor Prša, ing. el.
127
128
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Slika 2.52.
2. Ulazne karakteristike tranzistora u spoju zajedničkog
zajedni kog emitera.
Omjer napona 8p½ i pripadne struje :p istosmjerni je otpor između
izmeđ baze i emitera
tranzistora Sp½ . Njega treba razlikovati od otpora za izmjeničnu
izmjeničnu struju koji se naziva
dinamički ulazni otpor FÀ (engl.
engl. small-signal
small
input impedance) koji se često označava
ozna
s ℎu .
Dinamički
ki ulazni otpor može se dobiti iz ulaznih karakteristika tranzistora kao omjer male
promjene napona između
đu baze i emitera 8p½ i time izazvane male promjene struje baze :p . S
obzirom na zakrivljenost ulazne karakteristike otpor mijenjat će
e se s promjenom struje baze
:p .
Prijenosne karakteristike u spoju zajedničkog
zajedni
emitera
Slika 2.53.
3. Snimanje prijenosnih karakteristika tranzistora u spoju zajedničkog
zajedni
zajednič
emitera.
Prijenosne karakteristike prikazuju međusobni
me usobni odnos struje kolektora :g i struje baze :p
uz stalan napon 8g½ . Prijenosne karakteristike tranzistora pokazuju da struja kolektora :g
jako ovisi o struji baze :p . Što je struja baze veća,
ve
veća
a je i struja kolektora.
www.etsbi.edu.ba
Strujno naponske karakteristike bipolarnih tranzistora
Slika 2.54. Prijenosna karakteristika tranzistora u spoju zajedničkog emitera.
Iz prijenosne karakteristike tranzistora vidi se da mala promjena ulazne struje, tj. struje
baze :p uzrokuje znatnu promjenu izlazne struje, tj. struje kolektora :g , što znači da je
tranzistorom moguće postići strujno pojačanje. Omjer struje kolektora :g prema struji baze :p
uz stalan napon 8g½ naziva se faktor istosmjernoga strujnoga pojačanja (engl. DC current
gain) i označava s ℎ‚½ ili B. Omjer promjene struje kolektora :g i promjene struje baze :p koja
je uzrokovala promjenu struje kolektora naziva se faktor izmjeničnoga strujnoga pojačanja
(engl. small-signall current gain) i označava s ℎ@ ili ¾.
Na iznos obaju faktora utječe napon 8g½ , struja :g i temperatura. S porastom struje
kolektora :g oba faktora rastu do određenog iznosa, a zatim se smanjuju. Za struje reda
veličine nekoliko desetaka do stotinu miliampera faktori ℎ‚½ i ℎ@ malo se razlikuju i mogu se
smatrati jednakima.
Slika 2.55. Ovisnost faktora strujnog pojačanja o struji kolektora.
Potrebno je napomenuti da pojedini uzorci istoga tipa tranzistora imaju vrlo različite
vrijednosti faktora pojačanja koje se često međusobno razlikuju i nekoliko puta. Stoga
karakteristike proizvođača mogu poslužiti samo kao osnovna informacija, a za stvarne
karakteristike i parametre, ako je potrebno, izvodi se snimanje i mjerenje za svaki uzorak.
Igor Prša, ing. el.
129
130
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Izlazne karakteristike tranzistora u spoju zajedničkog
zajedni kog emitera
Slika 2.56.
6. Snimanje izlaznih karakteristika tranzistora u spoju zajedničkog
zajedni
emitera.
Izlazne karakteristike tranzistora u spoju zajedničkog
zajedni kog emitera pokazuju ovisnost
kolektorske struje :g o naponu između
izme kolektora i emitera 8g½ i struji baze :p .
Slika 2.57.
7. Izlazne karakteristike tranzistora u spoju zajedničkog
zajedni kog emitera.
Izz karakteristika se vidi da se za male napone 8g½ , koji iznose tipično nekoliko stotina
milivolta, struja kolektora :g vrlo naglo mijenja. To se područje
podru
naziva područje
podru
zasićenja.
Daljnjim povećanjem
anjem napona 8g½ struja kolektora :g mijenja se vrlo malo. Ovo područje
podru
naziva se aktivno područje.
Povećanje napona 8g½ preko određene
odre ene vrijednosti uzrokuje nagli porast struje kolektora
koja prekomjerno grije tranzistor pa dolazi do proboja u unutarnjoj strukturi tranzistora što
može dovesti
esti do njegova uništenja.
Uz struju baze :p = 0 teče
teče kroz tranzistor vrlo mala kolektorska struja. Ta struja naziva
se preostala struja kolektora :g½ (engl. collector cut-off current)) i za silicijske tranzistore je
reda veličine
ine nekoliko mikroampera iilili manje. Stoga se ona, kod normalnih temperatura,
može praktički
ki zanemariti pa se kaže da je tranzistor u području zapiranja..
Omjer male promjene struje kolektora :g i male promjene napona 8g½ koji je uzrokovao
promjenu kolektorske struje uz stalnu struju
s
baze, čini izlaznu dinamičku
dinami
vodljivost
tranzistora ¡
(engl.
engl. small-signall
small
output admitance). Recipročna
čna vrijednost izlazne
vodljivosti jest izlazni dinamički otpor FÁ tranzistora. Vrijednosti dinamičkog
čkog izlaznoga otpora
za tranzistor u spoju zajedničkog
zajednič
emitera kreću
u se u granicama od desetak do stotinjak
kilooma. Treba razlikovati izlazni dinamički
dinami
otpor od omjera 8g½ ⁄:g½ koji je istosmjerni otpor
Sg½ za određeni
eni iznos struje i napona.
www.etsbi.edu.ba
Strujno naponske karakteristike bipolarnih tranzistora
Slika 2.58. Određivanje parametara tranzistora iz izlaznih karakteristika.
Sve što je rečeno o radu i karakteristikama NPN tranzistora vrijedi i za PNP tranzistore,
ali uz promijenjeni polaritet napona i smjer struja u odnosu na NPN tranzistore.
Tvornički podaci
U tvorničkim podacima proizvođači daju informacije o izvedbi i svojstvima tranzistora
pomoću slika, tablica, dijagrama i shema. Najvažniji podaci su oblik i dimenzije kućišta,
raspored priključaka, faktor strujnoga pojačanja i frekvencijsko područje rada, te najveće
dopuštene vrijednosti struje, napona, utroška snage i radne temperature.
Najveći dopušteni naponi 8gp i 8g½ kreću se od nekoliko desetaka volta kod tranzistora
malih snaga pa do nekoliko stotina i više volta kod tranzistora velikih snaga. Tipične
dopuštene vrijednosti napona 8½p iznose oko 5 . Ako u sklopovima postoji mogućnost
pojave većega napona 8½p , potrebno je zaštititi spoj baza-emiter tranzistora. Najveće
dopuštene vrijednosti kolektorske struje iznose od nekoliko desetaka miliampera do nekoliko
desetaka i više ampera, što ovisi o snazi tranzistora, tj. dopuštenom utrošku snage. Iznosi
dopuštenog utroška snage iznose od nekoliko stotina milivata do stotinu i više vata kod
tranzistora snage.
Osim toga, tvornički podaci sadrže i podatke o uvjetima pod kojima su mjerene pojedine
karakteristične veličine. Kako većina podataka za isti tip tranzistora varira u velikome
rasponu, u tvorničkim podacima obično se daje tipičan podatak ili najveća i najmanja moguća
vrijednost.
Uz ostale podatke potrebno je posebno spomenuti vrijednosti napona 8p½ i 8g½ za
tranzistor u zasićenju. Napon 8p½v Q (engl. saturation voltage p½Q K ) iznosi za silicijske
tranzistore 0,7 − 0,8 . Napon 8g½v Q (engl. g½Q K ) kreće se u rasponu 0,1 − 0,3 za silicijske
tranzistore, ali može imati vrijednosti i veće od volta kod snažnih tranzistora. Vrijednosti za
preostale struje kolektora :g½ kreću se na normalnoj temperaturi od nekoliko desetinki
mikroampera do nekoliko mikroampera. No kod snažnih tranzistora mogu imati vrijednost od
nekoliko miliampera.
Igor Prša, ing. el.
131
132
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Zadatak vježbe
•
Snimiti ulaznu strujno naponsku karakteristiku tranzistora prema shemi i zadanim
vrijednostima u tabeli. Grafički predstaviti ulaznu karakteristiku u pravilnoj
razmjeri i posebno označiti svaku od krivi karakteristike.
Slika 2.59. Shema za snimanje ulaznih karakteristika tranzistora.
Tabela 2.10. Vrijednosti napona 8p½ i struje :p za različite vrijednosti parametra 8g½ .
8p½ [ ]
:p [b+]
a) 8g½ = 0
0
0,2
0,4
0,5
0,55
a)
8p½ [ ]
0
0,2
0,4
0,5
0,6
0,65
0,7
0,75
0,8
0,6
0,65
0,7
0,75
0,8
0,6
0,65
0,7
0,75
0,8
0,6
0,65
0,7
0,75
0,8
8g½ = 3
0,55
:p [b+]
b)
8p½ [ ]
:p [b+]
0
0,2
0,4
0,5
0,55
c)
8p½ [ ]
0
:p [b+]
www.etsbi.edu.ba
0,2
0,4
0,5
8g½ = 6
8g½ = 9
0,55
Strujno naponske karakteristike bipolarnih tranzistora
Ulazne karakteristike tranzistora.
•
Snimiti prijenosnu strujno naponsku karakteristiku tranzistora prema shemi i
zadanim vrijednostima u tabeli. Grafički predstaviti prijenosnu karakteristiku u
pravilnoj razmjeri.
Slika 2.60. Shema za snimanje prijenosne karakteristike tranzistora.
:p [b+]
:g [*+]
Tabela 2.11. Vrijednosti struja :p i :g , uz parametar 8g½ = 6 .
0
10
20
30
40
50
60
Igor Prša, ing. el.
133
134
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Prijenosne karakteristike tranzistora.
•
Snimiti izlaznu strujno naponsku karakteristiku tranzistora prema shemi i
zadanim vrijednostima u tabeli. Grafički predstaviti izlaznu karakteristiku u
pravilnoj razmjeri i posebno označiti svaku od krivi karakteristike.
Slika 2.61. Shema za snimanje izlaznih karakteristika.
Tabela 2.12. Vrijednosti napona 8g½ i struje :g za različite vrijednosti parametra :p .
8g½ [ ]
a) :p = 0b+
0
0,1
0,25
0,5
1
2
3
4
5
6
8
3
4
5
6
8
:g [*+]
b)
8g½ [ ]
0
:g [*+]
www.etsbi.edu.ba
0,1
0,25
0,5
:p = 20b+
1
2
Strujno naponske karakteristike bipolarnih tranzistora
8g½ [ ]
:g [*+]
a) :p = 40b+
0
0,1
0,25
0,5
1
c)
8g½ [ ]
0
0,1
0,25
0,5
2
3
4
5
6
8
3
4
5
6
8
:p = 60b+
1
2
:g [*+]
Izlazne karakteristike tranzistora.
Igor Prša, ing. el.
135
Pojačalo u spoju zajedničkog emitera
Pojačalo
alo u spoju zajedni
zajedničkog emitera
Pojačala
ala s bipolarnim tranzistorima mogu poslužiti za poja
pojačanje
čanje struje (engl.
(
current
gain), pojačanje napona (engl.
engl. voltage gain)
gain i pojačanje snage (engl.
engl. power gain).
gain Ovisno o
tome koja je od elektroda tranzistora zajednička
zajedni ka ulaznom i izlaznom krugu pojačala
poja
razlikuju
se tri osnovna spoja pojačala,
čala, svaki s tipi
tipičnim
nim osobinama koje ga ččine pogodnim za
određenu
enu uporabu. Ti spojevi jesu:
-
pojačalo
alo u spoju zajedničkog
zajednič
emitera (engl. common-emitter
emitter amplifier)
amplifier
pojačalo
alo u spoju zajedničkoga
zajednič
kolektora (engl. common-collector
collector amplifier)
amplifier
pojačalo
alo u spoju zajedničke
zajednič baze (engl. common-base amplifier)
Osnovne su značajke
čajke pojačala
poja
strujno i naponsko pojačanje,
anje, ulazni i izlazni otpor i
frekvencijsko područje
je rada te fazni odnosi signala na izlazu i ulazu pojačala.
pojačala.
-
Strujno pojačanje
čanje Ai - omjer je izlazne struje pojačala -uv (struja koja teče
te kroz
opteretni otpor)
or) i ulazne struje -e .
Naponsko pojačanje
pojač
Au - omjer je izlaznoga napona 0uv (izmjenični
(izmjeni
napon na
opteretnom otporu) i ulaznoga napona 0e .
Pojačanje
anje snage Ap - omjer je izlazne snage ˜uv koja se dobije na opteretnom
otporu spojenomu na izlaz pojačala
ala i privedene snage signala na ulazu ˜e .
Iz praktičnih
nih razloga pojač
pojačanje se često izražava decibelima.
u
+u = u ÂÃ
+e
+
ÄÅ
eÂÃ
eÄÅ
œÂÃ
œÄÅ
+u = 20 ∙
+e
+
20 ∙
10 ∙
u
– Æu ÂÃ Ç6 17
ÄÅ
e
– Æe ÂÃ Ç6 17
ÄÅ
œ
– Æœ Âà Ç6 17
ÄÅ
Ako se želi da tranzistor radi kao pojačalo,
poja
radna točka
ka tranzistora mora biti u aktivnom
području
ju rada tranzistora, tj. između
izme
zasićenja
enja i zapiranja. Te radne uvjete tranzistoru
osiguravaju izvor 8pp i otpornik
ik Sp u krugu baze i izvor 8gg i otpornik Sg u krugu kolektora.
Slika 2.62. Pojačalo
alo u spoju zajedničkog
zajedni kog emitera i valni oblici napona na pojačalu.
poja
Igor Prša, ing. el.
137
138
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Napon 8pp stvara između
đu baze i emitera istosmjerni napon 8p½ (oko 0,66 ). Taj napon
tjera struju baze :p koja drži tranzistor u aktivnom području
podru ju pa je napon izme
između kolektora i
emitera 8g½ = 4,6 (približno pola napona napajanja 8gg ).
Signal 8e uzrokovat će promjenu napona izme
između baze i emitera 8p½ . Time se mijenja i
struja baze :p u ritmu ulaznog signala. Ovu promjenu tranzistor će pojačati
čati i dati u izlaznome
strujnom krugu (krugu kolektora) znatno veće
ve promjene struje kolektora :g . Promjenom struje
kolektora mijenja se i pad napona na otporu Sg . Zato se napon 8g½ mijenja oko vrijednosti
napona 8g½ 4,6 u ritmu ulaznoga signala. Iz omjera izlaznoga napona 8uv 8g½ i
ulaznoga napona 8e vidljivo je da je ostvareno naponsko pojačanje.
poja
Ulazni i izlazni signali su u protufazi, tj. rastuća
rastu
promjena
ena napona na ulazu izaziva
padajuću
u promjenu na izlazu i obratno. Za razumijevanje rada poja
pojačala
čala i odabir elemenata i
radne točke pojačala
ala pogodna je grafi
grafička
ka metoda analize rada sklopova (slika 2.63).
Slika 2.63.. Prikaz djelovanja pojačala
poja
na karakteristikama pojačala.
Napon izvora 8gg , koji tjera struju :g kroz otpornik Sg i tranzistor, dijeli se na pad napona
na tranzistoru 8g½ i pad napona na otporniku :g Sg . Međusobni
usobni omjer padova napona na ta
dva elementa dobije se crtanjem njihovih
njihovih karakteristika. Za tranzistor su to izlazne
karakteristike, a za otpornik Sg to je pravac određen jednadžbom:
8gg
8g½ Z :g Sg
Potrebnu struju baze :p , koja će osigurati radnu točku
ku u aktivnomu području
podru
rada
tranzistora, postiže se izvorom 8pp i otpornikom Sp u krugu baze:
8pp
www.etsbi.edu.ba
:p Sp Z 8p½
:p
_ÈÈ (_ÈÉ
^È
Pojačalo u spoju zajedničkog emitera
Napon 8p½ iznosi za silicijske tranzistore tipično 0,65 ] 0,7 . S obzirom na to da su
radni pravac i radna točka
čka određeni
određ
bez signala na ulazu pojačala,
ala, tj. za istosmjerne
is
uvjete
rada, nazivaju se statički
čki radni pravac i statička
stati
radna točka. Iz slike 2.63
2
vidi se da se
najvećii hod izlaznoga signala može dobiti ako je radna to
točka pojačala
čala u sredini aktivnog
područja.
Slika 2..64. Pojačalo s jednim izvorom napona napajanja.
Izvor 8pp može se nadomjestiti spajanjem otpornika Sp na napon napajanja 8gg a da
radni uvjeti pojačala
ala ostanu isti (slika 2.64). Pri tome je:
8gg
:p Sp Z 8p½
:p
_’’ (_ÈÉ
^È
Na taj se način
in izbjegla potreba za dva izv
izvora
ora napajanja. Kondenzatori ƒ imaju zadaću
odjeljivanja izvora istosmjernoga napona napajanja od ulaza i izlaza pojačala.
pojačala.
Stabilizacija radne točke
čke
S obzirom na rasipanje karakteristika tranzistora, njihovu ovisnost o temperaturi i
mogućnost
nost neželjene promjene iznosa napona napajanja, lako je mogu
moguć da dođe do
moguće
pomicanja položaja radne točke pojačala
poja ala i bez prisutnosti signala na ulazu. Znatno stabilnij
stabilnija
radna točka pojačala
ala može se posti
postići spajanjem otpornika S½ u krug emitera (slika 2.65).
Umjesto otpornika Sp struju baze određuje
odre
otporno djelilo S> i SH .
Ako dođe
e do neželjene promjene napona 8p½ , npr. smanjenja, to će uzrokovati
smanjenje struja :p i :g , tj. promijenit će se položaj radne točke.
ke. Zbog toga će se smanjiti i
struje emitera :½ . Struja :½ stvara pad napona na otporniku S½ koji se također
takođ smanjuje. To
smanjenje pada napona na otporu S½ znači malo povećanje napona 8p½ , a time i struje :p .
Dakle, djelovanje otpornika S½ prigušuje prvobitne promjene, odnosno održava stabilnu
radnu točku.
Slika 2.65. Pojačalo s otporom u krugu emitera.
Igor Prša, ing. el.
139
140
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Za ulazni strujni krug vrijede jednadžbe:
8pp − 8p½ = :p Sp Z :½ S½
:p =
:½
Y1 Z ℎ‚½ [
Sp =
8pp =
S> SH
S> Z SH
8gg SH
S> Z SH
iz kojih se dobiju izrazi za struju kolektora:
:g ≈ :½ =
8pp − 8p½
Sp
S½ Z
1 Z ℎ‚½
Ako je S½ puno veće od Sp ⁄Y1 Z ℎ‚½ [, radna točka praktički ne ovisi o faktoru
istosmjernoga strujnoga pojačanja ℎ‚½ , jer tada je Sp ⁄Y1 Z ℎ‚½ [ zanemarivo prema S½ pa za
struju kolektora :g i napon 8g½ vrijedi:
:g ≈ :½ =
8pp − 8p½
S½
8g½ = 8gg − :g Sg − :½ S½
Otpornik S½ povezuje međusobno izlazni i ulazni dio pojačala, tj. ostvaruje povratno
djelovanje izlaza na ulaz. To djelovanje naziva se povratna veza ili reakcija. Kako je
djelovanje izlazne promjene suprotno djelovanju ulazne promjene, ta se povratna veza
naziva negativna povratna veza. Otpornik S½ će na isti način kako djeluje na promjene
istosmjerne struje, djelovati i na promjene uzrokovane izvorom signala koji se želi pojačati.
Dakle otpornik S½ prigušit će i promjene ulaznoga napona i struje što se manifestira kao
slabljenje pojačanja. Da se to djelovanje izbjegne, spaja se paralelno otporniku kondenzator
dovoljno velikoga kapaciteta ƒ½ (reda veličine stotinu i više mikrofarada). Taj je kondenzator
kratki spoj za izmjenični signal koji se pojačava. Tako izmjenična struja ne prolazi kroz S½ pa
za izmjenični signal nema povratne veze, odnosno slabljenja pojačanja.
U ovome slučaju statički radni pravac pojačala određen je iznosom zbroja otpora Sg i S½
i razlikuje se od tzv. dinamičkoga radnog pravca kojeg određuje samo otpor za izmjeničnu
struju, u ovom slučaju Sg . Dinamički radni pravac pokazuje u kojemu se rasponu mogu
kretati izlazni naponski i strujni signali.
Slika 2.66. Statički i dinamički radni pravac.
Za najveći mogući hod izlaznoga signala kod ovakvoga pojačala mora statička radna
točka biti pomaknuta od sredine ulijevo tako da su ispunjeni uvjeti:
_’’
’ y^É
:p = H^
www.etsbi.edu.ba
8g½ =
_’’
Ë
Hy É
Ë’
Pojačalo u spoju zajedničkog emitera
Amplitudno-frekvencijska
frekvencijska karakteristika pojačala
poja
Grafički
ki prikaz ovisnosti pojačanja
poja
pojačala
ala o frekvenciji signala koji se pojačava
poja
naziva
se amplitudno-frekvencijska
frekvencijska karakteristika pojačala.
poja ala. Frekvencije se najč
najčešće nanose u
logaritamskomu mjerilu kako bi se mogao prikazati cjelokupan raspon frekvencija u čijem se
području promatra rad pojačala.
čala.
Iz frekvencijske karakteristike pojačala
poja ala vidi se da kod signala niskih i visokih frekvencija
dolazi do slabljenja pojačanja
čanja poja
pojačala.
ala. Frekvencije na kojima se pojačanje smanji za √2
puta u odnosu prema pojačanju
čanju srednjih frekvencija nazivaju se don
donja
ja i gornja granična
grani
frekvencija pojačala.
ala. Ako se poja
pojačanje izražava decibelima, granične
čne frekvencije su one na
kojima se pojačanje
anje smanji za 3 1.
Slika 2.67.. Primjer amplitudno-frekvencijske
amplitudno frekvencijske karakteristike pojačala.
Do slabljenja pojačanja
čanja
anja na niskim frekvencijama dolazi zbog kondenzatora u sklopu
pojačala
ala (vezni kondenzatori ƒ i kondenzator u krugu emitera ƒ½ ). Kapaciteti tih
kondenzatora, iako većih
ćih
ih iznosa, su za signale niskih frekvencija znatan otpor zbog čega
slabi pojačanje.
Na visokim frekvencijama dolaze do izražaja parazitne kapacitivnosti tranzistora. To su
kapacitivnosti koje međusobno
đusobno čine
ine elektrode tranzistora. Njihovo djelovanje može se
predočiti
iti kondenzatorima paralelno vezanima na ulazu i izlazu pojačala.
pojačala. Njihov otpor je na
visokim frekvencijama mali pa se zato smanjuje pojačanje.
poja
Dodavanjem
davanjem kondenzatora u
ulaznom ili izlaznom krugu može se sniziti gornju graničnu
grani nu frekvenciju na željeni iznos.
Igor Prša, ing. el.
141
142
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
Zadatak vježbe
•
•
Proučiti tvorničke podatke tranzistora BC107 i navesti iznose dopuštenih napona
8g½ , struje :g i faktora strujnog pojačanja.
Izračunati vrijednosti struja baze, kolektora, emitera i napone 8g½ , 8^H , 8^½
pojačala sa sljedeće slike i unijeti vrijednosti u tabelu.
Slika 2.68. Shema za proračun statičke radne točke pojačala.
Tabela 2.13. Vrijednosti statičke radne točke pojačala.
8g½ [ ]
www.etsbi.edu.ba
8p½ [ ]
8^½ [ ]
8^g [ ]
:p [b+]
:½ [*+]
:g [*+]
Pojačalo u spoju zajedničkog emitera
•
Izmjeriti naponsko pojačanje pojačala uz ulazni napon amplitude 10* i
frekvencije 1 ;<. Osciloskopom promatrati napon na ulazu i izlazu pojačala i
nacrtati njihove dijagrame.
Slika 2.69. Shema pojačala u spoju zajedničkog emitera.
Ulazni napon (timebase 1 ms/Div, chanel A 10 mV/Div).
Izlazni napon (timebase 1 ms/Div, chanel B 1 V/Div).
Igor Prša, ing. el.
143
144
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
•
Izmjeriti naponsko pojačanje pojačala uz amplitudu ulaznog napona 100* .
Osciloskopom promatrati napon na ulazu i izlazu pojačala i nacrtati njihove
dijagrame. Kakav je utjecaj amplitude ulaznog napona na oblik izlaznog napona
pojačala?
Ulazni napon (timebase 1 ms/Div, chanel A 100 mV/Div).
Izlazni napon (timebase 1 ms/Div, chanel B 5 V/Div).
www.etsbi.edu.ba
Pojačalo u spoju zajedničkog emitera
•
Izmjeriti pojačanje opterećenog pojačala (Sœ = 3,3 Ω) prema masi uz ulazni
napona amplitude 10* i frekvencije 1 ;<. Kako opterećenje utječe na iznos
naponskog pojačanja pojačala?
Slika 2.70. Shema opterećenog pojačala u spoju zajedničkog emitera.
•
Izmjeriti pojačanje opterećenog pojačala za frekvencije u rasponu od 200;< do
20,;< uz ulazni napon amplitude 10* . Rezultate mjerenja unijeti u tabelu. Na
osnovu izmjerenih vrijednosti nacrtati frekvencijsku karakteristiku pojačala i
odrediti gornju i donju graničnu frekvenciju.
Slika 2.71. Shema za snimanje amplitudno-frekvencijskih karakteristika pojačala.
Igor Prša, ing. el.
145
146
Praktikum za drugi razred elektrotehničara
+e = 20 –
8U•
6 17
8_~
Tabela 2.14.. Vrijednosti pojačanja pojačala za različite
ite frekvencije ulaznog napona.
=[ ;<]
0,2
1
2
10
20
100
200
1000
8U• [ ]
+e [ 1]
Frekvencijska karakteristika pojačala.
poja
www.etsbi.edu.ba
2000
10000
20000
Literatura
Literatura
[1] Akšamović Abdulah, Praktikum elektronike i elektrotehnike, ETF Sarajevo, 2008.
[2] Bednjanec Andrea, Merki Ivan, Mjerenja u elektrotehnici – zbirka laboratorijskih vježbi,
Element Zagreb, 2009.
[3] Bego Vojislav, Mjerenja u elektrotehnici, Tehnička knjiga Zagreb, 1990.
[4] Bird John, Electrical Circuit Theory and Technology - Fourth Edition, Elsevier Ltd., 2010.
[5] Butković Željko, Divković Pukšec Julijana, Barić Adrijan, Elektronika 1,
FER ZEMRIS Zagreb, 2006.
[6] Cigić Pero, Osnovi elektrotehnike za II razred elektrotehničke struke,
Svjetlost Sarajevo, 1990.
[7] Krstić Vladimir D., Krstić Željko V., Mala škola elektronike V-deo, 2003.
[8] Malešević Ljubo, Osnove elektrotehnike - repetitorij s laboratorijskim vježbama,
Veleučilište u Splitu, 2001.
[9] Paunović Stanko, Elektronički sklopovi, Element Zagreb, 2009.
[10] Pejović Predrag, Princip rada i primena osciloskopa,
Elektrotehnički fakultet u Beogradu, 1999.
[11] Ristić Stojan, Elektronske komponente, Elektronski fakultet Niš, 2010.
[12] Scherz Paul, Practical Electronics for Inventors, McGraw-Hill, 2000.
[13] Šarčević Antun, Elektroničke komponente i analogni sklopovi,
Tehnička škola Ruđera Boškovića Zagreb, 1996.
Igor Prša, ing. el.
147

OPERACIONI POJAČAVAČI

VREMENSKE BAZE. TIRATRON.

Primjena interaktivnog videa u obrazovnim nastavnim

PROTOČNI ANALIZATOR ANTENE DAA 10

images/pdf/vjezba x.pdf

Protočni analizator antene DAA 10

Super Charger CH12

Praktikum za drugi razred elektrotehničara v2.0.1

Elektromagnetska indukcija

priprema-za-pisanu-provjeru elektr