Дослідженя характеристик пасивних елементів засобів вимірювань

Мета заняття: вивчення властивостей, принципів дії та способів зняття електричних характеристик пасивних елементів засобів вимірювань

Завдання:

1) вивчити властивості і принципи дії резисторів, конденсаторів та котушок індуктивності,

2) освоїти методики розрахунку їх основних параметрів,

3) вивчити способи зняття електричних характеристик пасивних елементів засобів вимірювань.

Тривалість роботи: 4 год.

1.1 Основні теоретичні положення

При проведенні лабораторних робіт з дисципліни «Електронні пристрої ЗВТ» застосовуються як аналогові так і цифрові вимірювальні прилади. Одними з основних є електронні амперомвольтметри (мультиметри). Сучасні електронні мультиметри вимірюють до десятка різноманітних параметрів електричних схем і мають цифрову індикацію вимірюваних величин. Класична шкала електронного мультиметра наведена на рисунку 1.

На шкалах електронних мультиметрів (рис. 1) існують наступні позначення:

V- - вимірювання постійних напруг;

V≈ - вимірювання змінних напруг;

А- - вимірювання постійних струмів;

A≈ - вимірювання змінних струмів;

Ω - вимірювання опору;

nF - вимірювання ємності (у нанофарадах);

μF - вимірювання ємності (у мікрофарадах);

hFE - вимірювання статичного коефіцієнта передачі струму біполярних транзисторів;

Hz - вимірювання частоти.

Рисунок 1 – Класична шкала електронного мультиметра

Слід звертати особливу увагу на межі вимірюваних величин, які вибрані для досліджень. При значенні вимірюваної величини набагато меншому за вибрану межу з’явиться похибка, спричинена грубим заокругленням тестера. При значенні вимірюваної величини суттєво більшому за вибрану межу на табло тестера зліва загориться одиниця. При цьому слід негайно припинити вимірювання і від’єднати тестер, інакше він може вийти з ладу.

Також для вимірювання параметрів електронних схем використовуються генератори, осцилографи, частотоміри.

Резистори – це радіоелементи, які служать для зміни струму та напруги в електричних колах. Розрізняють два основні типи резисторів: постійні та змінні. Постійні резистори задають зміну струму на деяку певну фіксовану величину, а змінні мають можливість регулювати зміну струму і напруги у широких межах.

Резистори працюють як з постійними, так і з змінними видами електричних сигналів. У загальному випадку опір резистора знаходиться згідно закону Ома:

, (1.1)

де U – падіння напруги на резисторі, В;

І – струм через резистор, А.

При цьому потужність резистора визначається з виразу:

(1.2)

До основних параметрів резисторів відносяться:

- номінальний опір,

- номінальна потужність,

- допустиме відхилення номінального опору.

Номінальний опір R – це опір резистора в омах у відповідності з нормативною документацією.

Номінальна потужність P – це максимальна потужність (Вт), яка може розсіюватись резистором на протязі тривалого часу при заданих умовах роботи. Стандартний ряд номінальних потужностей розсіювань резисторів (0,0625Вт, 0,125Вт, 0,25Вт, 0,5Вт, 1 -100 Вт).

Допустиме відхилення R - це відхилення номінального опору резистора (%) в бік збільшення чи зменшення, задане у технічній документації.

Значення номінального опору, наносяться на корпусах усіх резисторів, незалежно від номінальної потужності. Допустиме відхилення наноситься на корпусах резисторів з потужністю від 0,25 Вт. Потужність розсіювання вказується на резисторах з потужністю від 1 Вт.

Конденсатор – це система з двох електродів, розділених між собою діелектриком, яка має здатність запасати електричну енергію. У техніці розрізняють полярні і неполярні конденсатори постійної та змінної ємності.

До основних параметрів конденсаторів відносяться:

- номінальна ємність,

- допустиме відхилення від номінального значення ємності,

- номінальна робоча напруга,

- частотні властивості,

- допустима амплітуда змінної напруги.

Номінальна ємність С – це відношення накопиченого заряду до прикладеної напруги. Ємність вимірюється у фарадах, мікро-, нано-, і пікофарадах ( 1Ф = 10⁶ мкФ = 10⁹ нФ = 10¹² пФ ).

Допустиме відхилення від номінального значення ємності С (%) характеризує точність значення ємності конденсатора.

Номінальна робоча напруга конденсатора U_роб – це максимальна напруга, при якій конденсатор може працювати на протязі мінімального часу до відмови. Значення робочої напруги встановлюється технічною документацією на виріб.

Частотні властивості характеризують зміну ємності конденсатора від частоти прикладеної змінної напруги.

Допустима амплітуда змінної напруги на конденсаторі – це напруга, при якій втрати енергії в конденсаторі не перевищують допустимих. Її значення розраховується за формулою:

(1.3)

де P_p.доп. – допустима реактивна потужність, ВА;

f – частота змінної напруги на конденсаторі, Гц;

C – ємність конденсатора, Ф.

Для напівпровідникових і електролітичних (полярних) конденсаторів U_m.доп повинна становити не більш ніж 20% від значення робочої напруги, яка вказана на корпусі конденсатора.

Позначення конденсаторів наноситься на їхніх корпусах і складається з букви К, двозначного числа, що вказує вид діелектрика, умовного індексу, який визначає призначення конденсатора, і порядкового номеру розробки. Нижче вказується номінальна ємність і рік випуску елемента.

Котушка індуктивності – це намоточні вузли радіоапаратури, які застосовуються як елементи коливальних контурів, для фільтрації сигналів різних частот, отримання магнітного зв'язку між окремими елементами електричних ланок, для створення на окремих ділянках електричної ланки заданих індуктивних опорів.

Котушки індуктивності виготовляють двох типів - для коливальних контурів та дроселі.

Дроселем називається котушка індуктивності, яка вмикається в коло для створення опору струмам високої або низької частоти. Опір дроселя постійному струмові повинен бути мінімальним, а повний опір – достатньо високим і мати індуктивний характер. Чим вища частота фільтрації – тим розміри дроселя є меншими.

Котушки індуктивності за конструкцією бувають з постійною та змінною індуктивністю.

Основними параметрами дроселів та котушок індуктивності є :

- індуктивність,

- допустиме відхилення індуктивності,

- добротність,

- власна ємність.

Індуктивність – це відношення потокозчеплення самоіндукції котушки до струму, що протікає через неї. Чим більша індуктивність котушки або дроселя, тим більша енергія магнітного поля, якими вони запасаються при заданому значенні струму. Індуктивність вимірюється у генрі, мілі-генрі, мікро-генрі (1Гн= 10³мГн = 10⁶ мкГн).

Індуктивність залежить від форми, розмірів і кількості витків котушки, а також від форми, розмірів та матеріалу її осердя.

Допустиме відхилення індуктивності – це відношення у (%) відхилення індуктивності котушки чи дроселя від заданого значення, наведене у технічній документації.

Добротність Q – це відношення реактивного опору котушки до її активного опору. Добротність визначає ККД та резонансні властивості контурів.

Власна ємність – це ємність, яка виникає між витками та шарами обмотки котушки. Власна ємність є паразитним параметром, який збільшує втрати енергії і зменшує стабільність роботи коливальних контурів.

Для збільшення індуктивності і добротності у котушках і дроселях застосовують феромагнітні осердя. Наявність осердя може збільшити індуктивність котушки до 2,5 разів.

Власна ємність дроселя визначає його критичну робочу частоту:

, (1.4)

де С_о – власна ємність дроселя, мкФ.

Критична частота дроселя для його нормальної роботи повинна перевищувати максимальну робочу частоту пристрою, у якому він використовується.

Для дослідження електричних характеристик пасивних елементів використовується схема на рис. 1.1.

Рисунок 1.1 – Схема для вимірювання електричних характеристик пасивних елементів засобів вимірювань