LU04 - Elektrický zdroj napětí

ÚVODEM UPOZORNIT STUDENTY, ABY PŘI MANIPULACI NEPŘETRHLI ODPOROVÝ DRÁT.

Pomůcky

Systém ISES, moduly: voltmetr, ampérmetr, velký monočlánek 1,5 V, držák monočlánku, fotodioda 1PP75, zdroj elektrického napětí 12 V, žárovka na 12 V, odporový drát (19 Ω) na dřevěném pravítku, 9 spojovacích vodičů, 1 krokosvorka (zuby musejí do sebe dobře zapadat), sada rezistorů, soubory: zdroj1.imc, zdroj2.imc.

Úkoly

1. Změřit zatěžovací charakteristiku monočlánku, určit elektromotorické napětí U_e, vnitřní odpor R_i, a zkratový proud I_z.
2. Sestrojit grafy: Zatěžovací charakteristika monočlánku, Závislost výkonu monočlánku (do vnějšího rezistoru) na proudu, Závislost účinnosti monočlánku na proudu.
3. Změřit zatěžovací charakteristiku fotodiody 1PP75 do maximálního proudu 0,15 mA, určit elektromotorické napětí U_e, vnitřní odpor R_i. Sestrojit Zatěžovací charakteristiku fotodiody.
4. DOBROVOLNÝ: Změřit zatěžovací charakteristiku fotodiody 1PP75 až do zkratového proudu. Sestrojit grafy Zatěžovací charakteristika fotodiody, Závislost výkonu fotodiody (do vnějšího rezistoru) na proudu, pokusit se vysvětlit naměřený průběh.
5. DOBROVOLNÝ: Dopočítat potřebné hodnoty a sestrojit graf Závislost výkonu monočlánku (do vnějšího rezistoru) na proudu v celém možném rozsahu proudu (až po zkratový proud).

Teorie

Zatěžovací charakteristika zdroje je závislost svorkového napětí na proudu odebíraném ze zdroje a lze ji změřit podle následujících schemat:

Rezistor o odporu 2 Ω slouží jako ochranný proti zkratu.

Z Ohmova zákona pro uzavřený obvod můžeme vyjádřit U = -R_iI + U_e, což lze chápat jako směrnicový tvar rovnice přímky. Průsečík s osou U je elektromotorické napětí, průsečík s osou I je zkratový proud a záporně vzatá směrnice udává vnitřní odpor.
Výkon zdroje do vnějšího rezistoru lze vypočítat jako P = UI, účinnost .

Nastavení:
zdroj1.imc - start krokový (20 kroků), panel č.1 - graf U=f(I) napětí U od 0 V do 2 V, proud I od 0 A do 0,75 A.
zdroj2.imc - start krokový (10 kroků), panel č.1 - graf U=f(I) napětí U od 0 V do 0,5 V, proud I od 0 A do 0,15 A.

Provedení:

1., 2. úkol

Na modulu voltmetr nastavíme rozsah 10 V . Malé černé přepínače přepneme do poloh 0→ a — (nula se šipkou vpravo a dlouhá pomlčka), čímž jsme nastavili měření stejnosměrného napětí s nulou na kraji, zasuneme do kanálu A.
Na modulu ampérmetr nastavíme rozsah 1 A. Malý černý přepínač nastavíme do polohy 0→ (nula se šipkou vpravo), čímž jsme nastavili měření stejnosměrného proudu s nulou na kraji, zasuneme do kanálu B.
Nyní zapojíme celý obvod bez připojení vodičů k monočlánku.
Nastavení počítače:
Učitelský počítač na katedře musí být zapnutý. Nejprve dvojitým kliknutím na „Software (G)“ si umožníme přístup k souborům „odpor1.imc“ a „odpor2.imc“. Oba jsou v adresáři „ises“, který se objeví na obrazovce.
Pomocí ikony spustíme program.
Ikonou založíme nový experiment. Tím se otevře okno :

Kliknutím na tlačítko „Načti“ se otevře okno „Konfigurace měření“.

Najdeme v něm soubor „zdroj1.imc“ v adresáři „g:\\katedra\software\ises“ a potvrdíme OK. Tím se načetly vhodné parametry experimentu a mohli bychom začít měřit napětí a proud pro zatěžovací charakteristiku monočlánku.
Požádáme vyučujícího o kontrolu zapojení a programu.

NEJDŮLEŽITĚJŠÍ JE KONTROLA AMPÉRMETRU – ROZSAH 1A!

Měření je připraveno ve 20 krocích. První krok provedeme při nulovém proudu. Po stisknutí ENTER se změří proud a napětí a vynese se bod do grafu na obrazovce. Při dalších krocích se postupně připojujeme krokosvorkou na různá místa odporového drátu a zatěžujeme tak zdroj různým proudem. Snažíme se využít celý rozsah proudu.

Opakované měření umožňují zelené šipky .

Aproximace (proložení bodů) přímkou

Počítač umí aproximovat, tedy proložit body optimální přímkou. Stiskneme ikonu , která znamená „Zpracování hodnot“. Otevře se okno, v němž zvolíme „Klouzavý odečet“. Souřadnice všech bodů se nyní objeví v okně. Přepíšeme je do tabulky č.1.
Klikneme na ikonu “aproximace” , čímž se objeví okno „Aproximace“.
Je vybráno proložení přímkou, i když vidíme i jiné možnosti. Potvrdíme OK.
Do grafu se proloží přímka a její rovnice se objeví v okně místo souřadnic. Může vypadat např. takto: y = -0,41x+1,50. Záporně vzatá směrnice přímky, tedy číslo 0,41, je vnitřní odpor zdroje (R_i) v ohmech. Hodnota 1,50 udává elektromotorické napětí (U_e) ve voltech. Hodnoty zapíšeme do tabulky č.2.

3. úkol

Do třetího úkolu přejdeme pomocí červených šipek , dále “Načti”, a to soubor “zdroj2.imc” v adresáři “g:\\katedra\software\ises”.
Nyní změníme elektrické zapojení (obr. 2). Fotodioda je otočena směrem od okna, světla ve třídě jsou zhasnutá. Žárovku napájíme ze zdroje 12 V. Jako první použijeme odpor 50 kΩ.
Opět necháme zkontrolovat vyučujícím!
Po spuštění měření je vidět, že je znovu nastaveno “krokové měření”, tentokrát v deseti krocích. Stiskneme ENTER a do grafu na obrazovce se zanese první bod. Změníme odpor na 20 kΩ a znovu zaneseme bod. Tak pokračujeme pro odpory 15 kΩ, 10 kΩ, 7 kΩ, 6 kΩ, 5 kΩ. 4 kΩ, 3,5 kΩ, 3 kΩ. Některé odpory je třeba vytvořit jako kombinace.
Po posledním kroku zvolíme “Zpracování hodnot” a “klouzavý odečet” a souřadnice bodů přepíšeme do tabulky č. 3. Po proložení přímkou získáme R_i (pozor! je v kiloohmech) a U_e ve voltech, které zapíšeme do tabulky č. 2.

4. úkol

DOBROVOLNÝ ÚKOL: Zvolíme opakování červenými šipkami, tlačítky “zobrazení” a “definice”, pak upravíme rozsah na ose x do 0,6 mA a počet kroků na 25. Ve stejném zapojení jako obr. 2 budeme proměřovat zatěžovací charakteristiku při vyšších proudech až téměř do zkratu. Nastavili jsme 25 kroků pro tyto odpory: 50 kΩ, 20 kΩ, 15 kΩ, 10 kΩ, 7 kΩ, 6 kΩ, 5 kΩ. 4 kΩ, 3,5 kΩ, 3 kΩ., 2,5 kΩ, 2 kΩ, 1,7 kΩ, 1,5 kΩ, 1,2 kΩ, 1 kΩ, 700 Ω, 600 Ω, 500 Ω, 400 Ω, 300 Ω, 200 Ω, 100 Ω, 20 Ω, 10 Ω.

5. úkol

DOBROVOLNÝ ÚKOL: Provedeme výpočty umožňující sestrojit graf Závislost výkonu monočlánku (do vnějšího rezistoru) na proudu až do zkratového proudu, tedy i mimo oblast, ve které jsme monočlánek proměřovali.

Zkrácená verze

• Na modulu voltmetr nastavíme 10 V s nulou na kraji a zasuneme do kanálu A.
• Na modulu ampérmetr nastavíme 1 A s nulou na kraji a zasuneme do kanálu B.
• Zapojíme obvod podle obr. 1 bez připojení vodičů k monočlánku.
• Poklepáním na „Software G“ si zpřístupníme soubory zdroj1.imc a zdroj2.imc.
• Spustíme ISES, založíme nový experiment, načteme do konfigurace zdroj1.imc.
• Požádáme vyučujícího o kontrolu zapojení!
• Ve 20 krocích proměříme zatěžovací charakteristiku zdroje (1. krok při nulovém proudu).
• Pomocí klouzavého odečtu získáme hodnoty do tabulky č.1
• Pomocí aproximace přímkou získáme U_e, R_i do tabulky č.2.
• Zapojíme obvod s fotodiodou (obr. 2). K jejímu osvětlení použijeme žárovku napájenou ze zdroje napětí 12 V.
• Přepneme rozsah voltmetru na 1 V a ampérmetru na 1 mA.
• Načteme do konfigurace zdroj2.imc.
• Požádáme vyučujícího o kontrolu zapojení!
• Proměříme zatěžovací charakteristiku postupným zapojováním odporů 50 kΩ, 20 kΩ, 15 kΩ, 10 kΩ, 7 kΩ, 6 kΩ, 5 kΩ. 4 kΩ, 3,5 kΩ, 3 kΩ.
• Jako u monočlánku určíme aproximací U_e, R_i.
• Upravíme rozsah osy x na 0,6 mA.
• Proměříme zatěžovací charakteristiku při vyšších proudech až téměř do zkratu pro odpory:50 kΩ, 20 kΩ, 15 kΩ, 10 kΩ, 7 kΩ, 6 kΩ, 5 kΩ. 4 kΩ, 3,5 kΩ, 3 kΩ., 2,5 kΩ, 2 kΩ, 1,7 kΩ, 1,5 kΩ, 1,2 kΩ, 1 kΩ, 700 Ω, 600 Ω, 500 Ω, 400 Ω, 300 Ω, 200 Ω, 100 Ω, 20 Ω, 10 Ω.

Protokol

Název:Elektrický zdroj napětí
Pomůcky:
Teorie:
Vypracování:

Tabulka č. 1: monočlánek

Č. měření	I A	U V	P W	η %
1	. , . . .	. , . .	. , . . .	-
2	. , . . .	. , . .	. , . . .	. . , .
3	. , . . .	. , . .	. , . . .	. . , .
4	. , . . .	. , . .	. , . . .	. . , .
5	. , . . .	. , . .	. , . . .	. . , .
6	. , . . .	. , . .	. , . . .	. . , .
7	. , . . .	. , . .	. , . . .	. . , .
8	. , . . .	. , . .	. , . . .	. . , .
9	. , . . .	. , . .	. , . . .	. . , .
10	. , . . .	. , . .	. , . . .	. . , .
11	. , . . .	. , . .	. , . . .	. . , .
12	. , . . .	. , . .	. , . . .	. . , .
13	. , . . .	. , . .	. , . . .	. . , .
14	. , . . .	. , . .	. , . . .	. . , .
15	. , . . .	. , . .	. , . . .	. . , .
16	. , . . .	. , . .	. , . . .	. . , .
17	. , . . .	. , . .	. , . . .	. . , .
18	. , . . .	. , . .	. , . . .	. . , .
19	. , . . .	. , . .	. , . . .	. . , .
20	. , . . .	. , . .	. , . . .	. . , .

Tabulka č. 2: monočlánek a fotodioda

Zdroj napětí	Ue V	Ri Ω	Iz A
monočlánek	. , . .	. , . .	. , . ..
fotodioda	. , . .	. . .	-

Tabulka č. 3: fotodioda

Č. měření	R kΩ	I mA	U V	P mW	η %
1	50	. , . . .	. , . . .	. , . . .  .	. . , .
2	20	. , . . .	. , . . .	. , . . .  .	. . , .
3	15	. , . . .	. , . . .	. , . . .  .	. . , .
4	10	. , . . .	. , . . .	. , . . .  .	. . , .
5	7	. , . . .	. , . . .	. , . . .  .	. . , .
6	6	. , . . .	. , . . .	. , . . .  .	. . , .
7	5	. , . . .	. , . . .	. , . . .  .	. . , .
8	4	. , . . .	. , . . .	. , . . .  .	. . , .
9	3,5	. , . . .	. , . . .	. , . . .  .	. . , .
10	3	. , . . .	. , . . .	. , . . .  .	. . , .

Grafy:
Zatěžovací charakteristika monočlánku
Závislost výkonu monočlánku do vnějšího rezistoru na proudu
Závislost účinnosti monočlánku na proudu
Zatěžovací charakteristika fotodiody
Závěr: Porovnat shodné a odlišné rysy obou zatěžovacích charakteristik. Diskutovat průběh dalších grafů. Porovnat oba použité zdroje napětí.

Výsledky

Tabulka č. 1: monočlánek

Č. měření	I A	U V	P W	η %
1	0,008	1,49	0,012	-
2	0,067	1,47	0,098	97,7
3	0,082	1,47	0,121	97,7
4	0,098	1,46	0,143	97
5	0,136	1,45	0,197	96,3
6	0,155	1,43	0,222	95
7	0,177	1,43	0,253	95
8	0,195	1,42	0,277	94,4
9	0,205	1,41	0,29	93,7
10	0,256	1,39	0,355	92,4
11	0,276	1,39	0,385	92,4
12	0,296	1,38	0,41	91,7
13	0,329	1,36	0,448	90,4
14	0,334	1,37	0,459	91
15	0,376	1,34	0,503	89
16	0,381	1,34	0,511	89
17	0,395	1,34	0,529	89
18	0,427	1,31	0,561	87
19	0,46	1,32	0,607	87,7
20	0,489	1,3	0,638	86,4

Tabulka č. 2: monočlánek a fotodioda

Zdroj napětí	Ue V	Ri Ω	Iz A
monočlánek	1,50	0,41	3,66
fotodioda	0,43	208	-

Tabulka č. 3: fotodioda

Č. měření	R kΩ	I mA	U V	P mW	η %
1	50	0,007	0,431	0,0029	98,7
2	20	0,019	0,43	0,0083	98,3
3	15	0,027	0,425	0,0116	97,2
4	10	0,039	0,43	0,0169	98,4
5	7	0,056	0,422	0,0238	96,7
6	6	0,07	0,424	0,0298	97
7	5	0,08	0,416	0,0334	95,2
8	4	0,098	0,415	0,0408	94,9
9	3,5	0,11	0,408	0,045	93,4
10	3	0,129	0,407	0,0524	93

Závěr:

DOBROVOLNÝ:

Tabulka č. 4: fotodioda

Č. měření	R kΩ	I mA	U V	P mW	η %
1	50	0,007	0,431	0,0029	98,7
2	20	0,019	0,43	0,0083	98,3
3	15	0,027	0,425	0,0116	97,2
4	10	0,039	0,43	0,0169	98,4
5	7	0,056	0,422	0,0238	96,7
6	6	0,07	0,424	0,0298	97
7	5	0,08	0,416	0,0334	95,2
8	4	0,098	0,415	0,0408	94,9
9	3,5	0,11	0,408	0,045	93,4
10	3	0,129	0,407	0,0524	93
11	2,5	0,149	0,398	0,0595	91,1
12	2	0,183	0,387	0,0706	88,5
13	1,7	0,205	0,384	0,0788	87,8
14	1,5	0,228	0,379	0,0864	86,7
15	1,2	0,272	0,362	0,0982	82,8
16	1	0,306	0,348	0,1066	79,6
17	0,7	0,376	0,312	0,1172	71,4
18	0,6	0,407	0,298	0,1214	68,2
19	0,5	0,432	0,271	0,1171	62,1
20	0,4	0,465	0,236	0,1099	54
21	0,3	0,491	0,199	0,0976	45,5
22	0,2	0,509	0,161	0,0818	36,8
23	0,1	0,519	0,111	0,0578	25,5
24	0,02	0,525	0,06	0,0317	13,8
25	0,01	0,525	0,067	0,0352	15,3

Závěr:

Ukázky měřicích obrazovek

Webmaster: Jiří Ryzner, poslední aktualizace: 21.7.2014