Meranie jednosmerného odporu a komplexnej imitancie  

TEÓRIA:    Náhradné modely rezistora, kondenzátora a cievky, fiktívne parametre, skutočné (fyzikálne) parametre, definície skutočných a zdanlivých parametrov, kvalita cievky a stratový činiteľ kondenzátora, vektorový RLCG meter (auto balancing bridge), Kelvinove sondy, princípy merania RLC a jednosmerného odporu na príručných multimetroch, dvoj a štvorvodičové pripojenie, princíp reflektometrie (dlhé vedenie), koeficienty odrazu, priame a odrazené vlny.

ÚLOHY (Výsledky si poznamenajte):

1. Multimetrom pomocou dvojvodičového pripojenia odmerajte ohmický odpor aspoň 2 rezistorov, reostatu v maxime a reproduktora na pracovisku. Výsledky si poznamenajte. Do úvahy zoberte aj údaje výrobcov o presnosti prístrojov, prípadne presnosť vyhotovenia rezistorov. Vyskúšajte meranie aj tak, že počas merania budete držať vývody meraného rezistora rukami.

2. Pomocou multimetra odmerajte kapacitu kondenzátorov na pracovisku. Porovnajte výsledky s nominálnymi hodnotami týchto prvkov a poznamenajte si ich - budete ich potrebovať v nasledujúcich úlohách. Vysvetlite, ako sa odlišujú tieto údaje a prečo.

3. Kondenzátory z úlohy 2, reostat a reproduktor (cievku) odmerajte pomocou RLCG metra tvoreným modulom Analog Discovery 2 a adaptérom pre meranie RLCG (Spuste program Waveforms a zvoľte Impedance). Aký princíp je použitý pre meranie? Čo sa nastavuje položkou „Resistor“ v menu?

a.    Vykonajte kompenzáciu pre skrat aj rozpojené svorky pre všetky hodnoty „Resistor“. Merajte v rozsahu 10Hz až 10MHz s logaritmickým krokom, 25 frekvencií na dekádu. 

b.    Zvoľte režim „Meter“ a odmerajte jeden kondenzátor, reostat a reproduktor  pre frekvencie 10Hz, 100Hz, 1kHz, 10kHz, 100kHz, 1MHz a10MHz pri nastavení „Element“ na Inductance, Capacitance and Resistance a oba modely pod voľbou „Models“. V prípade potreby upravte hodnotu „Resistor“. Výsledky všetkých odmeraných parametrov pre rôzne frekvencie porovnajte a pokúste sa zmeny vysvetliť. Čo je Dissispation a Quality, ako súvisia s ostatnými zobrezanými parametrami? Čo znamená ak výsledok pre kapacitu alebo indukčnosť je pri nejakej frekvencii záporný?

c.    Zvoľte režim „Analyzer“. Odmerajte absolútnu hodnotu Z, Rs a Xs, resp. Rp a Xp spolu s uhlom fi pre reproduktor. Nájdite vhodnú hodnotu „Resistor“ (pravdepodobne 100ohm). Odmerajte jeden kondenzátor, reostat a reproduktor. Ako sa správa reproduktor a ostatné merané prvky na nízkych frekvenciách? Čo ste si všimli v oblasti vysokých frekvencií? Pokúste sa vysvetliť.

4. Zoznámte sa s virtuálnym RLCG metrom zostaveným z meracej karty, referenčného rezistora (620 Ohmov), externého harmonického generátora a softvéru (viď obrázok). Tento RLCG meter využíva názorne základný princíp vektorového RLCG metra (viď prednášky). Môžete ho používať v rozsahu 100 Hz až 20 kHz (cca. akustické pásmo) pre ľubovoľnú frekvenciu. Excitačný signál sa generuje pomocou generátora Agilent 33220A.
Pozor, súčiastky sa pripájajú pomocou štvorvodičového pripojenia – Kelvinove sondy. Program zobrazuje hodnoty z paralelného a sériového modelu naraz, hodnoty sa určujú vnútorným výpočtom. Premyslite si, čo potrebujeme meracou kartou zachytiť, aby sme mohli jednoznačne určiť zobrazované hodnoty. Z čoho sa počítajú?

5. kondenzátory z úlohy 2, reostat a reproduktor (cievku) odmerajte aj pomocou virtuálneho RLCG metra. Pre kondenzátory si všímajte najmä paralelný model RC a pre cievku sériový RL. Zároveň si poznačte hodnoty Y, resp. Z a uhol vektora imitancie, činiteľ kvality, stratový činiteľ a stratový uhol pre paralelný a sériový fiktívny model. Činitele Výsledky porovnajte s výsledkami z predchádzajúcich úloh a rozdiely vysvetlite. Ako sa mení vektor imitancie pri postupnom preladzovaní generátora smerom k vyšším frekvenciám (veľkosť, uhol ako pri cievke a ako pri kondenzátore)? Na základe čoho si zvolíte vhodný fiktívny model?
 
Pozn. (nepovinné) merané súčiastky môžete odmerať aj presným profesionálnym RLCG metrom v Laboratóriu.

6. Bonusová úloha: Skúste odmerať závislosť impedancie od frekvencie ľubovolnej súčiastky z úlohy 4 pomocou osciloskopu EDUX1052G nasledovným spôsobom. Vyberte si referenčný odpor rozumnej hodnoty, a zapojte ho spolu zo súčiastkou, ktorej impedanciu budete merať podlá nasledujúcej schémy.

Následne si v osciloskope zapnite funkciu Frequency Response Analysis (Analyse > Features > Frequency Response Analysis). V podmenu Setup si môžete nastaviť začiatočnú frekvenciu, koncovú frekvenciu, amplitúdu generovaného harmonického signálu a počet bodov, ktoré sa odmerajú. Po nastavení merania sa môžete vrátit z podmenu Setup a spustiť analýzu tlačidlom Run Analysis. Po vykonaní merania sa Vám na osciloskope vykreslia namerané charakteristiky. Táto charakteristika zobrazuje pomer napätia na vašej zvolenej súčiastke a výstupného napätia z generátora. Po prepočte pomocou ohmového zákona, vzorca pre výpočet napäťového zosilnenia a úprave vzťahu je možné nameraný výsledok v decibeloch prepočítať na impedanciu pomocou nasledujúceho vzorca (Pozn. Tento vzorec platí len pri našom zapojení).



Kde x je Vami nameraná hodnota v decibeloch. Fázový posun je rovnako možné odčítať z osciloskopu. Z absolútnej hodnoty impedancie a fázového posunu viete následne vypočítať aj reálnu a imaginárnu čast komplexnej impedancie (Teória komplexných čísel). Z týchto údajov si viete dokonca vypočítať aj kapacitu prípadne indukčnosť vašej súčiastky. Skúste tieto hodnoty prepočítať pre niektoré z frekvencií, pri ktorých ste danú súčiastku merali iným spôsobom a tieto výsledky porovnajte. Rovnako si môžete skúsiť sami odvodiť vzorec na prepočet decibelov na absolútnu hodnotu impedancie uvedeného zapojenia.

Príručky prístrojov: