MĚŘENÍ ŠUMU A NELINEARITY REZISTORŮ 1) Přístrojem CLT 1 změřte ohmickou nelinearitu souboru odporů. a. Změřte nelinearitu přiložených odporů. Měření provádějte tak, abyste nepřekročili jmenovitou výkonovou zatížitelnost odporů. b. Zjištěné závislosti zpracujte do grafů ln U 3 = f (ln U 1 ) . Zjištěnou závislost nahraďte regresní přímkou a z jejího sklonu určete přesně koeficient n. c. Určete THI (Third Harmonics Index) měřených vzorků podle vztahu:
THI = 20 ⋅ log
U3 , (U 1 ) n
kde U3 je napětí třetí harmonické [µV]; U1 je napětí první (základní) harmonické [V]. 2) Změřte proudový šum souboru odporů a výsledky porovnejte s měřením nelinearity. Měření proveďte přístrojem QuanTech, přístroj před měřením kalibrujte. Zatížení odporů volte přibližně 75% jmenovitého zatížení. Poznámky:
Ad 1) Přístroj CLT 1 zatěžuje měřený rezistor měřicím signálem U1 o frekvenci 10 kHz, detekuje případnou nelinearitu rezistoru měřením napětí U3 o frekvenci 30 kHz (odtud plyne označení první a třetí harmonická). Exponent „n“ je pro měření třetí harmonické roven třem. Postup měření by měl odpovídat následujícímu: Určíme maximální napětí U1MAX [V] o frekvenci 10 kHz, kterým budeme zatěžovat soubor měřených rezistorů. Jmenovitá zatížitelnost PZ je určena geometrickou velikostí rezistoru, tedy jeho typem (např. pro měřené TR 190 je PZMAX = 0,125 W). Pro výpočet 2 maximálního napětí, které je možné na součástku přivést platí vztah PZMAX = U MAX / R . Na zvoleném souboru rezistorů měříme zkreslení (odečítáme U3 [µV] o frekvenci 30 kHz) alespoň pro dvě hodnoty napětí U1. Nepřekračujeme vypočtenou hodnotu U1MAX. Z naměřených hodnot vypočteme aritmetické průměry a získáme tak alespoň dva body ke konstrukci grafu ln U3 = f (ln U1). Ad 2) Proudový šum měří přístroj QuanTech - Noise Rezistor Test Set. Na levém voltmetru nastavujeme stejnosměrné napájení měřeného rezistoru, stupnice je cejchovaná jak ve voltech, tak v decibelech. Vztažnou hodnotou pro 0 dB levého voltmetru je 1 V. Pravý voltmetr zobrazuje naměřený šum – buď systémový nebo celkový. Dále je tento voltmetr používán při kalibraci. Stupnice je pouze logaritmická, hodnota je zobrazována v [dB]. Vztažnou jednotkou pro 0 dB je 1 µV. Systémový šum představuje „vnitřní chybu“ měřicího přístroje, kterou je třeba správně odečíst od naměřeného celkového šumu rezistoru. Zobrazenou hodnotu celkového šumu je totiž nutné nejprve přepočítat z [dB] na napětí [µV] a pak od ní odečíst systémový šum v [µV]. Celkový a systémový šum jsou na sebe kolmé vektory, proto je nutné je i tak odečítat. Pro výpočet stejnosměrného napájecího napětí (levý voltmetr) platí stejná pravidla jako pro určení U1MAX u přístroje CLT 1. Literatura: Technologie elektrotechnických součástek cvičení, V. Papež. Praha: ČVUT, 1992 • Napěťová závislost odporů – kap. 1.3.3, str. 12 • Šum rezistorů – kap. 1.3.7, str. 17
Obr. 1: Přední panel přístroje CLT 1.
Obr. 2: Přední panel přístroje QuanTech. Příklad: Výpočet vlastního šumu rezistoru, číselné hodnoty jsou smyšlené:
Systémový šum měřicího přístroje:............... +5 dB = 1,78 µV Celkový šum rezistoru a přístroje: ................ +10 dB = 3,16 µV Vlastní šum rezistoru:.................................... NI = 3,16 2 − 1,78 2 = 2,61µV
NI [dB] = +8,33 dB Přepočet napětí ve voltech, milivoltech nebo mikrovoltech na decibelovou míru: U [dB] = 20 log
U [V ; mV ; µV ] , U 0 [V ; mV ; µV ]
kde U0 je vztažná hodnota napětí [V; mV; µV] pro hladinu 0 dB.
MĚŘENÍ VLASTNOSTÍ KONDENZÁTORŮ 1) Změřte teplotní závislost kapacity a ztrátového činitele vybraných vzorků do teploty 140°C s teplotním krokem 10°C. TYP
CN [nF]
UN [V]
dielektrikum
TK782
22
12
Supermit
TK744
15
12
Supermit
CK100
100
50
Z5U keramika
Vzorky kondenzátorů zahřívejte v olejové lázni. Měřte kapacitu a ztrátový činitel. 2) Změřte napěťovou závislost předložených vzorků kondenzátorů. Nepřekročte povolené provozní napětí. TYP
CN [nF]
UN [V]
dielektrikum
barva, provedení
TK666
100
40
Supermit, keramický
hnědý kotoučový
4H30
33
40
keramický
zelený
CF2
100
63
Tereftalát
žlutý svitkový
Kapacitu kondenzátorů měřte při polarizaci stejnosměrným napětím. Pro přivedení napětí a oddělení měřicího přístroje použijte oddělovací přípravek. Měřte kapacitu a ztrátový činitel vzorků. 3) Ověřte uvolnění elektrického náboje u předložených vzorků kondenzátoru z feroelektrického materiálu.
Kondenzátor připojený k elektrostatickému voltmetru nabijte na plné napětí baterie (asi 90 V). Kondenzátor vybijte a ohřejte v olejové lázni na cca 150°C. Odečtěte maximální napětí na kondenzátoru. Poznámky:
Ztrátový činitel tg δ je bezrozměrné číslo vyjadřující ztráty v dielektriku. Nabývá hodnot 0 až 1. Úhel δ je odchylka fázoru proudu protékajícího kondenzátorem od ideálního čistě kapacitního jalového proudu IC. Měřené kondenzátory jsou ke zdroji stejnosměrného napětí (sada plochých baterií 4,5 V) připojeny přes odpor 8,2 MΩ. Oddělení stejnosměrného napájení a střídavého měřicího signálu je provedeno pomocí kondenzátoru o velikosti 0,68 µF. Zobrazená kapacita CZOB je tedy sériové spojení měřeného (CX) a oddělovacího (CV) kondenzátoru: 1 C ZOB
=
1 1 + C X CV
Dále je při měření nutné uvažovat časovou konstantu obvodu τ = RCZOB. Stejnosměrný zdroj totiž nabíjí měřený kondenzátor přes odpor 8,2 MΩ. K ustálení napěťových poměrů v obvodu dojde po uplynutí cca 3 – 5 časových konstant.
Obr. 1: Schéma měření napěťové závislosti CX a tg δ (bod zadání 2).
Obr. 2: Propojení svorek na oddělovacím přípravku.
Svorky umístěné nad sebou jsou elektricky propojeny. Napájení se připojuje jen při měření bodu 2 zadání – napěťová závislost CX a tg δ. Při měření bodu 1 zadání je měřicí můstek připojen mezi svorky 2 a 3 (měření teplotní závislosti). Při měření bodu 2 zadání je měřicí můstek připojen mezi svorky 1 a 3 (CX a CV musí být zapojeny v sérii). Literatura:
Technologie elektrotechnických součástek cvičení, V. Papež. Praha: ČVUT, 1992 • Teplotní závislost kapacity – kap. 1.4.2, str. 21 • Napěťová závislost kapacity – kap. 1.4.3, str. 23 • Ztrátový činitel kapacitoru – kap. 1.4.5, str. 24
VLASTNOSTI REZISTORŮ PŘI VYSOKÝCH KMITOČTECH 1) Změřte závislost impedance (absolutní hodnoty a fáze) nebo jiných ekvivalentních složek vyjadřujících komplexní impedanci rezistoru na kmitočtu. Poznámky:
Měření proveďte v rozsahu frekvencí cca 1 kHz až 1 MHz s použitím přístroje HP 4284 a v rozsahu 1 MHz až 100 MHz s využitím BM 650. Měřič impedance BM 650 je nutné před měřením kalibrovat s ohledem na vlastní kapacitu a indukčnost držáčku. U odporů malých hodnot vyhodnoťte sériovou indukčnost, u odporů velkých hodnot paralelní kapacitu. Výsledky měření zpracujte graficky nejlépe do komplexní roviny Re{Z} a Im{Z}. Za odpor tzv. „malé“ ohmické hodnoty se považují hodnoty do 102 Ω, odpory vyšších ohmických hodnot jsou cca od 104 Ω výše. Frekvenčně vykompenzované odpory (bez výrazné imaginární složky) jsou rezistory okolo 330 Ω. Při manipulaci s přístroji je nutné dbát na nebezpečí ESD výbojů (statická elektřina). Před připojením měřeného odporu je vhodné se nejprve dotknout kovových konstrukčních částí (držáčku nebo konektoru) a teprve potom se dotýkat živých částí. Plně využívejte měřicí rozsah přístrojů, v rozsahu 0,5 MHz až 1 MHz je možné měření na HP 4284 a BM 650 vzájemně porovnat. I když RLC analyzátor HP 4284 umožňuje měření již od kmitočtu 20 Hz, vzhledem k nepřesnosti je rozsah 20 Hz – 1 kHz téměř k nepoužití. Určení chyby měření v důsledku vlastní indukčnosti držáčku se u BM 650 provádí následovně: 1) zkratujeme držáček sondy pomocí drátu nebo vývodu měřené součástky 2) nastavíme frekvenci 100 MHz (chyba je sice frekvenčně nezávislá, ale na nízkých kmitočtech je v podstatě neměřitelná) 3) určíme hodnotu reaktance X L = jωL 4) vypočtenou hodnotu indukčnosti držáčku vždy odečítáme od naměřené hodnoty Postup je úplně analogický pro určení vlastní kapacity držáčku, zkrat musí být nahrazen otevřeným koncem a určuje se kapacitní reaktance XC. Literatura:
Technologie elektrotechnických součástek cvičení, V. Papež. Praha: ČVUT, 1992 •
Kmitočtová závislost odporu – kap. 1.3.4, str. 12
NELINEÁRNÍ ODPORY 1) Změřte teplotní závislost daných vzorků rezistorů v teplotním rozsahu 20 až 120°C. S krokem 10°C měřte do 100°C, mezi 100°C a 120°C volte krok 5°C. VZORKY
TYP
POPIS
1
PT100
platinový teploměr 100 Ω
2
NTC
negativní termistor 100 Ω
3
TR154
metalizovaný rezistor 6,8 kΩ / 2 W
4
TR212
uhlíkový rezistor 4,7 kΩ / 0,125 W
5
NTC
negativní termistor 6,8 kΩ
6
PTC
pozitivní termistor 60 Ω
Digitální multimetr ve funkci ohmmetru mezi měřeními při jednotlivých teplotách vypínejte. Kromě topení lázní intenzívně míchejte – zlepší se tak rovnoměrnost ohřevu vzorků a sníží se chyba určení teploty. 2) Změřte VA charakteristiky daných vzorků varistorů odečtem hodnot na osciloskopu, který pracuje v režimu XY. (1 kus je varistor SiC, zbylé čtyři ZnO)
Pro měření použijte pomocný zdroj krátkých napěťových pulzů. Napětí na vzorcích je až 400 V – pozor při výměně. Před odpojením a připojením vzorků přípravek vypněte odpojením přívodů napájení (vytažením banánku) nikoliv vypnutím napájecího zdroje. Charakteristiky měřte jako zjišťování napětí při proudu varistorem 0,05 A až 2,5 A (u varistoru SiC ale jen do napětí 400 V). Napěťový vstup osciloskopu (kanál CH1 – X) je snímán přes sondu 1:10, proudový vstup (kanál CH2 – Y) je snímán na bočníku 0,5 Ω. VZORKY
ZnO
SiC
TYP
UBR[V]
BARVA
Siemens S10K
60
modrý
Draloric VE17
30
hnědý
Draloric 7N390K
30
hnědý
Harris VDR025
150
červený
Tesla SiC
300
tmavě hnědý
Napájení přípravku volte v rozsahu 0 až 6 V. Nikdy nezapojujte napájení aniž by byl připojen jakýkoliv varistor. Napěťová špička indukovaná na vinutí cívky při rozepnutí by způsobila zničení spínacího tranzistoru. Maximální napětí, které je možné přivést na tranzistor je 400 V.
Obr. 1: Schéma přípravku pro impulzní měření VA charakteristiky varistoru. Práce s osciloskopem:
Přepínání mezi normálním režimem (časová oblast) a režimem XY (stavová oblast) se provádí stiskem tlačítka Main a následnou volbou režimu. Ukládání pozorovaného průběhu na disketu je možné provést přímo stiskem tlačítka Quick Print . Před tím je vhodné nastavit parametry ukládání pomocí tlačítka Save&Copy – formát obrázku (TIFF, BMP), případně počet ukládaných navzorkovaných bodů (textový zápis do souboru CSV). Formát CSV lze použít pouze pro ukládání časových průběhů, v režimu XY nelze data správně ze souboru přečíst. Před uložením na disketu je vhodné průběh roztáhnout přes celou obrazovku, jinak není zaručena spolehlivá práce s přenesenými daty na PC. V úlohách, kde je vyžadována tvorba grafu s více průběhy najednou použijte výhradně formát CSV. Případné vkládané obrázky do protokolu nezapomeňte řádně okomentovat včetně popisu os a jednotek (přepočet napětí na bočníku na proud protékající součástkou apod.). Poznámky: Pro nastavení teploty v soustavě slouží kontaktní rtuťový teploměr typu „Vertex“. Změnou polohy jezdce uvnitř kapiláry se nastavuje teplota, při které dojde k jeho kontaktu (jezdce) se sloupcem rtuti. Při této teplotě pomocné relé vypne obvod topení a stabilizuje tak teplotu byť s poměrně velkou chybou. Při ochlazení soustavy (poklesu rtuťového sloupce) dojde k rozepnutí kontaktu jezdec – rtuť a pomocné relé opět zapne obvod topení. Pro přesnou kontrolu je soustava vybavena pomocným přesným rtuťovým teploměrem. Přesný údaj o teplotě lze také získat odečtením z převodní tabulky pro snímač Pt 100 Ω při 0°C. Literatura:
Technologie elektrotechnických součástek cvičení, V. Papež. Praha: ČVUT, 1992 • • •
Termistory NTC – kap. 1.8.1, str. 134 Termistory PTC – kap. 1.8.2, str. 137 Varistory – kap. 1.8.3, str. 139
Odporové teploměry Pt 100 Ω při 0°C °C
°C
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
-40
-45
-50
-55
-60
-65
-70
-75
-80
-85
-90
-95
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-100 ∗Ω/°C
-200
18,53 16,43 14,36 12,35 10,41
-100
60,20 58,17 56,13 54,09 52,04 49,99 47,93 45,87 43,80 41,73 39,65 37,57 35,49 33,38 31,28 29,17 27,05 24,92 22,76 20,65 18,53
0,4
0
100,00 98,04 96,07 94,10 92,13 90,15 88,17 86,19 84,21 82,23 80,25 78,27 76,28 74,29 72,39 70,29 68,28 66,27 64,25 62,23 60,20
0,5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
-
95
-
100
∗Ω/°C
0
100,00 101,95 103,90 105,85 107,80 109,74 111,68 113,61 115,54 117,47 119,40 121,32 123,24 125,16 127,08 129,00 130,91 132,81 134,70 136,60 138,50
0,3
100
138,50 140,40 142,29 144,16 146,07 147,95 149,83 151,71 153,59 155,46 157,33 159,20 161,06 162,92 164,78 166,63 168,43 170,33 172,18 174,02 175,86
0,3
200
175,86 177,70 179,54 181,37 183,20 185,03 186,85 188,67 190,49 192,31 194,13 195,94 197,75 199,55 201,35 203,15 204,94 206,73 208,52 210,30 212,03
0,3
300
212,03 213,85 215,62 217,39 219,16 220,92 222,68 224,44 226,20 227,95 229,70 231,45 233,19 234,93 236,67 238,41 240,15 241,99 243,61 245,34 247,07
0,3
400
247,07 248,79 250,51 252,23 253,95 255,66 257,37 259,08 260,79 262,49 264,19 265,88 267,57 269,26 270,95 272,63 274,31 275,98 277,64 279,29 280,94
0,3
500
280,94 282,59 284,23 285,87 287,51 289,15 290,79 292,43 294,06 295,68 279,30
0,3
-
-
-
-
-
-
-
-
-
*Střední hodnota pro rozsah 100°C – Tolerance: do –220°C = 0,7 Ω, do –200°C = 0,5 Ω, do –100°C = 0,3 Ω, do 0°C = 0,1 Ω do 100°C = 0,2 Ω, do 200°C = 0,4 Ω, do 300°C = 0,6 Ω, do 400°C = 0,8 Ω, do 500°C = 1,0 Ω, do 550°C = 1,1 Ω.
-
