Karakterisztikák

Ebben a mérésben egyrészt az elektronikai kapcsolásokban előforduló elemek – kétpólusok - (lineáris és nem lineáris) feszültség – áram karakterisztikáit vizsgáljuk, amelyek talán a legjellemzőbb és legtöbb információt adják a vizsgált elemekről ill. áramkörökről. Ezenkívül egy tranzisztoros kapcsolás – négypólus - átviteli (transzfer) karakterisztikáját. Egyenfeszültség és egyenáram méréséről van szó, amelyet stacioner (egyensúlyi) állapotban végzünk. A vizsgált áramköri elemek a telep, diódák, izzólámpa, tranzisztorok.

Elméleti ismereteinket az Elektronika jegyzet Tranzisztoros inverterek, valamint Bevezetés az Elektronikába c. jegyzet Alaptörvények, Félvezető diódák és Tranzisztorok fejezeteiből frissíthetjük fel.

1. Telep karakterisztika

A feszültségforrás (telep) Thevenin helyettesítő képe

A feszültségforrást terhelve a kimeneti feszültség:

U_ki = U₀ - I·R_b alakú,

ahol U₀ a telep üresjárási (terheletlen) feszültsége, R_b a belső ellenállás, I a kimeneti (terhelésen átfolyó) áram. Az egyenlet - (U_ki - I függvény, vagy karakterisztika) - egy negatív meredekségű egyenes egyenlete, amelynek a meredeksége R_b

Ha megmérjük ezt a karakterisztikát a kimenetre kötött terhelő ellenállással változtatva az áramot, az ábrázolt függvény (egyenes) meredekségéből a belső ellenállást, a zérus áramhoz tartozó tengelymetszetből az üresjárási feszültséget (szokás elektromotoros erőnek is nevezni) kaphatjuk meg. (Ideálisnak nevezhető feszültségforrás esetén a belső ellenállás elhanyagolhatóan kicsi, azaz közel nulla értékű.)

A fenti mérési elrendezéssel a kimenetre kötött terhelő ellenállást változtatva a kimenő áram is változik, miközben mérjük a kimeneten megjelenő feszültséget. Az összetartozó U_ki - I értékpárokat egy text fileba elmentve a gnuplot program segítségével ábrázolhatjuk és egyenest illeszthetünk rájuk. Az egyenes meredeksége a belső ellenállást, a zérus áramhoz tartozó tengelymetszete az üresjárási feszültséget adja (ilyenkor nem teszünk a kimenetre terhelést, így áram sem folyik).

A karakterisztikát legalább 10 pontban mérjük meg, egyik pont legyen a nulla áramhoz tartozó (üresjárási) feszültség. A mérési adatokat mentsük egy text fáljba a jegyzettömb nevű szövegszerkesztő program segítségével, és ezt ábrázolhatjuk a gnuplot programmal, majd egyenest illeszthetünk a pontsorra.

A gnuplot ikonra kattintva bejön a program ablaka, ahol beírjuk az ábrázoláshoz szükséges parancsot:

plot „filenév.txt”

ekkor megjelennek a mérési pontok egy grafikonon. Most egyenest kell rá illeszteni.

Először meg kell adni a függvényt (az egyenes egyenletét): f(x)=mx+b, a gnuplotba beírva:

f(x)=m*x+b

meg kell adnom a paraméterek (meredekség, tengelymetszet) becsült kezdő értékét is, amelyet az ábrázolt pontsor alapján állapíthatok meg, például:

m=2.13

majd a tengelymetszet értékét becsülöm meg, például:

b=1.49

(a gnuplot a tizedespontot ismeri fel nem a vesszőt!)

Ezután jön az illesztés, azaz a mérési eredményemhez illesztem a megadott függvény a paraméterek kiinduló értékeinek megfelelő változtatásával:

fit f(x) „filenév.txt” using 1:2 via m,b

(fit = illeszt; using 1:2 = x - ként az 1. oszlop értékeit, y tengelyként, ami a függvény értéke, a 2. oszlopét alkalmazom; via m,b = az illesztést a paraméterek változtatásának utján viszem végbe)

Az Enter hatására lefut az illesztés és megjelennek a paraméterek pontos értékei, amelyekre szükség volt. Ezután ábrázolhatom az egyenesemet a mérési pontokkal együtt:

plot f(x), „filenév.txt”

és a pontsor az illesztett egyenessel együtt jelenik meg a grafikon ablakban.

Grafikont nyomtatni a következőképpen tudok: az egér jobb gombjával belekattintok a grafikonba, a megjelenő menűben a nyomtatás parancsot választom majd jóváhagyom a nyomtatási opciókat (yes), és az ábra megjelenik a nyomtatón.

Lehetöség van több mérési eredmény egy grafikonon történő együttes megjelenítésére is:

plot f(x), „filenév1.txt”, „filenév2.txt”

2. Dióda karakterisztika

Mérés közben biztosítani kell, hogy az áram ill. a teljesítmény ne léphesse túl az éppen mért alkatrészre előírt maximális határértéket, ellenkező esetben az tönkremegy. Erre két alapvető módszert használunk:

- egyrészt a mért alkatrésszel sorba kötöttünk egy ellenállást (R_e)

- másrészt a tápegység maximális kimenő áramát korlátozzuk.

Legbiztosabb védelem azonban a figyelmes mérés.

(Természetesen a rajzon lévő dióda helyett izzót ill. termisztort stb. is lehet

betenni). A mérés során legalább 20 pontban vegyük fel az értékpárokat, sűrűbben a gyorsan változó részen, ritkábban a kevésbé változónál. Az előtét-ellenállás a védelmen kívül elősegíti a finomabb beállítást. Az áram és feszültség mérésénél használt digitális multimétereknél ügyelni kell a megfelelő méréshatár megválasztására és a műszerek helyes bekötésére (áram és feszültségmérés közti különbség).

A mérési eredményeket text fileban elmentve, a telepnél leírt módon ábrázolhatjuk gnuplottal.

A mérési pontokból előállított U – I karakterisztikákból meghatározhatjuk az egyenáramú és a differenciális ellenállást. A görbült karakterisztikák esetében ezek nem állandók, ezért több helyen célszerű megállapítani az értéküket:

- kis munkaponti áramnál (kb. 2 mA),

- közepesnél (kb. 15 mA),

- nagyobbnál (kb. 50 mA).

(Emlékeztetőül: az egyenáramú ellenállás az eszközön eső feszültség és az átfolyó áram hányadosa R=U/I;

a differenciális pedig a karakterisztika érintőjének iránytangense r_d = dU/dI.)

3. Tranzisztoros inverter transzfer (átviteli) karakterisztikája

Transzfer karakterisztikát négypólusok esetén vizsgálhatunk, ebben a mérésben a kimeneti – bemeneti feszültség függvényt. A bemenőfeszültséget a P potenciométerrel változtatjuk a 0 – 5V-os feszültségtartományban, miközben a tápfeszültség +5 V. legalább 20 mérési pontban mérjük meg a karakterisztikát, sűrűbben a gyorsan változó tartományban és ritkábban a kicsit változó részen. Az eredményt text fileban mentsük el és gnuplottal ábrázoljuk.

Hasonlítsuk össze a digitális TTL inverter átviteli karakterisztikájával, és állapítsuk meg a hasonlóságot és különbséget.