Misure voltamperometriche su dispositivi ohmici e non ohmici

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1 Misure voltamperometriche su dispositivi ohmici e non ohmici Laboratorio di Fisica - Liceo Scientifico G.D. Cassini Sanremo 7 ottobre 28 E.Smerieri & L.Faè Progetto Lauree Scientifiche 6-9 Ottobre 28 - Sanremo Dispositivi a confronto Resistore commerciale Lampadina a filamento metallico Diodo a semiconduttore LED (Light Emitting Diode) Abbiamo deciso di utilizzare una strumentazione economica senza grandi pretese nelle prestazioni in modo che con poca spesa si possano attrezzare molti banchi operativi per gli studenti ed essi possano provare a fare le esperienze anziché guardare come si fanno. Questo comporta una piccola variazione nelle modalità di svolgimento a cui è facile adattarsi ma si ottengono egualmente ottimi risultati. 2

2 Rilievo della caratteristica voltamperometrica di Esperienze proposte un resistore commerciale (comunemente chiamato resistenza, anche se questo è un termine improprio) una lampadina a filamento metallico di un diodo in polarizzazione diretta un LED rosso, giallo, verde Grafico delle diverse caratteristiche voltamperometriche Grafico della resistenza dei componenti precedenti in funzione della corrente che li attraversa Proposte di lavoro ed approfondimenti con esperimenti dei vari dispositivi posti in serie e in parallelo mediante uno studio grafico Proposte di studio della risoluzione, con metodi grafici, di semplici circuiti con i diversi dispositivi presentati 3 Qualche informazione di carattere pratico su Identificazione dei componenti: forme, dimensioni Lettura dei valori dei componenti Codice dei colori Identificazione dei pin del diodo e del LED Circuito oggetto dell esperienza Strumentazione a disposizione Uso della breadboard 4

3 Dimensioni fisiche delle resistenze 5 Dimensioni fisiche della lampadina, del diodo e del LED 6

4 Valore dei componenti 5 6 = 56 Ω 4 7 = 47 pf 7 Codice dei colori Nero Marrone 1 Rosso 2 Arancio 3 Giallo 4 Verde 5 Blu 6 Viola 7 Grigio 8 Bianco 9 8

5 Valori delle resistenze commerciali Valori normalizzati secondo la serie E6 di bassa precisione (6 valori per decade) Valori normalizzati secondo la serie E12 di media precisione (12 valori per decade) Le serie E24, E48 etc. hanno rispettivamente 24, 48 valori per decade 9 Tipi di condensatori 1

6 Tipi di condensatori 11 Circuito standard per una misura voltamperometrica A E D V A : amperometro V : voltmetro E : generatore di tensione continua regolabile da V a xxv D : dispositivo sotto misura 12

7 Tensioni basse sul dispositivo Poiché il generatore a disposizione non fornisce in uscita una tensione inferiore a 1.5 V, per ottenere ai capi del dispositivo D valori di tensione inferiori a questo limite, si può inserire in serie un resistore Rs A Rs D V 13 Strumentazione disponibile Alimentatore Regolazione Uscita Il generatore fornisce tensioni continue variabili da circa 1.5 V a 3 V e corrente massima 1A 14

8 Strumentazione disponibile Multimetro digitale Funzione Ingresso V ma - Ω Quando il multimetro è usato come amperometro con la lampadina e serve un fondo scala maggiore di 2 ma occorre utilizzare l ingresso opportuno indicato 1A altrimenti si brucia il fusibile 1A COMune 15 Il resistore e la lampadina sono dispositivi bidirezionali per la corrente e quindi non importa il loro verso di inserimento nel circuito Il diodo e il LED sono dispositivi unidirezionali per la corrente per cui occorre individuare l anodo ed il catodo per il loro corretto inserimento Anodo + - Catodo DIODO LED Anodo + Lato piatto - Catodo Per memorizzare, ricordarsi: Catodo Corto 16

9 La Breadboard Basetta per montaggi senza saldature 17 Collegamenti 18

10 Montaggio dei componenti 19 2

11 Misura n 1 - Resistore A R V Il resistore R fornito per l esperienza è da 22 Ω nominali [2 W] Effettuare le misure a partire da circa 1.5 V fino a 4 V (il generatore fornisce 1.5V come tensione nominale minima) La tensione massima che si può applicare ai capi della resistenza R è di circa 21 V (con questo valore si raggiunge la potenza massima dissipabile dalla resistenza che è di 2 W) 21 Tensioni basse sulla resistenza Poiché il generatore a disposizione non fornisce in uscita una tensione inferiore a 1.5 V per ottenere ai capi della resistenza R valori di tensione inferiori a questo limite, si può inserire in serie la resistenza Rs regolando la tensione d uscita del generatore al suo valore minimo A Rs R V Con la resistenza R di 22Ω si possono utilizzare come valori di Rs le resistenze della Serie E12 fornite per questa esperienza (in alternativa si può utilizzare una resistenza variabile) 22

12 Oggetto dell esperienza Misurare la corrente e la tensione nel resistore Fare il grafico di Corrente nel resistore in funzione della tensione Resistenza in funzione della corrente Potenza dissipata in funzione della corrente Ulteriore proposta di lavoro: ricavare la curva voltamperometrica di due resistori posti in serie e farne la verifica graficamente ricavare la curva voltamperometrica di due resistori posti in parallelo e farne la verifica graficamente 23 Alcuni dei valori misurati per il resistore I [ma] V[mV] R [Ω] P[mW] ===

13 Caratteristica I-V del resistore Resistenza commerciale da 22 ohm nominali al 5% V=218 I In nero la linea di tendenza Y=.459 x Tensione [mv] 25 Valore misurato di R in funzione di I Resistenza commerciale da 22 ohm nominali al 5% Resistenza [ohm]

14 Potenza dissipata nel resistore Potenza [mw] Corrente [m A] 27 2 Potenza dissipata nel resistore y =,2173x 2 +,44x P =.217 I I 12 Potenza [mw] Corrente [m A] 28

15 Proposta di lavoro Studio grafico di resistenze in serie e in parallelo 29 Proposta - Resistori in serie e in parallelo Resistori in serie Si misurano contemporaneamente le due tensioni che risultano così effettuate a parità di corrente Si sommano graficamente le due tensioni alla medesima corrente Resistori in parallelo Si misurano contemporaneamente le due correnti che risultano così effettuate a parità di tensione Si sommano graficamente le due correnti alla medesima tensione L operazione di somma grafica può essere fatta facilmente con un foglio elettronico come EXCEL ed essere così contestuale con il grafico delle curve voltamperometriche 3

16 Esperimento proposto Resistori in serie e in parallelo 4 Parallelo 35 R1 3 R Serie Tensione [V] 31 Misura n 2 - Lampadina A Lamp V Lampadina a filamento metallico da 2.5 V e.2 A nominali Il circuito standard è questo, ma poiché il generatore a disposizione non fornisce in uscita una tensione inferiore a 1.5 V per rilevare punti corrispondenti a valori inferiori di tensione è necessario apportare una piccola modifica al circuito inserendo il resistore Rs da 47Ω [2 W] fornito come mostrato di seguito 32

17 A Rs Lamp V Proposta di lavoro: Confronare la curva caratteristica di questa lampadina [2.5 V.2A] con quella di un altra ad es. una da 4 V-.3 A Attenzione Lasciare inserito il resistore Rs fino a quando la tensione ai capi della lampadina non raggiunge circa 1.5 V; a questo valore la lampadina può essere collegata direttamente al generatore e si torna ad utilizzare il circuito standard È bene togliere il resistore Rs [47Ω - 2 W] ] quando la corrente raggiunge 2 ma perché altrimenti si supera la potenza massima da esso dissipabile e il povero resistore Non superare di molto i valori nominali di funzionamento della lampadina per non bruciarla con la lampadina da 2.5 V ci si deve fermare ad una corrente di 2 ma con la lampadina da 4 V ci si deve fermare ad una corrente di 3 ma Cercare di non cambiare molte volte scala del multimetro per non introdurre errori diversi Per fare un confronto fra le due lampadine ci si può fermare con le misure quando la corrente raggiunge i 2 ma 33 Oggetto dell esperienza Misurare la corrente e la tensione nella lampadina Calcolare la resistenza Calcolare la potenza dissipata Fare il grafico di Corrente nella lampadina in funzione della tensione Resistenza in funzione della corrente Potenza dissipata in funzione della corrente 34

18 Alcuni valori misurati per la lampadina V [mv] I [ma] R [Ω] statica P [mw] === V [mv] I [ma] R [Ω] statica P [mw] === Lampadina da 2.5V.2A Lampadina da 4V.3A 35 Caratteristica I-V della lampadina Lampadina a filamento metallico 2,5V,2A Tensione [mv] 36

19 Valore misurato di R in funzione di I Lampadina a filamento metallico 2,5V.2A Resistenza [Ohm] Lampadine a confronto 4 V - 3 ma ,5 V - 2 ma 5,,5 1, 1,5 2, 2,5 Tensione [V] 38

20 Lampadine a confronto ,5 V - 2 ma 1 Resistenza [ohm] V - 3 ma Potenza - Lampadina da 2.5V 2 ma y = -3E-7x 4 +,2x 3 -,124x 2 +,1867x Potenza [mw]

21 7 Lampadine a confronto 6 5 2,5 V - 2 ma 4 V - 3 ma Potenza [mw] Misura n 3 - Diodo A Anodo Rs Diodo V Catodo Diodo 1N4148 oppure 1N47 Diodo in polarizzazione diretta Ricordarsi che il generatore a disposizione non fornisce in uscita tensioni inferiori a 1.5 V Nel circuito è inserita la resistenza Rs posta in serie al diodo per limitare la corrente che circola Il resistore Rs a disposizione e posto in serie al diodo è dell ordine del kω 42

22 Procedura di misura sul diodo Per far variare la corrente e la tensione del diodo si varia, ovviamente, la tensione del generatore Per ottenere valori di tensione ai capi del diodo inferiori a circa.5v occorre procedere cambiando il valore della resistenza Rs lasciando la tensione del generatore sul valore minimo (in questo modo aumenta la caduta di tensione sulla resistenza); si hanno a disposizione per questa esperienza delle resistenze della serie E12 che combinate opportunamente permettono di ottenere ai capi del diodo tensioni inferiori a.5v (in alternativa si può utilizzare una resistenza variabile) Misurare la corrente e la tensione nel diodo e successivamente Calcolare la resistenza statica Calcolare la potenza dissipata Fare il grafico di Corrente nel diodo in funzione della tensione ai capi del diodo Resistenza statica in funzione della corrente nel diodo Potenza dissipata in funzione della corrente nel diodo Ulteriore proposta di lavoro: ricavare la curva voltamperometrica di due diodi posti in serie e farne la verifica graficamente 43 Alcuni valori misurati per diodi I [ma] V [mv] Rstatica [Ω] P [mw]. ==== Diodo 1N4148 I [ma] V [mv] Rstatica [Ω] P [mw]. ==== Diodo 1N47 44

23 Caratteristica I-V diodi 1N4148 1N N N Tensione [V] 45 R statica in funzione di I per il diodo 1 9 Resistenza statica del diodo [ohm] N N

24 Potenza dissipata diodi 1N4148 1N47 4, 3,5 Potenza [mw] 3, 2,5 2, 1,5 1N4148 1N47 1,,5, Esperimento proposto - Diodi in serie 6 5 1N N41148 diodi in serie Tensione [mv] 48

25 Misura n 4 - LED A Anodo Rs LED V Catodo LED rosso Resistenza fissa Rs da 1kΩ Variare la tensione del generatore dal valore minimo di circa 1.5 V fino a 12V-13 V in corrispondenza dei quali la corrente nel LED è di quasi 1 ma e la tensione a capi del LED è circa 2.1 V 49 Alcuni valori misurati per il LED I [ma] ROSSO VERDE GIALLO V[mV] V[mV] V[mV]

26 Proposta di lavoro LED di diverso colore 1 9 ROSSO GIALLO VERDE Tensione [mv] 51 Potenza dissipata - LED 2 15 Potenza [mw]

27 Valore R statica del LED in funzione di I Resistenza statica [ohm] Caratteristiche V-I a confronto ,5 1 1,5 2 2,5 Tensione [V] 54

28 Potenze dissipate a confronto Resistore da 22Ω e V R = 1V P = 455 mw Resistore da 22Ω e V R = 2V P = 18 mw Lampadina da 4V e 3mA P = 12 mw Lampadina da 2.5V e 2mA P = 5 mw Diodo con V D =.7 V e I D = 1mA P = 7 mw LED con V F = 2 V e I F = 2mA P = 4 mw 55 Proposta di lavoro Studio grafico Dati E ed R come si trovano I D e V D. I D E R Bipolo qualsiasi V D E = RI D + V I D = f ( V D ) D Equazione del circuito (Kirchoff) Equazione del dispositivo 56

29 Il punto di lavoro e la retta di carico I D E R Lampadina Resistenza Equazione del dispositivo I = f ( V D ) D Equazione del circuito Diodo LED Retta di carico I 1 = V R D D + E R A parità di E ed R la retta di carico è la stessa. Cambia solo il punto di lavoro cioè l intersezione tra la retta di carico e la curva caratteristica del dispositivo E V D 57