RELAZIONE DI LABORATORIO Esercitazione di laboratorio di Elettrotecnica N 3 Svolta in data 30/11/2010 Corso di laurea in Ingegneria Aerospaziale Docente del corso ZICH RICCARDO Squadra (A,B,C) B Tavolo N 4 Componenti: COGNOME NOME MATRICOLA Capocchiano Carlo 744790 Chiementin Luca 742073 Chow Alex Nicolas 743474 Cifaldi Bruno 744029 Coda Matteo 741620 Pag. 1 di 9
RADDRIZZATORE A SINGOLA SEMIONDA 1. OBIETTIVI Visualizzare la forma d onda della tensione ai capi dell alimentazione e della resistenza R, alimentando il circuito con tensione sinusoidale a frequenza variabile. Calcolare il ripple ottenuto. 2. DESCRIZIONE DELL ESPERIMENTO E SCHEMA CIRCUITALE Dopo aver realizzato il circuito seguendo lo schema in figura, abbiamo settato il generatore d onda in modo da fornire un onda sinusoidale con una tensione di circa 6 V e frequenza di circa 64,6 Hz. Successivamente abbiamo visualizzato le forme d onda richieste sullo schermo dell oscilloscopio registrando anche i valori massimi e minimi della tensione sulla resistenza R da 20 kω. 3. STRUMENTI E MATERIALI UTILIZZATI Generatore di funzioni d onda PeakTech 2080 Function Generator. Il generatore di funzioni d onda è l elemento del circuito che fornisce il segnale. A differenza del generatore di potenza, si occupa di fornire un segnale anche variabile nel tempo ma di intensità inferiore (µa). #1 resistore di resistenza 20 kω. Oscilloscopio HP 54603B. L oscilloscopio è uno strumento in grado di visualizzare su uno schermo l andamento di un segnale (in termini di tensione) in funzione del tempo. Con questo strumento si possono eseguire misure di tempo e di ampiezza della forma d onda presentata all ingresso. Basetta millefori. #3 cavi BNC (cavi di collegamento coassiali). Un cavo coassiale è composto da due cilindri concentrici di materiale conduttore, separati da un isolante. Il segnale trasmesso risulta schermato da disturbi elettromagnetici esterni, garantendo una maggior precisione nelle misure di laboratorio. Diodo Il diodo è un elemento circuitale non lineare la cui funzione è permettere il passaggio di corrente in un senso e bloccarlo totalmente nel verso opposto. Il comportamento di un diodo ideale può essere così riassunto: Se I SeV diodo diodo 0 V 0 Polarizzazione diretta ( il diodo conduce) diodo 0 I 0 Polarizzazione inversa ( il diodo non conduce) diodo Per ottenere i risultati teorici seguenti, si è simulato il comportamento ideale di tutti gli elementi eccetto il diodo, modellato seguendo una legge che meglio rappresenti il comportamento di un diodo reale. Il software utilizzato per la simulazione è il Multisim della National Instruments. 4. RISULTATI ATTESI (TEORICI) L immagine seguente rappresenta la forma d onda della tensione imposta dal generatore (in rosso) e della tensione filtrata dal diodo vista dalla resistenza (in verde). In ordinata si possono leggere (in V-div) la tensione del segnale in uscita dal generatore (onda sinusoidale) e la d.d.p. ai capi della resistenza. In ascissa invece, compare il tempo espresso in t-div. Il ripple è espresso dalla seguente formula: Vmax Vmin Ripple % 100 Vmax Pag. 2 di 9
Tale formula esprime il rapporto tra le componenti alternata residua e continua del segnale sul carico, ovvero misura l oscillazione di quest ultimo attorno al suo valor medio. Più la percentuale del ripple è bassa, maggiore è la qualità del raddrizzatore, perché risulta minimizzata la componente alternata (il numeratore della formula sopra riportata deve tendere a zero per ottenere una tensione continua). La tensione massima teorica sulla resistenza risulta essere circa 5,28 V. 5. RISULTATI SPERIMENTALI Nella seguente fotografia si nota come l oscilloscopio reale restituisca un immagine molto simile a quella della sua controparte virtuale. I valori teorici e sperimentali del segnale sul carico sono riassunti nella seguente tabella: Valore Atteso Valore Misurato Valore massimo 5,28 V 5,5 V Valore minimo 0 V 0 V Ripple 100% 100% 6. CONCLUSIONI Le forme d onda visualizzate nell esperienza coincidono con quelle previste teoricamente: la semionda positiva passa attraverso il diodo subendone una caduta di potenziale dipendente in modo non lineare dalla corrente che lo attraversa e, in prima approssimazione, quantificabile circa in 0,7 V (valore peraltro confermato dalla simulazione). La semionda negativa invece viene bloccata dal diodo che risulta polarizzato inversamente. Il raddrizzatore a semionda analizzato rende disponibile sul carico solo il 50% della potenza in ingresso consentendo comunque l eliminazione della componente negativa del segnale sinusoidale: il valore medio, infatti, passa da 0 al 31,8% del valore massimo. Pag. 3 di 9
RADDRIZZATORE SINGOLA SEMIONDA CON CONDENSATORE 1. OBIETTIVI Visualizzare la forma d onda della tensione ai capi dell alimentazione e della resistenza R con il condensatore C in parallelo, alimentando il circuito con tensione sinusoidale a frequenza variabile. Calcolare il ripple ottenuto. Confrontare i risultati ottenuti con quelli dell esperimento precedente. 2. DESCRIZIONE DELL ESPERIMENTO E SCHEMA CIRCUITALE Dopo aver realizzato il circuito seguendo lo schema in figura, abbiamo settato il generatore d onda in modo da fornire un onda sinusoidale con una tensione di circa 6 V e frequenza di circa 212 Hz, come mostrato nel precedente esperimento. Successivamente abbiamo aggiunto un condensatore C in parallelo alla resistenza e visualizzato le forme d onda richieste sullo schermo dell oscilloscopio registrando anche il valore massimo e minimo del segnale sul carico. 3. STRUMENTI E MATERIALI UTILIZZATI Generatore di funzioni d onda PeakTech 2080 Function Generator. #1 resistore di resistenza 20 kω. Oscilloscopio HP 54603B. 4 #1 condensatore C104 (ovvero da 10 10 pf 0,1 F ). Basetta millefori. #3 cavi BNC (cavi di collegamento coassiali). #1 diodo (Riferimenti teorici al primo esperimento) Per ottenere i risultati teorici seguenti, si è simulato il comportamento ideale di tutti gli elementi eccetto il diodo, modellato seguendo una legge che meglio rappresenti il comportamento di un diodo reale. Il software utilizzato per la simulazione è il Multisim della National Instruments. 4. RISULTATI ATTESI (TEORICI) Come già visto nell esperimento precedente l obiettivo è calcolare il ripple caratteristico del segnale nel nuovo sistema. Per il calcolo del ripple ci si riferisce alla formula riportata nel precedente esperimento. Nella seguente immagine vengono confrontati il segnale d origine e il segnale raddrizzato dal diodo e filtrato dal condensatore, il cui scopo è proprio quello di smorzare la componente alternata del segnale (ad elevata frequenza) agendo come un filtro passa basso. Pag. 4 di 9
La tensione massima teorica sulla resistenza risulta circa 5,28 V mentre la minima 0,89 V. 5. RISULTATI SPERIMENTALI Nella seguente fotografia si nota come l oscilloscopio reale restituisca un immagine praticamente identica a quella della sua controparte virtuale. I valori teorici e sperimentali del segnale sul carico sono riassunti nella seguente tabella: Valore Atteso Valore Misurato Errore Percentuale Valore massimo 5,28 V 5,5 V 4,2% Valore minimo 0,89 V 0,9 V 1,1% Ripple 83,1% 83,6% 0,6% 6. CONCLUSIONI Le forme d onda visualizzate nell esperienza coincidono con quelle previste teoricamente: la semionda positiva passa attraverso il diodo subendone una caduta di potenziale di circa 0,7 V e carica il condensatore fino alla tensione massima. Non appena s inverte la tendenza di crescita del segnale il diodo si polarizza inversamente: a causa della carica accumulata sul condensatore, infatti, questo mantiene un potenziale sul catodo maggiore di quello presente sull anodo. Il generatore d onda risulta quindi escluso dal circuito e l alimentazione è fornita dal condensatore fino all istante in cui si scarica completamente o interseca il fronte positivo di salita dell onda sinusoidale. Da qui in poi il condensatore si carica nuovamente fino al valore massimo. Nel calcolo del ripple il valore pratico risulta di poco superiore al valore atteso, rimanendo in ogni caso piuttosto elevato (oltre l 80%). Gli errori ottenuti sono del tutto accettabili (inferiori al 5%). Pag. 5 di 9
CIRCUITO A PONTE DI GRAETZ 1. OBIETTIVI Visualizzare la forma d onda della tensione ai capi dell alimentazione e della resistenza R, alimentando il circuito con tensione sinusoidale. Calcolare il ripple ottenuto. 2. DECRIZIONE DELL ESPERIMENTO E SCHEMA CIRCUITALE Dopo aver realizzato il circuito seguendo lo schema in figura, abbiamo settato il generatore d onda in modo da fornire un onda sinusoidale con una tensione di circa 6 V e frequenza di circa 212 Hz, come mostrato nel precedente esperimento. Successivamente abbiamo visualizzato le forme d onda richieste sullo schermo dell oscilloscopio collegato attraverso i morsetti positivi dei canali A e B ai capi della resistenza R e i morsetti negativi alla massa del generatore. Si è registrato il valore massimo e minimo della tensione sulla resistenza R attraverso la sottrazione dei canali (ovvero A-B). 3. STRUMENTI E MATERIALI UTILIZZATI #4 diodi. Generatore di funzioni d onda PeakTech 2080 Function Generator. #1 resistore di resistenza 20 kω. Oscilloscopio HP 54603B. Basetta millefori. #3 cavi BNC (cavi di collegamento coassiali). (Riferimenti teorici al primo esperimento) Per ottenere i risultati teorici seguenti, si è simulato il comportamento ideale di tutti gli elementi eccetto il diodo, modellato seguendo una legge che meglio rappresenti il comportamento di un diodo reale. Il software utilizzato per la simulazione è il Multisim della National Instruments. 4. RISULTATI ATTESI (TEORICI) Le immagini seguenti rappresentano la forma d onda della tensione imposta dal generatore (in verde) e della tensione filtrata dal ponte di diodi vista dalla resistenza (in rosso). In ordinata si possono leggere (in V-div) la tensione del segnale in uscita dal generatore (onda sinusoidale) e la d.d.p. ai capi della resistenza. In ascissa invece compare il tempo, espresso in t-div. Per il calcolo del ripple ci si riferisce alla formula riportata nel primo esperimento. Si noti che la caduta di tensione che subisce il segnale è data da due diodi in serie (risulta infatti di circa 1.4V) poiché solo due sono contemporaneamente in conduzione mentre gli altri risultano interdetti. Pag. 6 di 9
La tensione massima teorica sulla resistenza risulta circa 4,66 V. 5. RISULTATI SPERIMENTALI L oscilloscopio reale ci restituisce un immagine molto simile a quella della sua controparte virtuale. Si noti la presenza dei singoli potenziali ai capi della resistenza R e della loro differenza, ovvero la caduta di tensione sul carico (segnale raddrizzato richiesto). I valori teorici e sperimentali del segnale sul carico sono riassunti nella seguente tabella: Valore Atteso Valore Misurato Valore massimo 4,66 V 5,5 V Valore minimo 0 V 0 V Ripple 100% 100% 6. CONCLUSIONI Le forme d onda visualizzate nell esperienza sono simili a quelle previste teoricamente mentre i valori massimi si discostano di quasi 0,9 V: il comportamento dei diodi utilizzati nell esperimento è più ideale di quello dei diodi virtuali, i primi causano infatti una caduta di potenziale inferiore. Grazie al ponte di Graetz tutta la potenza fornita dal generatore è resa disponibile al carico. Inoltre, a differenza del raddrizzatore a singola semionda, il raddrizzatore ad onda intera di questa esperienza ha una componente continua del 63,6% del valore massimo, ovvero doppia rispetto a quella ottenuta nel primo esperimento. Il ripple risulta però inevitabilmente del 100% a causa del valore minimo di 0V. Pag. 7 di 9
CIRCUITO A PONTE DI GRAETZ CON CONDENSATORE 1. OBIETTIVI Visualizzare la forma d onda della tensione ai capi dell alimentazione e della resistenza R, alimentando il circuito con tensione sinusoidale a frequenza variabile. Calcolare il ripple ottenuto. 2. DECRIZIONE DELL ESPERIMENTO E SCHEMA CIRCUITALE Dopo aver realizzato il circuito seguendo lo schema in figura, abbiamo settato il generatore d onda in modo da fornire un onda sinusoidale con una tensione di circa 6 V e frequenza di circa 212 Hz e 426 Hz. Successivamente all aggiunta del condensatore C in parallelo al carico R, si è visualizzata la tensione ai capi della resistenza R sullo schermo dell oscilloscopio collegato attraverso i morsetti positivi dei canali A e B ai capi della resistenza R e i morsetti negativi alla massa del generatore. Si è registrato il valore massimo e minimo della tensione sulla resistenza R. 3. STRUMENTI E MATERIALI UTILIZZATI #4 diodi. Generatore di funzioni d onda PeakTech 2080 Function Generator. #1 resistore di resistenza 20 kω. Oscilloscopio HP 54603B. Basetta millefori. #3 cavi BNC (cavi di collegamento coassiali). #1 condensatore C104. (Riferimenti teorici al primo esperimento) Per ottenere i risultati teorici seguenti, si è simulato il comportamento ideale di tutti gli elementi eccetto il diodo, modellato seguendo una legge che meglio rappresenti il comportamento di un diodo reale. Il software utilizzato per la simulazione è il Multisim della National Instruments. 4. RISULTATI ATTESI (TEORICI) Le immagini seguenti rappresentano la forma d onda della tensione imposta dal generatore (in rosso) e della tensione filtrata dal ponte di diodi e dal condensatore vista dalla resistenza (in verde). In ordinata si possono leggere (in V-div) la tensione del segnale in uscita dal generatore (onda sinusoidale) e la d.d.p. ai capi della resistenza, mentre in ascissa compare il tempo (espresso in t-div). Per il calcolo del ripple ci si riferisce alla formula riportata al primo esperimento. Pag. 8 di 9
La tensione massima teorica sulla resistenza risulta circa 4,66 V e la tensione minima 2,23 V. 5. RISULTATI SPERIMENTALI L oscilloscopio reale ci restituisce un immagine molto simile a quella della sua controparte virtuale. Dato che due canali erano impiegati per ricavare la tensione sulla resistenza, non è stato possibile confrontare direttamente tale segnale con quello del generatore. I valori teorici e sperimentali del segnale sul carico sono riassunti nella seguente tabella: Valore Atteso Valore Misurato Errore Percentuale Valore massimo 4,66 V 5,5 V 18% Valore minimo 2,23 V 2,4 V 7,6% Ripple 52,1% 56,4% 8,2% 6. CONCLUSIONI Le forme d onda visualizzate nell esperienza coincidono con quelle previste teoricamente mentre i valori misurati si discostano al massimo del 18% da quelli teorici. Come nell esercizio precedente, l errore è in parte imputabile ad un comportamento non ideale dei diodi ma anche a difficoltà realizzative. Il circuito risulta infatti abbastanza complesso: durante le misurazioni i morsetti andavano tenuti in posizione per evitare contatti indesiderati. L aggiunta del condensatore attenua le armoniche di alta frequenza del segnale raddrizzato, riducendo così l entità del ripple. Aumentando la frequenza senza variare la costante di tempo del condensatore si nota una ulteriore riduzione del ripple: analogo effetto si avrebbe aumentando la capacità C senza variare la frequenza. Infine, si è notato che la semionda negativa ha valore assoluto di picco inferiore a quella positiva: la causa è molto probabilmente il generatore di segnale. Pag. 9 di 9