Analiza circuitelor electronice in regim de curent continuu

Analiza circuitelor electronice in regim de curent continuu

Scopul lucrarii:

1. familiarizarea cu utilizarea sursei de alimentare a unui circuit;
2. familiarizarea cu utilizarea multimetrului digital pentru masurarea tensiunilor continue;
3. introducerea analizei de curent continuu specifice mediului de simulare Spice.

I. Utilizarea sursei de alimentare

Oricare circuit electronic trebuie conectat la o sursa de alimentare. Rolul acesteia este de a furniza circuitului alimentat energia necesara functionarii sale. In concluzie, un circuit care nu este alimentat nu poate functiona.

O sursa de alimentare poate functiona in 2 moduri distincte:

1. sursa de tensiune: furnizeaza circuitului o tensiune constanta, denumita tensiune de alimentare, a carei valoare nu se modifica in functie de curentul de alimentare = curentul solicitat sursei de catre circuit (valoarea acestuia depinde de structura circuitului alimentat).
2. sursa de curent: furnizeaza circuitului un curent constant, denumit curent de alimentare, a carei valoare nu se modifica in functie de tensiunea de alimentare = tensiunea solicitata sursei de catre circuit (valoarea acesteia depinde de structura circuitului alimentat).

In cadrul laboratoarelor care urmeaza a fi efectuate, sursa de alimentare va fi utilizata numai ca sursa de tensiune.

Sursele de alimentare care vor fi utilizate in cadrul orelor de laborator sunt prezentate in Figura 1. Sunt surse triple; din cele 3 surse de alimentare se vor utiliza doar una sau ambele surse reglabile (cele 2 din partile laterale ale sursei). Utilizarea acestora este identica si se va efectua parcurgand etapele de mai jos, in ordinea specificata, utilizand numai butoanele indicate):

 

1. se porneste aparatul de la butonul de pornire  1  (in cazul in care aparatul este pornit, aceasta etapa se sare);
2. se verifica daca ledul ON este aprins; daca este, se apasa butonul output si se stinge ledul ON
3. se seteaza sursa sa functioneze ca sursa de tensiune, din comutatorul  2  (si aceasta etapa se sare, deoarece sursa este setata inainte de inceperea laboratorului sa functioneze in modul corect); pentru sursa HM8040-3 ledul V trebuie sa fie aprins; pentru sursa HM8040-2 butonul 2 Nu trebuie sa fie in pozitia apasat;
4. se regleaza din potentiometrul (2 potentiometre pentru HM8040-2)  3  (2 potentiometre/sursa pentru HM8040-2) valoarea tensiunii de alimentare la valoarea indicata in laborator; valoarea reglata se poate monitoriza pe ecranul  4 ;  punctul reprezinta virgula numarului;
5. se apasa butonul output si se aprinde ledul ON Þ valoarea reglata si vizualizata pe ecran este furnizata intre bornele "+" (rosu) si " " (negru/albastru) ale sursei;
6. se alimenteaza circuitul utilizand firele de alimentare.

OBS:

Ø      dupa terminarea laboratorului, sursa NU se opreste ci se regleaza la 0 volti.

Ø      la oricare modificare a structurii circuitului studiat, alimentarea se intrerupe prin stingerea ledului ON; dupa modificarea acestuia, circuitul de realimenteaza prin aprinderea ledului ON

Figura 1. Sursele de alimentare.

II. Masurarea cu multimetrul digital.

Mutimetrul digital poate masura mai multe tipuri de marimi electrice. In cadrul laboratoarelor, acest aparat se va utilliza pentru masurarea:

• valorii rezistentelor - in acest caz aparatul se utilizeaza ca ohmetru;
• valorii tensiunilor continue - in acest caz aparatul se utilizeaza ca voltmetru.

Multimetrul digital care va fi utilizat in cadrul lucrarilor de laborator este prezentat in Figura 2. Panoul frontal al aparatului este divizat in mai multe sectiuni, care delimiteaza tipul marimii electrice masurate. Tipul marimii electrice care urmeaza a fi masurate se selecteaza din comutatorul   1  . In cadrul fiecarei sectiuni sunt indicate mai multe valori numerice - acestea se numesc game de masura. Marimea electrica vizata se masoara introducand in circuit testerele aparatului (asa cum se va preciza mai jos), conectate la bornele acestuia: testerul rosu la borna "+", iar testerul negru la borna " ". Valoarea marimii electrice masurate este precizata pe ecranul aparatului. In cadrul valorii afisate, punctul indica virgula.

Figura 2. Multimetrul digital.

a. Masurarea rezistentelor se realizeaza astfel:

1. comutatorul aparatului trebuie pozitionat in dreptul gamei de masura maxime, indicata prin valoarea 2000k, din sectiunea indicata prin simbolul sau prin textul Ohm
2. se scoate rezistorul din circuit;
3. se aplica testerele aparatului, fiecare pe cate un terminal al rezistorului;
4. se citeste valoarea rezistentei pe ecranul aparatului; in cazul in care valoarea indicata pe ecran nu este suficient de precisa (lipsesc zecimalele), se selecteaza din comutatorul  1  gama de masura de valoare imediat inferioara (de exemplu, 200k). Procedeul se repeta pana cand valoarea indicata pe ecran este suficient de precisa (contine zecimale). 
5. valoarea indicata pe ecranul aparatului depinde de gama de masura selectata:

i. pe gamele indicate cu litera k, valoarea rezistentei este indicata in kiloohmi;

ii. pe gamele indicate numai cu valori numerice (fara alte litere), valoarea rezistentei este indicata in ohmi.

OBS: in cazul in care, indiferent de gama de masura selectata, valoarea indicata pe ecran este 1, rezistenta masurata este de valoare infinita - acest fapt indica intreruperea circuitului intre regiunile intre care sunt aplicate testerele aparatului.

b. Masurarea tensiunilor contiue se realizeaza astfel:

1. comutatorul aparatului trebuie pozitionat in dreptul gamei de masura maxime, indicata prin valoarea , din sectiunea indicata prin simbolul V= sau prin textul DCV
2. se aplica testerele aparatului, in PARALEL cu elementul de circuit de pe care se masoara tensiunea, cu testerul conectat la borna "+" a aparatului (testerul rosu) la potentialul superior al tensiunii masurate si cu testerul conectat la borna " " a aparatului (testerul negru) la potentialul inferior a tensiunii masurate (in cadrul laboratoarelor, se va indica de fiecare data modul in care trebuie conectat voltmetrul in circuit);
3. se citeste valoarea tensiunii continue pe ecranul aparatului; in cazul in care valoarea indicata pe ecran nu este suficient de precisa (lipsesc zecimalele), se selecteaza din comutatorul    1   gama de masura de valoare imediat inferioara (de exemplu, ). Procedeul se repeta pana cand valoarea indicata pe ecran este suficient de precisa (contine zecimale). 
4. valoarea indicata pe ecranul aparatului depinde de gama de masura selectata:

i. pe gamele indicate numai cu valori numerice (fara alte litere), valoarea rezistentei este indicata in volti.

ii. pe gamele indicate cu litera m, valoarea rezistentei este indicata in milivolti;

Partea I. Analiza practica a divizoarelor rezistive

Toate valorile calculate sau masurate se vor completa in tabelul 1.

A. Analiza divizorului rezistiv de tensiune.

Structura acestui circuit este prezentata in Figura 3.

Figura 3. Divizorul rezistiv de tensiune.

Tensiunea de intrare V_i se divide pe cele 2 rezistente. Valoarea tensiunii de iesire V_o se calculeaza cu formula 1:

1

1. Se seteaza multimetrul digital ca ohmetru.

2. Se masoara valoarea rezistentelor R1 si R2.

3. Se determina cu formula 1 valoarea tensiunii de iesire V_o.

4. Se realizeaza pe placa de test un divizor rezistiv de tensiune, asa cum este indicat in circuitul din Figura 3, unde V_i este furnizata de la sursa de alimentare (momentan, se neglijeaza introducerea voltmetrului).

5. Dupa realizarea circuitului, se anunta cadrul didactic, pentru verificarea acestuia.

6. Se regleaza tensiunea de alimentare la valoarea 5V.

7. Se seteaza multimetrul digital ca voltmetru: din comutatorul   1   se selecteaza gama de masura 20 din sectiunea indicata prin textul DCV sau simbolul V=

8. Se introduce voltmetrul in paralel cu rezistenta R2 (asa cum este indicat in Figura 3) si se citeste de pe ecranul aparatului valoarea tensiunii continue V_o obtinuta la iesirea divizorului.

B. Analiza divizorului rezistiv de curent.

Structura acestui circuit este prezentata in Figura 4. Curentul de intrare I_i se divide pe cele 2 rezistente. Valoarea curentului de iesire I_o se calculeaza cu formula 2:

   2

Figura 4. Divizorul rezistiv de curent.

1. Se seteaza multimetrul digital ca ohmetru.

2. Se masoara valoarea rezistentei R3 (figura 5).

3. Se determina cu formula 2 valoarea curentului de iesire I_o.

4. Se realizeaza pe placa de test un divizor rezistiv de curent, asa cum este indicat in circuitul din Figura 5, unde V_i este furnizata de la sursa de alimentare.

Figura 5. Realizarea practica a divizorului rezistiv de curent.

5. Dupa realizarea circuitului, se anunta cadrul didactic, pentru verificarea acestuia.

6. Se regleaza tensiunea de alimentare la valoarea 5V.

7. Se seteaza multimetrul digital ca voltmetru: din comutatorul   1   se selecteaza gama de masura 20 din sectiunea indicata prin textul DCV sau simbolul V=

8. Se introduce voltmetrul in paralel cu rezistenta R3 (asa cum este indicat in Figura 6) si se citeste de pe ecranul aparatului valoarea tensiunii continue obtinuta la pe aceasta rezistenta; se calculeaza curentul de intrare in divizor cu ajutorul legii lui Ohm:

9. Se introduce voltmetrul in paralel cu rezistenta R2 (asa cum este indicat in Figura 5) si se citeste de pe ecranul aparatului valoarea tensiunii continue obtinuta la pe aceasta rezistenta; se calculeaza curentul de iesire din divizor cu ajutorul legii lui Ohm:

Partea II - Analiza in curent continuu a divizoarelor rezistive prin intermediul pachetului de simulare Orcad/Pspice

Divizoarele rezistive se vor analiza in cadrul proiectului creeat in laboratorul precedent. In acest scop, se vor parcurge urmatoarele etape.

I. Definirea parametrilor proiectului

1. File New Project  => fereastra NEW PROJECT in care:

 a. se specifica:

                        Numele proiectului: laboratoare

                        Locatia proiectului: c:DEEAgrupa*

            b. din sectiunea Create a New Project Using

se selecteaza optiunea: Analog and mixed A/D

OK => fereastra Create Pspice Project in care se selecteaza optiunea

            Create a blank project

3. OK => fereastra de editare a schemei

4. se selecteaza WINDOW c:DEEAgrupa*laboratoare.opj

=> resursele proiectului, in care se expandeaza laboratoare.dsn (click pe +) si se redenumeste campul SCHEMATIC (click dreapta RENAME) cu numele circuitului - DIVIZOR

5. click pe DIVIZOR page1 DIVIZOR page1 => se revine in fereastra de editare a circuitului

II. Editarea schemei electrice a circuitului analizat

6. Place Part (sau se apasa P => fereastra Place Part, din care se pot selecta componentele schemei enumerate in sectiunea Part List din librariile in care sunt grupate, listate in sectiunea Libraries:

            SOURCE: contine diferite tipuri de generatoare de tensiune/curent

ANALOG_P:  contine componente pasive (R, L, C)

EVAL: componente active (diode, tranzistoare) si diverse circuite integrate (analogice si digitale)

OK => se revine in fereastra de editare a schemei cu componenta selectata, care se poate plasa oriunde in schema.

ESC => pana la apasarea acestei taste, componenta selectata anterior ramane activa, iar in schema se pot plasa mai multe astfel de componente; dupa apasarea tastei ESC, selectia componentei respective se anuleaza, ceea ce permite selectarea urmatoarei componente, ca la punctele 6, 7.

Se editeaza circuitul din Figura 3. Pentru sursa de tensiune V_i se va alege sursa de tensiune continua identificata prin denumirea VDC, iar pentru rezistentele R1 si R2 se aleg valorile masurate in prima parte a laboratorului.

Place Ground (sau se apasa G sau se da click pe simbolul ^GND ± in bara cu instrumente din dreapta ferestrei de editare a schemei)

=> fereastra Place Ground din care se selecteaza masa schemei electrice:

in sectiunea Symbol se tasteaza

OK

ESC

Place Wire (sau se apasa W sau se da click pe simbolul ¯^│_─  in bara cu instrumente din dreapta ferestrei de editare a schemei)

=> in fereastra de editare a schemei, indicatorul mouse-ului se modifica in +; trasarea unui fir se realizeaza astfel: click stanga in punctul de pornire, se deplaseaza mouse-ul spre punctul de oprire, click stanga in punctul de oprire.

ESC

III. Simularea circuitului

9. Pspice New Simulation Profile

=> fereastra New Simulation in care:

                        in sectiunea Name se da numele profilului: analiza_1

in sectiunea Root Schematic se precizeaza sursa proiectului care va beneficia de acest profil de simulare:

ATENTIE: pentru a elimina confuziile, fiecarei surse a proiectului i se va defini in mod explicit cate un profil de simulare urmand pasii:

OK => fereastra Simulation Settings - nume profil simulare in care se selecteaza tipul analizei efectuate asupra circuitului. In cazul in care se efectueaza analiza circuitului in curent continuu, din meniul Analysis Type se va selecta analiza Bias point

Ø permite determinarea tensiunilor continue intre nodurile circuitului si referinta (masa) circuitului si a  curentilor continui prin ramurile circuitului.

Ø analiza poate fi efectuata numai daca in circuit exista o sursa de tensiune sau curent continuu (de exemplu sursa de tensiune continua  VDC

OK

WINDOW c:DEEAgrupa*laboratoare.opj

Þ se revine in fereastra in care sunt prezentate resursele proiectului

13. se selecteaza sursa definita la punctul 3

click dreapta Make Root

Pspice Run (sau se tasteaza F11, sau se da click pe simbolul Þ pentru analiza Bias Point, rezultatele se pot extrage din fereastra in care este editata schema circuitului simulat K

Vizualizarea rezultatelor:

16. pentru divizorul rezitiv de tensiune se va determina valoarea tensiunii de iesire vo si se va completa rezultatul in Tabelul 2. Rezultatul respective se obtine astfel:

marimile electrice se pot vizualiza direct prin selectarea adecvata a pictogramelor situate in fereastra de editare a schemei, in bara care contine comenzile specifice simularii:

Pictogramele utilizate pentru vizualizarea rezultatelor obtinute in urma simularii circuitului .

Pentru analiza Bias point, rezultatele simularii se pot obtine selectand urmatoarele pictograme:

tensiunea continua determinata intre un nod de interes si masa schemei, se poate vizualiza selectand pictograma V;

se revine in fereastra de editare a schemei si se editeaza divizorul rezistiv de curent din Figura 4, in care, in locul sursei de current I_i se introduce un generator de curent constant indicat prin IDC in libraria Source. Se reface simularea si se determina curentul de iesire I_o:

curentul continuu printr-o componenta de interes, se poate vizualiza selectand pictograma I;

Referat laborator 02 - Analiza circuitelor in regim de current continuu

Tabelul 1. Rezultalele obtinute in urma masuratorilor divizoarelor rezistive.

Tabelul 2. Rezultalele obtinute in urma simularii divizoarelor rezistive.

Data: