6. Laboratóriumi gyakorlat Egységes jelátalakítók 1. A gyakorlat célja Egységes feszültség és egységes áram jelformáló áramkörök tanulmányozása, átviteli karakterisztikák felvétele, terhelésfüggőségük tanulmányozása, átalakítási hibák számítása. 2. Elméleti bevezető A mérőműszerek bemenetére kapcsolt elektromos és nem elektromos jelek nagyon változatos értéktartománnyal rendelkeznek. Úgy gazdasági, mint gyakorlati szempontból előnyös, ha a mérőrendszert egy bizonyos bemeneti jelértékre tervezik. Az érzékelőket, átalakítókat, melyek az elektromos vagy nem elektromos mennyiségeket hivatottak érzékelni, ellátják úgynevezett egységes jelátalakító áramkörökkel, melyek kimenetén szabvány által előírt áram illetve feszültség mérhető. Feszültség esetében ezek az értékek V 2.5V 5V V, áram esetében pedig ma 2 ma 4 2 ma. Ezen áramkörök használata lehetővé teszi a mérőrendszert alkotó egyes blokkok cserélhetőségét. Egyes átalakítóknál az alsó határérték nem nulla, hogy ellenőrizni lehessen a mérőkör üzemállapotát 2.1. Feszültség-áram átalakítók U/I A 6.1.ábrán egy U/I átalakító elvi kapcsolási rajza látható, melynek kimeneti árama 4mA és 2 ma között változik a bemeneti feszültség függvényében. A bemeneti feszültség és V i max értékek között változhat. Az átalakító lineáris kapcsolatot kell, hogy biztosítson a bemeneti áram és a kimeneti feszültség között között -I o f(u i )-, függetlenül az R s terhelő ellenállástól, melynek értéke és R S max közötti érték lehet. Az első műveleti erősítő vezérli a Q tranzisztort, mely az R S terhelő ellenálláson a bemeneti feszültséggel arányos áramot hoz létre. Az áramkör stabilitása érdekében a második műveleti erősítő az R 1 és R S ellenállásokon létrejövő feszültségesések különbségével arányos visszacsatolást biztosít. V i esetén a kimeneti áram, I o 4mA. V i V i max bemenő jel esetén pedig a kimeneti áram, I o 2mA A bemutatott jelátalakító esetében a terhelési ellenállás, R S és 5 között változhat Az áramkör csak pozitív feszültségeket alakít át árammá.
6.1. ábra 2.2. Kétpólusú feszültség-áram átalakító A gyakorlatban nagyon sokszor előfordul, hogy kétirányú vezérléshez kell alkalmazkodni, pl. egy motor jobbra-balra forog, egy dugattyú előre-hátra mozdul el. Ilyen esetben a mérőrendszer képes kell legyen mindkét irányú változás érzékelésére, mérésére. A jel ebben az esetben egy negatív maximum és egy pozitív maximum között változik. A 6.2.ábrán egy kétirányú feszültség-áram átalakító kapcsolási rajza látható, melynek bemeneti feszültsége 5V és +5V között változik, a kimeneti áram pedig 1mA és +1mA között változik. 6.2. ábra A műveleti erősítő nem fázisfordító kapcsolásban vezérli a T 1 és T 2 komplementer tranzisztorokat, melyekre az R S terhelő ellenállást kötjük. A kimeneti áram lineárisan függ a bemeneti feszültségtől 3 I 2V i 1 [ ma] (6.1.) A kimeneti áram független kell legyen a terhelő ellenállástól, mely és R max között változik. 2.3. Áram-feszültség átalakítók I/U Sok esetben a mérendő berendezésben áramjel áll rendelkezésre, melyet bizonyos okokból voltmérővel kell mérni. Ilyenkor használják az áram-feszültség átalakítókat, melynek szintén lineáris karakterisztikája kell, hogy legyen (V f(i)). Egy bizonyos bemeneti áramtartományra, egy V o feszültséget ad V o min és V o max között, ahol V o min és V o max a használt voltmérő mérési tartományától függ. A 6.3.ábrán műveleti erősítővel kialakított áram-feszültség konverter látható. Az R 1 és R 4 ellenállásokat változtatva módosítható a bemeneti áram maximális értéke. A kimeneti
feszültség maximális V omax értékét az R 3 /R 2 arány befolyásolja. A karakterisztika minden esetben lineáris. 6.3. ábra 3. A mérés menete 3.1. A laboratóriumi mérőhelyen a fent említett két feszültség-áram átalakító, illetve az áram-feszültség átalakító, található. Az egyirányú U/I átalakító tanulmányozásához a 6.4.ábrának megfelelően tápláljuk az áramkört. R reosztát 2 R S dekadikus terhelő ellenállás 6.4. ábra Beállítunk egy R s 5 terhelő ellenállás értéket. Változtatjuk a bemeneti feszültséget és 1V között.1v lépésekben, az R változtatható ellenállást változtatva. Minden értékre leolvassuk a kimeneti áramot a ma mérőn. Az adatokat a 6.1.táblázatba írjuk. A méréseket hasonló módon megismételjük, amikor a terhelő ellenállást R s 3 és R s 1 értékekre állítjuk. 1 Kiszámítjuk az ideális kimeneti áramot a C S arányossági együtthatóval, tehát 1 U I i [ ] 1 ma (6.2.) OC valamint a hibát minden mérésre. I I C % (6.3.) 1
6.1 táblázat R s / V i V.1.2.3.4.5.6.7.8.9 1 5 I [ma] 3 I [ma] 1 I [ma] I oc =U i /1 [ma] [%] 3.2. A kétirányú feszültség-áram átalakító tanulmányozásához a bekötési rajzot a 6.5.ábra mutatja. 6.5. ábra A terhelő-ellenállást R S 2 értékre állitjuk. Először pozitív feszültség értékekre rajzoljuk fel a karakterisztikát, majd negatív bemeneti feszültségre, megváltoztatva az R ellenállás bekötésének polaritását. Mindkét esetben a feszültséget.5v lépésekben változtatjuk. Az adatokat a 6.2.táblázatba írjuk. Pozitív bemeneti jel negatív bemeneti jel 6.2 táblázat V i V.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 I [ma] V i V I [ma] A kétirányú U/I átalakító esetében vizsgáljuk a kimeneti áram függőségét a terhelő ellenállástól, melyet 5 lépésekben változtatunk R S 5 1 tartományban. A méréseket két állandó bemeneti feszültségre ismételjük meg először V i 2.5V majd V i 5V-ra. Az adatokat a 6.3.táblázatba írjuk. R s 5 1 2 3 4 5 6 7 8 V i 2.5V I [ma] V i 5V I [ma] 6.3 táblázat 9 1
A terhelő-ellenállás számoljuk okozta kimeneti áram hibáját a következő összefüggéssel I I k 1 % (6.4.) I k I k az áram középértéke, amikor a terhelő ellenállás R S 5 3 értékek között változik. 3.3. Az áram-feszültség átalakítót a 6.3.ábra szerint állítjuk össze és vizsgáljuk. A bemenetre egy milliampermérőt kapcsolunk és egy 5V között változtatható feszültség forrást. Az R 1, R 4 és R 3 dekadikus ellenállások. Az R 1 és R 4 ellenállásokkal a maximális bemeneti áramot állítjuk be az alábbi táblázat szerint: R 1 =R 4 5 25 125 I i max 5mA 1mA 2mA A kimenetre egy voltmérőt kapcsolunk, 1 V-os méréshatárra állítva. Több mérést végzünk el különböző bemeneti maximális áramnak I i max és különböző maximális kimeneti feszültségnek V o max megfelelően. A mérések mindegyikét a 6.4.táblázatnak megfelelő táblázatokba írjuk. 6.4 táblázat R 1 R 4 I i [ma] R 3 V o V A különböző eseteknek megfelelő ellenállás értékeket, valamint a bemeneti áram módosítását az alábbiakban adjuk meg: a) R 1 R 4 = 5 I i max 5mA R 2 R 3 5k V o max 5V Az áramot 1mA-es lépésekben változtatjuk és 5mA között. b) R 1 R 4 = 5 I i max 5mA R 2 15k R 3 46k V o max 1 V Az áramot 1mA-enként módosítjuk. c) R 1 R 4 = 25 I i max 1mA R 2 15k R 3 46k V o max 1 V Az áramot 1mA-enként módosítjuk és 1 ma között. d) R 1 R 4 = 125 I i max 2 ma R 2 15k R 3 46k V o max 1 V Az áramot és 2 ma között változtatjuk 2mA-ként. A mérések alapján felrajzoljuk az áram-feszültség konverterek karakterisztikáját, ugyanabba a koordinátarendszerbe.
4. Kérdések, megjegyzések 4.1. Miért használják az egységes jelátalakítókat a méréstechnikában? 4.2. Miért fontos, hogy a jelátalakítóknál nulla bemeneti jelre a kimeneten nullától különböző áramot mérjünk? 4.3. Minden tanulmányozott konverternek rajzoljátok fel a karakterisztikáját 4.4. Az áram-feszültség átalakító esetében milyen szerepe van az R 1 R 4 és R 3 ellenállásoknak? Hogyan befolyásolják ezek az ellenállások a bemeneti jel, illetve a kimeneti jel maximális értékét? 4.5. Hogyan változtatjuk meg a fent említett ellenállásokat ha az áram-feszültség átalakító I i =2mA bemeneti áramra V =5V kimeneti feszültséget kell szolgáltatnia!?