MASURAREA MARIMILOR ELECTRICE CU OCILOSCOPUL CATODIC

MASURAREA MARIMILOR ELECTRICE CU OCILOSCOPUL CATODIC

1.Generalitati

Masurarea marimilor electrice variabile in timp cum sunt:tensiunile si curentii alternativi, semnalele variabile in timp cu frecvente mari, etc., se face cu ajutorul osciloscopului catodic care are proprietatea ca permite vizualizarea pe ecran a marimilor masurate. Un osciloscop se compune in principal dinntr-un tub electronic special numit tub catodic si care are schema de principui din fig.1.

Fig. 1

Filamentul F alimentat cu o tensiune de filament U_f incalzeste catodul C care emite electroni spre grila G. Grila G are potentialul electric reglabil din potentiometrul P₁, permitand in felul acesta dirijarea unui fascicul de electroni mai mare sau mai mic spre anozii tubului si in consecinta se poate regla luminozitatea spotului (spotul este urma fascicolului pe ecran) pe ecranul E.

Fascicolul de electroni este accelerat de anodul A₁ inspre anozii A₂ si A₃ a caror forma creaza in jurul lor un camp electric de forma unei lentile electrostatice. Electronii vor fi astfel focalizati, (concentrati intr-un punct) focalizarea reglabila printre doua perechi de placi de deviatie (deflectie) pe verticala(V) si orizontala(H), placi pe care se aplica marimile electrice ce urmeaza a fi vizualizate.

Pozitionarea spotului in oricare punct de pe ecran (de obicei in centrul ecranului) se face prin aplicarea pe perechile de placi de deflectie V si H a unor potentiale electrice cu ajutorul potentiometrul P₃ si P₄.

Sensibilitatea tubului catodic se defineste prin relatia: S=, unde D-deviatia spotului pe ecran in [mm], U-tensiunea aplicata placilor de deviatie. Deoarece sensibilitatea tubului catodic este mica, se introduc intre sursele de semnal si placile de deviatie, amplificatoare de semnal pe verticala si pe orizontala.

Particularizand aceasta relatie, se defineste sensibilitatea pe verticala S_V, si sensibilitatea pe orizontala S_H:   

, unde : D_V si D_H sunt deviatiile spotului pe cele doua directii iar U_V si U_H sunt tensiunile aplicate la bornele osciloscopului. In cazul in care determinarea sensibilitatii se face cu o tensiune sinusoidala avand valoarea eficace U_V, respectiv U_H, sensibilitatea osciloscopului va fi:

.

Sensibilitatea osciloscopului variaza cu frecventa, datorita in primul rand, caracteristicii de frecventa a celor doua amplificatoare. Aplicand un semnal de amplitudine constanta si de frecventa varaiabila la intrarea osciloscopului, se poate determina variatia sensibilitatii cu frecventa, masurand deviatia produsa pe ecran de acest semnal, la diferite frecvente: S_V= S_V(f) ; S_H=S_H(f).

2. Principiul de masurare a marimilor electrice cu ajutorul osciloscopului catodic

Aplicand concomitent la cele doua intrari ale osciloscopului tensiunile u_H=u_H(t) si u_V=u_V(t), deplasarea spotului va fi data de relatiile:

Prin eliminarea timpului intre cele doua relatii, rezulta ecuatia curbei descrisa de spot pe ecran:

F(x,y)=0;

Pentru cazul:

rezulta :    .

Explicitand sin ωt si cos ωt si ridicand la patrat, avem:

ecuatia unei elipse care se poate vizualiza pe ecranul osciloscopului ca in fig.2.

Fig. 2

a)    Masurarea curentului si tensiunii

Pentru a se putea vizualiza forma unei tensiuni variabile in timp, aplicata pe placile de deflectie verticale, este necesar sa se aplice pe placile orizontale o tensiune sub forma triunghiulara numita "in dinti de ferastrau"(fig.3).

Fig. 3

Aceasta tensiune (u_GB) este generata de catre un dispozititv electronic denumit generator de baleaj.

t₁-durata deplasarii spotului de la stanga la dreapta;

t₂-durata intoarcerii spotului in punctul initial.

Pentru claritatea imaginii de pe ecran, in timpul intoarcerii spotului (t₂), acesta e stins cu ajutorul unui circuit special( generator de impulsuri negative, care negativeaza puternic grila in timpul cursei inverse a spotului).

Masurarea tensiunii intr-un circuit electric utilizand osciloscopul catodic se face aplicand tensiunea de masurat pe placile de deflectie verticala dupa ce in prealabil s-a ales o anumita valoare a amplificarii pe verticala:

si o anumita valoare a duratei T=t₁+t₂ a generatorului de baleaj.

Marimile a_V si T se aleg in conformitate cu valoarea maxima si perioada marimii de masurat.

Curentul intr-un circuit se masoara tot prin intermediul tensiunii si anume se culege o tensiune proportionla cu valoarea curentului de masurat de la bornele unei rezistente sau a unui sunt montat in circuitul de masura. Notand cu i curentul de masurat, cu r rezistenta suntului si u caderea de tensiune pe aceasta,    rezulta:

In consecinta, masurarea curentului se face la fel cu masurarea tensiunii, cu deosebirea ca marimea indicata de osciloscop trebuie impartita la valoarea r.

b)    Masurarea frecventelor si a defazajelor cu ajutorul oscilocopului catodic

In cazul in care marimile electrice (tensiune sau curent) sunt sinusoidale, acestea se caracterizeaza prin: frecventa f si defazajul φ in raport cu o marime de referinta. Pentru a se masura frecventa si defazajul se procedeaza astfel: pe placile de deviatie orizontala(H) se aplica o tensiune sinusoidala avand frecventa cunoscuta si defazajul nul, de forma iar pe placile verticale tensiunea a carei frecventa si defazaj dorim sa le masuram de forma:

In cazul general, pe ecranul osciloscopului apare o curba nestationara de o forma complicata care se roteste cu viteza unghiulara: dar pe baza careia putem trage concluzii despre valoarea frecventei f_V, a defazajului φ.

Regland frecventa f_H pana in momentul in care curba devine stationara, adica ω=0, rezulta conditia:

unde m,n є si se obtin curbele lui Lissanjous care e permit identificarea rapida a marimilor f_V si φ.(fig.4).

Curbele Lissajous au fost construite pentru m=1,2,3 si n=1,2,3,4 corespunzator defazajelor φ=0⁰,45⁰,90⁰,135⁰,180⁰.

Determinarea raportului frecventelor in cazul general este data de relatia:

Dupa ce s-a determinat frecventa necunocuta f_V determinarea defazajului se face aducand frecventa f_H=f_V pentru a obtine curbe cu o singura bucla.

Facand raportul intre marimile a si b ale curbei se determina defazajul pe baza relatiei:

, fig.5

Fig. 4

Fig. 5

3. Determinari experimentale

Se relizeaza schema de principiu din fig.6 in care se folosesc urmatoarele elemente si aparate:

OC - oscilograf catodic (osciloscop);

TR - transformator monofazat 220/60V;

V,V₁ - voltmetre "multavi";

A - miliampermetru;

R,R₁ - rezistente in decade;

R₂ - reostat cu cursor 4600Ω;

K,K₁ - intrerupatoare bipolare;

C - condensator 40μF;

GF - generator de frecventa;

Fig. 6

a) Se sudiaza osciloscopul catodic.

b) Se masoara tensiunea alternativa u₁, K deschis si K₁ in pozitia b se determina valoarea maxima U_max, valoarea medie U_m si eficace U_f cu relatiile:

si se compara cu indicatia voltmetrului V din circuit.

c) Se masoara curentul din circuit prin intermediul caderii de tensiune pe rezistenta in decade R₁, comutatorul K₁ deschis si K in pozitia a, avand rezistenta cunoscuta, determinandu-se valoarea medie I_m, si valoarea efectiva I, pe baza curbei curentului de pe ecranul osciloscopului, comparandu-se cu indicatia ampermetrului A.

d) Se alimenteaza placile de deflectie de pe orizontala si verticala cu tensiunile u_H de la transformatorul TR prin reostatul R₂ avand f_H=50Hz si u_V de la GF(K₁ inchis, K pe pozitia b), vizualizandu-se curbele Lissajous prin intermediul unui circuit defazor, format din R,R₁,C . Cunoscandu-se frecventa f_H=50Hz se va determina frecventa f_V pe baza curbelor Lissajous pentru diverse valori ale defazajului φ modificat din rezistenta R.