Laboratorio 3

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
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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 diodo 0
Se Vdiodo 0
Vdiodo 0 Polarizzazione diretta (il diodo conduce)
I diodo 0 Polarizzazione inversa (il diodo non conduce)
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
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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 massimo
Valore minimo
Ripple
Valore Atteso
5,28 V
0V
100%
Valore Misurato
5,5 V
0V
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.
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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.
#1 condensatore C104 (ovvero da 10 10 4 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.
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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 massimo
Valore minimo
Ripple
Valore Atteso
5,28 V
0,89 V
83,1%
Valore Misurato
5,5 V
0,9 V
83,6%
Errore Percentuale
4,2%
1,1%
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%).
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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.
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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 massimo
Valore minimo
Ripple
Valore Atteso
4,66 V
0V
100%
Valore Misurato
5,5 V
0V
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.
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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.
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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 massimo
Valore minimo
Ripple
Valore Atteso
4,66 V
2,23 V
52,1%
Valore Misurato
5,5 V
2,4 V
56,4%
Errore Percentuale
18%
7,6%
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.
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