Elektronika 1 - Laboratorní cvičení

............................................... 60
Kontrolní otázka 3:.................................................................................................. 60
ÚLOHA 4 ............................................................................................................................... 60
Kontrolní příklad 4.1:.............................................................................................. 60
Kontrolní příklad 4.2:.............................................................................................. 60
Kontrolní otázka 4:.................................................................................................. 61
ÚLOHA 5 ............................................................................................................................... 61
Kontrolní příklad 5.1:.............................................................................................. 61
Kontrolní příklad 5.2:.............................................................................................. 61
Kontrolní otázka 5:.................................................................................................. 62
ÚLOHA 6 ............................................................................................................................... 62
Kontrolní příklad 6.1:.............................................................................................. 62
Kontrolní příklad 6.2:.............................................................................................. 62
Kontrolní otázka 6:.................................................................................................. 63
ÚLOHA 7 ............................................................................................................................... 63
Kontrolní příklad 7.1:.............................................................................................. 63
Kontrolní otázka 7:.................................................................................................. 63
ÚLOHA 8 ............................................................................................................................... 63
Kontrolní příklad 8.1:.............................................................................................. 63
ÚLOHA 9 ............................................................................................................................... 64
Kontrolní příklad 9.1:.............................................................................................. 64
Kontrolní otázka 9:.................................................................................................. 64
6 FEKT Vysoké učení technické v Brně
Seznam obrázků
OBR. A1.1: UMÍSTĚNÍ DŮLEŽITÝCH ÚDAJŮ NA STUPNICI ANALOGOVÉHO PŘÍSTROJE................. 10
OBR. A1.2 VZHLED ČELNÍHO PANELU PŘÍSTROJE UNIMA KS3 ............................................... 12
OBR. A1.3 VZHLED ČELNÍHO PANELU GENERÁTORU 33120A .................................................. 13
OBR. 1.1 PARAMETRY ZDROJE NAPĚTÍ A JEHO ZATĚŽOVACÍ (VA) CHARAKTERISTIKY.............. 15
OBR. 1.2 NÁHRADNÍ SCHÉMA ZDROJE PROUDU A JEHO ZATĚŽOVACÍ (VA) CHARAKTERISTIKY 16
OBR. 1.3 NÁHRADNÍ SCHÉMA REÁLNÉHO ZDROJE NAPĚTÍ A PROUDU S PARAMETRY, DUALITA
ZDROJŮ 17
OBR. 1.4 SCHÉMATA ZAPOJENÍ PRO MĚŘENÍ ZATĚŽOVACÍ CHARAKTERISTIKY ZDROJE ............. 17
OBR. 2.1 OBVOD PRO OVĚŘENÍ K. Z. A METODY ÚMĚRNÝCH VELIČIN ...................................... 20
OBR. 2.2 SCHÉMA ZAPOJENÍ ÚLOHY ......................................................................................... 21
OBR. 3.1 K METODĚ NÁHRADNÍHO ZDROJE: A) PŮVODNÍ OBVOD SE ZÁTĚŽÍ, B) NÁHRADA
OBVODU NAPĚŤOVÝM ZDROJEM ........................................................................................ 24
OBR. 3.2 OBVOD A NÁHRADA JEHO ČÁSTI EKVIVALENTNÍM ZDROJEM NAPĚTÍ.......................... 25
OBR. 3.3 POSTUP PŘI STANOVENÍ PARAMETRŮ NÁHRADNÍHO OBVODU: A) VNITŘNÍ NAPĚTÍ B)
VNITŘNÍ ODPOR ................................................................................................................. 25
OBR. 4.1 K PRINCIPU METODY UZLOVÝCH NAPĚTÍ ................................................................... 28
OBR. 4.2 PŘÍKLAD K SESTAVENÍ UZLOVÝCH ROVNIC V MATICOVÉM TVARU ............................ 29
OBR. 4.3 SCHÉMA ZAPOJENÍ PRACOVIŠTĚ K OVĚŘENÍ METODY UZLOVÝCH NAPĚTÍ .................. 30
OBR. 5.1 K PRINCIPU METODY SMYČKOVÝCH PROUDŮ ............................................................. 32
OBR. 5.2 PŘÍKLAD K SESTAVENÍ SMYČKOVÝCH ROVNIC V MATICOVÉM TVARU........................ 33
OBR. 5.3 ZAPOJENÍ ÚLOHY K OVĚŘENÍ METODY SMYČKOVÝCH PROUDŮ.................................. 34
OBR. 6.1 K OVĚŘENÍ PLATNOSTI PRINCIPU SUPERPOZICE V LINEÁRNÍCH OBVODECH................. 37
OBR. 6.2 POSTUP PŘI POUŽITÍ PRINCIPU SUPERPOZICE .............................................................. 37
OBR. 6.3 SCHÉMA ZAPOJENÍ ÚLOHY PRO OVĚŘENÍ PRINCIPU SUPERPOZICE............................... 38
OBR. 6.4 SCHÉMATA LINEÁRNÍHO A NELINEÁRNÍHO OBVODU SIMULOVANÉHO V MICROCAPU 39
OBR. 7.1 AMPÉRVOLTOVÁ CHARAKTERISTIKA NELINEÁRNÍHO PRVKU A JEJÍ MĚŘENÍ............... 42
OBR. 7.2 GRAFICKÁ KONSTRUKCE AV-CHARAKTERISTIKY SÉRIOVĚ ZAPOJENÝCH PRVKŮ....... 42
OBR. 7.3 GRAFICKÁ KONSTRUKCE AV-CHARAKTERISTIKY PARALELNĚ ZAPOJENÝCH PRVKŮ.. 42
OBR. 7.4 LINEARIZOVANÝ MODEL NELINEÁRNÍHO PRVKU PLATNÝ PRO OKOLÍ PRACOVNÍHO
BODU P 43
OBR. 7.5 K MĚŘENÍ AV-CHARAKTERISTIKY PRVKŮ ................................................................. 43
OBR. 8.1 K PŘENOSU VÝKONU: A) SCHÉMA OBVODU, B) VÝKON NA ZÁTĚŽI A ÚČINNOST
PŘENOSU JAKO FUNKCE HODNOTY RZ ............................................................................... 45
OBR. 8.2 MĚŘENÍ PŘENÁŠENÉHO VÝKONU NEPŘÍMOU METODOU ............................................. 46
OBR. 9.1 MAGNETICKÝ OBVOD A) A JEMU EKVIVALENTNÍ MODEL B) ....................................... 49
OBR. 9.2 PŘÍKLAD KE GRAFICKÉMU ŘEŠENÍ NELINEÁRNÍCH MAGNETICKÝCH OBVODŮ, ZDE PRO
FERIT FONOX N05........................................................................................................... 50
OBR. 9.3 ZAPOJENÍ ÚLOHY PRO MĚŘENÍ MAGNETICKÉ INDUKCE VE VZDUCHOVÉ MEZEŘE
MAGNETICKÉHO OBVODU .................................................................................................. 51
OBR. 9.4 FEROMAGNETICKÉ JÁDRO PŘÍPRAVKU: A) GEOMETRIE A ROZMĚRY V MM, B) UMÍSTĚNÍ
MĚŘICÍ SONDY ................................................................................................................... 52
OBR. 10.2 SOUMĚRNÝ TROJÚHELNÍKOVÝ A OBDÉLNÍKOVÝ PRŮBĚH......................................... 55
OBR. 10.3 ZAPOJENÍ PRACOVIŠTĚ PRO MĚŘENÍ NAPĚTÍ RŮZNÝCH PRŮBĚHŮ ............................. 57
Elektrotechnika 1 - laboratorní cvičení 7
Seznam tabulek
TAB. 1.1 REÁLNÝ ZDROJ S R
I1
- ZATĚŽOVACÍ CHARAKTERISTIKA ............................................. 18
TAB. 1.2 REÁLNÝ ZDROJ S R
I2
- ZATĚŽOVACÍ CHARAKTERISTIKA ............................................. 18
TAB. 1.3 REÁLNÝ ZDROJ S R
I3
- ZATĚŽOVACÍ CHARAKTERISTIKA ............................................. 18
TAB. 1.4 PARAMETRY MODELŮ REÁLNÝCH ZDROJŮ ................................................................. 18
TAB. 2.1 METODA ÚMĚRNÝCH VELIČIN A K.Z. - NAMĚŘENÉ A VYPOČTENÉ HODNOTY.............. 22
TAB. 3.1 METODA NÁHRADNÍHO ZDROJE – NAPĚTÍ, PROUDY A CHYBY MĚŘENÍ ........................ 26
TAB. 3.2 METODA NÁHRADNÍHO ZDROJE – PARAMETRY NÁHRADNÍHO OBVODU...................... 26
TAB. 4.1 MUN - MĚŘENÉ A VYPOČTENÉ HODNOTY .................................................................. 30
TAB. 5.1 MSP - MĚŘENÉ A VYPOČTENÉ HODNOTY.................................................................... 35
TAB. 6.1 PRINCIP SUPERPOZICE V LINEÁRNÍM OBVODU ............................................................ 39
TAB. 6.2 PRINCIP SUPERPOZICE V NELINEÁRNÍM OBVODU ........................................................ 39
TAB. 7.1 STATICKÝ A DYNAMICKÝ ODPOR MĚŘENÝCH PRVKŮ ................................................. 44
TAB. 8.1 PŘENOS VÝKONU A CHYBY MĚŘENÍ PRO ZAPOJENÍ VA............................................... 47
TAB. 9.1 ZÁVISLOST MAGNETICKÉ INDUKCE NA BUDICÍM PROUDU .......................................... 52
TAB. 9.2 ZÁVISLOST MAGNETICKÉ INDUKCE NA POLOZE SONDY .............................................. 53
TAB. 10.1 ČINITELÉ TVARU A VÝKYVU ZÁKLADNÍCH ČASOVÝCH PRŮBĚHŮ ............................. 56
TAB. 10.2 MĚŘENÍ NAPĚTÍ RŮZNÝCH PRŮBĚHŮ........................................................................ 58
TAB. 10.3 MĚŘENÍ HARMONICKÉHO NAPĚTÍ S NENULOVOU STEJNOSMĚRNOU SLOŽKOU .......... 58

8 FEKT Vysoké učení technické v Brně
ÚVOD
Skriptum je určeno studentům Fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií pro
laboratorní cvičení z předmětu Elektrotechnika 1. Náplň jednotlivých úloh laboratorních
cvičení je volena tak, aby si studenti prakticky ověřili poznatky získané na přednáškách,
naučili se samostatné experimentální práci a získali tak průpravu pro práci jak ve vyšších
ročnících studia, tak pro budoucí praxi.
ZAŘAZENÍ PŘEDMĚTU VE STUDIJNÍM PROGRAMU
Předmět Elektrotechnika 1 (BEL1) je zařazen do prvního semestru bakalářského
studijního programu všech oborů studia na FEKT VUT v Brně. Předmět sestává z přednášek,
laboratorních cvičení a počítačových cvičení.
Úvod do předmětu
Koncepce jednotlivých úloh by měla vést studenty k osvojení formální stránky práce v
laboratoři, získání správných návyků, stanovení cíle experimentu, vyhotovení záznamu o jeho
průběhu a zhodnocení vlastních výsledků s ohledem na zadání.
OBECNÉ POKYNY PRO LABORATORNÍ CVIČENÍ
Laboratorní cvičení sestává z těchto částí:
• domácí příprava,
• práce v laboratoři,
• zpracování výsledků měření.
Pro laboratorní cvičení je nutné vést záznamy (pro tento účel slouží druhá část
pracovního sešitu Bezpečnost v elektrotechnice, Elektrotechnika 1), do kterého se zapisují
přípravy i zpracování naměřených hodnot. Příprava i zpracování musí být ručně psaná!
Domácí příprava na cvičení
Příprava sestává ze zpracování teoretických poznatků, týkajících se daného cvičení a je
nutné její písemné vypracování do pracovního sešitu. Základem pro domácí přípravu je
„Teoretický úvod“, který je součástí každé úlohy v tomto skriptu. Do přípravy uveďte základy
teorie včetně matematických vztahů. Dále zakreslete skutečné schéma zapojení.
Příprava má být stručná a výstižná, neopisujte celý teoretický úvod. Rovněž není účelné
opisovat „Postup měření“; k tomu účelu slouží skriptum. Účelem domácí přípravy je
pochopení podstaty dané úlohy, které je nutné ke správnému provedení vlastního měření.
Teoretickou znalost příslušné problematiky je třeba prokázat během cvičení. Bez znalosti
teorie a bez písemné přípravy nebude posluchači umožněno cvičení absolvovat.
Práce v laboratoři
Pracoviště v laboratoři jsou pro přehlednost označena čísly a názvy úloh. Na pracovišti
jsou připraveny všechny potřebné přístroje a příslušenství. Při zapojování postupujte podle
schémat skutečného zapojení. Během zapojování postupujte systematicky, abyste se
vyvarovali chyb a zapojení bylo přehledné. Dokončené zapojení si nechte zkontrolovat
učitelem, který připojí úlohu ke zdrojům. Během práce v laboratoři dodržujte zásady
bezpečnosti práce. Jakékoliv změny v zapojení provádějte pouze při odpojených zdrojích.
Elektrotechnika 1 - laboratorní cvičení 9
Důležitou součástí práce v laboratoři je zřetelné a čitelné zaznamenání naměřených
hodnot tak, aby bylo možné spolehlivě pokračovat ve zpracování úlohy. Ze stejného důvodu
je třeba pořídit si seznam použitých přístrojů, který obsahuje kromě typů přístrojů i jejich
výrobní čísla a u měřicích přístrojů také údaje o jejich přesnosti.
Po skončení vlastního měření zkontrolujte vyhodnocením alespoň několika hodnot
správnost měření. Teprve po této kontrole můžete úlohu případně rozpojit a pracoviště uklidit.
Před rozpojením zásadně nejprve nastavte výstupní veličiny zdrojů na nulové hodnoty a
odpojte od nich vodiče!
Výsledky si dejte ověřit učitelem. Ve zbývajícím čase můžete začít zpracovávat
naměřené hodnoty.
Zpracování výsledků
Písemné zpracování má mít formu technické zprávy a musí obsahovat:
• název a číslo úlohy, datum měření,
• zadání (viz „Úkol“ u každé úlohy),
• teoretický úvod (viz výše, „Domácí příprava na cvičení“),
• skutečné schéma zapojení,
• tabulky naměřených a vypočtených hodnot, příklad výpočtu,
• grafické zpracování,
• seznam použitých přístrojů,
• závěr.
Skutečné schéma zapojení
Do schématu zapojení si dopište typy skutečně použitých přístrojů a ostatních
obvodových prvků. Přitom jednotlivé přístroje označte shodně jako v seznamu použitých
přístrojů.
Seznam použitých přístrojů
slouží k tomu, aby bylo možné měření reprodukovat za stejných podmínek. Musí tedy
obsahovat soupis všech použitých přístrojů a zařízení, i pomocných. U většiny zařízení se
uvádí pouze typ. U měřicích přístrojů pak následující údaje:
• druh a typ přístroje,
• výrobce a výrobní číslo,
• princip - značku soustavy (u analogových měřicích přístrojů),
• údaje o přesnosti přístroje (třída přesnosti u analogových, chyba u digitálních).
• rozsahy,
10 FEKT Vysoké učení technické v Brně

Obr. A1.1: Umístění důležitých údajů na stupnici analogového přístroje
Maximální
výchylka
Třída
přesnosti
Značka
soustavy
Pracovní
poloha
Výrobní
číslo
Značka
výrobce
Měřená
veličina
U analogových přístrojů se měřená hodnota X
M
stanoví pomocí výchylky ručky α a
konstanty přístroje k.
M
X kα=⋅ ,
max
R
X
k
α
= ,
(A.1.1)
kde je α.........................ručkou indikovaná výchylka, (dílků)
k..........................konstanta přístroje
............................(veličina/dílek)
X
R
.......................hodnota rozsahu měřicího přístroje, (A, V, …)
α
max
.....................maximální výchylka (počet dílků stupnice) přístroje. (dílků)
Konstanta přístroje se zapisuje v nezkráceném tvaru, například 2,4/120 pro V-metr
s nastaveným rozsahem 2,4 V a maximální výchylkou 120 dílků. Z takového zápisu lze
později zjistit použitý rozsah přístroje.
Digitální přístroje indikují přímo měřenou hodnotu, která se zapisuje nezaokrouhleně,
tedy s plným počtem platných míst, např. 152,0 mA. Přitom je třeba dbát na násobky
indikované veličiny, tedy zda přístroj ukazuje hodnotu např. ve V nebo mV.
Tabulky naměřených a vypočtených hodnot
Tabulky je třeba uspořádat čitelně a přehledně, aby z nich bylo možné vyčíst všechny
požadované hodnoty. Veličiny a jednotky uvádějte podle ustálených zvyklostí v SI soustavě
(ČSN 01 1300). Za tabulku vypočtených hodnot vždy uveďte obecný vztah a příklad výpočtu
(výpočet hodnot jednoho řádku tabulky). Vzory tabulek jsou uvedeny v tomto skriptu v části
“Zpracování“. Pro přehlednost jsou buňky tabulek, které se neměří, ale počítají, podbarveny
šedě. V tabulkách jsou rovněž odkazy na čísla vztahů, které se mají při výpočtech použít.
V některých tabulkách se provádí porovnání naměřených X
měř.
a teoretických X
teor
.
hodnot na základě jejich relativní odchylky δ
X
.
.
100
měř teor
X
teor
XX
X
δ
.
−
=⋅ . (%) (A.1.2)
Grafické zpracování
je důležitou částí zpracování úlohy, neboť dává fyzikální náhled na daný problém.
Grafy lze vypracovat buď na milimetrový papír, nebo pomocí počítače (Excel, Quattro atd.) a
následně vlepit do sešitu. U některých úloh používajících počítače se grafy tisknou již během
Elektrotechnika 1 - laboratorní cvičení 11
měření. V každém případě je třeba vhodně zvolit typ grafu, měřítka os a způsob proložení
zobrazených bodů.
Osy grafu musí být řádně označeny, aby bylo zřejmé, jakou veličinu vyjadřují. Součástí
grafu je i jeho nadpis. Pokud je v jednom grafu zakresleno více křivek, musí být zřetelně
označeny a odlišeny.
Závěr
má obsahovat stručný, ale výstižný rozbor naměřených a vypočtených hodnot. Musí
korespondovat se zadáním úlohy. Nemá být kvalifikací podmínek měření, ale zhodnocením
naměřených parametrů a jejich teoretickým zdůvodněním. Pokud je výsledkem měření jen
málo hodnot, je vhodné je do závěru zopakovat. V případě, že jde o rozsáhlé výsledky
(tabulky, grafy), stačí na ně uvést odkaz.
Součástí závěru by měla být i úvaha o přesnosti provedeného měření s uvedením
možných zdrojů chyb, tedy zhodnocení věrohodnosti získaných výsledků.
12 FEKT Vysoké učení technické v Brně
OVLÁDÁNÍ PŘÍSTROJE UNIMA KS
Unima je univerzální měřicí přístroj, který je vzhledem ke svým parametrům vhodný
pro použití ve školních laboratořích. V laboratorních cvičeních se s Unimou setkáte u
několika úloh. Tato kapitola slouží jako popis základních vlastností přístrojů Unima typu KS3
(s malými odchylkami i pro typ KS2) pro měření AV charakteristik.

B
A
Obr. A1.2 Vzhled čelního panelu přístroje UNIMA KS3
Ovládací program Unima
Před spuštěním programu je třeba zapnout přístroj, neboť program při svém startu
provádí inicializaci hardware. Není-li přístroj inicializován, nesmí se k němu připojovat žádné
součástky, mohlo by dojít k jejich poškození.
Ovládání programu je standardní, pomocí F1 nebo tlačítka Help se vyvolá nápověda,
která obsahuje náčrt připojení přístroje podle zvolené funkce.
Měření AV charakteristik (CharDiode)
Měřený dvojpól se připojuje ke zdířkám A, B označeným značkou diody.
Rozsahy obou os grafu lze volit nezávisle pro kladnou i zápornou část, pomocí tlačítek
+ a -. Měřicí cyklus se spouští tlačítkem Start (kresba grafu) nebo More (kresba další křivky
do již vykresleného grafu). Souřadnice bodů zobrazených křivek lze zjišťovat pomocí
kurzoru. Při stisku levého tlačítka myši kurzor při pohybu sleduje nejbližší křivku.
Tisk grafů
Pomocí klávesy F5 lze vkládat do grafů textové popisky, před tiskem tak mohou být
jednotlivé křivky popsány.
Dialogové okno tisku se vyvolá klávesou F10 nebo tlačítkem Print. Pak lze volit
velikost (Large/Small copy) a typ vytištěného obrázku (Only Char/Window). Není-li
zadáno jinak, volte Small copy a Only Char. Nezapomeňte do vytištěných grafů popsat
osy a zapsat jejich měřítka!
Alternativně lze pomocí klávesy Print Screen uložit obrázek do schránky a vytisknout
jej nepřímo např. pomocí programu Malování či PaintBrush.
Elektrotechnika 1 - laboratorní cvičení 13
OVLÁDÁNÍ GENERÁTORU AGILENT (HP) 33120A
Generátor 33120A je programovatelný laboratorní generátor periodického signálu
libovolného průběhu s kmitočtovým rozsahem do 15 MHz. Popis přístroje omezíme na
funkce podstatné pro měřené úlohy.

Obr. A1.3 Vzhled čelního panelu generátoru 33120A
Volba tvaru výstupního signálu se provádí stiskem tlačítek v horní řadě - Function.
Důležitá jsou první tři – harmonický (~), obdélníkový a trojúhelníkový signál. U
obdélníkového signálu je možné změnit činitel plnění pomocí volby Shift a % Duty.
Frekvence generovaného signálu se nastavuje po stisku tlačítka Freq, amplituda pak po
stisku tlačítka Ampl. Stejnosměrnou složku signálu lze nastavit pomocí tlačítka Offset.
V zásadě je možné tyto hodnoty měnit dvěma způsoby:
• otočným ovladačem můžete měnit hodnotu oběma směry, změna se provádí na tom
řádovém místě, které problikává. Měněné řádové místo lze změnit tlačítky ;
• pro rychlé nastavení frekvence nebo amplitudy lze přímo zadat požadovanou hodnotu
takto: stiskněte Enter Number a poté zadejte číselnou hodnotu (platí zelená čísla
u tlačítek); pak stiskněte jedno z tlačítek určující řád zadané hodnoty ∧ (MHz, Vpp), ∨
(kHz, Vrms) či > (Hz, dBm). Pokud stisknete předem ještě Shift, je vložena namísto V
hodnota mV. Poznámka: Vpp je napětí špička-špička (tedy dvojnásobek amplitudy U
m
),
Vrms je efektivní hodnota napětí (U).

Nastavovaná veličina je zobrazena na displeji včetně jednotky. Desetinná místa jsou
oddělena tečkou, zatímco zobrazené čárky pouze oddělují trojice čísel kvůli lepší čitelnosti.
Výstup generátoru je označen Output, pozor na záměnu se synchronizačním výstupem
Sync. Výstupní impedance generát