Лабороторные работы по электротехнике
план-конспект занятия на тему

Лабораторная работа №1

Изучение цифрового мультиметра.

Измерение падения напряжения при помощи

цифрового мультиметра

Цель работы:

• изучение электроизмерительных приборов, используемых в лабораторных работах;
• изучение принципа действия и основных органов управления цифрового мультиметра;
• получение навыков работы с цифровыми измерительными приборами.

Задачами лабораторной работы являются:

• изучение основных функций мультиметра;
• изучение методики измерения мультиметром физических величин;
• проведение экспериментов по измерению  напряжения и обработка полученных результатов;
• изучение устройство и принца  работы транзисторов и диодов.

Оборудование: мультиметр, набор диодов, набор транзисторов, соединительные провода.

Задание 1. Внимательно прочитайте теоретическую часть. Сделайте краткий конспект: «Основные характеристики и принцип работы цифрового мультиметра».

Теоретическая часть

Мультиметр DT83X имеет всего два предела измерения переменных напряжений 750 и 200, естественно, это в вольтах, хотя на приборах пишут только цифры. Таким образом, если возникла потребность померить напряжение в розетке, то надо выбрать предел 750, в остальных случаях 200. Тут следует обратить внимание на такую тонкость: переменное напряжение должно быть синусоидальной формы с частотой 50…60 Гц, только в этом случае точность измерения будет приемлемой.

Если измеряемое напряжение имеет прямоугольную или треугольную форму, а его частота намного выше, чем 50Гц, хотя бы 1000…10000 Гц, то показания на дисплее, конечно, появятся, но что они символизируют неизвестно. Здесь можно лишь с уверенностью сказать, что переменное напряжение есть, схема, вроде бы, работает.

Условные обозначения на лицевой панели мультмиетра

Но, давайте, пока отвлечемся от процесса измерений и внимательно посмотрим на лицевую панель мультиметра. Здесь, кроме цифр, можно увидеть много различных символов, напоминающих друдлы (картинки – каракули, к которым надо придумать объяснение, подпись). На рисунке 1 показаны все друдлы, которые можно увидеть на мультиметрах, и их разгадки – объяснения.

Рисунок 1. Обозначения на лицевой панели мультиметра

Эти обозначения следует выучить наизусть, как таблицу умножения, и никогда не забывать, поскольку они помогут не только правильно пользоваться мультиметром, получать правильные результаты измерений, но и уберегут прибор от выхода из строя при неправильном пользовании.

Несколько слов о подключении мультиметра к измеряемой цепи

Все мультиметры комплектуются измерительными щупами, причем, у всех моделей приборов они одни и те же: на одном конце однополюсная вилка для подключения к мультиметру, на другом измерительный щуп, не очень, правда, удобной конструкции. Щупы, как правило, красного и черного цвета, что позволяет соблюдать полярность подключения. Лучше всего это сделать, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Подключение измерительных щупов к мультиметру

Но, если разобраться, то соблюдение полярности не особо и нужно. При измерении переменного напряжения полярность подключения прибора роли вообще не играет, результат будет одним и тем же. При измерении постоянных напряжений, если полярность перепутана, на дисплее перед значением напряжения или тока просто появится знак «-», величина же напряжения будет правильной.

И все же, измерительные щупы лучше подключить так, как показано на рисунке 2: черный щуп в гнездо с надписью «COM» (общий), а красный в гнездо расположенное выше, что позволит проводить все измерения, кроме измерения токов на пределе 10A, что приходится делать не слишком часто.

Особенно следует соблюдать полярность подключения щупов в режиме «прозвонки» полупроводников: на красном щупе будет присутствовать плюсовое напряжение омметра, что позволит правильно подключить исследуемую деталь. Подробнее о проверке полупроводников будет рассказано чуть ниже. Подключение щупов для проверки диода показано на рисунке 3.

Рисунок 3. На красном (верхнем) щупе «плюс» омметра

Провода в измерительных щупах крепятся только пайкой, а на выходе из пластмассовых наконечников свободно болтаются и мотаются, а со временем отматываются совсем и вылетают. Чтобы этого не произошло, следует укрепить провода в щупах с помощью термоусадочной трубки или изоленты.

Маленькое замечание

Нетрудно видеть, что в режиме омметра плюсовое напряжение присутствует на красном щупе, равно как и при измерении постоянных напряжений. Если придется пользоваться стрелочным тестером, то следует запомнить, что в этом случае плюс омметра будет на щупе, который является «минусом» в режиме измерения постоянных напряжений. Но вернемся к современному мультиметру.

Измерение токов

Для измерения «больших» токов придется переключить красный щуп в гнездо с надписью 10A. Около этого гнезда можно увидеть предупредительную надпись, гласящую о том, что этот предел не защищен предохранителем, и измерения можно производить всего 10 секунд, после чего делать перерыв на 15 минут. Почему?

Чтобы правильно ответить на этот вопрос не поленимся открыть прибор, что приходится делать, просто для замены батарейки. На рисунке 4 показан фрагмент платы мультиметра.

Рисунок 4. Входные гнезда мультиметра

На рисунке показан небольшой фрагмент печатной платы мультиметра, а именно три входных гнезда. Верхнее, как раз для измерения тока 10A, нижнее - общий, среднее гнездо для всех остальных измерений. Толстая проволочная скоба слева, это как раз и есть измерительный шунт предела 10A. Диаметр проволоки не менее 1,5 мм, что позволяет надеяться, что она выдержит ток 10 и более ампер достаточно долго, а не 10 секунд, о которых предупреждается на корпусе прибора. Тогда еще одно почему?

Дело в том, что штатные измерительные щупы внутри себя содержат очень даже тонкий провод, вот к нему-то и относится предупредительная надпись. Автору статьи довелось быть очевидцем, но не исполнителем, как мультиметр, включенный на десятиамперный диапазон, воткнули в розетку! Раздался средней силы взрыв, прибор уже был оплакан, и почти похоронен.

Но после детальной проверки оказалось, что бабахнули только щупы, а сам прибор остался цел и невредим: тонюсенький проводок внутри измерительных щупов сработал как предохранитель. Поэтому, если потребуется длительное наблюдение за токами в пределах 5…10A, достаточно просто штатные щупы заменить на более «крепкие».

Мультиметры бюджетных серий DT83X могут измерять только постоянные токи, режима измерения переменных токов в них просто нет. Да, как-то не всегда он нужен, хотя более дорогие модели переменный ток, конечно же, меряют. Наибольший предел измерения тока ни много ни мало 20A! А комплектуются эти приборы теми же измерительными щупами.

На рисунке 4 виден плавкий предохранитель, который защищает мультиметр на пределах измерения токов 2000µ, 20m, 200m. Так что не надо удивляться, если на этих пределах мультиметр не хочет мерить ток, а сразу снимать заднюю крышку и смотреть предохранитель.

В правом верхнем углу рисунка находится четверть какого-то светлого кружка. Это часть пьезоизлучателя, того самого, который пищит в режиме прозвонки. Именно от этого «звонка» и говорят, что надо «прозвонить» схему.

Что значит «прозвонить»

Те, кто пользовался стрелочными тестерами, знают, что прежде, чем приступить к измерению сопротивлений, надо установить стрелку на ноль шкалы. Для этого просто соединить между собой измерительные щупы и покрутить соответствующую ручку.

Хотя у цифровых мультиметров ноль выставлять не требуется, но соединять щупы все равно приходится: это еще одно хорошее правило пользования прибором. Тем самым проверяется в первую очередь целостность щупов (штатные щупы обрываются очень часто), а заодно и ноль шкалы. Если мультиметр находится в режиме «прозвонки» (как показано на рисунке 5), раздается звуковой сигнал.

Рисунок 5. Мультиметр в режиме «прозвонки»

Звуковой сигнал раздается лишь в том случае, если сопротивление между измерительными щупами не превышает 47…50Ω. Это свойство используется при проверке целостности проводников и дорожек на печатных платах. С режимом прозвонки проводов совмещен и режим проверки полупроводников.

Если входные щупы не замкнуты, или в исследуемой схеме обрыв, или проверяемый диод включен в обратной полярности, на дисплее мультиметра высвечивается 1, как показано на рисунке 6.

Рисунок 6. Мультиметр показывает обрыв

То же самое можно увидеть на дисплее, если попытаться сопротивление 200КОм измерить на пределе 200Ом. Другими словами измеряемое сопротивление выше, чем предел измерения, прибор «думает», что цепь разорвана.

Такая же картина будет, если напряжение 24В измерять на диапазоне 20, - прибор зашкалил. Только не надо на диапазон 20 подавать напряжение вольт 100…200, поскольку прибор может не выдержать такого издевательства и просто сгорит.

Измерение сопротивлений

Пока не ушли далеко от рисунка 5, рассмотрим, как измерить сопротивление резисторов или высокоомных проводников. Для переключения в режим измерения сопротивлений достаточно повернуть переключатель режимов работы по часовой стрелке, где имеется несколько пределов.

• 200Ω
• 2000Ω
• 20k
• 200k
• 2000k

Первые два предела содержат символ Ω, что говорит о том, что цифры на дисплее покажут величину сопротивления в Омах. На пределе 200Ω можно измерить сопротивление резисторов величиной до 200Ω, предел 2000Ω предназначен для измерения сопротивлений до 2КОм.

Если на измеряемом резисторе маркировка 1К5, то прибор покажет 1350…1650 Ω, сказывается допуск резистора ±10%. Об этом надо помнить при измерении сопротивлений.

Остальные три предела содержат букву k (хотя должно быть K), и результат измерений получится в килоомах. Предел 2000k позволяет измерить сопротивления до 2MΩ, результат измерения показывается в килоомах.

При измерении резистора с номиналом 1MΩ на дисплее можно увидеть результат 995…1000, опять же сказывается допуск. Резистор с номиналом 560K покажет 560.

Если же на этом пределе измерять резистор 5K6, то на индикаторе будет только 5, - дробная часть числа просто отбрасывается. Более точных результатов в этом случае можно достичь, если проводить измерения на пределе 20K: на дисплее индицируется 5,61. Поэтому всегда надо выбирать предел, обеспечивающий более точный результат.

Если при измерении токов и напряжений измерения рекомендуется начинать с максимального предела из опасений сжечь прибор, то при измерении сопротивлений следует действовать как раз наоборот, начиная измерения с самого меньшего предела. Почему? Все достаточно просто.

Предположим, что установлен предел измерения сопротивлений 200Ω, а сопротивление измеряемого резистора (будем считать, что оно нам неизвестно) 51КОм. Совершенно очевидно, что пределы 200Ω, 2000Ω, 20k маловаты для измерения такого сопротивления, и на дисплее покажется единица (рис. 6). И только, когда произойдет переключение на предел 200k, получится достоверный результат. Дальнейшее переключение пределов уже не потребуется.

Проверка диодов и транзисторов

Проводится в режиме «прозвонки», как показано на рисунке 5. Для примера на рисунке 7 показано подключение низкочастотного выпрямительного диода 1N4007 (прямой ток 1А, обратное напряжение 1000В).

Рисунок 7. Проверка выпрямительного диода в прямом направлении

Широкое светлое кольцо на правом конце диода, как правило, символизирует вывод катода, таким образом, щупы подключены в проводящем направлении. При этом на дисплее высвечивается прямое падение напряжения на p-n переходе диода, что соответствует полупроводникам на основе кремния. Результат показан на рисунке 8.

Рисунок 8. Прозвонка диода в прямом направлении

Если таким же образом прозвонить диод с барьером Шоттки, то результат получится несколько иной.

Рисунок 9. Прямое падение напряжения на диоде с барьером Шоттки

Если щупы поменять местами, то диод окажется включенным в обратном направлении, на дисплее появится единица, как на рисунке 6. Такие результаты получаются, если диод исправен. Но возможны и еще два варианта.

Если при подключении щупов прибор запищит, раздастся звуковой сигнал, то диод просто замкнут накоротко, или пробит. При переключении щупов в обратную полярность, звуковой сигнал, скорее всего, не прекратится.

Другой вариант, - независимо от направления включения щупов на дисплее высвечивается единица. В этом случае говорят, что диод находится в обрыве, или попросту сгорел, что называется, до дыр. В точности также при прозвонке мультиметром ведут себя p-n переходы транзисторов. Проверить их ничуть не сложнее, чем отдельный диод.

Как проверить биполярный транзистор

При прозвонке транзистора мультиметром транзистор следует рассматривать не как усилительный прибор со всеми присущими ему свойствами, а как последовательно соединенные, к тому же встречно диоды, как показано на рисунке 10.

Рисунок 10. Транзистор, как последовательно соединенные диоды.

Схема для прозвонки

Теперь к выводу базы надо подключить красный (плюсовой) вывод омметра, а черным коснуться по очереди выводов эмиттера и коллектора, показания будут такими же, как при прозвонке диода в прямом направлении. Процесс измерения и результат показаны на рисунках 11 и 12.

Рисунок 11. Зажимы «крокодил» всегда помогут

Рисунок 12. На дисплее показывается падение напряжения на p-n переходах транзистора при прямом включении омметра

Если вместо красного щупа к базе подключить черный, то переходы сместятся в обратном направлении, закроются, и на дисплее появится единица, как будто при обрыве. Именно так ведет себя при проверке исправный транзистор.

Но может случиться, что при прозвонке p-n перехода раздастся звуковой сигнал, или высветится единица при любом направлении включения измерительных щупов. Это говорит о том, что транзистор неисправен.

Даже при исправном поведении коллекторного и эмиттерного переходов судить об исправности транзистора еще рано. Следует не забыть прозвонить в обоих направлениях выводы К-Э. В любом направлении на дисплее должна показаться все та же единица. Но иногда случается, что даже при исправных переходах Б-Э, Б-К выводы К-Э замкнуты накоротко и слышится звуковой сигнал.

Сказанное справедливо для транзисторов структуры n-p-n. Теми же соображениями следует руководствоваться и при проверке p-n-p транзисторов, но в этом случае красный и черный щупы придется поменять местами.

ХОД ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Задание 2. Выполните лабораторную работу, произведите измерения, заполните таблицы.

ОПЫТ №1. Проверка исправности диодов

1. Извлеките из ящика все лабораторное оборудование. Изучите руководство по эксплуатации мультиметра.

В режиме проверки диодов напряжение между щупами составляет около 3 В с полярностью «+» у гнезда «VmA».

2. Подключите чёрный провод (щуп) к разъёму «СОМ» (нижнее гнездо), а красный – к разъёму «VmA» (среднее гнездо).
3. Установите ручку переключателя функций в положение «».
4. Коснитесь щупом красного провода, включённого в среднее гнездо «VmA», анода исправного диода, а другим щупом – катода (рис. 1). Это будет прямое подключение диода к щупам. При этом на дисплее высветится падение напряжения на p–n-переходе диода, выраженное в милливольтах: около 500–700 мВ для кремниевых диодов и около 150–350 мВ для германиевых.

Рис. 1

5. Смените полярность включения щупов к выводам исправного диода (рис. 2) – на экране появится знак перегрузки «1».

Рис. 2

Примечание. В диодах возможны следующие виды неисправностей: p–n-переходы пробиты и имеют малое сопротивление или эти переходы сгорели (дисплей в обоих направлениях показывает символ «1»).

6. Запишите данные в таблицу:

7. Запишите вывод.

ОПЫТ №2. Проверка исправности транзисторов

Транзистор c p–n–p-структурой условно можно представить как два диода, включённых навстречу друг другу и соединённых катодами, которые можно рассматривать как базу (рис. 3). Эквивалент транзистора n–p–n-типа показан на рис. 4.

Рис. 3                                                        Рис. 4

1. Подготовка мультиметра для проверки транзисторов.
2. Подключите чёрный провод (щуп) к разъёму «СОМ», а красный – к разъёму «VmA».
3. Установите ручку переключателя функций в положение «».
4. Коснитесь щупом красного провода базы транзистора, а другим щупом – поочерёдно коллектора (рис. 5, а) и эмиттера (рис. 5, б). Это будет прямое включение переходов «база–коллектор» и «база–эмиттер». Если переход исправен, то на дисплее высветится падение напряжения на переходе (в милливольтах).

Рис. 5

5. Смените полярность включения щупов к выводам «база–коллектор» и «база–эмиттер» (рис. 6). У исправных переходов на дисплее высветится символ «1».

Рис. 6

6. По примеру действий «выше» проверьте исправность переходов транзистора p–n–p-типа.

Примечание. В транзисторах, как и в диодах, возможны следующие виды неисправности: p–n-переходы пробиты и имеют малое сопротивление или эти переходы сгорели (дисплей в обоих направлениях показывает символ «1»).

7. Запишите данные в таблицу:

8. Запишите вывод.

ОПЫТ №3. Измерение коэффициента усиления транзистора

1. Подготовка мультиметра для измерения коэффициента усиления транзистора.
2. Подключите чёрный провод (щуп) к разъёму «СОМ», а красный – к разъёму «VmA».
3. Установите ручку переключателя функций в положение сектора «hFE».
4. Найдите на панели прибора связанные с сектором «hFE» гнёзда «NPN» и «PNP» для включения выводов транзистора n–p–n-типа и p–n–p-типа. Они обозначены буквами: «E» – эмиттер, «B» – база, «C» – коллектор.
5. Возьмите транзистор p–n–p-типа и его выводы «эмиттер», «база», «коллектор» вставьте в соответствующие гнёзда сектора «PNP». На дисплее прибора высветится число в диапазоне 0–1000, соответствующее коэффициенту усиления испытываемого транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером.
6. Повторяя действия предыдущего пункта, определите коэффициент усиления транзистора n–p–n-типа. Выводы транзистора «эмиттер», «база», «коллектор» включите в одноимённые гнёзда сектора «NPN».
7. Запишите данные в таблицу:

8. Запишите вывод.

ОПЫТ №4. Измерение температуры

1. Диапазон измеряемых температур составляет от –20 (–40) °С до 1370 °С.
2. Для измерения температуры объекта прилагается термопара.
3. Установите переключатель функций против сектора «С», и на дисплее появится температура окружающей среды в градусах Цельсия.
4. Установите переключатель функций против сектора «С», термопару подключите к разъёмам «COM» и «VmA». Коснитесь термопарой исследуемого объекта, и на экране появится его температура, выраженная в градусах Цельсия.
5. Аккуратно сложите учебное оборудование в ящик для хранения.
6. Запишите вывод.