Thévenin: laboratorio

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In queste attività troveremo il circuito equivalente secondo Thévenin di una porta logica. Tale procedura non è rigorosa (infatti la porta logica non è un bipolo lineare), ma il suo comportamento è tale da poter introdurre qualche approssimazione.

Verificheremo anche la massima potenza che può erogare una porta logica, cercando di comprendere perché, per esempio, un inverter può accendere un LED, ma non far ruotare un motore elettrico.

Per verificare il funzionamento utilizzeremo sia la strumentazione di laboratorio, sia il simulatore SIMetrix/SIMPLIS Elements.

Corrente di uscita di un inverter

Realizzare il seguente, semplicissimo, circuito. Invece di un inverter può essere utilizzata una qualunque porta logica, purché l'uscita sia alta. Prima di proseguire è utile leggere quanto presentato nell'esempio 5.

Il circuito (e le relative misure) dovrà essere realizzato sia utilizzando una breadbord (attività 1 e seguenti) che un programma di simulazione (attività 2 e seguenti).

Misurare la tensione in uscita alla porta logica (V_OH)
Misuriamo la corrente di uscita (I_OH), direttamente oppure indirettamente attraverso la legge di Ohm
Calcolare la potenza dissipata dal resistore (P_OH) come prodotto di V_OH e I_OH
Modificare il valore di R1 indicativamente raddoppiandolo, quadruplicandolo... e ritornare al punto 1
Modificare il valore di R1 indicativamente dimezzandolo, dividendolo per quattro... e ritornare al punto 1

Dopo aver raccolto una manciata di misure, compilare la seguente tabella.

Resistenza [Ω]	V_OH [V]	I_OH [mA]	P_OH [mW]
100
220
470
56
27
...

Attività 1

Realizzare su breadboard il circuito descritto
Compilare la tabella con i valori di tensione, corrente e potenza. Si consiglia vivamente la misura indiretta della corrente e l'uso di un foglio di calcolo!
IMPORTANTE - Disegnare il grafico con tensione sull'asse X e corrente sull'asse Y (scegliere in Libreoffice Calc o Excel un grafico a dispersione) e confrontarlo con quello tipico di un generatore reale di corrente
Disegnare il grafico con tensione sull'asse Y e valore della resistenza sull'asse X (scegliere in Libreoffice Calc o Excel un grafico a dispersione)
Disegnare il grafico con corrente sull'asse Y e valore della resistenza sull'asse X (scegliere in Libreoffice Calc o Excel un grafico a dispersione)
IMPORTANTE - Disegnare il grafico con potenza sull'asse Y e valore della resistenza sull'asse X (scegliere in Libreoffice Calc o Excel un grafico a dispersione)

Quesiti:

In base al grafico V_OH vs I_OH quale è il valore di V_EQ e R_EQ? Utile leggere quanto descritto in questa pagina ed applicarlo ai dati misurati
Quanto vale la potenza massima erogata dalla porta logica?
Quanto vale la resistenza in corrispondenza della potenza massima?

Attività 2

Simulare il circuito sopra presentato con SIMetrix/SIMPLIS Elements in modalità Transient

Dopo aver disegnato il circuito ed inserite le sonde di tensione, corrente e potenza (nota 2) simulare il circuito in modalità transient ed effettuare i passi descritti nell'attività 1.

Attività 3

[Approfondimento] Il metodo descritto nell'attività 2 è piuttosto lungo e... noioso. Più comodo attivare la modalità DC Sweep che produce direttamente il grafico richiesto.

Il circuito e le sonde sono le stesse del punto precedente.

Occorre impostare la modalità DC sweep, il dispositivo che deve essere modificato (R1), i valori minimo e massimo, il numero di passaggi da effettuare.

Modalità DC sweep

Il grafico prodotto è simile a quello di apertura di questa pagina.

Rispondere agli stessi quesiti proposti nell'attività 1 (nota 1).

Attività 4

[Approfondimento] Consideriamo il seguente circuito. L'uscita dell'inverter ha valore basso:

Attività 4

Prima di proseguire, scriviamo l'equazione di Kirchhoff alla maglia:

Equazione di kirchhoff con una porta logica

Realizzare il circuito su breadboard e completare una tabella simile alla precedente, contenente tutte le tensioni, la corrente e la potenza di R1. Disegnate i grafici corrispondenti
Simulare il circuito con SIMetrix/SIMPLIS Elements. Disegnate i grafici corrispondenti

Quesiti:

Quanto vale la potenza massima erogata dalla porta logica?
Quanto vale la resistenza in corrispondenza della potenza massima?

Attività 5

[Approfondimento] Misurare il legame tra corrente e tensione di uscita per il microcontrollore ATmega328P, per entrambi i livelli logici.

Cercare le stesse informazioni sui fogli tecnici dell'ATmega328 (quasi 300 pagine!).

Note

I valori numerici possono essere letti direttamente dal grafico (in modo approssimato), con l'uso dei cursori oppure esportati in un foglio di calcolo (Edit → Copy ASCII data, seguito da un "incolla" nel foglio di calcolo)
La sonda di potenza (Place fixed power probe) deve essere posizionata direttamente sul pin del componente

Pagina creata nel febbraio 2022
Ultima modifica: 8 ottobre 2023