Thévenin: laboratorio

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In questa pagina esamineremo una porta logica considerandola come un generatore reale di tensione, cioè un generatore la cui tensione di uscita diminuisce all'aumento della corrente (nota 3). 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.

Il circuito (e le relative misure) possono essere realizzato sia utilizzando una breadbord che un programma di simulazione.

Misurare la tensione in uscita alla porta logica
Calcolare con la legge di Ohm la corrente di uscita
Calcolare la potenza dissipata dal resistore
Modificare il valore di R1 raddoppiandolo, quadruplicandolo... e ritornare al punto 1
Modificare il valore di R1 dimezzandolo, dividendolo per quattro... e ritornare al punto 1

Dopo aver raccolto una decina di misure, compilare la seguente tabella (nota 2).

Resistenza [kΩ]	Tensione [V]	Corrente [mA]	Potenza [mW]

Disegnare il grafico con tensione, corrente e potenza sull'asse Y e valore della resistenza sull'asse X (nota 2).

Quesiti:

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

Simulazione

Simulare il circuito con SIMetrix/SIMPLIS Elements.

Simuliamo in modalità Transient

Dopo aver disegnato il circuito ed inserite le sonde di tensione, corrente e potenza:

Simulare il circuito in modalità transient e visualizzare le tre grandezze (nota 3). Tali valori vanno inseriti in una tabella.

Modificare il valore di R1 e completare la tabella.

Simuliamo in modalità DC Sweep

Il metodo precedente 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.

Quesiti (nota 4):

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

[Approfondimento] Corrente di uscita di un inverter (2)

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

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

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.

Simulare il circuito con SIMetrix/SIMPLIS Elements.

Quesiti:

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

[Approfondimento] Arduino

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 (quasi 300 pagine!).

Note

Attenzione alle unità di misura
Se usate (come piuttosto ovvio...) un foglio di calcolo per disegnare il grafico, attenzione al tipo di grafico scelto. In particolare sull'asse delle ascisse DEVE esserci il valore della resistenza
A rigore una porta logica NON è lineare e quindi alcune conclusioni sono approssimate
I valori numerici possono essere letti direttamente dal grafico (in modo approssimato), con l'uso dei cursori oppure esportando i valori numerici in un foglio di calcolo (Edit → Copy ASCII data, seguito da un "incolla" nel foglio di calcolo)
Spesso sono usate sequenze di valori che seguono, più o meno, l'andamento 1-2-5, per esempio: ... 100 Ω, 200 Ω, 500 Ω, 1 kΩ, 2 kΩ, 5 kΩ... (o, nel mondo reale, 100 Ω, 180 Ω, 470 Ω, 1 kΩ, 1.8 kΩ, 4.7 kΩ)

Pagina creata nel febbraio 2022
Ultima modifica: 29 novembre 2022