LABORAATIO 1, YLEISMITTARI JA PERUSMITTAUKSET

Transkriptio

1 KAJAANIN AMMATTIKORKEAKOULU Tekniikan ja liikenteen ala VAHVAVIRTATEKNIIKAN LABORAATIOT H.Honkanen LABORAATIO 1, YLEISMITTARI JA PERUSMITTAUKSET YLEISTÄ YLEISMITTARIN OMINAISUUKSISTA: Tässä laboratoriotyössä on tarkoitus tutustua yleisimpiin elektroniikan ja sähkötekniikan mittauksiin yleismittaria hyväksikäyttäen. *YLEISMITTARISSA ON AINAKIN NÄMÄ KOLME MITTAUSSUURETTA: - JÄNNITE AC/DC - VIRTA AC/DC - RESISTANSSI *LISÄKSI YLEISMITTARISSA ON YLEENSÄ ERILLINEN MITTAUSTOIMINTO PUOLIJOHTEIDEN KYNNYSJÄNNITTEEN MITTAMISEKSI. *NÄIDEN LISÄKSI YLEISMITTARISSA VOI OLLA : TAAJUUSMITTAUS, INDUKTANSSIMITTAUS, KAPASITANSSIMITTAUS, TRANSISTORIN VIRTAVAHVISTUSMITTAUS DC = Direct Current, TASAVIRTA AC = Alternative Current, VAIHTOVIRTA Lyhenne: DYM = Digitaalinen YleisMittari, DMM = Digital MultiMeter JÄNNITE DC - Jännite voidaan mitata suoraan kiertokäämimittarilla. Mittausalueen valinta jännitteenjaolla. - Digitaalimittauksessa jännite ajetaan D/A muuntimelle mitta-alueelle sovitetun jännitteenjaon mukaisesti. VIRTA DC - Virta voidaan mitata suoraan tarkoitukseen tehdyllä kiertokäämimittarilla. - Yleisimmin virta mitataan jännitteenä mittavastuksen yli ( ts. jännitehäviönä mittavastuksen yli ). Näin tehdään kaikissa DYM:ssa. - Mitataan virran aikaansaama magneettikenttä. Tällöin virta voidaan mitata johtimen ympäriltä virtapiiriä katkaisematta. RESISTANSSI - Resistanssi voidaan mitata jännitteenä jännitteenjakokytkennässä. Saatava jännitearvo ei kuitenkaan kerro resistanssin suuruutta, jännitteenmuutos ja näinollen myös mitta-asteikko ovat epälineaariset. - Vakiovirtageneraattorilla. Mitattavaa resistanssia syötetään vakiovirtageneraattorilla, jolloin resistanssin jännitehäviöstä saadaan resistanssiarvoon suhteutettuna lineaarinen jännitehäviö. Ts. vakiovirralla jännitehäviö riippuu suoraan ja lineaarisesti resistanssista. Tätä tekniikkaa käytetään DYM:ssa. Huom: Vakiovirtageneraattorikytkennöissä jännitehäviö on yleensä: 0-200mV tai 0-400mV,joten ne eivät sovellu millään muotoa puolijohteiden kynnysjännitteen mittaukseen! DIODIN KYNNYSJÄNNITTEEN MITTAUS - Diodin kynnysjännitteen mittauksessa vaaditaan diodin kynnysjännitteen ylittävä mittausjännite (Resistanssimittareissa ei aina ole näin). Mittaus tapahtuu yleensä etuvastuksen avulla, myös vakiovirtageneraattoria käytetään. VIRTA JA JÄNNITE AC - Vaihtovirran mittaustekniikat eroavat suuresti eri valmistajien laitteiden välillä. Analogimittareissa käytetään yleisesti kuparitasasuuntaimia, joiden jännitehäviö on n. 0.1V ( vrt Ge n. 0.3 V ja Si n. 0.6 V ). Digitaalimittareissa tekniikat ovat valmistajakohtaisia. Myös vaihtosähkösuureen ilmoitustapa on erilainen, jotkin mittarit näyttävät vaihtosähkökomponentin keskiarvoa, toiset taasen tehollisarvon. Tämäkin pätee yleensä vain sinimuotoiselle vaihtovirralle. Pulssittaisella aaltomuodolla näyttämä voikin sitten olla jo melkeinpä mitä tahansa. - True RMS tarkoittaa, että mittarin näyttämä kertoo virran tai jännitteen tehollisarvon, ts. tästä arvosta voidaan laskea suoraan piiriin jäävä teho. Tällöinkin aaltomuodolla voi olla rajoituksia ja taajuusalue on yleensä alle 1 khz.

2 Huomioi mitatessa oikea AC / DC asetus. Tasasähköllä ei AC alueella näy yhtään mitään, ts. mittari näyttää nollaa, jotkin mittarit näyttävät jotain Vaihtosähköä mitatessa DC- alueella mittari voi näyttää jotain, tai pelkkää nollaa. YLEISMITTARISSA ON YLEENSÄ KOLME TAI NELJÄ MITTAJOHTIMEN PAIKKAA - COM, yhteinen paluujohto, MUSTA mittajohdin kytketään aina tähän liittimeen!! - V, Joskus ma, Jännitteen ja resistanssin mittauksessa tähän kytketään PUNAINEN mittajohdin - A, Virtamittauksessa tähän kytketään PUNAINEN mittajohto. HUOM! Jos mittajohdin on jännitemittauksen aikana virtamittausliittimessä, on seurauksena AINA oikosulku! Tästä seuraa joko mitattavan piirin tahi mittarin vaurioituminen!! ( ja kipinointiä ja savua! ) ÄLÄ MITTAA MITTALAITTEELLA, JONKA PARISTOT OVAT LOPPU! ( KAIKISSA MITTAREISSA ON INDIKAATTORI PARISTOJEN EHTYMISELLE ) JOIDENKIN MITTALAITTEIDEN VIRHE VOI OLLA JOPA SADAN PROSENTIN LUOKKAA ALIJÄNNITTEISENÄ!!! TARKISTA AINA MITTAJOHTIMIEN KUNTO! VIALLINEN ERISTYS VOI OLLA HENGENVAARALLINEN!! Tarkkuus: Analogimittarin tarkkuus ilmoitetaan yleensä prosentuaalisena maksimivirheenä mitta-alueen täydestä näyttämästä. Tämä tarkoittaa käytännössä seuraavaa: jos mittarin tarkkuudeksi ko. mitta-alueella on annettu +/- 3%,mitta alue on 0 100V,niin näyttämän ja todellisen arvon ero voi olla +/- 3V. Täten, jos mittari näyttää 50V,voi todellinen arvo olla 47 53V,jos 10V,niin todellinen 7 13V ja 100V,niin todellinen V Digitaalimittarin tarkkuus ilmoitetaan yleensä prosentuaalisen maksimivirheen ( mittausarvosta ) ja digitaalivirheen summana. +/- ( X % + X dgt ) Esimerkki: Tarkkuus +/- ( 2% + 3 dgt ). Tämä tarkoittaa sitä, että virhe voi olla maksimissaan 2% mittausarvosta ja lisäksi viimeinen numero voi heittää kolme digittiä. Jos esimerkissämme mittaustulos on 50.0V, niin tarkkuus on : 2% 50V:stä on 1V ja 3 digittiä on 0.3V (siis viimeinen numero voi heittää kolmella). Kokonaisvirheeksi saamme täten: +/- ( 1.0V + 0.3V ), eli suureen todellinen arvo on tällöin välillä V DIGITAL MULTIMETER V 2k 20k 200k 200 2M 200V 20V 2V 200mV 3A 300mA 30mA 3mA A COM V Kuva 1, Yleismittari

3 TASAJÄNNITEVIRTALÄHTEEN KÄYTTÖ Laboratoriokäyttöön tarkoitetussa tasajännitelähteessä on aina ainakin nämä kaksi säädettävää suuretta: - Jännite - Virtarajoitus JÄNNITE: - Tällä säädöllä säädetään virtalähteen antama syöttöjännite. Syöttöjännite pysyy vakiona kuormituksen muuttuessa. - Jos virtalähteestä yritetään ottaa enemmän virtaa, kuin virranrajoituksessa on määritelty, laskee jännite virranrajoituksen ohjaamana säädettyyn virta-arvoon, jolloin jännite putoaa. VIRTARAJOITUS: - Laboratoriovirtalähteissä on käytössä virtarajoitus, joka ylikuormitustilanteissa pudottaa jännitteen sellaiseen arvoon, jotta säädetty virtamäärä ei ylity. - Oikosulkutilanteessa jännite laskee täten nollaan. - ( Varoketyyppisessä ylivirtasuojauksessa virtapiiri katkaistaan kokonaan ylikuormitustilanteessa, jolloin se täytyy erikseen kuitata päälle tai sulakkeen kyseessä ollen vaihtaa koko sulake. ) - Virranrajoitusarvon saaminen näyttöön vaatii yleensä erillisen painikkeen käyttöä. MITTARIT: - Laboratoriovirtalähteissä on yleensä ainakin yksi mittari. Myös joka suureelle voi olla oma mittarinsa. Ellei joka suureelle ole omaa mittaria, on virtalähteessä yleensä valintakytkin, jolla haluttu suure saadaan näyttöön. MAADOITUS - Laboratoriovirtalähteen runko on yleensä suojamaadoitettu. - Laboratoriovirtalähteen lähtö on runkoon ja täten verkkomaahan nähden KELLUVA, ts, ei ole yhteyttä runkoon eikä sähköverkon maadoitukseen. - Täten laboratoriovirtalähteitä voidaan kytkeä sarjaan suuremman jännitteen aikaansaamiseksi. - MUISTA: Suojajännite DC = alle 120V, älä ylitä tätä sarjaankytkennöillä!! AC:llä se on vain 50V!! KIINTEÄT LÄHDÖT - Laboratoriovirtalähteissä on usein myös kiinteitä lähtöjännitteitä. Operaatiovahvistinkäyttöön soveltuvat +/- 12 ja +/- 15V ovat yleisimmät U METER V / A Meter V A U 12.0 I V A VOLTAGES AMPERES + - Outputs 0-30V / 2A Kuva 2, Laboratorioteholähde

4 TYÖN TAVOITE Tavoitteena on tutustua yleisimpiin mittauksiin, joissa yleismittaria voi soveltaa sekä tutustua käytännössä Ohmin ja Kirchoffin lakeihin. Toisena päätavoitteena on mittauspöytäkirjan laatiminen. ESITEHTÄVÄ Tutustu mittauslaboratorion turvaohjeisiin! TYÖSSÄ 1. TARVITTAVAT KOMPONENTIT JA VÄLINEET Työn suorittamisessa tarvittavat komponentit ja välineet: Digitaalinen yleismittari Käytetyn yleismittarin käyttöohjekirja ( Datatiedot ) Tasajännitelähde Koekytkentäalusta Mittajohtimia Vastuksia; 10 k, 22 k ja 47 kω TYÖN SUORITUS 1. Jännitteen ja virran mittaus Toteuta kuvan 1 mukainen kytkentä kytkentäalustalle Kuva 3, työn 1 kytkentä Säädä virtalähteen lähtöjännite tasan V:iin. Mittaa jännite yleismittarilla 1.1 Mittaa kytkennästä kaikkien vastusten ( R1, R2 ja R3 ) yli jäävä jännite 1.2 Mittaa kytkennästä kaikkien vastuksien ( R1, R2 ja R3 ) läpi menevä virta Etsi käytetyn mittalaitteen datatiedot 1.3 Mikä oli mittausten tarkkuus ( ± V ) mittauksissa 1.1? 1.4 Mikä oli mittausten tarkkuus ( ± A ) mittauksissa 1.2? MUISTA KUITTAUTTAA MITTAUSPÖYTÄKIRJA!!

5 TYÖ 2, TASASUUNTAUS ja OSKILLOSKOOPPI TYÖN TAVOITE Tutustua diodin peruskytkentöihin tasasuuntaimena Oskilloskoopin käyttö MUISTA! Elektrolyyttikondensaattorin oikea napaisuus! Räjähdysvaara! vain tasasähköön ja oikein päin!! YLEISTÄ: Oskilloskoopin käyttöohjeita: TYÖSSÄ 2. TARVITTAVAT KOMPONENTIT JA VÄLINEET Työn suorittamisessa tarvittavat komponentit ja välineet: Oskilloskooppi Signaaligeneraattori Koekytkentäalusta Mittajohtimia Vastus 1,2 k Piidiodi 1N4148 tai 1N4001 1N4007 Kondensaattori 22 F, 47 F (elkoja) H U O M!!! KAIKISSA OSKILLOSKOOPPIKUVISSA ON OLTAVA NÄKYVISSÄ JÄNNITE- JA AIKA-ASTEIKKO JA LISÄKSI JÄNNITTEEN NOLLATASO!!!!!!! TYÖN SUORITUS Kuva 4, työn 2.1 kytkentä

6 2.1 Tee kuvan 4 mukainen kytkentä diodilla 1N4148 tai 1N400X. Syötä signaaligeneraattorista 100 Hz siniaaltoa, jonka amplitudi on 8 Vpp, offset nollassa. Piirrä tulo- ja lähtöjännite kuvaan 5. Miten signaalille on käynyt syöttöön verrattuna? Kuva 5, Työn 2.1 oskilloskooppikuva 2.2 Kytke 22 F kondensaattori kytkennässä vastuksen rinnalle kuvan 6 mukaisesti. Syötä signaaligeneraattorista 100 Hz siniaaltoa, jonka taso on 8 Vpp, offset nollassa. Piirrä tulo- ja lähtöjännite kuvaan 7 Kuva 6, töiden 2.2 ja 2.3 kytkentä Kuva 7, työn 2.2 oskilloskooppikuva 2.3 Muuta kondensaattoriarvoksi 47uF. Mikä muutos ulostulojännitteessä tapahtui?

7 LABORAATIO 3 LOISTEHON KOMPENSOINTI TYÖN TAVOITE Työssä harjoitellaan mittaamaan tehokerroin oskilloskoopilla ja mitoittamaan loistehon kompensoinnin vaatima kompensointikondensaattori TYÖSSÄ TARVITTAVAT KOMPONENTIT JA VÄLINEET - 24 VAC virtalähde ( Mittapöydissä valmiina ) - Oskilloskooppi - Mittavastus 1 Ω - Opettajan antama kuorma - Mitoitettava kompensointikondensaattori - MITTAUSYMPÄRISTÖNÄ FYSIIKAN LABORATORIO / MITTAUSPÖYDÄT!!!!!! YLEISTÄ: Ohjeet taajuuskompensoinnin mitoittamiseksi: Virta mitataan jännitehäviönä vastuksen Rmitt yli Jännite mitataan kuvitellu sähkölaitteen, eli L1R1 yli Tehollisen virran ja jänniteen saa kaavojen 5 ja 6 avulla Vaihekulma saadaan mitattua virran ja jännitteen vaihe-erona 1. Laske vaihekulma ( kaava 1 ) 2. Laske virran induktiivinen osio ( kaava 2 ) 3. Kompensoituna, eli resonanssissa, Ic on yhtäsuuri, kuin IL, joten mitoita Ccomp siten, että Ic = IL ( kaavat 3 ja 4 ) KAAVAT: ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 )

8 TYÖN SUORITUS Kytkentään on laitettu valmiiksi kuorma, mittavastus ja oskilloskooppi. Oskilloskoopin mittamaa on molemmilla kanavillla sama, joten tästä johtuen mittakanava 2 on invertoitu Käyttöjännite: 0 24 VAC / 50 Hz Tehtävänä on mitoittaa kytkentään sopiva kompensointikondensaattori Ccomp Kuva 8: Työn 3 kytkentä