4B. Tasasuuntauksen tutkiminen oskilloskoopilla.

Transkriptio

1 TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 1 4B. Tasasuuntauksen tutkiminen oskilloskoopilla. Teoriaa oskilloskoopista Oskilloskooppi on laite, joka muuttaa sähköisen signaalin näkyvään muotoon. Useimmiten sillä tarkastellaan toistuvaa ilmiötä kuten värähtelyaaltoa. Oskilloskoopilla voidaan myös tarkkailla staattista tai hitaasti muuttuvaa jännitettä. Oskilloskoopin kuvaruudulta voidaan mitata ainoastaan jännite- tai aikaeroja. Oskilloskoopin rakenne: elektronisuihku fluoresoiva varjostin y-levyt x-levyt Kuva 1. Katodisädeputki. V Elektronit kiihdytetään suurjännitteellä ja ne poikkeutetaan x- ja y-levyjen sähkö-kentän avulla. Fluorisoivalla varjostimella syntyy valaistu täplä siihen kohtaan, johon elektronisuihku osuu. X- ja y-levyille johdettu jännite on verrannollinen pisteen sijaintiin varjostimella. Sopivien, sisäänrakennettujen vahvistimien avulla oskilloskooppia voidaan siten käyttää x-y-jännitemittauksiin. Tavallisemmin oskilloskoopin valopistettä poikkeutetaan x-suunnassa oskillaattorin antamalla, tietyllä nopeudella tapahtuvalla, lineaarisella jännitemuutoksella. Tällöin y-suunnassa ajan funktiona muuttuva tutkittava jännite piirtyy oskilloskoopin kuva-pinnalle oikeanmuotoisena. Koejärjestely: oskilloskooppi ja sen tärkeimmät säätimet 2T time/div trig funktiogeneraattori volts/div ch 1/x mode ch 2/y volts/div f Kuva 2. Oskilloskoopin periaatekuva. V

2 TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 2 Ns. pyyhkäisyjännitteenä käytetään lineaarisesti nousevaa ramppijännitettä, joka x- levyille johdettuna poikkeuttaa kuvapisteen kuvaruudun vasemmasta reunasta oikeaan sillä nopeudella, joka on valittu pyyhkäisynopeusvalitsimella Time/div. Oikeaan reunaan saavuttuaan piste palaa takaisin vasempaan reunaan, mutta sammutettuna, ts. sen intensiteetti on niin pieni, ettei paluujuovaa näy. Jotta kuva piirtyisi aina samaan kohtaan kuvapinnalla, pyyhkäisyjännite täytyy tahdistaa ulkoisen jännitteen kanssa. Tämä tapahtuu ns. liipaistun pyyhkäisyn avulla. Siinä periaatteena on, että pyyhkäisyjännitteen ramppi alkaa nousta hetkellä, jolloin ulkoinen jännite saavuttaa tietyn arvon (a). Tämä arvo pystytään oskilloskoopissa säätämään sitä varten olevalla potentiometrillä Trigger. Uy Tutkittava jännite T liipaisujännite 0 a a' a" t b b' b" Ux +U 2 0 -U 2 t 0 t 1 t 2 x-levyjen ramppijännite paluupulssi t a b Kuvaruudulla näkyvä kuva V Kuva 3. Liipaistun pyyhkäisyn periaate Kun vielä synkronoidaan pyyhkäisy ulkopuolisen taajuuden kanssa, puhutaan liipaistusta tai synkronoidusta pyyhkäisystä eli tahdistuksesta (=triggering). Tällä saavutetaan sellainen tilanne, että kuva piirtyy aina samaan kohtaan kuvaruudulla, ja voidaan tarkastella hyvinkin suurtaajuisia pulsseja niiden pysyessä täysin paikoillaan kuvassa. Kun tutkittava jännite saavuttaa liipaisujännitteen arvon (a), toiminta alkaa. Aikana t 0 -t 1 kuvapiste siirtyy kuvaruudun vasemmasta reunasta oikeaan ja piirtää pätkän a-b tutkittavasta käyrästä. Kuvan uudelleen piirtämiseksi elektronisuihku palaa takaisin vasempaan reunaan. Tämä

3 TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 3 tapahtuu aikana t 1 -t 2. Silloin suihkun intensiteetti on niin pieni, ettei paluujälkeä näy kuvaruudussa. Kun tutkittava jännite saavuttaa uudelleen liipaisujännitteen arvon (a ), käyrän nousevalla osalla, kuvan piirtäminen alkaa uudestaan samaan kohtaan. Näin toistuvasti menetellen kuvaruudussa nähdään häiriötön, paikallaan pysyvä kuva. Jos halutaan nähdä kuvaruudussa vähän suurempi osa tutkittavaa jännitettä, pyyhkäisynopeutta täytyy muuttaa hitaammaksi. Time/div - kytkimessä olevat aika-arvot kertovat, kauanko kuvapisteen kestää kulkea yhden asteikonosan välinen matka, eli kytkintä on tässä tapauksessa kierrettävä vastapäivään. Kuvan korkeutta eli amplitudia säädetään kiertokytkimellä, jonka tekstinä on Volts/div. Lukemat siinä yhteydessä kertovat, montako ulkoisen jännitteen volttia yksi asteikonosa vastaa pystysuunnassa. Liipaisukohtaa tai -jännitettä säädetään potentiometrillä, jossa teksti Trigger. Kuvan kirkkautta ja tarkkuutta säädetään potentiometreillä Intensity ja Focus. Lisäksi oskilloskoopissa on tavallisesti kytkimet, joilla valitaan moodi eli kumpi kahdesta kanavasta on näkyvissä tai joku niiden kombinaatio. Liipaisu voidaan myös valita oskilloskoopin sisältä tai ulkopuolelta tapahtuvaksi. Siniaallon kuvan piirtyminen: V U - 2 U1 + U1 + U2 U t x 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 Pyyhkäisyjännite 0 U y Tutkittava jännite t t t t t t t t t Kuvaruutu Kuva 3. Siniaallon kuvan syntyminen kuvaruudulle.

4 TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 4 Varsinainen työ Oskilloskooppi on laite, jolla on hyvin suuri sisäänmenoimpedanssi ja niinpä sitä ei voi rikkoa sähköisesti (ylisuuria jännitteitä lukuunottamatta). Näinollen opiskelijat voivat huoletta kokeilla oskilloskoopin säätimien vaikutusta kuvan muotoon, paikkaan ja liikkeisiin. 1. Työn tavoite Työn tarkoituksena on tutustua oskilloskooppia käyttäen tasasuuntaukseen sekä samalla tutkia ns. suodatusta eli kondensaattorin vaikutusta tasasuunnatun jännit-teen muotoon. 2. Teoriaa Tasasuuntaaja on sähköteknillinen laite, joka päästää virtaa vain yhteen suuntaan, ns. päästösuuntaan. Tasasuuntaajaa käytetään näin ollen vaihtosähkön muunta-miseen tasasähköksi. Tärkein ohjaamaton tasasuuntaajakomponentti on puolijoh-dediodi, jossa virta alkaa kulkea automaattisesti ulkoisen jännitteen noustua yli päästösuuntaisen ns. kynnysjännitteen (Si-diodilla n. 0,4 V). Hyvä esimerkki ohja-tusta tasasuuntaajasta on tyristori (SCR), jossa virta kulkee päästösuuntaan vasta erillisen ohjauselektrodin annettua ns. liipaisun. Tällöin on mahdollisuus liipaisu-hetkeä muuttamalla säätää tasasuunnatun virran keskiarvoa ja sitä tietä esim. ohjata valaistuksen määrää, moottorin pyörimisnopeutta ja tehoa jne. Lisätietoja puolijohdemateriaaleista ja komponenteista löytää esim. kirjasta Mäkelä, Mäkelä, Siltanen : Insinöörikoulutuksen FYSIIKKA 2, luku 28 (s ). 3. Työn suoritus A. Diodin ominaiskäyrän tutkiminen Virtapiirikomponentin ominaiskäyrä kuvaa virran muuttumista jännitteen funktio-na. Esim. tavallisella metallivastuksella I = U/R ja ominaiskäyrä on näin ollen suora, jonka kaltevuus on 1/R. Diodin D (pii tai germanium) ominaiskäyrä tutkitaan kuvan 1 mukaisella kytken-nällä. Piirrä käyrä työselostuslomakkeeseen oikeassa mittasuhteessa. Käyrän saat oikeaan asentoon kääntämällä y-akselin positiivinen suunta (oskilloskoopissa teksti pull invert ). Pystyakselin I- jaotuksen saat laskettua jännitteen y-herkkyyden ja R:n arvon avulla (Ohmin laki!). Huomioi järkevä origon paikka ja käytä riittävää x- herkkyyttä saadaksesi selville kynnysjännitteen, jolla diodi alkaa johtaa!

5 TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 5 Kytkentä: Huom! Tässä työssä on ehdottomasti käytettävä turvajohtimia muuntajan ensiöpuolella. Säätömuuntajalle (Variac) Kuva 1. Kytkentä tutkittaessa diodin ominaiskäyrää B. Puoliaaltotasasuuntauksen tutkiminen Oheisen kuvan 2 kytkennällä tutkitaan yhden diodin aikaansaamaa ns. puoliaalto-tasasuuntausta: Huom! Tässä työssä on ehdottomasti käytettävä turvajohtimia muuntajan ensiöpuolella. Kuva 2. Puoliaaltotasasuuntauksen kytkentä Oskilloskoopissa on käytettävä pyyhkäisymoodia (time/div), jolloin pyyhkäisyno-peusarvon avulla saadaan kuvaan aika-akseli. Kanavalla 1 näkyy sinimuotoinen vaihtojännite ja kanavalla 2 sama puoliaaltotasasuunnattuna. Kuvan pystyakselin jaotuksen kertoo kanavan 2 y-herkkyysarvo.

6 TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 6 Huomaa, että kytkennässä on oltava ehdottomasti kuormitusvastus R, jonka sopiva arvo on 0,5 kω 3 kω. Piirretään ensin kanavan 2 puoliaaltotasasuunnattu jännitekuva. Akselimerkinnät kunnolla näkyviin! Tämän jälkeen kytketään vastuksen R rinnalle sopiva konden-saattori (valvoja ilmoittaa arvon/arvot). Jos käytät elektrolyyttikondensaattoria, huomioi tarkkaan sen kytkentänapaisuus! Piirretään nyt uusi jännitekuva, jossa kondensaattorin vaikutus on mukana! Mitä kondensaattori todella tekee? Päästösuuntaisen puolijakson aikana, aina kun diodin lävitseen päästämä u > u c, diodin jännite varaa kondensaattoria. Jännitehui-pun jälkeen, kun u < u c, kondensaattori on varautuneena korkeampaan jännittee-seen, joten se alkaa purkautua vastuksen R lävitse. Kun R:n arvo valitaan niin, että sen purkautumisaika on moninkertainen jännitehuippujen väliseen aikaan nähden, tasasuunnatun jännitteen aaltoisuus vähenee huomattavasti ja samalla sen tehollinen arvo lisääntyy. Kondensaattorin sanotaan suodattavan tasasuunnattua jännitettä ja siitä itsestään käytetään nimitystä suotokondensaattori. C. Kokoaaltotasasuuntauksen tutkiminen Kokoaaltotasasuuntausta tutkitaan kuvan 3 mukaisella kytkennällä. Neljän diodin muodostama ns. tasasuuntaussilta eli Graetz-silta pystyy hyödyntämään puoli-aaltotasasuuntauksessa hukkaan menevän siniaallon negatiivisen puolijakson. Tässä työssä silta on valmiina komponenttina hyödynnettävissä, joten sitä ei tarvit-se yksittäisdiodeista rakentaa.

7 TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 7 Kytkentä: Huom! Tässä työssä on ehdottomasti käytettävä turvajohtimia muuntajan ensiöpuolella. Kuva 3. Kokoaaltotasasuuntauksen kytkentä Piirretään tästä osiosta myös kaksi kuvaa. Ensin kokoaaltotasasuuntausta esittävä ja toisena kuva, jossa suotokondensaattori on mukana. Muista taas akselien mer-kinnät! Työselostuslomake sisältää perusmerkintöjen (työpari, luokka, työryhmän n:o, päiväys ym.) lisäksi viisi oskilloskooppikuvaa tarvittavine lisämerkintöineen. Valvojan hyväksyttyä lomakkeen, mittauksiin ei liity varsinaista kotona tehtävää työselostusta. Työparin on syytä ottaa kopio itselleen täytetyistä lomakkeista!

8 TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 8 41D. Tasasuuntauksen tutkiminen oskilloskoopilla Mittauspöytäkirja/Työselostus Luokka: Päiväys Työryhmä (n:o ja nimet) Opettajan merkintöjä: A. Diodin ominaiskäyrä R = Ω x-herkk. y-herkk. I-jaotus Kynnysjännite ma/cm V Omat huomiot:

9 TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 9 B. Puoliaaltotasasuuntaus Ei kondensaattoria: x-herkk. y-herkk. ms/cm Kondensaattori mukana: C = F x-herkk. y-herkk. ms/cm

10 TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 10 Omat huomiot: C-. Kokoaaltotasasuuntaus Ei kondensaattoria: x-herkk. y-herkk. ms/cm Kondensaattori mukana: C = F x-herkk. y-herkk. ms/cm

11 TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 11 Omat huomiot: