Virtapiirien perusteet 5op, AUT2SN / Jaakko Kaski jaakko.kaski@oamk.fi, huone: 3354

1 Virtapiirien perusteet 5op, AUT2SN / Jaakko Kaski jaakko.kaski@oamk.fi, huone: 3354 https://oiva.oamk.fi/tietoa_opiskelusta/opintojen_suunnittelu/opintojen_rakenne/opas/koulutusohjelmat/?sivu=oj _kuvaus&koodi1=t170103&kieli=fi&opas=2013-2014&lk=s2013&vuosi=13s14k

2 Virtapiirien perusteet, 3 op, SAH3SN / Kaski Jaakko, syksy -13 - Lähiopetustunteja 24h + 14h (labrat) - Labravuorot ovat pakollisia, poissaolot korvattava. Poissaolosta ilmoitettava viipymättä sähköpostitse opettajalle ja kaikille oman ryhmän jäsenille. Labraryhmässä on vähintään 2 ja enintään 3 opiskelijaa. Ryhmät ovat 3-jäsenisiä niin pitkälle kuin se on mahdollista. - Luokkaopetustunnit ovat vapaaehtoisia, mutta osa oppimateriaalista tulee vain tunneilla esille. Toki samat asiat löytyy kirjallisuudesta ja jopa webistä, jos haluaa suorittaa itseopiskelun avulla. - Välikokeita on 2 kpl. Kokeessa maksimipistemäärä on 20. Läpipääsyyn vaaditaan keskimäärin 7 pistettä JA viimeisestä välikokeesta vähintään 4 pistettä. - Arvosana määräytyy seuraavan taulukon mukaan: 1 Koe: 2 Välikoetta: 18p ~ 5 36p ~ 5 15p ~ 4 30p ~ 4 12p ~ 3 24p ~ 3 9p ~ 2 18p ~ 2 7p ~ 1 14p ~ 1 - Opintojakson teoriaosan voi suorittaa osallistumalla uusintakoepäivänä kurssikokeeseen opintojakson päättymisen jälkeen. - Labraosuuden painoarvo kokonaisarvosanassa on 30% ja teoriaosan 70%. - Labravuoroilla pidetään mittauspäiväkirjaa ja tulokset tarkastetaan paikan päällä. - 1. vuoro on käynnistysvuoro, jossa käydään läpi työskentelytapoja ja perusmittalaitteiden käyttöä ja turvallisuusmääräyksiä. - Kuudesta työstä kolme viimeistä tehdään siten, että kukin oppilas vuorollaan kirjoittaa raportin työstä ja sen tuloksista. Raportti kirjoitetaan soveltaen fysiikassa esiteltyä selostusmallia. Tosin virherajoja ei lasketa, mutta tulosten tarkkuutta on syytä pohtia.

3 Keskeisiä aiheita opintojaksoon liittyen ja suuntaa-antava ajankäyttö niihin. Mikäli tarvetta on, sisältöä karsitaan liiallisen kiireen välttämiseksi. 1.-Mitä sähkö on? 2.-Varaus, virta ja akun riittävyyslaskelmia. 3.-Jännite, potentiaali, resistanssi & vastus, johtavuus (konduktanssi) ja maadoitus. 4.-Jännitelähde (virtalähde), paristo, jännitelähteen sisäresistanssi ja johtimen resistanssi. 5.-Yleismittari ja oskilloskooppimittauksien periaatteet. DC ja AC, sekä turvarajat. 6.-Teho, energia ja sähkölaskun muodostuminen. 7.-8.-Vastusverkon kokonaisvastuksen laskeminen. Sarjakytkentä ja rinnankytkentä. 9.-Ohmin laki ja sen sovelluksia. 10.-Koffin I laki: virran haarautumislaki ja sen sovelluksia. 11.-Koffin II laki: jännitelaki ja sen sovelluksia. 12. 1. välikoealue päättyy; koekertausta ja välipalautteen antaminen (paperilla) 13.-14. 1. välikoe (2h) 15.-16-Orcad-simulointiohjelman esittely ja tasavirtapiirin simulointeja. (Superpositiomenetelmä). 17.-18.-Silmukkamenetelmä (ja solmupistemenetelmä) ja Matlab-ohjelman peruskäyttöä (jos päästään ATK-tilaan). 19.-Thevenin (ja Nortonin) teoreema. 20.-2. välikoealue päättyy; koekertausta ja kurssipalautteen antaminen (Oivassa) 21.-22.-2. välikoe ja kurssipalautteen antaminen (2h) 23.-24.-Kokeen palautus, mahdolliset uusinnat, labraselkkarit ja palautekeskustelu.

4 Labravuorot 1. Aloitusvuoro: Turvallisuus, työskentelytavat, siisteys, laitteiden käyttö ja palauttaminen, rikkinäisten laitteiden toimittaminen huoltoon, mittalaitteiden paristojen vaihtaminen, tulevien töiden esittely ja raportointi, ryhmien muodostaminen, mittauspöytäkirjan laatiminen, raportin palautusaika 2 viikkoa, jännitemittaus yleismittarilla, virtamittaus yleismittarilla, maadoituksen vaikutus kytkentään yksinkertaisella vastusverkolla, kunkin opiskelijan mittaustaidot varmistetaan ja kuitataan V ja I-mittausten osalta. Excelin käyttö tulosten laskemisessa opetellaan niin pitkälle kuin aikaa riittää. Tällä vuorolla pidätte itse oppimispäiväkirjaa itseänne varten. Dokumenttejä ei tarkasteta, mutta V ja I- mittaustaidoista jää kuittaus opettajan mappiin. R1 200 5Vdc V1 R2 300

5 2. Potentiaali- ja jännite- ja virtamittauksia sarjakytkennässä Jännitteen jako sarjavastusten suhteessa. Mittaukset sekä yleismittarilla, että oskilloskoopilla. Lopputuloksena esitetään vertaileva taulukko, jossa on kahdet mittaustulokset ja teoreettiset laskutulokset vertailevassa muodossa alla olevan mallin mukaan. Vuoron alussa ryhmä sopii raporttivastaavan, joka aloittaa heti kirjoittamaan pöytäkirjaa työn aikana. (Mittauspöytäkirja ja tulokset paikan päällä) V1 R1 V2 30 5Vdc U0 R3 R2 50 70 V3 Taulukko 1. Lopputulokset tuotetaan raportissa tähän taulukkomuotoon ja kommentoidaan tulosten samankaltaisuuksia ja eroja. Mitkä seikat ovat vaikuttaneet tulosten laatuun? Mitattu / yleismittari Oskilloskoopi Lasketut (DC-coupling!) U0 ( )* I Ei sovellu tähän UR1 ** UR2 ** UR3 U(R2+R3) U(R1+R2) ** V1 V2 V3 *) Otettu yleismittarituloksesta **) Edellyttää skoopilla kahden kanavan käyttöä ja vähennyslaskua (Math-valikosta CH1-CH2) Lisätehtävä: jos aikaa jää, kokeile miltä signaaligeneraattorin tuottama jännite näyttää oskilloskoopilla katsottuna. Käytä jännitteelle tehollisarvoa 3V ja taajuutta 50Hz. Opettaja tarkastaa että jännite on otettu oikeasta paikasta ja oikein ennen jännitteen kytkemistä päälle!!! Tätä osiota ei tarvi raporttiin liittää.

6 3. Potentiaali- ja jännite- ja virtamittauksia rinnankytkennässä Virran jako johtavuuksien suhteessa. Tuotetaan vuorolla sekä kokeelliset, että laskennalliset tulokset ja kirjataan pöytäkirjaan vertailevaan taulukkoon. Poikkeavuudet tarkastetaan saman tien. (Mittauspöytäkirja ja tulokset paikan päällä) V1 R1 30 V2 5Vdc U0 R4 40 R3 R2 50 70 V3 -Resistanssi-arvot ovat ohjeellisia ja ne saavat olla reilusti isompiakin, mutta ei juuri pienempiä jotta virtamittarin sulake ei pala ja jännitelähde ei kuumene. Mittaa heti alkajaisiksi tarkat, toteutuneet U0 ja R-arvot, joita sitten käytetään myös laskelmissa. -Mittaa jännittee ja potentiaalit yleismittarilla ja oskilloskoopilla samoilla periaatteilla kuin edellisessäkin työssä. -Mittaa virrat (3kpl) yleismittarilla. Muista käyttää oikeaa kaapelointia, että et oikosulje jännitelähdettä ja/tai komponentteja. -Taulukoi tulokset työn aikana pöytäkirjaan kolmeen sarakkeeseen. Laskut erillisellä paperilla, jonka voi liittää raporttiin liitteeksi 2. Pöytäkirjassa muotoiluna vaikka tähän tyyliin: (Varaa riittävästi tilaa, mieti montako ominaisuutta pitää kirjata) U R1 Yleismittarilla Oskilloskoopilla Kytkennästä lasketut U 0 = (Yleismittarilla: ) R 1 =

7 4. Jännitelähteen sisäresistanssin määritys. Määritetään labrapöydän kiinteän 5V:n jännitelähteen sisäresistanssi ja samalla tekniikalla AA-pariston ja 9V:n pariston sisäresistanssit. Kokeillaan kuormitusta kolmella erisuuruisella vastuksella, jotta nähdään pysyykö sisäresistanssi vakiona vai muuttuuko se, vaikka periaatteessa yhdenkin kuorman avulla R s voidaan määrittää. (Jännitelähteissä sisäresistanssin vaikutusta voidaan kompensoida regulaattorilla, jolloin sisäresistanssin suuruus saattaa muuttua. Paristolla taas kemia asettaa omat rajoituksensa nopeudelle, joten siinäkin tilanne voi muuttua) -Huomaa, että paristoa ei saa oikosulkea, eli kuorman on oltava riittävän suuri, että paristo ei kuumene. Käytä vähintään 100 ohmin vastusta. Jannitelahde 1.5 tai 9 tai 5 Vdc Rs (pieni) Rk Testikuorma Kuva 1. Jännitelähteen sisäresistanssin määrittäminen. -Otetaan samalla tuntumaa Thevenin teoreemaan, eli lyhyesti ajatukseen Jännitelähteenä käytettävän passiivisen kytkennän voi kuvata kahden ominaisuuden: lähdejännitteen ( T ) ja sisävastuksen (R T ) avulla. Toisin sanoen kytkentä tai sen osa voidaan yksinkertaistaa näillä ominaisuuksilla, jos kontaktipisteitä on vain kaksi. Esimerkiksi kahden sarjaan kytketyn pariston (lähdejännite 1,5V ja sisävastus 0,6Ω) yksinkertaistettu esitys on: T = 3,0V ja R T = 1,2 Ω (ohmimääränä keksitty arvo; totuus nähdään kun se määritetään). Kokeillaan Thevenin teoreeman toimivuutta, eli laita pöydän 5V-jännitelähteelle sarjavastus 100 Ω ja ajattele että se kuuluu lähteeseen (eli antaa 100 Ω lisää sisävastusta). Tee tälle jännitelähteelle kuormitustestillä sisäresistanssin määritys. Nyt voit määrittää lähteen ominaisuuden myös oikosulkuvirran kautta, koska sisävastus on niin suuri, että oikosulkuvirta ei kasva liikaa. lisätty "sisävastus" RS2 5 Vdc 100ohm Thevenin + napa Pöydän jännitelähde Rs (pieni) Thevenin - napa Kuva 2. Rakenneltu, suuremman sisävastuksen jännitelähde, jonka navat ovat auki, koska kuormaa ei ole laitettu + ja - -napoihin kiinni.

8 -Laskennalliset tulokset: Laske edellisen kohdan Thevenin lähteen ominaisuudet siten, että ilman lisäkuormaa selvität kytkennästä napojen välisen jännitteen = lähdejännite. Napojen välinen kokonaisresistanssi taas antaa sisäresistanssin arvon. Vertaa tulosta edellisen kohdan tulokseen. -Jos aikaa jää, voit kokeellisesti testata vielä tämän uuden jännitelähteen sisävastuksen tunnetun kuormavastuksen avulla, kuten työn alussa tehtiin lisätty "sisävastus" RS2 5 Vdc 100ohm Thevenin + napa Pöydän jännitelähde Rs (pieni) Rk Testikuorma Thevenin - napa (Mittauspöytäkirja ja tulokset paikan päällä)

9 5. Kahden silmukan vastuskytkennän teho DC ja AC-syötöllä. Puhtaasti reaalisista resistansseista, eli vastuksista rakennettu AC-kytkentä voidaan hallita tasavirtalaskujen avulla, jos käytetään jännitteille ja virralle tehollisarvoja. Taajuus ei näillä komponenteilla vaikuta, mutta asetetaan se verkkotaajuudelle 50Hz. Syöttöjännite otetaan Pintec-signaaligeneraattorista ja säädetään Amplitudivääntimellä syöttöjännitteen AC-tehollisarvo 5,00V:iin yleismittarin avulla. R1 150 5Vac 0Vdc V1 R2 400 R3 600 R4 250 Mitataan kytkennän jännitteet yleismittarilla. Jännitteistä lasketaan Ohmin lailla virrat, eli virtamittaus tehdään jännitteen kautta. Lasketaan komponenttien tehot yhtälöllä P=UI ja painetaan mieleen, että tämä muoto ei yleisesti ole voimassa vaihtovirtapiireillä, ainoastaan pelkällä vastusverkolla. Vertaa jännitelähteen tehoa yksittäisten vastusten tehojen summaan. Simuloidaan kytkentä Orcadillä. Simuloinnissa käytetään DC-jännitelähdettä. Otetaan simuloinnista kytkentä tuloksineen talteen selostusta varten. Tulosten pitäisi olla vertailukelpoisia mittausten kanssa. Katsotaan tilannetta oskilloskoopilla. Yleismittarilla mitattu vertailutulos on: tehollisarvo = amplitudi / sqrt(2). Kuvassa oskilloskoopin näkymää vastaava tilanne syöttöjännitteelle. 8.0 6.0 Amplitudi = nolla-tasosta huippuun 4.0 2.0 0-2.0-4.0-6.0-8.0 0s 4ms 8ms 12ms 16ms 20ms 24ms 28ms 32ms 36ms 40ms 44ms 48ms 52ms 56ms 60ms V(V2:+) 0 Time Oskilloskoopilla mitataan vastusten R2 ja R4 jännitteiden tehollisarvot. Näistä lasketaan kyseisten komponenttien tehot ja verrataan edellisiin tuloksiin. Mittaa myös näiden sin-muotoisten jännitteiden jaksonaika ja taajuus kursoreita käyttäen. LOPPUTULOKSET VERTAILEVAAN TAULUKKOON: YLEISMITTARI / LASKETTU / SIMULOITU / OSKILLOSKOOPPI eli neljät tulokset vertailuun.

10 6. Orcad-simulointityö Orcad-ohjelman peruskäyttöä on jo opeteltu tämän dokumentin lopussa olevan ohjeen mukaisesti. Tarvittaessa kerrataan kyseisen ohjeen toimintoja ja opetellaan aluksi parametrisimulointi seuraavalla tavalla. 1) Simuloidaan perus-dc kytkentä, johon on virkistykseksi lisätty pari ACkomponenttia ja päästään potentiaalien osalta lopputulokseen: R1 R2 9Vdc 9.000V V1 1k 5.478V 0V 1 R3 2k L1 1H 3k 3.130V R4 4k 1 2 C1 1uF Name = 0 0V 2 Kysymyksiä, joihin vastataan ensin paperille ja sitten yhteisesti keskustellaan vastauksista: a) Mikä on kondensaattorin haaran virta? b) Mikä on vastuksen R4 jännite ja miten se suhtautuu C1:n jännitteeseen ja miksi? c) Miten L1 rajoittaa tasavirran kulkua? d) Mikä on R1:n jännite? e) Otetaan lasikaapista kela (NL=12000), mietitään sen resistanssi ja mietitään mistä kytkennässä oleva R3 voisi olla peräisin tai voisiko se puuttua kytkennästä kokonaan. f) Otetaan kaapista C, joka säätyy arvoon 1uF ja mitataan sen resistanssi. Miten tulos selittää a)-kohdan tulosta? 2) Simuloidaan seuraavanlainen kytkentä ja saadaan tulos: 8.824V 9Vdc V1 1 Rsisav astus 20ohm 2 Rkuorma 1k Name = 0 0V Tämän jälkeen kysymys kuuluu: Millä kuorman arvolla sen ottama teho on suurimmillan? Tulos haetaan parametrisimuloinnilla seuraavasti: a) Lisätään kytkentään komponentti, jonka nimi on param eli se on muuttujalista.

11 9Vdc 8.824V V1 PARAMETERS: 1 Rsisav astus 20ohm 2 Rkuorma 1k Name = 0 0V b) Kaksoisnäpäytetään muuttujalista auki ja asetetaan Rmuuttuja Add new column -painakkeen avulla: c) Aseta muuttuja ja se arvo saman tien näkyville valitsemalla Rmuuttuja - niminen sarake ja valitsemalla sopiva näkyvyysvalinta (huom! ei vaikuta kytkennän toimintaan, vaan ainoastaan arvon näkyvyyteen):

12 d) Nyt näkymä on seuraavanlainen kun vielä vaihdetaan kuormalle muuttuja ja HUOM! SE ANNETAAN AALTOSULUISSA! 9Vdc V1 PARAMETERS: Rmuuttuja = 1 1 Rsisav astus 20ohm 2 Rkuorma {Rmuuttuja} Name = 0 eli voidaan editoida simulointiprofiilia. e) Avataan simulointiprofiili ja annetaan sinne sopiva arvoalue testattavalle kuorman suuruudelle. Miettikää rauhassa, mitä arvot tarkoittavat ja miten simulointi nyt rakentuu.

13 1.2W f) Simulointi avaa Probe -aliohjelman, jolla voidaan piirtää tutkittavan vastuksen tehot: 1.0W 0.8W (20.000,1.0125) (Rmuuttujan arvo, teho) 0.6W Haettu suurinta kuorman tehoa vastaava tilanne 0.4W 0.2W 0W 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 9 W(Rkuorma) Rmuuttuja Kuvan tuottamiseksi piti piirtää tehot (Trace / Add trace), Laittaa kursori päälle ristikko-pikapainakkeesta, etsiä maksimi vastaavalla pikapainakkeella, merkitä kohta Mark Label pikapainakkeella ja kommentoida ABC-painakkeella. Sitten ylimääräiset ruudukot pois tuplaklikkaamalla arvoihin ja gridit pois päältä. Kuvan tuominen Wordiin: Window / Copy to clipboard / change all colours to black. Sitten Pastetoiminnolla kuva Wordiin. Harjoitellaan tämä dokumentointitarpeiden takia. TEHTÄVÄ: Piirrä DC-kytkentä, jossa on 2 silmukkaa ja riittävästi vastuksia. Aseta tavoitteeksi jollekin vastukselle tietty jännitearvo, johon pyrit kyseistä

14 resistanssia muuttelemalla. Käytä parametrisimulointia ja jos törmäät tilanteeseen, että tavoitteeseen ei päästä, niin mieti miksi ja miten siihen voisi päästä. Huomaa, että piirto-ohjelmassa jännitteen voi piirtää potentiaalien erotuksena ihan jännitteen määritelmän mukaisesti. 7. Sähkösuureiden käyttö ohjausjärjestelmässä. Tätä tehdään niin pitkästi kuin ehditään. Laitteisto: Arduino UNO, potentiometri, 220-300ohmin vastus ja LED + koekytkentäalusta. Softa: Arduinon ohjelmisto on ladattavissa webistä: Arduino.cc, mutta labran koneilla softa on jo asennettuna. Kysymys: Millainen laite on monikierros-potentiometri? Syötetään DC-jännite 5V potikalle ja mitataan laitteen ottama virta. Arduinolla virta ei saa ylittää 20mA:n virtaa (tai 30mA, varmistus löytyy laitevalmistajan sivuilta). Mittaa myös jännitettä potikan eri napojen välillä ja mieti tilannetta jännitteen jaon kannalta. Kytkeminen Arduinoon: kts. http://arduino.cc/en/tutorial/analoginoutserial Tee kytkentä ja testaa sen toimivuus mallikoodilla. Kirjaa sensorvalue-arvoja ylös eri syöttöjännitteen volttiarvoilla ja tee Excelissä kuvaaja: jännite sensoriarvon funktiona ja laita trendiviiva kuvaajaan näkyville. Näin saat muunnosyhtälön sensoriarvosta jännitteeksi. Jatkotehtävä: Tutustu koodiin ja muokkaa koodia siten, että saat toiminnallisuuksia aikaiseksi, esim. että LED on täysin päällä tai pois päältä tietystä syöttötilanteesta alkaen. Voit myös kokeilla ohjelmoida koodi siten, että Arduino mittaa jännitettä ja antaa sen sarjaportille voltteina ulos. Jos haluat tehdä tästä dataloggerin, voit katsoa ohjeen: http://www.oamk.fi/~jkaski/yleisohjeita/putty_ohje.doc ja tunnukset saa opettajalta, omat ei toimi tässä. Mietittäväksi: miten toteuttaisit tällä automaattisen pihavalo-ohjauksen, joka reagoi ulkovalaistukseen? Käytettävissä on LDR eli valaistuksesta riippuva vastus ja kiinteä vastus.

15 4.9.2013 Mittauspöytäkirja, Vaihtovirtapiirit, työ nro 1: AC-kytkennän perusominaisuuksien mittaaminen Tekijät: Sukunimi1 Etunimi1, luokkatunnus1, selostusvastaava Sukunimi2 Etunimi2, luokkatunnus2 Sukunimi3 Etunimi3, luokkatunnus3 Kytkentä: (piirros), jossa komponenttiarvot mitattuna yleismittarilla Fluke 89IV True RMS Multimeter: R1= 400 ohm U0= (tehollisarvo) R2= 600 ohm syöttöjännitteen taajuus f = Hz (Jännitelähteen xxx näyttämä) C= RL= L= (Mitattuna RLC-mittarilla tyyppi?) Dokumentointia Mitataan rakennetun kytkennän jännitteet ja virrat yleismittarilla Fluke 89IV True RMS Multimeter U(R1) = xxx U(R2) = yyy U(kela) = zzz. Oskilloskoopilla (merkki, tyyppi?) mitatut potentiaalit (mitattu sinifunktion huipusta huippuun kursorien avulla): V(+) = V(R1:n ja C:n väli) = Oskilloskoopilla matematiikkavalikosta potentiaalierona saadut komponenttien jännitteet (Upp-arvot): U(R1) = xxx U(R2) = yyy U(kela) = zzz TÄTÄ VASTAAVAN PÖYTÄKIRJAN OPISKELIJA LAATII JOS VALMISTA POHJAA EI OHJEISSA OLE MUISTA LOPUKSI OTTAA OPETTAJAN KUITTAUS PÖYTÄKIRJAAN: PVM Open Nimmari

16 Sähköoppiin liittyviä demoja, jotta saadaan ilmiöt havainnollisiksi Sähköoppiin liittyviä perusilmiöitä ja perusasioita voi kertailla linkillä (magnetismiin saakka): http://ippex.pppl.gov/interactive/electricity/moving.html Pääsivu, jolta löytää hyviä sähköopin demoja on esim: http://www.falstad.com/circuit/e-index.html Ohmin lain ja virrankulun havainnollistaminen: http://www.falstad.com/circuit/e-ohms.html Interaktiivinen vastusverkon virtakäyttäytymis-demo: http://www.falstad.com/circuit/e-resistors.html -Tehtävä: selvitä syöttöjännitteen suuruus myös sopivasti vipuja kääntämällä ja Ohmin lakia käyttämällä. Oikea tulos näkyy toki teksteissä Kytkentöjä voi demota luokassa ja kokeilla itse esimerkiksi linkillä: http://phet.colorado.edu/en/simulation/circuit-construction-kit-dc -Valitset vain Run Now ja testaat perus-dc-kytkennän käyttäytymistä!!! OPISKELIJA: JOS PERUSASIAT ON HUKASSA NIIN LEIKI TÄLLÄ TYÖKALULLA HYVÄNLAINEN TOVI!!! Nämä ja muutama muu linkki esitellään myös jatkokurssissa Mikäli haluat jo etukäteen kurkata tulevaisuuteen; AC-juttuja löytyy täältä: AC-perusteita ja demoja löytyy osoitteessa: http://www.animations.physics.unsw.edu.au/jw/ac.html -Katsotaan demoja järjestyksessä havainnollisia kuvia pyörivistä osoittimista ja R, C ja L- käyttäytymisiä AC-piirissä. -Kun impedanssi on käyty läpi, aloitetaan laskemisen harjoittelu Opastusvideo Orcad-simulointiohjelman käyttöön (Kiitokset, Pekka Jokikokko, vinkistä): http://www.youtube.com/watch?v=zr4afzad4ig

17 Harjoituksia Varaus, virta ja kytkentäkaavio (1. ja 2. tunti) 1. Selvitä mitä sähkövirta on. Katso havainnollistus linkin http://ippex.pppl.gov/interactive/electricity/moving.html avulla. 2. Linkin http://fi.wikipedia.org/wiki/sauvaparisto mukaan AA-sauvapariston varaus voi olla 2600mAh ja jännite tunnetusti 1,5V. Kuinka kauan paristosta voi ottaa 0,3A:n virtaa (tyypillinen suuruusluokka esim. autostereolle ja pienelle polttimolle)? 3. Eräässä akussa on varausta 60Ah ( http://www.akkutalo.fi/uploads/henkil%c3%b6- %20ja%20pakettiautot%20-%20datasheet.pdf ). Mikä on starttimoottorin ottama keskimääräinen virta, kun tällä akulla kestää startata 10min, jonka jälkeen akku on tyhjä. 4. Selvitä esim. linkistä http://koti.mbnet.fi/~huhtama/ele/index.php?si=merkit.sis piirrosmerkit jännitelähteelle, paristolle, vastukselle, kondensaattorille, sulakkeelle, polttimolle, kytkimelle, kelalle ja diodille. 5. Vertaile näköiskuvaa ja kytkentäkaavio-näkymää osoitteessa http://phet.colorado.edu/en/simulation/circuit-construction-kit-dc 6. Tee ym. linkissä sarjakytkentä: Lamppu-kytkin-vastus-paristo-lamppu ja laita jännitemittari ja virtamittari kytkentään mukaan. Kokeile liittää virtamittari pariston napoihin ja selitä ilmiö. Jännite, potentiaali, resistanssi (3. ja 4. tunti) 7. Selitä resistanssin vaikutus sähkövirran kulkuun. Havainnollistus on mm. linkissä http://ippex.pppl.gov/interactive/electricity/moving.html 8. Tutustu virran kulkusuuntaan ja jännitteeseen linkissä http://phet.colorado.edu/en/simulation/circuit-construction-kit-dc rakentamallasi mittaustapahtumalla. 9. Mitä eroa on jännite- ja virtamittaus kytkennöillä, kun käytetään yleismittaria? 10. Tutustutaan jännitteisiin, virtoihin ja potentiaaleihin Orcad-ohjelman avulla. Opettaja piirtää ja simuloi kytkennän luokassa ja selittää sen. Samalla tutustutaan jännitelähteen sisäresistanssiin. 11. Tutustu Ohmin lakiin aiemmin annettujen linkkien avulla. Miten virta käyttäytyy rinnankytkennässä eri haaroissa? Miten jännite käyttäytyy rinnankytkennässä? Miten jännite käyttäytyy sarjakytkennässä? 12. Mikä on jännitteen ja potentiaalin ero? Mittalaitteet ja sähkölasku (5. ja 6. tunti) 13. Mitä eroa on AC ja DC-jännitteellä? Mitä jännitteitä/virtoja asunnoista löytyy? 14. Mitä mitataan oskilloskoopilla? 15. Mitä tarkoittaa yhtälö P = U * I? 16. Miten tehosta voidaan laskea käytetty energia? 17. Jos mahdollista, hanki käsiisi pienkuluttajan sähkölasku ja selvitä siinä näkyviä suureita ja niiden merkityksiä. Mistä sähkölasku koostuu?

18 18. Jos 100km:n ajaminen sähköautolla edellyttää 8 tunnin lataamista 10A:n virralla, kumpi on edullisempaa: sähköllä ajaminen vai 7 litraa/100km kuluttava bensaauto? Käytännön jännitelähde ja sen ominaisuudet irrallaan ja käytössä (7. ja 8. tunti) Käydään läpi Excelin avulla, eli ATK-tilassa opetellen sekä jännitelähteen ominaisuuksia, että Excelin käyttöä. Harjoituslaskuja perus-suureiden osaamisen varmistamiseksi (9. ja 10. tunti) Lasketaan muutamalle vastusverkolle virrat, jännitteet ja potentiaalit. Myös siten, että syöttöjännite ei ole tunnettu, vaan tunnetulle vastukselle annetaan mitattu jännitteen arvo ja siitä lähdetään liikkeelle. Tämän jälkeen pitää hallita U, I ja V-laskut ja R kok -laskut. Teholaskuja ja 1. välikokeesta sopiminen (11. ja 12. tunti) Sovelletaan yhtälöä P=U*I perusluontoisilla harjoitustehtävillä: 19. Perustehtävä: laske kytkennän komponenttien ottamat tehot ja jännitelähteen syöttämä kokonaisteho. Kauanko jännitelähde kestää, jos se on 9V:n paristo (565mAh http://en.wikipedia.org/wiki/nine-volt_battery ) ja montako Joulea se antaa kaikkiaan ulos? (Tuloksia: P(V1) = 1,92W, P(R5) = 0,91W, P(R6) = 0,45W, P(R7) = 0,421W, P(R8) = 0,140W, E =18,31kJ) R5 9Vdc V1 20 R6 R7 30 50 R8 10

19 20. HAASTAVAMPI: Selvitä 2 ohmin vastuksen ottama teho. Kytkennän voit ratkaista kerrostamis-periaatteella laskemalla kummankin syöttöjännitteen aiheuttamat virtakomponentit erikseen ja summaamalla ne summat huomioiden. (Toinen vaihtoehto on tehdä yhtälöryhmä tuntemattomilla virroilla ja ratkaista se.) (Vastaus: 3,495W)

20

21 Orcad-ohjelmaan tutustuminen. Simuloidaan DC-kytkentä ja selvitetään kytkennän ominaisuudet. Avataan Orcad: Start-valikosta Capture CIS Lite edition Huom! Orcad-asennustiedosto on ladattavissa koulu verkossa: \\files\work\orcad Tehdään uusi projekti: File/New project älä käytä nimessä ääkkösiä ja valitse Analog aseta polku. Tehdään puhtaalta pöydältä, eli valinta:

22 Päästään piirtotilaan. P-kirjaimella pääset Place part -tilaan, jolla piirretään komponentteja, esim. vastuksia. Kirjoita komponentin nimi ja jos kirjastot ei ole valmiina, aseta kirjastot valitsemalla kaikki. Johtimet saat W -kirjaimella. Myös pikapainakkeilla saa valittua yleisimmät toiminnot. Jännitelähde on VDC -niminen komponentti ja maadoitus löytyy Place Ground-toiminnolla (pikavalinta: G ). Piirrä: R1 R2 100 200 9Vdc V1 R5 R3 300 R4 400 500 Valitse Pspice /New simulation profile ja anna nimi ilman ääkkösiä

23 Simuloidaan bias point -valinnalla Pspice/Run käynnistää simuloinnin ja antaa monille virheilmoituksen: Node is floating tarkoittaa että navan potentiaali kelluu, eli maadoitus on pielessä. Tähän ratkaisuna on hieman bugin tuoksuinen temppu: asetetaan maadoituksen sisäisistä ominaisuuksista Name-arvoksi numero 0 ja kuitataan se enterillä

24 Uusintayritys tuottaa ilmoituksen no errors ja jos kytkentäsivulla painaa V-nappia, saa johtojen potentiaalit näkyville:

25 Myös virrat ja tehot on saatavilla kun vain valitsee. Seuraavaksi etsitään sellainen syöttöjännitteen arvo, että vastuksen R3 virraksi saadaan 12mA. Hyödynnetään tähän DC-sweep-toimintoa. Pspice / Edit simulation profile Simulointi avaa Probe -aliohjelman, joka näyttää vain mustaa taulua:

26 Trace / Add trace toiminnolla voidaan valita mitä ominaisuuksia halutaan katsoa. Valitaan vastuksen R3 virta: Kursori päälle ja kohdistetaan se haluttuun kohtaan. Jos haluat käyttää kiikarinkuva-hakutoimintoa, hakulauseet ovat muotoa search forward xvalue(15) tai search forward level(12m) Kuvassa virta on negatiivinen, koska virta tulee vastuksen 2-navasta sisään. (Numerointi ei edes näy kytkennässä). Kohdistuksen jälkeen kursorin paikka näkyy infolaatikossa: Ja dokumentoidaan haettu kohta merkkaamalla pikapainakkeella Mark Label. Otetaan kuva valkoisella pohjalla dokumenttiin: Window / Copy to clipboard/

27 Taustaruudukon voi laittaa pois jos kuva on dokumentoitu. ABC-painakkeella lisätty kommentit ja haetut kohdat merkittynä. Tämän jälkeen kuva on ctrl^v-painalluksella saatavissa dokumenttiin: 0mA HARJOITUSTEHTAVAN RATKAISU: VASTUKSEN R3 VIRTA SYOTTOJANNITTEEN FUNKTIONA -5mA -10mA Haettu kohta, jossa R3 saa virransuuruuden 12mA (20.400,-12.000m) -15mA -20mA -25mA -30mA 0V 5V 10V 15V 20V 25V 30V 35V 40V 45V 50V I(R3) V_V1

28 Tehtävä: Selvitä simuloimalla ja varmista laskemalla laitteen saama virta, jännite ja teho V2 230Vdc 1 R_johtimet 2 3 Laite: jos jännite olisi 230V, P=2kW (vastaa kilven merkintää) R_laite??? Tehtävä: etsi kuormalle parametrisimuloinnilla sellaine arvo, että sen teho on maksimissa. Katso tilannetta kuvaajasta, jossa vaaka-akselilla on kuorman resistanssi ja pystyakselilla kuorman teho (W). Vertaa tulosta jännitelähteen sisäresistanssiin, 5ohm. Selvitä kuorman teho sen ohmimäärän funktiona. Parametrisimulointi: kts. http://www.oamk.fi/~jkaski/vaihtovirtapiirit/orcadohjeet/ 9Vdc 2 V2 R7 Kuorma: R6 1k Millä kuorman ohmi-arvolla sen saama teho on maksimissa? 1 5