FYSP105/2 VAIHTOVIRTAKOMPONENTIT. 1 Johdanto. 2 Teoreettista taustaa



Samankaltaiset tiedostot
FYSP105/2 VAIHTOVIRTAKOMPONENTIT. 1 Johdanto

Kondensaattorin läpi kulkeva virta saadaan derivoimalla yhtälöä (2), jolloin saadaan

FYS206/5 Vaihtovirtakomponentit

RATKAISUT: 22. Vaihtovirtapiiri ja resonanssi

Mittalaitetekniikka. NYMTES13 Vaihtosähköpiirit Jussi Hurri syksy 2014

Työ 31A VAIHTOVIRTAPIIRI. Pari 1. Jonas Alam Antti Tenhiälä

Kondensaattorin läpi kulkeva virta saadaan derivoimalla yhtälöä (2), jolloin saadaan. cos sin.

VAIHTOVIRTAPIIRI. 1 Työn tavoitteet

FYSP1082/3 Vaihtovirtakomponentit

IMPEDANSSIMITTAUKSIA. 1 Työn tavoitteet

Kuva 1. Vastus (R), kondensaattori (C) ja käämi (L). Sinimuotoinen vaihtojännite

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

PERMITTIIVISYYS. 1 Johdanto. 1.1 Tyhjiön permittiivisyyden mittaaminen tasokondensaattorilla . (1) , (2) (3) . (4) Permittiivisyys

FYSP105 / K3 RC-SUODATTIMET

Pynnönen Opiskelija: Tarkastaja: Arvio:

OSKILLOSKOOPIN SYVENTÄVÄ KÄYTTÖ

1.1 Tyhjiön permittiivisyyden mittaaminen tasokondensaattorilla

Kuva 1: Vaihtovirtapiiri, jossa on sarjaan kytkettynä resistanssi, kapasitanssi ja induktanssi

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

TASA- JA VAIHTOVIRTAPIIRIEN LABORAATIOTYÖ 5 SUODATINPIIRIT

Operaatiovahvistimen vahvistus voidaan säätää halutun suuruiseksi käyttämällä takaisinkytkentävastusta.

Muuntajan toiminnasta löytyy tietoja tämän työohjeen teoriaselostuksen lisäksi esimerkiksi viitteistä [1] - [4].

TOROIDIN MAGNEETTIKENTTÄ

Johdatus vaihtosähköön, sinimuotoiset suureet. DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

LABORAATIO 1, YLEISMITTARI JA PERUSMITTAUKSET

Työ h. SÄHKÖVIRRAN ETENEMINEN

FYSA220/K2 (FYS222/K2) Vaimeneva värähtely

TTY FYS-1010 Fysiikan työt I Asser Lähdemäki, S, 3. vsk. AA 5.2 Vaihtosähköpiiri Antti Vainionpää, S, 3. vsk.

YLEISMITTAREIDEN KÄYTTÄMINEN

YLEISMITTAREIDEN KÄYTTÄMINEN

ELEKTRONIN LIIKE MAGNEETTIKENTÄSSÄ

VIRTAPIIRILASKUT II Tarkastellaan sinimuotoista vaihtojännitettä ja vaihtovirtaa;

FYSP1082 / K4 HELMHOLTZIN KELAT

Johdanto. 1 Teoriaa. 1.1 Sähkönjohtimen aiheuttama magneettikenttä

Kondensaattori ja vastus piirissä (RC-piiri)

Nimi: Muiden ryhmäläisten nimet:

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA

Sähkömagnetismi. s. 24. t syyskuuta :01. FY7 Sivu 1

Sähkötekniikka. NBIELS12 Vaihtosähköpiirit Jussi Hurri syksy 2014

Kondensaattori ja vastus piirissä (RC-piiri)

havainnollistaa Dopplerin ilmiötä ja interferenssin aiheuttamaa huojuntailmiötä

RCL-vihtovirtapiiri: resonanssi

OPERAATIOVAHVISTIMET 2. Operaatiovahvistimen ominaisuuksia

Sähköstatiikan laskuissa useat kaavat yksinkertaistuvat hieman, jos vakio C kirjoitetaan muotoon

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA

Aineopintojen laboratoriotyöt I. Ominaiskäyrät

Esimerkki 1a. Stubisovituksen (= siirtokaapelisovitus) laskeminen Smithin kartan avulla

Luku 7 Lenzin laki kertoo induktioilmiön suunnan

HALLIN ILMIÖ 1. TUTKITTAVAN ILMIÖN TEORIAA

Taitaja2004/Elektroniikka Semifinaali

R = Ω. Jännite R:n yli suhteessa sisäänmenojännitteeseen on tällöin jännitteenjako = 1

ELEC-C6001 Sähköenergiatekniikka, laskuharjoitukset oppikirjan lukuun 10 liittyen.

LOPPURAPORTTI Lämpötilahälytin Hans Baumgartner xxxxxxx nimi nimi

5. Sähkövirta, jännite

SÄHKÖSUUREIDEN MITTAAMINEN

l s, c p T = l v = l l s c p. Z L + Z 0

VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA. Lauri Karppi j SATE.2010 Dynaaminen kenttäteoria DIPOLIRYHMÄANTENNI.

MITTALAITTEIDEN OMINAISUUKSIA ja RAJOITUKSIA

SÄHKÖSTATIIKKA JA MAGNETISMI. NTIETS12 Tasasähköpiirit Jussi Hurri syksy 2013

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I. Verkkojen taajuusriippuvuus: suo(dat)timet

DEE Sähkötekniikan perusteet

Lineaarialgebra MATH.1040 / Piirianalyysiä 2

Jakso 10. Tasavirrat. Tasaantumisilmiöt. Vaihtovirrat. Sarja- ja lineaaripiirit. Maxwellin yhtälöt. (Kuuluu kurssiin Sähkömagnetismi, LuTK)

S Elektroniikan häiriökysymykset. Laboratoriotyö, kevät 2010

= vaimenevan värähdysliikkeen taajuus)

14.1 Tasavirtapiirit ja Kirchhoffin lait R 1. I 1 I 3 liitos + - R 2. silmukka. Kuva 14.1: Liitoksen, haaran ja silmukan määrittely virtapiirissä.

Laitteita - Yleismittari

Harmonisten yliaaltojen vaikutus johtojen mitoitukseen

33 SOLENOIDIN JA TOROIDIN MAGNEETTIKENTTÄ

Fysiikan laboratoriotyöt 1, työ nro: 3, Vastuksen ja diodin virta-jänniteominaiskäyrät

FYSA2010 / K1 MUUNTAJA

Oikeanlaisten virtapihtien valinta Aloita vastaamalla seuraaviin kysymyksiin löytääksesi oikeantyyppiset virtapihdit haluamaasi käyttökohteeseen.

Tämä symboli ilmaisee, että laite on suojattu kokonaan kaksoiseristyksellä tai vahvistetulla eristyksellä.

1 Kohina. 2 Kohinalähteet. 2.1 Raekohina. 2.2 Terminen kohina

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

Supply jännite: Ei kuormaa Tuuletin Vastus Molemmat DC AC Taajuus/taajuudet

EVTEK/ Antti Piironen & Pekka Valtonen 1/6 TM01S/ Elektroniikan komponentit ja järjestelmät Laboraatiot, Syksy 2003

Induktiivisuus WURTH ELEKTRONIK. Induktiivisuuden ABC

OPERAATIOVAHVISTIN. Oulun seudun ammattikorkeakoulu Tekniikan yksikkö. Elektroniikan laboratoriotyö. Työryhmä Selostuksen kirjoitti

Kaikki kytkennät tehdään kytkentäalustalle (bimboard) ellei muuta mainita.

SATE1040 Piirianalyysi IB kevät /6 Laskuharjoitus 5: Symmetrinen 3-vaihejärjestelmä

Kapasitiivinen ja induktiivinen kytkeytyminen

Magneettinen energia

S Mittaustekniikan perusteet A. Esiselostustehtävät Erityisesti huomioitava

Työn tavoitteita. 1 Teoriaa

ELEKTRONISET JÄRJESTELMÄT, LABORAATIO 1: Oskilloskoopin käyttö vaihtojännitteiden mittaamisessa ja Theveninin lähteen määritys yleismittarilla

Pynnönen Opiskelija: Tarkastaja: Arvio:

MICRO-CAP: in lisäominaisuuksia

Radioamatöörikurssi 2013

Tämä symboli ilmaisee, että laite on suojattu kokonaan kaksoiseristyksellä tai vahvistetulla eristyksellä.

1. Tasavirtapiirit ja Kirchhoffin lait

DIODIN OMINAISKÄYRÄ TRANSISTORIN OMINAISKÄYRÄSTÖ

KÄYTTÖOPAS. PIHTIVIRTAMITTARI AC/DC Malli Kaise E

BY-PASS kondensaattorit

Oikosulkumoottorikäyttö

Perusopintojen Laboratoriotöiden Työselostus 1

Radioamatöörikurssi 2014

Taitaja2007/Elektroniikka

TYÖ 2: OPERAATIOVAHVISTIMEN PERUSKYTKENTÖJÄ

Transkriptio:

FYSP105/2 VAIHTOVIRTAKOMPONENTIT Työn tavoitteita o Havainnollistaa vaihtovirtapiirien toimintaa o Syventää ymmärtämystä aiheeseen liittyvästä fysiikasta 1 Johdanto Tasavirta oli 1900 luvun alussa kilpaileva järjestelmä vaihtovirralle. Esim. Edison suosi tasavirtajärjestelmiä, kun taas Westinghouse edisti vaihtosähkön käyttöä. Kuten tiedämme, Westinghousen tekniikka voitti lopulta käytännöllisyytensä vuoksi. Esimerkiksi vaihtovirran ja -jännitteen muuntaminen ja kuljettaminen on helpompaa kuin tasavirran. Vaihtovirtapiirien komponenteilla on jännitteen ja virran muuttumisesta johtuvia uusia ominaisuuksia joita ei tasavirtapiireissä havaita. Nämä ovat luoneet pohjan nykyelektroniikalle ja signaalinkäsittelylle. Tässä työssä perehdytään näihin komponentteihin ja ominaisuuksiin. Aiheeseen liittyviä käsitteitä ovat impedanssi, reaktanssi ja vaihesiirto. Työssä määritetään kokeellisesti kelan induktanssi ja sisäinen resistanssi ja kondensaattorin kapasitanssi, sekä havainnollistetaan LCR -piirin ominaisuuksia. Kurssikirjat [1] ja [2] sisältävät kattavat paketit vaihtovirtapiirien teoriasta, joten tässä on aiheesta vain erittäin lyhyt tiivistelmä. 2 Teoreettista taustaa Tyypillisin vaihtovirran muoto on sinimuotoinen aalto

FYSP105/2 Vaihtovirtakomponentit - 36 - t I cost i I (1) t V cost v V. (2) Pienet kirjaimet viittaavat vaihtovirtaan. Vaihtojännitteitä ja -virtoja käsiteltäessä muistetaan ero taajuuden ja kulmataajuuden välillä. Samoin on otettava huomioon huippu- ja tehollisarvojen eroavaisuudet. Mittareista kannattaa muistaa, että oskilloskoopin avulla saadaan jännitteen amplitudi, josta tehollisarvo on laskettavissa. Yleismittarit on kalibroitu näyttämään suoraan tehollisarvoja sinimuotoiselle vaihtojännitteelle ja -virralle. 2.1 Vaihtovirtapiirin komponentit Tässä työssä tutkitaan vastuksen, kelan ja kondensaattorin käyttäytymistä ja ominaisuuksia vaihtovirtapiirissä. Näistä vastus käyttäytyy kuten tasavirran tapauksessa, mutta kondensaattori ja kela saavat aivan uusia ominaisuuksia. Tasavirtapiirissä kela käyttäytyy kuten oikosulku ja kondensaattori avoimen piirin tavoin. Vaihtovirtapiirissä puolestaan molemmat vastustavat virran kulkua, riippuen vaihtovirran taajuudesta. 2.1.1 LCR-sarjapiiri Kuva 1: LCR-piirin kytkentäkaavio Vaihtovirtapiirissä virran kulkua vastustava komponenttien ominaisuus on nimeltään impedanssi, jota merkitään Z kirjaimella. Impedanssi riippuu taajuudesta ja koostuu kelan, vastuksen ja kondensaattorin reaktansseista X L, X R ja X C. Toisin kuin tasavirtapiireissä,

FYSP105/2 Vaihtovirtakomponentit - 37 - tässä impedansseja ei voi laskea suoraan yhteen. Samoin komponenttien yli olevia jännitteitä ei voida laskea suoraan yhteen, vaan on käytettävä kaavaa V 2 2 V ( ) R VL VC (3) Osoitindiagrammiesitys saattaa havainnollistaa tätä: Kuva 2: Osoitindiagrammiesitys Kun muistetaan, että V=ZI ja V R =RI ja kapasitiivisen ja induktiivisen reaktanssien kaavojen avulla [1] saadaan piirin impedanssille lopulta esitys Z X 2 L X R (4) 2 C 2.1.2 Vaihe-erosta Kapasitanssia ja induktanssia sisältäviin piireihin syntyy virran ja jännitteen välille vaiheero, joka saadaan määritettyä kaavasta X tan L X R C L 1 C R

FYSP105/2 Vaihtovirtakomponentit - 38 - Tämä on tilanne myös kuvassa (2). Taajuutta, jolla vaihe-ero on nolla, kutsutaan resonanssitaajuudeksi. Tällöin kelan ja kondensaattorin aiheuttamat vaikutukset piiriin kumoavat toisensa ja piirin koko jännitehäviö tapahtuu pelkästään vastuksessa. Silloin X L X C eli 1 L C Tästä voidaan ratkaista resonanssitaajuus. 3 Mittauslaitteisto ja mittaukset säädettävä dekadivastus kela, L ~ 200 mh kondensaattori, C ~ 1 µf oskilloskooppi pulssigeneraattori 2 yleismittaria 1,5 V paristo Mittaukset suoritetaan käyttämällä hyväksi yleismittareita ja oskilloskooppia. Vastuksina käytetään valkoisiin laatikoihin valmiiksi asennettuja vastuksia ja säätövastuksena dekadivastusta. Vastuksista on syytä ottaa huomioon millaista tyyppiä vastus on. Kiertolankavastuksilla (esim. Helipot) on induktanssia ja se aiheuttaa mittauksiin virhettä. Yleismittareista on huomattava, että niillä kannattaa mitata vain taajuuksia jotka eivät ylitä 1 kilohertsiä johtuen mittarin näytteenottotaajuudesta. Alle kilohertsin taajuus puolestaan asettaa vaatimuksia mittauksissa käytettäville keloille ja kondensaattoreille. Näillä on oltava C 50 F ja L 50 mh. Tehtävä 1. Kapasitanssin määrittämistä varten kytke sarjaan kondensaattori ja dekadivastus vaihtojännitelähteen kanssa. Valitse jokin taajuus 50 200 Hz väliltä ja

FYSP105/2 Vaihtovirtakomponentit - 39 - mittaa 7-10 kpl eri virran arvoa vastaavat jännitteiden arvot kondensaattorin yli. Käytä alle 10 ma virtoja. Virtaa voit säätää dekadivastuksella. Kuva 3: Kapasitanssin määritys Tehtävä 2. Määritä kelan sisäinen resistanssi R L. Kytke säädettävä dekadivastus, kela ja paristo sarjaan. Mittaa kelan yli oleva jännite useilla virran arvoilla. Tehtävä 3. Määritä kelan impedanssi Z L induktanssin L määritystä varten. Vaihda pariston paikalle vaihtojännitelähde ja toista edellinen mittaus. Muuta virtaa vastusta säätämällä ja pidä taajuus vakiona (välillä 50 200 Hz). Virran tehollisarvon tulee olla alle 10 ma. Mitä tapahtuu, jos virta on huomattavasti suurempi? Tehtävä 4. Kytke kela, kondensaattori ja vastus sarjaan ja säädä signaaligeneraattorin taajuus 50 Hz:n arvoon. Tämän jälkeen mittaa jännitteet kaikkien komponenttien yli erikseen ja sen jälkeen koko piirin jännitehäviö. Määritä myös piirin vaihe-ero tällä taajuudella (kuva 4). Tehtävä 5. Tehtävänä on määrittää sarjaan kytketyn LRC-piirin resonanssitaajuus oskilloskooppia ja yleismittareita käyttämällä. Kytke vastus, kela ja kondensaattori sarjaan signaaligeneraattorin kanssa ja etsi resonanssitaajuus oskilloskoopin avulla. Kertaa tarvittaessa Oskilloskoopin käyttö -työn sisältö.

FYSP105/2 Vaihtovirtakomponentit - 40 - Aseta oskilloskooppi mittaamaan XY -moodissa. Kuvaruudulle pitäisi muodostua ellipsi, joka kiertyy ja venyy, kun taajuutta muutetaan. Resonanssitaajuudella tämä ellipsi on nousevan tai laskevan suoran muotoinen. Kelan resistanssin vaikutuksesta suoraan aiheutuu hystereesistä, joka vääntää ellipsiä S-kirjaimen muotoon. Tällöin etsi taajuutta muuttamalla tilanne, jolloin ellipsi on ohuimmillaan (vinon S-kirjaimen muotoinen) => resonanssitaajuus. Mittaa yleismittarilla jännitteet kelan ja kondensaattorin yli todetaksesi että nämä ovat likimain yhtä suuret. Resonanssitaajuuden voi määrittää myös normaalitilassa tarkastelemalla yhtäaikaisesti molempia kanavia. Resonanssissa aallot ovat amplitudiltaan yhtä suuret ja päällekkäin. Kuva 4: Mittauksiin 4 ja 5 liittyvä kytkentäkaavio vaihe-eron ja resonanssitaajuuden määrittämistä varten 4 Tulosten käsittely Määritä mittaustulosten avulla graafisesti kondensaattorin kapasitiivinen reaktanssi, kelan sisäinen resistanssi ja kelan impedanssi. Laske tulosten avulla kelan induktanssi ja kondensaattorin kapasitanssi virheineen. Kuinka taajuuden kasvattaminen muuttaa kelassa ja kondensaattorissa havaittavaa jännitehäviön amplitudia?

FYSP105/2 Vaihtovirtakomponentit - 41 - Laske LCR- piiristä komponenttien jännitehäviöiden suora ja neliöllinen summa ja vertaa kokeelliseen arvoon. Kumpi on piirissä suurempi kapasitiivinen vai induktiivinen reaktanssi, kun taajuus on resonanssitaajuuden alapuolella? Onko piirin jännite virtaa edellä vai päinvastoin? Laske teoreettinen resonanssitaajuuden arvo kokeellisesti määrittämilläsi kapasitanssin ja induktanssin arvoilla ja vertaa sitä oskilloskoopilla määritettyyn resonanssitaajuuden arvoon. Kuinka resonanssitaajuus muuttuisi, jos kondensaattorin kapasitanssi olisi suurempi? Perustele päätelmäsi. Lähteitä [1] Young & Freedman 12 th edition [2] Randall D. Knight, Physics for Scientists and Engineers, A Strategic Approach, Second Edition