EVTEK/ Antti Piironen & Pekka Valtonen 1/6 TM01S/ Elektroniikan komponentit ja järjestelmät Laboraatiot, Syksy 2003 LABORATORIOTÖIDEN OHJEET (Mukaillen työkirjaa "Teknillisten oppilaitosten Elektroniikka"; Rae Perälä, Hannu Hämäläinen) I. Laboratoriotöiden tavoitteet Laboratoriotöissä tutustutaan käytännössä elektronisiin komponentteihin ja niiden käyttöön virtapiirien osana. Mittauskytkennät rakennetaan työn aikana erillisistä komponenteista kytkentäalustalle. Työn tekijän on osattava valita oikeat komponentit, esimerkiksi vastusten ja kondensaattorien komponenttiarvon määritys värikoodien mukaan tulee hallita. Transistoreista ja mikropiireistä tulee osata selvittää oikea johdinjärjestys. Kytkennät on saatava myös toimimaan. Jos kytkentä ei toimi, syynä voi olla kytkentävirhe, väärä komponentti tai myös viallinen komponentti. Kaikissa tapauksissa vika on kyettävä löytämään ja korjaamaan. Työn yhteydessä kytkennän toimintaa kokeillaan ja siitä tehdään erilaisia mittauksia. Tämä edellyttää, että mittalaitteita osataan käyttää tai opitaan käyttämään työn yhteydessä. Kaikki työt on suunniteltu siten, että ne voidaan tehdä tavanomaisilla mittalaitteilla. Niitä ovat oskilloskooppi, funktiogeneraattori, jännitelähteet ja yleismittarit. Elektroniikan perustyökalu on oskilloskooppi. Oskilloskoopin rakenteen perustuntemus sekä nappulatekniikan hallinta kuuluvat elektroniikan parissa työskentelevien henkilöiden ammatilliseen yleissivistykseen. II. Komponentit ja työvälineet Töissä käytetään tavallisimpia, helposti hankittavia komponentteja. Tälläisia komponentteja ovat diodit, transistorit, mikropiirit, vastukset, kondensaattorit, potentiometrit ja tietyt erikoiskomponentit, kuten NTC-vastukset ja LED-diodit. Töiden yhteydessä annetaan tarvittavien komponenttien tyypit sekä aktiivisten komponenttien, diodien, transistorien ja mikropiirien datalehdet. Niistä selviävät komponenttien ominaisuudet ja lisäksi kytkentäjärjestys. Mittauskytkennät tehdään erityiselle koekytkentäalustalle, joka on tullut tutuksi Virtapiirit- ja Signaalit- opintojaksojen laboratoriotöissä.
2/6 Kytkentäalustassa on suuri määrä koskettimia, joihin komponenttien liitäntäjohtimet voidaan työntää. Koskettimet on kytketty toisiinsa kuvan 1 osoittamalla tavalla. Ylä- ja alalaidassa olevat rivit on kytketty yhteen vaakasuunnassa. Näitä rivejä kannattaa yleensä käyttää syöttöjännitteille. Keskellä olevat rivit on kytketty pystysuunnassa yhteen siten, että yhteys katkeaa alustan keskiviivalla. Mikropiirit voidaan kytkeä alustan keskiviivalle ja vastukset sekä muut komponentit tarpeen mukaan. Kuvassa 2 on esitetty kytkentäesimerkki. Kuvan 2 a mukainen ajastinpiirioskillaattori voidaan tehdä alustalle kuvan 2 b esittämällä tavalla. Kytkennän tekemiseen tarvitaan komponenttien lisäksi lyhyitä kytkentäjohtimia, joilla yhdistetään tarvittavat pisteet. Kuva 1. Kytkentäalustan sisäinen kytkentä Kuva 2 a. Esimerkkikytkentä Kuva 2 b. Esimerkkikytkennän toteuttaminen kytkentäalustalla
3/6 III. Mittalaitteet ja mittausmenetelmät Töiden suorittamiseen tarvittavat mittalaitteet esitetään töiden yhteydessä. Mittaukset tulee tehdä luotettavalla tavalla, ja mittauksia tehtäessä on syytä arvioida tulosten tarkkuus. Mittareiden tarkkuudesta valmistaja antaa tiedot käsikirjoissa. Oskilloskoopilla mitattaessa on otettava huomioon virhe, joka aiheutuu luettaessa arvoja oskilloskoopin kuvapinnalta. Mittarit myös vaikuttavat mitattaviin suureisiin. Esimerkiksi jännitettä mitattaessa mittari ottaa kohteesta virtaa ja voi samalla alentaa kohteen jännitettä. Jännite on siksi mitattava laitteella, jonka sisäinen resistanssi on mahdollisimman suuri. Digitaaliset yleismittarit ovat tässä suhteessa edullisia, niiden resistanssi jännitealueella on alueesta riippumatta tavallisesti 10 MΩ. Virtaa mitattaessa mittarissa syntyy jännitehäviö, joka muuttaa mitattavan kohteen jännitteitä. Esimerkiksi digitaalisessa yleismittarissa on jännitehäviö virta-alueella täydellä näyttämällä 200 mv alueesta riippumatta. Tavallisia virheitä Joskus voi käydä niin, että kytkettäessä jännitettä mitattavaan piiriin jotkut komponentit tai mittalaitteet vioittuvat. Seuraavassa on koottuna joukko tavallisia virheitä: 1. Väärä mittausalue yleismittarissa Ennen jännitteen kytkemistä on tarkistettava, että yleismittarin mittausalue on valittu oikein. Tavallinen virhe on, että mitataan jännitettä, ja mittari on kytketty virtamittausalueelle. Mittarin virta nousee silloin liian suureksi ja sitä suojaava sulake palaa. 2. Komponentin ylikuormittuminen Vastukseen tai potentiometriin syötetään liian suuri teho, jolloin se kuumenee liikaa ja tuhoutuu. Potentiometrissa vaarallisin tilanne on silloin, kun virta kulkee liu un kautta. Potentiometrin rakenteesta johtuen liu un ja vastusradan välisen kosketuskohdan pinta-ala on pieni ja liu un virta kulkee tämän kosketuskohdan kautta. Jos virrantiheys kasvaa kosketuskohdassa liian suureksi, potentiometri palaa. Myös puolijohdekomponentit tuhoutuvat helposti ylikuormitustilanteessa. 3. Syöttöjännite väärinpäin Syöttöjännitteen kytkeminen väärinpäin merkitsee yleensä puolijohdekomponentin tuhoutumista. Myöskin kapasitanssiltaan suurien elekrolyyttikondensaattorien jännitteen suunta on nuolin merkitty. Jännitteen kytkeminen väärinpäin johtaa epänormaaliin toimintaan ja usein komponentin tuhoutumiseen.
4/6 Mittaaminen Mittaustuloksista laaditaan pöytäkirja, jonka perusteella tehdään työselostus (mittausraportti). Tulokset esitetään selostuksessa usein käyrien muodossa. Käyrä on helppo piirtää, jos sen kulkua on ennakoitu jo mittausvaiheessa, ja mittauspisteet on valittu sopivasti. Asetusarvoa on muutettava lyhyin askelin, jos mitattavan suureen arvo muuttuu nopeasti, mutta kun mittausarvon muuttuminen hidastuu, asetusarvojen väliä voidaan suurentaa kuvassa 3 esitetyllä tavalla. Kuva 3. Mittapisteiden valitseminen Kun kytkentä on saatu toimimaan, se mitataan työohjeen mukaisesti. Tuloksista laaditaan selkeä mittauspöytäkirja. Siitä on voitava jälkeenpäin selvittää, mitä ja miten on mitattu. Muistin varaan ei ole syytä jättää mitään oleellisia asioita, koska työselostuksen laatiminen voi käydä vaikeaksi, jos muisti pettää. Hyvä on myös arvioida jo mittausten kestäessä, mitä suuruusluokkaa tulosten pitäisi olla. Jos saadut tulokset poikkeavat oleellisesti arvioiduista, on syytä epäillä virhettä kytkennässä tai mittausmenetelmässä. Eri komponenttiyksilöiden välillä voi olla suuriakin eroja (esim. transistorit), ja saman mittauksen tulokset voivat senvuoksi vaihdella, kun käytetään eri komponenttiyksilöitä. IV. Työn suorittaminen Jokaisessa työohjeessa on mainittu, mitä mittalaitteita ja komponentteja työssä tarvitaan. Ne on parasta varata heti alkuun käsille. Mittauskytkennät tehdään kytkentäalustalle ja mittalaitteet liitetään kytkentään. Ennen jännitteiden kytkemistä on syytä vielä tarkistaa, että kytkentä on oikein tehty. Samoin on tarkistettava, että syöttöjännitteet kytketään oikeinpäin, ja että mittareiden alueet on valittu oikein. Heti jännitteen kytkemisen jälkeen on hyvä seurata, paljonko kytkentä ottaa virtaa. Jos virrankulutus on suuri, on syytä epäillä oikosulkua kytkennässä. Jännite on silloin heti katkaistava ja etsittävä vika. Jos jännitelähteessä on säädettävä virranrajoitus, se voidaan ensin säätää pienelle virralle, jota sitten hitaasti lisätään, kun on todettu kytkennän olevan toimintakuntoisen.
5/6 Vikojen etsintä Oheisia yleisiä ohjeita voi pitää vianetsinnän lähtökohtana: 1. Tarkistetaan, että kytkentä on tehty oikein, eri pisteet on yhdistetty toisiinsa kytkentäkaavan mukaisesti ja ylimääräisiä yhdistyksiä, oikosulkuja ei ole. 2. Tarkistetaan, että kytkennässä on käytetty oikeita komponentteja, vastusten ja kondensaattorien arvot ovat oikeat. 3. Tarkistetaan, että transistorien ja mikropiirien johtimet on kytketty oikein, ja että diodien suunta on oikeinpäin. 4. Tarkistetaan, että komponentit ovat kunnossa. Transistori tai mikropiiri voidaan kokeeksi vaihtaa uuteen. Jos kytkentä alkaa silloin toimia, poisvaihdettu komponentti on viallinen. 5. Mitataan jännite- ja virta-arvot kytkennän eri pisteissä, ja arvioidaan, ovatko ne oikeata suuruusluokkaa. Epänormaalin jännitearvon perusteella on usein mahdollista paikallistaa vika. V. Työselostuksen laatiminen Mittaustulosten perusteella laaditaan raportti tehdystä työstä eli työselostus. Eri töiden luonne ja sisältö vaihtelevat, ja sen mukana myöskin niiden työselostuksille on asetettava erilaiset vaatimukset. Eräitä yleisiä ohjeita voidaan kuitenkin antaa: Työselostuksen tulisi olla selkeä, lyhyt ja ytimekäs. Siitä tulisi selvitä, mitä mittauksia on tehty, millaisia tuloksia on saatu sekä mitä tulosten perusteella voidaan päätellä. Vielä olisi arvioitava, miten varmalla pohjalla liikutaan, eli miten suuria mittausvirheet voivat olla. Työselostuksen jäsentelyssä voi noudattaa esimerkiksi seuraavaa järjestystä: Johdannossa voidaan selvittää lyhyesti, mistä työssä on kysymys. Siinä voi olla lyhyt yleisluonteinen selostus tutkittavasta aiheesta. Mittauksia ja niiden tuloksia voidaan käsitellä seuraavaksi. Lukija arvostaa selostusta, jota lukiessa ei tarvitse välillä katsoa muualta, millaista kytkentää on käytetty tms. Kustakin mittauksesta on hyvä esittää mitattu tulos ja mahdollinen laskemalla saatu tulos samalla aukeamalla lähekkäin, jolloin mittaustulosten tullessa vastaan lukijan ei tarvitse ryhtyä etsimään mahdollista laskemalla saatua arvoa voidakseen verrata niitä keskenään. Kannattaa myös muistaa, että selkeä piirros valaisee asian usein paremmin kuin sanallinen esitys. Kunkin mittauksen kohdalla selostus voi noudattaa kaavaa: mittauskytkentä, mittaustulokset, lasketut arvot, virhearviointi ja tuloksista vedetyt johtopäätökset. Tulokset kannattaa usein esittää käyrinä.
6/6 VI. Käytännön järjestelyt Kunkin laboratoriotyön työohjeen opiskelija saa tutustumista varten viimeistään viikkoa ennen työn suorittamista. Mittaukset laboratoriossa tehdään kahden opiskelijan ryhmissä ja ryhmä tekee mittauksista mittauspöytäkirjan. Laboratoriotyön päätteeksi ryhmän tulee pyytää työnvalvojalta kuittaus mittauspöytäkirjaansa. Etukäteen ennen kutakin työtä kannattaa valmiiksi miettiä mittauspöytäkirjan esitysmuotoa. Kukin ryhmä tekee laboratoriotöistään työselostukset annettujen ohjeiden mukaan. Laboratoriotyöt tullaan arvostelemaan arvosanalla 0...5 ja töillä on oma painoarvonsa koko opintojakson arvostelussa. Työselostus tulee jättää viimeistään viikon kuluttua työn suorittamisesta. Myöhästyminen viimeisestä palautuspäivästä alentaa työstä saatavaa arvosanaa yhdellä arvosanalla myöhästymisviikkoa kohti.