TYÖ 54. VAIHE-EO JA ESONANSSI Tehtävä Välineet Taustatietoja Tehtävänä on mitata ja tutkia jännitteiden vaihe-eroa vaihtovirtapiirissä, jossa on kaksi vastusta, vastus ja käämi sekä vastus ja kondensaattori. Lisäksi tutkitaan L-piirin sarjaresonanssia. Kaksoiskanavaoskilloskooppi KENWOOD S-45 (0 MHz), vaihtojännitelähde (500), vastus 0 Ω (säätövastus Phywe), vastus kω (esim. Phywe tai 305), käämejä, esim.(600r, 300r, 00r) sekä rautasydän + ies, kondensaattoreita, esim.( µf, nf ja, nf), yleismittari (DT-830B), virtamittari (0), äänitaajuusgeneraattori (3300), johtimia. Käämejä ja kondensaattoreita saa olla useita eri arvoisia. Vaihtovirtapiirin peruskomponentteja ovat vastukset käämit ja kondensaattorit (kuva ). Sähkölähteeseen kytketyt laitteet voidaan tulkita näiden erilaisiksi yhdistelmiksi. Kuva. Vastus (), kondensaattori () ja käämi (L). Sinimuotoinen vaihtojännite u = û sinω t synnyttää laitteeseen sinimuotoisen vaihtovirran i = î sin( ω t -ϕ). Suureet u ja i ovat jännitteen ja virran hetkelliset arvot, û ja î huippuarvot, ω= πf on vaihtojännitteen kulmanopeus ja f vaihtojännitteen taajuus (F4, s. 79-8 (59-6)). Käämin ja kondensaattorin ominaisuuksista johtuu, että jännitteen ja virran välillä on yleisessä tapauksessa vaihe-ero ϕ. Vaihtosähkömittarit osoittavat yleensä ns. tehollisarvoja, jota sinijännitteen tapauksessa ovat û tehollinen jännite U= î ja tehollinen virta I=. Sähkötekniikassa virrat ja jännitteet ilmoitetaan yleensä tehollisina arvoina (F4, s. 97-04 (77-84)). Sinimuotoista vaihtojännitettä tai virtaa, jonka taajuus on f, voidaan esittää kulmanopeudella ω= πf pyörivällä vektorilla eli osoittimella. Osoitinkuvio voidaan piirtää joko huippuarvoille û ja î tai tehollisarvoille U ja I.
Kuvassa on sinijännite u = û sinω t on esitetty huippuarvoosoittimen avulla. Osoitin (tasovektori) pyörii origon O ympäri. Osoittimen pituus on jännitteen huippuarvo û. Osoitin pyörii vastapäivään kulmanopeudella ω= πf. Hetkellinen arvo u on osoittimen y-komponentti. Jännitteen vaihekulma α= ω t on osoittimen kulmakoordinaatti vektorisuuntaan nähden. Tarkastelun alkuhetkellä t = 0 ja vaihekulma α= ω t = 0. (F4, s. 03-04 (83-84)). Kuva. Sinimuotoisen vaihtojännitteen osoitindiagrammin avulla. u = û sinω t kuvaaminen Jännitteen ja virran välinen vaihe-ero ϕ eri peruskomponenttien tapauksessa: -piiri: ϕ = 0, ts. puhtaasti resistiivisen kuorman tapauksessa virta ja jännite ovat aina samassa vaiheessa. Tehollisarvolle pätee U = I, jossa on vastuksen resistanssi. L-piiri: ϕ = +π/, ts. puhtaasti induktiivisen kuorman tapauksessa virta on 90 o jännitettä jäljessä (ks. kuva 3). Tehollisarvolle pätee U L = ωli, jossa ωl on käämin induktiivinen reaktanssi -piiri: ϕ = -π/, ts. puhtaasti kapasitiivisen kuorman tapauksessa virta on 90 o jännitettä edellä (ks. kuva 3). Tehollisarvolle pätee U = I, jossa ω ω on kondensaattorin kapasitiivinen reaktanssi. (F4, s. 99-0 (79-8), 05-6 (85-94)). Kuva 3. Vaihe-eron kaksi lajia käämissä ja kondensaattorissa.
Käämin induktiivinen reaktanssi X L = ωl ja kondensaattorin kapasitiivinen reaktanssi X = ω. Kulmanopeus ω= πf. Suure X = ωl - ω on piirin reaktanssi eli näennäisvastus. Kuva 4 esittää virtapiiriä, jossa vastus, ideaalinen käämi ja kondensaattori on kytketty sarjaan vaihtojännitelähteeseen. Kuva 4. L-piiri eli vastus, käämi, kondensaattori ja vaihtojännitelähde sarjassa. Kirchhoffin. lain mukaan hetkellinen jännite on u = u + u L + u. Koska komponenttien jännitteet ovat erivaiheisia, tehollisarvot on laskettava yhteen vektoriaalisesti. Tämä suoritetaan mukavammin kuvan 5 mukaisen osoitindiagrammin avulla. Koska hetkellinen virta on sama kaikkialla piirissä, valitaan virtaosoitin perussuunnaksi ja piirretään eri komponenttien jännitteet siihen nähden. Kuva 5. L-piirin a) jännitediagrammi ja b) impedanssidiagrammi. Kuviosta saadaan ( U U ) U = U +. L Sijoittamalla U = I, U L = IωL ja U = I saadaan ω U = I + ω L = IZ. ω Suure Z L = + ω on piirin impedanssi. ω Impedanssi on vaihtovirtapiirin sähkövirtaa rajoittava suure, vaihtovirtavastus. (U = ZI, vrt. Ohmin laki: U = I). (ks. F4, s. 8- (96-99)).
Myös impedanssi voidaan esittää osoitindiagrammina, joka saadaan jakamalla jännitediagrammin osoittimet virralla I (kuva 5b). Osoitinkuviosta saadaan edelleen vaihe-erolle ϕ lauseke ω L - U L U ω ϕ = arctan = arctan. U Piirin impedanssilla Z on minimiarvo, kun X L X = 0 eli ω L=. ω U Tällöin Z = ja sähkövirta I= saa suurimman arvonsa; I = I max = Z U. Tällöin vaihe-ero ϕ = 0 ja ω o L=, josta saadaan edelleen ω o=. ω o L Koska kulmanopeus ω o = πf o, niin maksimivirtaa vastaava piirin resonanssitaajuus f o =. π L Piiri on resonanssissa siihen kytketyn vaihtojännitteen kanssa, jos jännitteen taajuus on sama kuin resonanssitaajuus f o. (ks. F4, s. 4-30 (0-08)). adion tai television kanavanvalitsinpiiri on esimerkki L-piiristä. Antenni ottaa vastaan useiden lähiasemien lähettämää taajuutta. Muuttamalla piirissä kapasitanssia muutetaan piirin resonanssitaajuus samaksi kuin etsityn kanavan taajuus. On syntynyt (virta)resonanssi. Näin piiri värähtelee vain tämän halutun taajuuden mukaisesti ja vastaanottimesta kuuluu ja näkyy kyseisen kanavan ohjelmaa. (ks. Ohanian: Physics, second., ed., exp. p. 83-843). Suoritusohjeita Työssä mitataan jännitteiden vaihe-ero vaihtovirtapiirissä, jossa on a) kaksi vastusta (-piiri) b) käämi ja vastus (L-piiri) c) kondensaattori ja vastus (-piiri) Lisäksi tutustutaan resonanssiin.
Oskilloskoopin lämmettyä asetetaan kaikki kolme VAIABLE-säädintä asentoon: AL. Säädetään intensiteetti ja fokusointi sopivaksi (INTENSITY- ja FOUS säätimet). Säädetään kuvapisteen paikka (XY: ON) origoon POSITION-näppäimillä. Sitten asetetaan XY: OFF. Aseta A-GND-D näppäimet ( kpl) asentoon: A ja x0mag: OFF. Oskilloskoopin VETIAL MODE-kytkin käännetään ALT-asentoon, niin että kumpikin kanava on käytössä. Kummatkin näytöllä olevat signaalit kannattaa asettaa POSITION-säädöllä sopivaan kohtaan kuvaruutua. Tutkimuksessa seurataan oskilloskoopin kuvaruudulta kahta jännitettä ajan funktiona (ty - ja ty -koordinaatistot). Tutkimuksessa luetaan oskilloskoopin näytöltä jännitteiden vaihe-ero ϕ, joten oskilloskoopin aikasäätökytkimestä SWEEP TIME/DIV valitaan tarkasteltavan ilmiön kannalta tarkoituksenmukainen jakoväli ajalle (esim. ms). Pystyakseleille valitaan tarkoituksenmukainen jakoväli jännitteelle VOLTS/DIV-kiertokytkimestä (esim. V). Oskilloskoopin näytöllä oleva kuva näkyy tu-koordinaatistossa (ks. kuva 6). TIGGEING MODE näppäin asetetaan asentoon FIX (tai TV FAME tai TV LINE) ja variable-säätimet ovat asennossa cal. Koska tutkimuksessa maadoitetaan oskilloskoopin mittauskanavat samasta pisteestä komponenttien välistä, täytyy kanavaan (H) tuleva signaali invertoida (kertoa luvulla ). H INV: ON. Tällöin jännitehäviöt ovat kummassakin komponentissa samansuuntaiset. Oskilloskoopin kanavalta (H) luettavan jännitteen vaihe-ero kanavalta (H) luettavaan jännitteeseen verrattuna saadaan selville mittaamalla, kuinka paljon myöhemmin jännite kanavassa (H) on nolla. Tarkastellaan esimerkkinä kuvan 6 esimerkkiä. Kuva 6. Jännitteiden vaihe-eron mittaus oskilloskoopilla. Kuvan 6 tilanteessa jännite on nolla noin 5 ms:n kuluttua siitä, kun -kanavan (H) jännite on nolla. Koska T = 0 ms, niin 5 ms vastaa vaihe-eroa (5/0) π = π/. Kanavan (H) jännite on siis vaiheen π/ verran jäljessä kanavan (H) jännitettä. Oskilloskooppi voidaan kytkeä myös XY-asentoon, jolloin vaihtojännitesignaalin vaihe-ero voidaan määrittää ns. vaihe-ellipsistä (ks. kuva 7). Tällöin vaakasuuntaisena poikkeuttajana on taajuudeltaan tunnettu vaihtojännitesignaali. Jännitteiden vaihe-ero voidaan tällöin laskea lausekkeesta; ϕ = arcsin(a/b). Kuva 7. Vaihe-eroellipsi. Vaihe-ero ϕ = arcsin(a/b ).
Mittauspöytäkirja / työohjeet Tutkimus. Kaksi vastusta vaihtovirtapiirissä (-piiri) Tehdään kuvan 8 mukainen kytkentäkaavio, jossa mitataan kahden vaihtovirtapiirissä olevan vastuksen ja jännitehäviöiden vaihe-ero ϕ. Kummankin vastuksen ja resistanssi on 0 Ω. Vastuksina voidaan käyttää esim. säätövastuksia (Phywe), joiden resistanssi voidaan mitata yleismittarilla (DT-830B) vastuksen navoista. Katso ohjeita kuvasta 6 sekä oskilloskoopin käyttöohjeita ja asetuksia O-mapista. Määritä vaihe-ero sinikäyristä (kuva 6). Jännitteenä on 5,0 V A. Etsi sopivat oskilloskoopin säädöt. VETIAL MODE: ALT. TIGGEING MODE: FIX (tai TV LINE, TV FAME). Esim. SWEEP TIME/DIV: ms, y : VOLTS/DIV: V, y : VOLTS/DIV: V. Aseta oskilloskoopin XY-näppäin asentoon: ON ja tutki oskilloskoopissa näkyvää kuvaajaa.. Millainen kuvaaja nyt saatiin? JÄNNITEHÄVIÖIDEN U =U (t) ja U =U (t) VÄLINEN VAIHE-EO - PIIISSÄ ON ϕ =. Kuva 8. Kaksi vastusta ja vaihtovirtapiirissä. Mitä vastuksen resistanssien kasvattaminen (kuva 8) vaikuttaa jännitteen kuvaajiin?
Tutkimus. Käämi ja vastus vaihtovirtapiirissä (L-piiri) Tehdään kuvan 9 mukainen kytkentäkaavio, jossa mitataan vaihtovirtapiirissä olevan käämin L ja vastuksen jännitehäviöiden vaihe-ero ϕ. Vastuksen resistanssi on 0 Ω. Vastuksena voidaan käyttää esim. säätövastusta (Phywe), jonka resistanssi voidaan mitata yleismittarilla (DT-830B) vastuksen navoista. Kääminä voidaan käyttää esimerkiksi käämiä, jonka kierrosluku on 600r (0 Ω) tai vastaavaa. Katso ohjeita kuvasta 6 sekä oskilloskoopin käyttöohjeita ja asetuksia O-mapista. Määritä vaihe-ero sinikäyristä (kuva 6) ja vaihe-eroellipsistä (kuva 7). Vaihe-eroellipsi saadaan kuvaruudulle asetta oskilloskoopin XY-näppäin asentoon: ON. Jännitteenä 5,0 V A. Etsi sopivat oskilloskoopin säädöt. VETIAL MODE: ALT. TIGGEING MODE: FIX (tai TV LINE, TV FAME). Esim. SWEEP TIME/DIV: ms, y : VOLTS/DIV: V, y : VOLTS/DIV: V. Kuva 9. Käämi L ja vastus vaihtovirtapiirissä. JÄNNITEHÄVIÖIDEN U L =U L (t) ja U =U (t) VÄLINEN VAIHE-EO L- PIIISSÄ ON ϕ =. Mitä jännitteen kuvaajiin vaikuttavat: a) vastuksen resistanssin lisääminen b) käämin kierrosluvun vähentäminen c) käämin rautasydämen ieksen liikuttaminen?
Tutkimus 3. Kondensaattori ja vastus vaihtovirtapiirissä (-piiri) Tehdään kuvan 0 mukainen kytkentäkaavio, jossa mitataan vaihtovirtapiirissä olevan kondensaattorin ja vastuksen jännitehäviöiden vaihe-ero ϕ. Vastuksen resistanssi on 0 Ω. Vastuksena voidaan käyttää esim. säätövastusta (Phywe), jonka resistanssi voidaan mitata yleismittarilla (DT-830B) vastuksen navoista. Katso ohjeita kuvasta 6 sekä oskilloskoopin käyttöohjeita ja asetuksia O-mapista. Määritä vaihe-ero sinikäyristä (kuva 6). Aseta oskilloskoopissa XY-näppäin asentoon: ON ja tutki myös vaihe-ellipsiä (kuva 7). Jännitteenä 5,0 V A. VETIAL MODE: ALT. TIGGEING MODE: FIX (tai TV LINE, TV FAME) Etsi sopivat oskilloskoopin säädöt. Esim. SWEEP TIME/DIV: ms, y : VOLTS/DIV: 5 mv, y : VOLTS/DIV: V. Kuva 0. Vastus kondensaattori ja vastus vaihtovirtapiirissä. JÄNNITEHÄVIÖIDEN U =U (t) ja U =U (t) VÄLINEN VAIHE-EO - PIIISSÄ ON ϕ =. Miten vastuksen resistanssin lisääminen vaikuttaa jännitteen kuvaajiin? Miten kondensaattorin kapasitanssin muuttaminen vaikuttaa jännitekäyriin? Miten vaihe-ero muuttuu edellisissä tapauksissa?
Tutkimus 4. Vastus, kondensaattori ja käämi vaihtovirtapiirissä (L-piiri) Tehdään kuvan mukainen kytkentäkaavio, jossa määritetään L-piirin resonanssitaajuus ja tutkitaan oskilloskoopilla piirin jännitehäviöitä. Vastuksena on kω: vastus, 0,5 W (335) tai esim. säätövastusta (Phywe), jonka resistanssi voidaan mitata yleismittarilla (DT-830B) vastuksen navoista. Funktiogeneraattorina (FG) on äänitaajuusgeneraattori (3300) ja virtamittarina esim. Is-vetin 0. Äänitaajuusgeneraattori (FG) kytketään piiriin amp. output:ista. Etsi sopivat frekvenssialueet (ANGE) ja amplitudit (AMPLITUDE). Työssä käytetään siniaaltoa frekvenssimodulointia (modulation: f.m). (Osc.out amplifier d.c level - -ei merkitystä tässä työssä). Käämi (300r) + rautasydän ja ies. Virtamittari (0); 0,05 A. Katso oskilloskoopin käyttöohjeita ja asetuksia O-mapista. Etsi sopivat oskilloskoopin säädöt. Vrt. työ 3. Sarja- ja rinnakkaisresonanssi. VETIAL MODE: ALT. TIGGEING MODE: FIX (tai TV LINE, TV FAME) Esim. SWEEP TIME/DIV: 0, ms, y : VOLTS/DIV: mv, y : VOLTS/DIV: V. Muuta äänitaajuusgeneraattorin taajuutta ja etsi se taajuuden arvo, jolla sähkövirta on suurimmillaan ja jännitteiden vaihe-ero on nolla. Tutki oskilloskoopin jännitehäviöiden kuvaajia taajuutta muutettaessa. Kuva. Vastus, kondensaattori ja käämi L vaihtovirtapiirissä (L-piiri). Äänitaajuusgeneraattori; FG: amp. output, - siniaalto, - modulation: f.m ESONANSSITAAJUUS f o.