TYÖ 58. VAIMENEVA VÄRÄHTELY, TASASUUNTAUS JA SUODATUS Tehtävä Välineet Tehtävänä on vaimenevan värähtelyn, tasasuuntauksen ja suodatuksen tutkiminen oskilloskoopilla. Kaksoiskanavaoskilloskooppi KENWOOD CS-4125 (20 MHz), virtalähde 15020, oskilloskoopin mittaussarja (24301) välineineen; kytkentäalusta (11061), kela 0,3 mh (12066), kondensaattori C 1 0,22 µf (13555), kondensaattori C 2 22 nf (13540), diodeja 4 kpl (16037), vastus 1 kω (13205), liitimiä 2 kpl, kytkentäjohtoja, kytkentäkappaleita 3 kpl (11064) sekä kytkentäkappaleita 3 kpl (11065). Taustatietoja Kondensaattorien ja käämin avulla voidaan tutkia vaimenevaa värähtelyä virtapiirissä (F4, s. 230 (208)). Yhden diodin avulla voidaan suorittaa puoliaaltotasasuuntaus (kuva 1a) ja neljän diodin avulla kokoaaltotasasuuntaus (kuva 1b). (F4, s. 202 (182)). Kuva 1. Diodi tasasuuntaajana.
Pelkällä tasasuuntauksella vaihtosähköstä saadaan sykkivää tasajännitettä, joka akkulatureita tms. lukuun ottamatta on kelvotonta useimpien elektroniikkalaitteiden syöttöjännitteeksi. Vasta sopivan jännitevakavoinnin jälkeen saadaan paristojännitettä muistuttava vakiona pysyvä tasajännite. Yksinkertaisin tapa parantaa tasasuuntaustulosta on kytkeä kuormituksen rinnalle suurikapasitanssinen elektrolyyttikondensaattori. Ellei kuormitusvirta ole liian suuri, muuttuu kuormitukseen vaikuttava sykkivä tasajännite lähes vakiona pysyväksi tasajännitteeksi (kuva 2). Kuva 2. Jännitevakavointi elektrolyyttikondensaattorilla. Kuva 3. Hurinajännite puoliaaltotasasuuntauksessa. Elektrolyyttikondensaattori latautuu käytännössä yhtä nopeasti kuin jännitteen puolijakso nousee, sillä latausaikavakio τ = RC on pieni (vrt. F 4, s.54-55 (53-54)). Elektrolyyttikondensaattorilla vakavoidusta puoliaaltotasasuuntauskytkennästä saadaan siis enemmän tai vähemmän aaltoilevaa tasajännitettä eli sekajännitettä. Tällaista jännitteen aaltoilua kutsutaan hurinajännitteeksi u hur (ks. kuva 3), sillä jos sitä käytetään äänitaajuusvahvistimen syöttöjännitteenä, kuullaan varsinaisen äänen lisäksi häiritsevä 50 Hz:n hurina. Hurinajännitteen suuruuteen vaikuttavat kondensaattorin kapasitanssi C, kuormitusvirta I L sekä jaksonaika T IL T (T = 1/f, f = taajuus). Hurinajännitteen suuruus saadaan lausekkeesta; u hur =. C Kokoaaltotasasuuntauksen etuna puoliaaltotasasuuntaukseen nähden on se, että myös vaihtosähkön negatiivista puolijaksoa voidaan käyttää hyväksi. Tämä helpottaa tasasuuntauskytkennästä saatavan sykkivän tasajännitteen vakavoimista vakiona pysyväksi tasajännitteeksi. Yleisin kokoaaltotasasuuntauskytkentä on diodien siltakytkentä eli Graetzin kytkentä (ks. kuva 4). Kuva 4. Diodisilta.
Kun vaihtosähköllä on positiivinen puolijakso, kuormitusvirta I L kulkee reittiä plus-d1-kuormitus-d2-miinus. Kun vaihtosähkön napaisuus vaihtuu, I L kulkee reittiä plus-d3-kuormitus-d4-miinus. Molemmissa tapauksissa I L kulkee samansuuntaisesti kuormituksen läpi eli se on tasavirtaa. Ilman jännitevakavointia virran suuruus tosin vaihtelee vaihtosähkön mukaisesti. Siltakytkentä voidaan tehdä neljällä erillisellä diodilla. Saatavana on myös valmiita diodisiltoja, joissa neljä diodia on pakattu yhteiseen koteloon. Kokoaaltotasasuuntauksessa esiintyy myös saatavan jännitteen aaltoilua eli ns. hurinajännitettä u hur (kuva 5). Kuva 5. Hurinajännite kokoaaltotasasuuntauksessa. Kokoaaltotasasuuntaus saadaan aikaan myös ns. keskipistekytkennällä (ks. Vesa Volotinen: Elektroniikka 1, s. 161). Tasasuuntauskytkentöjä käytetään esim. valouruissa. Suoritusohjeita Perehdy oskilloskoopin asetuksiin ja mittausohjeisiin tarkemmin Omapin käyttöohjeiden avulla. A) VAIMEVA VÄRÄHTELY Tee oheisen kuvan 6ab mukainen kytkentä. (Huom! Kuvan 6a asetukset eivät välttämättä käy tässä työssä). ( koukkuliitin x1, ei hauenleukaliitin!!) Kuva 6a. Vaimenevan värähtelyn Kuva 6b. Värähtelypiiri (L, C 1 ), mittauskytkentä. kytkentäkondensaattori (C 2 ), C 1 = 0,22 µf, C 2 = 22 nf, oskilloskoopin oma käämi L = 0,3 mh. generaattori (G).
Mittauskytkennässä (kuva 6a) oskilloskoopin generaattori (kalibrointijänniteulostulo, cal 1 V p-p ) syöttää kytkentäkondensaattorin kautta suorakaideimpulssin (kuva 6b) rinnakkaisresonanssipiiriin (L, C 1 ). Ks. oskilloskoopin kalibrointityö. Impulssin vaikutus (värähtelytaipumus) selviää värähtelypiiriin liitetyn oskilloskoopin avulla (kuva 7). Ilmiö toistuu uuden energiasysäyksen myötä. Kuvan 7 asetukset eivät sovi välttämättä tähän työhön. Kalibrointimittausta ei tarvitse nyt suorittaa. Kuva 7. Oskilloskoopin CALgeneraattorin jänniteulostulo, taajuus 1 khz ja jännite n. 0,5-1,0 V hh. Käyttö on alun perin tarkoitettu vaimentimella varustettujen mittajohtimien kalibrointiin (säätöruuvi on mittajohtimessa). (ks. Oskilloskoopin kalibrointityö). Kun kytkennät ja oskilloskoopin asetukset ovat oikein, oskilloskoopin kuvapinnalle saadaan kuvan 8 mukainen kuvaaja. OSKILLOSKOOPIN ASETUKSET: Y1(CH1) : VOLTS/DIV : /cm. SWEEP TIME/DIV : /cm. Kuva 8. Vaimeneva värähtely. (Huom! Kuvan asetukset eivät välttämättä sovi tähän työhön). PIIRRÄ MILLIMETRIPAPERILLE SAAMASI VAINEVAN VÄRÄHTELYN KUVAAJA. LASKE KUVAAJAN PERUSTEELLA: - värähtelyjakson kestoaika T =. 1 - vaimenevan värähtelyn taajuus f = =. T
B) TASASUUNTAUS - PUOLIAALTOTASASUUNTAUS Tee oheisen kuvan 9 mukainen kytkentä. (Huom! Kuvan 9 asetukset eivät välttämättä käy tässä työssä). Kuva 9. Puoliaaltotasasuuntauksen tutkiminen. (diodi, vastus 1 kω). Mittauskytkennässä Y1-kanava (CH1) mittaa vaihtojännitelähteen jännitettä. Y2-kanava (CH2) mittaa puoliaaltotasasuunnattua jännitettä. Tämän tasasuuntauskytkennän erikoisuus on siinä, että alku- ja lopputulos voidaan esittää samanaikaisesti tavallisella kaksoiskanavaoskilloskoopilla. OSKILLOSKOOPIN ASETUKSET: Y(CH1) : VOLTS/DIV : /cm. X(CH2) : VOLTS/DIV : /cm. SWEEP TIME/DIV : /cm. Kun kytkennät ja oskilloskoopin asetukset ovat oikein, oskilloskoopin kuvapinnalla pitäisi näkyä kuvan 10 kaltaiset kuvaajat. Kuva 10. Vaihtojännitelähteen sinimuotoinen jännite sekä sama puoliaaltotasasuunnattuna. (Huom! Kuvan 10 asetukset eivät välttämättä käy tässä työssä). MITEN KUVAAJA MUUTTUU, JOS KYTKET DIODIN PÄINVASTAISEEN SUUNTAAN KUIN KUVASSA 9? PIIRRÄ MILLIMETRIPAPERILLE SAAMASI VAIHTOJÄNNITELÄHTEEN SINIMUOTOISEN JÄNNITTEEN KUVAAJA SEKÄ PUOLIAALTOTASASUUNNATUN VAIHTOJÄNNITTEEN KUVAAJA.
- KOKOAALTOTASASUUNTAUS Tee oheisen kuvan 11 mukainen kytkentä (vrt. myös kuva 1b). (Huom! Kuvan 11 asetukset eivät välttämättä käy tässä työssä). - 4 kpl diodeja - vastus 1 kω - kytkentäkappaleita 3 + 3 Kuva 11. Kokoaaltotasasuuntauksen tutkiminen. Mittauskytkennässä voidaan käyttää vain yhtä Y-kanavaa, jolla tasasuunnattu jännite mitataan kuvan 11 mukaisesti Tasasuunnattavan jännitteen esittämiseksi on oskilloskoopin molemmat johdot (Y / GND) siirrettävä vaihtojännitelähteen napoihin. OSKILLOSKOOPIN ASETUKSET: X(CH2) : VOLTS/DIV : /cm. SWEEP TIME/DIV : /cm. Kun kytkennät ja oskilloskoopin asetukset ovat oikein, oskilloskoopin kuvapinnalla pitäisi näkyä kuvan 12 kaltainen kuvaaja. Kuva 12. Kokoaaltotasasuunnattu jännite (Huom! Kuvien asetukset eivät välttämättä käy tässä työssä). PIIRRÄ MILLIMETRIPAPERILLE SAAMASI KOKOAALTOTASASUUNNATUN VAIHTOJÄNNITTEEN KUVAAJA (kuvan 12 mukaisesti).
C) SUODATUS Tee oheisen kuvan 13 mukainen kytkentä. (Huom! Kuvan 13 asetukset eivät välttämättä käy tässä työssä). Kuva 13. Suodatuksen tutkiminen. - elektrolyyttikondensaattori 220 µf - diodi - vastus 1 kω Mittauskytkentä on elektrolyyttikondensaattoria lukuun ottamatta sama kuin edellisessä tehtävässä puoliaaltotasasuuntaus (vrt. kuva 9). Y1-kanava (CH1) mittaa vaihtojännitelähteen jännitettä. Y2-kanava (CH2) mittaa puoliaaltotasasuunnattua ja elektrolyyttikondensaattorilla suodatettua jännitettä. HUOM! KYTKE ELEKTROLYYTTIKONDENSAATTORI OIKEIN PÄIN!!! OSKILLOSKOOPIN SKAALAT KANAVILLE Y(CH1) JA X(CH2) SEKÄ SWEEP TIME/DIV: Y(CH1) : VOLTS/DIV : / cm. X(CH2) : VOLTS/DIV : / cm. SWEEP TIME/DIV : /cm. Kun kytkennät ja oskilloskoopin asetukset ovat oikein (ks. O-mappi ), oskilloskoopin kuvapinnalla näkyy kuvan 14 mukaisia kuvaajia. Kuva 14. Vaihtojännitelähteen sinimuotoinen jännite (yllä) sekä sama puoliaaltotasasuunnattuna (katkoviiva) ja suodatettuna (alla, yhtenäinen viiva). (Huom! Kuvan 14 asetukset eivät välttämättä sovi tähän työhön). (vrt. kuvat 2-5). OSKILLOSKOOPIN ASETUKSIA: - sinimuotoinen jännite (yläkuva); VERTICAL MODE: CH1 - puoliaaltotasasuunnattu ja suodatettu jännite (alakuva); VERTICAL MODE: CHOP
PIIRRÄ MILLIMETRIPAPERILLE SAAMASI VAIHTOJÄNNITELÄHTEEN SINIMUOTOISEN JÄNNITTEEN KUVAAJA SEKÄ PUOLIAALTOTASASUUNNATUN JA SUODATETUN JÄNNITTEEN KUVAAJA (ks. kuva 14). Suuri hurinajännite aiheuttaa esim. radioissa ja vahvistimissa hurinaa. HAVAINTOJA: - suuri hurinajännite puutteellinen suodatus - kokoaaltotasasuuntauksella saavutetaan parempi lopputulos, koska siinä ladataan suodatuskondensaattori myös negatiivisen puolijakson aikana.