TN AMMATTIKOKEAKOL TYÖOHJE 1/10 41 4h. SÄHKÖISIÄ PESMITTAKSIA. OSKILLOSKOOPPI. 1. TEOIAA Oskilloskooppi on laite, joka muuttaa sähköisen signaalin näkyvään muotoon. seimmiten sillä tarkastellaan toistuvaa ilmiötä kuten värähtelyaaltoa. Oskilloskoopilla voidaan myös tarkkailla staattista tai hitaasti muuttuvaa jännitettä. Oskilloskoopin kuvaruudulta voidaan mitata ainoastaan jännite- tai aikaeroja. Oskilloskoopin rakenne: y-levyt elektronisuihku fluoresoiva varjostin x-levyt Kuva 1. Katodisädeputki. Elektronit kiihdytetään suurjännitteellä ja ne poikkeutetaan x- ja y-levyjen sähkökentän avulla. Fluorisoivalla varjostimella syntyy valaistu täplä siihen kohtaan, johon elektronisuihku osuu. X- ja y-levyille johdettu jännite on verrannollinen pisteen sijaintiin varjostimella. Sopivien, sisäänrakennettujen vahvistimien avulla oskilloskooppia voidaan siten käyttää x-y -jännitemittauksiin. Tavallisemmin oskilloskoopin valopistettä poikkeutetaan x-suunnassa oskillaattorin antamalla, tietyllä nopeudella tapahtuvalla, lineaarisella jännitemuutoksella. Tällöin y-suunnassa ajan funktiona muuttuva tutkittava jännite piirtyy oskilloskoopin kuvapinnalle oikeanmuotoisena. Koejärjestely: oskilloskooppi ja sen tärkeimmät säätimet 2T funktiogeneraattori ch 1/x mode ch 2/y f Kuva 2. Oskilloskoopin periaatekuva. Ns. pyyhkäisyjännitteenä käytetään lineaarisesti nousevaa ramppijännitettä, joka x- levyille johdettuna poikkeuttaa kuvapisteen kuvaruudun vasemmasta reunasta oikeaan sillä nopeudella, joka on valittu pyyhkäisynopeusvalitsimella Time/div.
TN AMMATTIKOKEAKOL TYÖOHJE 2/10 Oikeaan reunaan saavuttuaan piste palaa takaisin vasempaan reunaan, mutta sammutettuna, ts. sen intensiteetti on niin pieni, ettei paluujuovaa näy. Jotta kuva piirtyisi aina samaan kohtaan kuvapinnalla, pyyhkäisyjännite täytyy tahdistaa ulkoisen jännitteen kanssa. Tämä tapahtuu ns. liipaistun pyyhkäisyn avulla. Siinä periaatteena on, että pyyhkäisyjännitteen ramppi alkaa nousta hetkellä, jolloin ulkoinen jännite saavuttaa tietyn arvon (a). Tämä arvo pystytään oskilloskoopissa säätämään sitä varten olevalla potentiometrillä Trigger. y liipaisujännite Tutkittava jännite T 0 a a' a" t b b' b" x + - 2 0 2 t 0 t 1 t 2 x-levyjen ramppijännite paluupulssi t a b Kuvaruudulla näkyvä kuva Kuva 3. Liipaistun pyyhkäisyn periaate Kun vielä synkronoidaan pyyhkäisy ulkopuolisen taajuuden kanssa, puhutaan liipaistusta tai synkronoidusta pyyhkäisystä eli tahdistuksesta (=gering). Tällä saavutetaan sellainen tilanne, että kuva piirtyy aina samaan kohtaan kuvaruudulla, ja voidaan tarkastella hyvinkin suurtaajuisia pulsseja niiden pysyessä täysin paikoillaan kuvassa. Kun tutkittava jännite saavuttaa liipaisujännitteen arvon (a), toiminta alkaa. Aikana t 0 -t 1 kuvapiste siirtyy kuvaruudun vasemmasta reunasta oikeaan ja piirtää pätkän a-b tutkittavasta käyrästä. Kuvan uudelleen piirtämiseksi elektronisuihku palaa takaisin vasempaan reunaan. Tämä tapahtuu aikana t 1 -t 2. Silloin suihkun intensiteetti on niin pieni, ettei paluujälkeä näy kuvaruudussa. Kun tutkittava jännite saavuttaa uudelleen liipaisujännitteen arvon (a ), käyrän nousevalla osalla, alkaa kuvan piirtäminen uudestaan samaan kohtaan. Näin toistuvasti menetellen kuvaruudussa nähdään häiriötön, paikallaan pysyvä kuva.
TN AMMATTIKOKEAKOL TYÖOHJE 3/10 Jos halutaan nähdä kuvaruudussa vähän suurempi osa tutkittavaa jännitettä, pyyhkäisynopeutta täytyy muuttaa hitaammaksi. Time/div -kytkimessä olevat aika-arvot kertovat, kauanko kuvapisteen kestää kulkea yhden asteikonosan välinen matka, eli kytkintä on tässä tapauksessa kierrettävä vastapäivään. Kuvan korkeutta eli amplitudia säädetään kiertokytkimellä, jonka tekstinä on Volts/div. Lukemat siinä yhteydessä kertovat, montako ulkoisen jännitteen volttia yksi asteikonosa vastaa pystysuunnassa. Liipaisukohtaa tai -jännitettä säädetään potentiometrillä, jossa teksti Trigger. Kuvan kirkkautta ja tarkkuutta säädetään potentiometreillä Intensity ja Focus. Lisäksi oskilloskoopissa on tavallisesti kytkimet, joilla valitaan moodi eli kumpi kahdesta kanavasta on näkyvissä tai joku niiden kombinaatio. Liipaisu voidaan myös valita oskilloskoopin sisältä tai ulkopuolelta tapahtuvaksi. Siniaallon kuvan piirtyminen: - - 2 0 + 1 1 + 2 x t0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 Pyyhkäisyjännite t y Tutkittava jännite t t t t t t t 0 1 2 3 4 5 6 t Kuvaruutu Kuva 4. Siniaallon kuvan syntyminen kuvaruudulle. Oskilloskooppi on laite, jolla on hyvin suuri sisäänmenoimpedanssi ja niinpä sitä ei voi rikkoa sähköisesti (ylisuuria jännitteitä lukuunottamatta). Näinollen opiskelijat voivat huoletta kokeilla oskilloskoopin säätimien vaikutusta kuvan muotoon, paikkaan ja liikkeisiin. Elektronien liikkuessa sähkökentässä niihin kohdistuu kuvassa 5 vain y-suuntainen sähköinen voima F=eE, jossa e = elektronin varauksen itseisarvo ja E kentän voimakkuuden suuruus.
TN AMMATTIKOKEAKOL TYÖOHJE 4/10 y + + + + + + + + + e E - - - - - - - - - poikkeutuslevyt Kuva 5. Elektroni sähkökentässä. x Voima vaikuttaa koko levyjen pituuden ajan ja elektronit kulkevat kentässä parabelirataa. Kentän jälkeen rata jatkuu suorana. Oskilloskoopin kuvaputkessa elektroneja poikkeutetaan sekä x- että y-suunnassa. Siihen, kuinka paljon elektronisuihku poikkeaa alkuperäisestä suunnastaan, vaikuttaa elektronien nopeus ja kentän voimakkuus. Elektronien nopeus taas riippuu kiihdytysjännitteestä ja kentän voimakkuus levyjen sijainnista ja jännitteestä. Oskilloskooppia voidaan käyttää staattisten tai hitaasti muuttuvien tasa- ja vaihtojännitteiden sekä suurtaajuisten vaihtosähköilmiöiden mittaamiseen ja tarkasteluun. 2. TYÖN SOITS A. Tasajännitteen mittaus: Mitataan tuntemattoman tasajännitteen suuruus ensin oskilloskoopilla joko x- tai y- suunnassa ja sitten tulos tarkistetaan digitaalimittarilla. Mittaus suoritetaan mahdollisimman tarkasti säätäen oskilloskoopin herkkyys (Volts/div) juuri sopivaksi. Koejärjestely ja työn toteutus: OSKILLOSKOOPPI y x-y tasavirtalähde x ch1/x mode ch2/y + _ DC Kuva 6. Tasajännitteen mittaus oskilloskoopilla Kuvassa 6 olevalla kytkennällä voidaan mitata tuntemattoman tasajännitteen suuruus. Johdetaan jännite joko vaakasuunnassa tapahtuvaa mittausta varten X -sisäänmenoon tai vastaavasti pystysuunnassa Y -sisäänmenoon. Huomaa erityisesti, että Time/div -kytkimellä on valittu x-y-vahvistinmoodi eikä yleisempi aikapyyhkäisy
TN AMMATTIKOKEAKOL TYÖOHJE 5/10 ja kummassakin kanavassa on sisäänmenokytkin asennossa DC (DC= direct current = tasavirta). Tutkittava jännitealue täytyy skaalata eli saattaa sopivan suuruiseksi, jotta piste poikkeaa riittävästi kuvaruudulla, menemättä kuitenkaan sen ulkopuolelle. Tämä tapahtuu säätämällä vaaka- tai pystypoikkeutusherkkyys sopivaksi kytkimellä Volts/div. Lisäksi origo kannattaa sijoittaa johonkin muualle kuin kuvaruudun keskelle. Näin saavutetaan mittauksessa maksimitarkkuus. Kuvaruudulta voidaan sen jälkeen mitata ruudukon avulla, monenko ruudun verran tuntematon jännite poikkeuttaa kuvapistettä. Kun tämä pituus kerrotaan poikkeutusherkkyydellä Volts/div, jännite saadaan laskettua. Tasajännitteet voivat olla paristoista tai mieluummin verkkokäyttöisistä tasavirtalähteistä valittuja. Sekä oskilloskoopilla että digitaalimittarilla jännitteet pyritään mittaamaan mahdollisimman tarkkaan. Tämä tarkoittaa sitä, että kummassakin on valittava riittävän herkkä mittausalue ( Volts/div ). B. Vaihtojännitteen mittaus: Kytkentä: OSKILLOSKOOPPI 2u p x-y ch1/x mode ch2/y vaihtovirtalähde AC Kuva 7. Vaihtojännitteen mittaus oskilloskoopilla Valitse virtalähteeksi funktiogeneraattori, jonka taajuutta voidaan muuttaa ja käytä ensin noin 50 Hz taajuutta (sama kuin verkkojännite Suomessa). Aseta sisäänmenokytkin DC-asentoon. Oskilloskoopin kuvaruudulla nähdään jana, jonka pituus on huippujännite kaksinkertaisena eli 2 u p. Kuvan 2 jännite on siinä tavallaan lyöty vaakasuorassa suunnassa kasaan. Tehollinen jännite saadaan jakamalla huippujännite luvulla 2. Mitataan määrätyn vaihtojännitteen suuruus sekä oskilloskoopin että digitaalimittarin avulla, kummallakin mahdollisimman tarkkaan ja vertaa tuloksia. Vaihda xy-moodi aikapyyhkäisyksi ja asentoon 5 ms/div. Tarkasta myös kuvasta asettamasi noin 50 Hz taajuus mittaamalla signaalin jakson pituus. Oskilloskoopin voima on signaalin muodon ja esimerkiksi vaihe-eron ilmaisijana eikä niinkään tarkan jännitteen mittaajana, missä taas yleismittari on yleensä parempi. Säädä taajuus suunnilleen arvoon 50 khz ja mittaa vaihtojännitteen suuruus sekä oskilloskoopin että digitaalimittarin avulla, kummallakin mahdollisimman tarkkaan. Mitä huomaat verratessasi eri tavoin mittaamiasi vaihtojännitteen arvoja.
TN AMMATTIKOKEAKOL TYÖOHJE 6/10 C. Tuntemattoman muuntajan muuntosuhteen mittaus: Mitataan tuntemattoman muuntajan muuntosuhde käyttäen edellä mitattua 50 Hz:n vaihtojännitettä ensiöjännitteenä ja mittaamalla oskilloskoopin avulla toisiojännitteen suuruus. Kytkentä on oskilloskoopin osalta sama kuin edellisessä kohdassa. Muuntosuhde saadaan jakamalla jännitteet keskenään: Kytkentä: oskilloskooppiin x tai y gnd 2 tuntematon muuntaja 1 vaihtovirtalähde AC toisio ensiö Kuva 8. Tuntemattoman muuntajan muuntosuhteen määrittäminen Tuloksena ilmoitetaan tuntemattoman muuntajan toisiojännitteen huippuarvo, tehollinen arvo ja muuntajan muuntosuhde. 1 N1 Muuntosuhde = = 2 N2 Muuntosuhde voi olla <1 tai >1. 1 mitataan yleismittarilla, 2 sekä oskilloskoopilla että yleismittarilla. D. Kondensaattorin kapasitanssin määritys oskilloskoopin avulla. Kytketään kuvan 9 mukaisesti sarjaan tuntematon kondensaattori C ja dekadivastus. Dekadivastus on säädettävä vastus, jossa vastusarvoa voidaan säätää portaittain ja dekadeittain, joko kytkimellä tai tappien avulla. Kysy valvojalta kytkennäntarkastuksen yhteydessä vastukselle sopivat arvot. Mitataan oskilloskoopin pyyhkäisyn avulla seuraavantyyppinen kuva T OSKILLOSKOOPPI muuntaja ch1/x ch2/y mode C 2 1 funktiogeneraattori t f toisio ensiö V 1.2007 Kuva 9. Kondensaattorin kapasitanssin määritys pyyhkäisyn avulla
TN AMMATTIKOKEAKOL TYÖOHJE 7/10 1 2 C C 3 Kuva 10. Kapasitanssi ja resistanssi vaihtovirtapiirissä Kytkennässä pisteitten 1 ja 3 välinen jännite on :n ja C :n vektorisumma. C ϕ Kuva 11. :n vektoriesitys Jos :n ja C :n välistä vaihe-eroa merkitään ϕ:llä, kuvan 11 perusteella I tanϕ = = = ω C 1 C I ω C ω = 2 π f Mitataan kuvasta vaihe-ero t. T saadaan taajuudesta (f = 1/T ) ja vaihe-ero muutetaan kulma-asteiksi yhtälöllä t ϕ = 360. T Pyyhkäisynopeutta kannattaa vaihtaa (eli suurentaa kuvaa vaakasuunnassa!) siten, että suurimmalla vastuksella vaihe-ero täyttää ainakin puolet oskilloskoopin kuvaruudun leveydestä. Pystypoikkeutus kannattaa lukemisen helpottamiseksi säätää niin herkäksi, että siniaallot nousevat ja laskevat nollajännitteen (tarkista vielä paikka!) kohdalla jyrkästi. Huippukohdat eivät toki näy tällöin kuvassa, mutta huippujännitettähän ei tarvitse tässä mitata. Säädä liipaisukohtaa tarvittaessa Trigger -kytkimellä ja vaakasuuntaisella siirrolla! Tällä tavalla ratkaistaan C neljällä :n arvolla. Lopputulokseen ilmoitetaan C:n arvojen keskiarvo.
TN AMMATTIKOKEAKOL TYÖOHJE 8/10 E. Diodien ominaiskäyrien tutkiminen Piirtäessäsi ominaiskäyrien kuvat puhtaaksi mm-paperille muuta akseleille oikeat suureet ja yksiköt (siis suureiden ja yksiköiden tunnukset) sekä lisää akseleille tasavälinen asteikko numeroineen! Ominaiskäyrä kuvaa virran muuttumista jännitteen funktiona. Esim. tavallisella vastuksella = I eli I =/ ja ominaiskäyrä on suora, jonka kaltevuus (fysikaalinen kulmakerroin) on 1/. Tavallisen diodin D (pii tai germanium) ominaiskäyrä tutkitaan seuraavalla kytkennällä (kuva 12). OSKILLOSKOOPPI x-y ch1/x mode ch2/y muuntaja funktiogeneraattori 2 1 ensiö toisio D V 1.2007 Kuva 12. Kytkentä, jota käytetään tutkittaessa diodin ominaiskäyrää. Piirrä käyrä muistiin oikeassa mittasuhteessa. Käyrän saa oikeaan asentoon kääntämällä y-kanava (oskilloskoopissa teksti pull invert ). Miksi y-kanava on käännettävä? Huomioi edellä erityisesti origon paikka ja käytä riittävän herkkää vaakapoikkeutusta saadaksesi selville kynnysjännitteen, jossa diodi alkaa johtaa.
TN AMMATTIKOKEAKOL TYÖOHJE 9/10 Zener-diodilla päästösuuntainen ominaiskäyrä on samanlainen kuin tavallisella diodilla, mutta estosuunnassa tapahtuu hyvin jyrkkä läpilyönti tarkalleen määrätyssä jännitteessä. Sitä kutsutaan zener-jännitteeksi z. Kytkentä: OSKILLOSKOOPPI z x-y ch1/x ch2/y mode funktiogeneraattori muuntaja 1 2 toisio ensiö ZD V 1.2007 Kuva 13. Kytkentä zenerdiodin ominaiskäyrää varten. Piirrä myös zener-diodin ominaiskäyrä ja määritä sen mukaan kyseisen zener-diodin zener-jännite z.
TN AMMATTIKOKEAKOL TYÖOHJE 10/10 Havainnot: Nimet: Poikkeama origosta Herkkyys Oskilloskoopilla (div) (Volts/div) mitattu jännite (V) Tasajännite DCV 1 DCV 2 Digitaalimittarilla mitattu jännite (V) Vaihtojännite Janan pituus (div) Herkkyys (Volts/div) Huippujännite (V) Tehollinen jännite (V) ACV (f = 50 Hz) Tarkistus: T = ms eli f = Hz ACV (f = 50 khz) Miksi oskilloskoopilla ja digitaalimittarilla saadut arvoot poikkeavat toisistaan? Digitaalimittarilla mitattu jännite (V) Tuntemattoman muuntajan toisiojännite: Ensiöjännite (V) Toisiojännitteen janan pituus (div) Herkkyys (Volts/div) Toisiojännitteen huippuarvo (V) Toisiojännitteen tehollisarvo (V) Digitaalimittarilla mitattu toisiojännite (V) Muuntosuhde Kapasitanssin mittaus (Ω) t (div) Time/div (ms/div) t (ms) T (ms) ϕ ( ) tanϕ f (Hz) ω (1/s) C (F) Keskiarvo Diodi ja Zener Mitä jännitettä mitataan x-akselilla? Miksi kytkennässä tarvitaan? = Ω Mitä suuretta mitataan y-akselilla? Mikä on y-akselin ruudun yksikkö? Miksi y-akselin suunta käännetää? Diodin kynnysjännite = V Zenerkytkennässä = Ω Zener-jännite z = V Muista piirtää ominaiskäyrät!