TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 1/12 Työ 2841AB. PERUSMITTAUKSIA YLEISMITTARILLA JA OSKILLOSKOOPILLA 1. TYÖN TAVOITE Tutustutaan tärkeimpiin sähköisiin perusmittavälineesiin, yleismittariin ja oskilloskooppiin, suorittamalla laboratoriossa olevilla erityyppisillä yleismittareilla ja oskilloskoopilla jännitteen ja virran mittauksia sekä tasa- että vaihtosähköpiireissä. 2A. TEORIAA YLEISMITTAREISTA Jännitteen mittaus. Mittaus suoritetaan käyttämällä yleismittaria jännitemittarina. Mittari kytketään niiden kahden pisteen välille, joiden välinen jännite halutaan mitata. Volttimittari kytketään siis mitattavan jännitteen rinnalle Kuvan 1 mukaisesti: DVM DVM U V.1.2006 Kuva 1. Tasa- ja vaihtojännitteen mittaus. Huomaa tasajännitettä mitattaessa mittarin napaisuus: Tasajännitelähde + V. 1.2006 Kuva 2. Tasajännitteen mittauksen napaisuus. Virran mittaus. Mittaus suoritetaan käyttämällä yleismittaria virta- eli ampeerimittarina. Ampeerimittari kytketään aina sarjaan sen piirin kanssa, jonka läpi kulkevaa virtaa halutaan mitata. Virtapiiri ikäänkuin katkaistaan ja virtamittari asetetaan väliin (Kuva 3). HUOM! Aina kun mitataan virtaa, on varmistuttava parista seikasta: - Mitattavassa piirissä on aina oltava ampeerimittarin lisäksi jotain muuta kuormitusta (vastusta), kts. kuvaa 3. - Toiseksi ampeerimittarin mittausalueen on oltava lähes oikea.
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 2/12 Ellei etukäteen tiedä edes likimain mitattavan virran suuruutta, on aloitettava käyttämällä suurinta mittausaluetta (esim. 10A) ja pienentämällä sitten tarpeen mukaan. V. 1.2006 MITTAREISTA YLEENSÄ Kuva 3. Virtamittaus. Yleismittari on luonteeltaan joko viisarilla varustettu, osoittava analogiamittari tai numeerinen eli digitaalimittari. Analogiamittarissa muodostuu mitattavaan suureeseen verrannollinen osoittimen kiertymiskulma. Analogiamittari antaa mittaustuloksen suoraan desimaalilukuna. Eräät mittarit voidaan liittää suoraan tietokoneeseen ja tulos käsitellään binäärilukuna. Analogiamittarit. Oppilaitoksen analogiamittarit ovat toimintaperiaatteeltaan kiertokäämimittareita. Kiertokäämimittarin olennaiset osat ovat: kestomagneetti, sen aiheuttamassa magneettikentässä liikkumaan pääsevä johdinkäämi eli kiertokäämi ja vastajousi. Kestomagnetti on yleensä sijoitettu käämin ulkopuolelle, mutta myös käämin sisällä olevaa sydänmagneettia voidaan käyttää. Kuva 4. Kiertokäämimittarin periaatekuva. V. 1.2006 Käämiin vaikuttavan vääntömomentin suunta on riippuvainen virran suunnasta ja mittari on tämän vuoksi luonteeltaan tasavirtamittari. Työssä käytettävät kiertokäämimittarit soveltuvat silti myös vaihtosähkömittauksiin, sillä niissä on sisäänrakennettu tasasuuntaustoiminta.
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 3/12 Mittarien rakenteesta johtuen magneettivuon tiheys on käämin koko liikkumaalueella itseisarvoltaan vakio ja kohtisuorassa käämin magneettimomenttia vastaan. Tämän seurauksena vääntömomentti on suoraan verrannollinen virtaan ja osoittimen kiertymiskulma on täten muotoa: Φ = k I, (1) missä I on sähkövirta ja k mittarille ominainen kerroin. Näin mittarin asteikko on tasajakoinen. Yleisohjeita analogiamittareille: varmista mittarin oikea käyttöasento (useimmat vaakasuorassa pöydällä) tarkista, että mittari on nollattu päätä, onko kyseessä tasa- vai vaihtosähkömittaus: merkinnät DC ja tarkoittavat tasasähköä sekä AC ja ~ vaihtosähköä tarkista erityisesti, onko tarkoitus mitata jännitettä vai virtaa sekä arvioi samalla suureen suuruusluokka. Mikäli sitä ei ole mahdollista arvioida, valitse aina riittävän suuri mittausalue (esim. 300V tai 10A). Lukemat tarkoittavat aina suurinta näyttämää varmista, mihin napoihin johtimet kytketään. Tasasähkökytkennöissä kannattaa käyttää erivärisiä johtimia katso lukema oikeasta suunnasta: viisarin ja sen peilikuvan on oltava samassa tasossa, muuten syntyy ns. parallaksivirhettä lue oikealta asteikolta ja havaitse oikea kertaluku Digitaalimittarit. Digitaalisen yleismittarin periaate lyhyesti: Tutkittavalla jännitteellä varataan ja puretaan muokkauksen jälkeen määrätty kondensaattori ja siihen kuluva aika mitataan tarkalla oskillaattoripiirillä. Kulunut aika on verrannollinen tutkittavaan jännitteeseen ja sen arvo ilmoitetaan näytöllä numeroina. C Kuva 5. Digitaalimittarin lohkokaavio. V. 1.2006 Vaikka digitaalimittarilla mittaaminen on helpompaa laitteen itse osoittaessa napaisuuden ja joskus valitessa jopa sopivan mittausalueen, kannattaa silti suhtautua tietyllä vakavuudella ja kriittisyydellä sen antamiin tuloksiin.
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 4/12 2B. TEORIAA OSKILLOSKOOPISTA Oskilloskooppi on laite, joka muuttaa sähköisen signaalin näkyvään muotoon. Useimmiten 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: elektronisuihku y-levyt fluoresoiva varjostin x-levyt Kuva 6. Katodisädeputki. V 5.2002 Tavallisemmin oskilloskoopin valopistettä poikkeutetaan x-suunnassa oskillaattorin antamalla, tietyllä nopeudella tapahtuvalla, lineaarisella jännitemuutoksella. Tällöin y-suunnassa ajan funktiona muuttuva tutkittava jännite piirtyy oskilloskoopin kuva-pinnalle oikeanmuotoisena. Koejärjestely: oskilloskooppi ja sen tärkeimmät säätimet 2T time/div trig 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-yjännitemittauksiin. funktiogeneraattori ch 1/x mode ch 2/y f V 5.2002 Kuva 7. Oskilloskoopin periaatekuva. Ns. pyyhkäisyjännitteenä käytetään lineaarisesti nousevaa ramppijännitettä, joka x- levyille johdettuna poikkeuttaa kuvapisteen kuvaruudun vasemmasta
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 5/12 reunasta oikeaan sillä nopeudella, joka on valittu pyyhkäisynopeusvalitsimella Time/div. 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. Uy liipaisujännite Tutkittava jännite T 0 a a' a" t b b' b" Ux +U 2 0 -U 2 t 0 t 1 t 2 x-levyjen ramppijännite paluupulssi t a b Kuvaruudulla näkyvä kuva V 5.2002 Kuva 8. Liipaistun pyyhkäisyn periaate Kun vielä synkronoidaan pyyhkäisy ulkopuolisen taajuuden kanssa, puhutaan liipaistusta tai synkronoidusta pyyhkäisystä eli tahdistuksesta (=triggering). 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.
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 6/12 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. 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: V 5.2002 -U - 2 U + 1 U1 + U2 Ux t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 Pyyhkäisyjännite 0 Uy Tutkittava jännite t t t t t t t t 0 1 2 3 4 5 6 t Kuvaruutu Kuva 9. Siniaallon kuvan syntyminen kuvaruudulle. Oskilloskooppi on laite, jolla on hyvin suuri sisäänmenoimpedanssi ja niinpä sitä ei voi rikkoa sähköisesti (ylisuuria jännitteitä lukuunottamatta). Näinollen
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 7/12 opiskelijat voivat huoletta kokeilla oskilloskoopin säätimien vaikutusta kuvan muotoon, paikkaan ja liikkeisiin. Elektronien liikkuessa sähkökentässä niihin kohdistuu kuvassa 10 vain y- suuntainen sähköinen voima F=eE, jossa e= elektronin varauksen itseisarvo ja E kentän voimakkuuden suuruus. y poikkeutuslevyt V 5.2002 Kuva 10. Elektroni sähkökentässä. 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. 3. TYÖN SUORITUS A. Yleismittareiden tutkiminen: Tutustutaan valvojien antamiin erilaisiin analogisiin ja digitaalisiin mittarein. Kaikilla mittarilla, joiden tyyppi- ym. tiedot on merkittävä muistiin, mitataan kaksi erisuurta tasajännitettä, yksi vaihtojännite ja yksi tasavirran arvo. Tulokset merkitään lopussa olevaan taulukkoon. Valmistajat ilmoittavat mittarien tarkkuudet eri tyyppisissä mittauksissa. Tiedot on taulukoitu, ja taulukko on saatavilla fysiikan laboratoriossa. Siten on mahdollista laskea maksimivirheen suuruuus mittaustilanteissa eri tyyppisillä mittareilla. Erityisesti vertaa eri mittarien antamia tuloksia toisiinsa. Pohdi tulosten luotettavuutta ja eroavaisuuksien syitä. Muuta varsinaista matemaattista virhetarkastelua ei tehdä. B. Tasajännitteen mittaus:
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 8/12 Mitataan kahden 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: y OSKILLOSKOOPPI time/div trig x-y ch1/x mode ch2/y x tasavirtalähde DC V 5.2002 Kuva 11. Tasajännitteen mittaus oskilloskoopilla Kuvassa 11 olevalla kytkennällä voidaan mitata tuntemattoman tasajännitteen suuruus. Johdetaan jännite joko vaakasuunnassa tapahtuvaa mittausta varten X -sisäänmenoon tai vastaavasti pystysuunnassa Y -sisäänmenoon. Huomaa erityisesti, että on valittu x-y-vahvistinmoodi eikä yleisempi aikapyyhkäisy 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 ).
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 9/12 C. Vaihtojännitteen mittaus: Kytkentä: OSKILLOSKOOPPI time/div trig 2u p x-y ch1/x mode ch2/y vaihtovirtalähde AC V 5.2002 Kuva 12. 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 eliu = u p / 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. D. Diodien ominaiskäyrien tutkiminen Ominaiskäyrä kuvaa virran muuttumista jännitteen funktiona. Esim. tavallisella vastuksella U = I R eli I =U/R ja siten ominaiskäyrä on suora, jonka kaltevuus (fysikaalinen kulmakerroin) on 1/R. Zener-diodin ominaiskäyrä tutkitaan seuraavalla kytkennällä (kuva 13). Zener-diodilla päästösuuntainen ominaiskäyrä on samanlainen kuin tavallisella diodilla, mutta estosuunnassa tapahtuu hyvin jyrkkä läpilyönti tarkalleen määrätyssä jännitteessä. Sitä kutsutaan zener-jännitteeksi U z.
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 10/12 Piirrä ominaiskäyräkäyrä mm-paperille oikeassa mittasuhteessa. Käyrän saa oikeaan asentoon kääntämällä y-kanava (oskilloskoopissa teksti pull invert ). Mieti, miksi y-kanava on käännettävä! Mitä jännitettä tutkitaan x-akselilla? Y-akselilla mitataan jännitettä tunnetun vastuksen R yli (Kirjoita R:n arvo havaintoihin). Miksi kytkennässä on vastus R? Mitä suuretta piirroksessasi ominaiskäyrässä y-akselilla pitäisi esitettää? Laske mitä ominaiskäyrässä vastaa oskilloskoopin y-akselin yksi ruutu? OSKILLOSKOOPPI time/div trig U z x-y ch1/x ch2/y mode funktiogeneraattori muuntaja U 1 U 2 toisio ensiö ZD R V 1.2007 Kuva 13. Kytkentä, jota käytetään tutkittaessa zenerdiodin ominaiskäyrää. Huomioi edellä erityisesti origon paikka ja käytä riittävän herkkää vaakapoikkeutusta saadaksesi selville kynnysjännitteen, jossa diodi alkaa johtaa päästösuuntaan. Määritä kyseisen zener-diodin zener-jännite U z. E. Yleismittareiden taajuusvasteen tutkiminen Mittareille selvitetään taajuusvaste vaihtojännitteen mittausalueella vertaamaalla niiden antamia lukemia oskilloskoopilla mitattuihin jännitteisiin laajalla taajuusalueella (esim. 5 Hz 50 000 Hz). Havainnoista piirretään kullekin mittarille käyrä havaittu jännite taajuuden funktiona puolilogaritmipaperille. Mitä huomaat verratessasi eri tavoin mittaamiasi vaihtojännitteen arvoja ja mistä erot johtuvat? 4. KIRJALLISUUTTA Lisätietoja sähkömittaustekniikasta haluaville suositellaan esim. kirjoja Tapaninen, Sähkömittaustekniikka, WSOY Voipio, Sähkömittaustekniikka, Otakustantamo
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 11/12 Luokka: MITTAUSPÖYTÄKIRJA Ryhmän jäsenet: Ryhmä: Päiväys: Valvojat: PERUSMITTAUKSIA YLEISMITTARILLA Taulukko 1. Havaintotulokset. Mittari no. 1 2 3 4 Mittarin tiedot Tasajännite 1 Tasajännite 2 Tarkkuus DCjänn.alueella Virheen max. arvo (tasaj.1) Vaihtojännite Tarkkuus ACjänn.alueella Virheen max. arvo Tasavirta (Muista kuormitusvastus) Tarkkuus DCvirta-alueella Virheen max. arvo Omat päätelmät: (kääntöpuolelle)
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 12/12 Luokka: Ryhmä: Päiväys: Ryhmän jäsenet: Valvojat: Tasajännite DCV 1 DCV 2 Poikkeama (div) Herkkyys (Volts/div) Oskilloskoopilla mitattu jännite (V) Digitaalimittarilla mitattu jännite (V) Vaihtojännite Janan pituus (div) ACV T = ms eli f = Hz Lähteestä f = Hz Herkkyys (Volts/div) Huippujännite (V) Tehollinen jännite (V) Digitaalimittarilla mitattu jännite (V) Zener-diodi Miksi y-akseli käännetään? x-akselin jännite? Vastuksen R merkitys? R = Ω y-akselin suure? y-akselin yksikkö oskilloskoopilla? Kynnysjännite U EB = V Zener-jännite U z = V Taajuusvaste Huomiot ja päätelmät: