Virranmittausvahvistin energiansäästölamppujen sähkövirran aaltomuotojen mittaukseen

AALTO-YLIOPISTO SÄHKÖTEKNIIKAN KORKEAKOULU MIKES-Aalto Mittaustekniikka S-108.3120 Erikoistyö 2011 MITTAUSTEKNIIKAN ERIKOISTYÖ Virranmittausvahvistin energiansäästölamppujen sähkövirran aaltomuotojen mittaukseen Anna Vaskuri 79920H anna.vaskuri@aalto.fi Ohjaaja TkL Tuomas Poikonen

Alkusanat Tämä erikoistyö on tehty Signaalinkäsittelyn ja akustiikan laitoksella MIKES-Aalto Mittaustekniikassa. Haluan kiittää erikoistyöni ohjaajaa TkL Tuomas Poikosta mielenkiintoisen aiheen valitsemisesta ja hyvästä ohjauksesta. Kiitokset myös TkK Timo Dönsbergille ja DI Hans Baumgartnerille, jotka auttoivat monissa piirilevyn tekemiseen liittyvissä käytännön ongelmissa. Lisäksi haluan kiittää TkT Petri Kärhää mahdollisuudesta työskennellä MIKES-Aalto Mittaustekniikassa sekä koko Mittaustekniikan henkilökunta mukavasta työilmapiiristä. Otaniemessä 15.9.2011 Anna Vaskuri i

Sisällysluettelo Alkusanat... i Sisällysluettelo... ii Symbolit ja lyhenteet... iii 1. Johdanto... 1 2. Virranmittausvahvistin... 2 2.1. Suunnittelu... 2 2.1.1. Shunttivastus ja vahvistin... 2 2.1.2. Ylijännitesuojaus... 4 2.1.3. Käyttöjännitteet ja rajataajuudet... 5 2.1.4. Piirin maadoitus ja häiriösuojaus... 6 2.2. Toteutus... 7 2.2.1. Piirilevyn valmistus... 7 2.2.2. Laitteen kasaaminen... 8 2.3. Testimittaukset... 9 2.3.1. Vahvistimen vahvistus... 10 2.3.2. Taajuus- ja vaihevaste... 11 2.3.3. Kohina... 12 2.3.4. Pitkän ajan stabiilisuus ja offset... 13 2.3.5. Eri perustaajuisten kanttiaaltojen aaltomuodot... 14 2.3.6. Metermanin ja rakennetun vahvistimen vertailu... 15 3. Päätelmät ja yhteenveto... 17 4. Lähdeluettelo... 18 ii

Symbolit ja lyhenteet Symbolit A cm A d C CMRR f G I L P R R G R shunt R 2 t V Yhteismuotoinen signaali Eromuotoinen signaali Kondensaattori yhteismuotoisten häiriöiden vaimennussuhde Taajuus Vahvistus Sähkövirran tehollisarvo Käämi Teho Vastus Vahvistusta säätävä vastus Shunttivastus Korrelaatiokerroin Aika Jännitteen tehollisarvo Lyhenteet CFL Compact Fluorescent Lamp, pienoisloistelamppu CMRR Common Mode Rejection Ratio, yhteismuotoisten häiriöiden vaimennussuhde EMI Electromagnetic Interference, sähkömagneettinen häiriö FeCl 3 Ferric Cloride, ferrikloridi GBP (GBWP) Gain-Bandwidth Product, vahvistuksen ja kaistanleveyden tulo INA Instrumentation Amplifier, instrumentointivahvistin LED Light-Emitting Diode, loistediodi NaOH Sodium Hydroxide, natriumhydroksidi OPAMP Operational Amplifier, operaatiovahvistin SNR Signal-to-Noise Ratio, signaali-kohinasuhde TVS Transient Voltage Suppressor, transienttijännitteen vaimennin iii

1. Johdanto Tämä erikoistyö on jatkoa MIKES-Aalto Mittaustekniikassa 2011 suorittamalleni kandidaatintyölle Energiansäästölamppujen sähköiset karakterisoinnit, missä mitattiin CFL- ja LED-lamppujen sähkö- ja valovirtoja sekä tutkittiin niiden sisältämiä elektroniikkaratkaisuja [1]. Lamppujen sähköverkosta ottamat sähkövirran aaltomuodot mitattiin Meterman CT238A -pihtivirtamittarilla ja valovirran aaltomuodot mitattiin Integroiva pallo -menetelmällä [1]. Tämän erikoistyön tarkoituksena oli parantaa kandidaatintyössä käytettyä virranmittauslaitteistoa, eli suunnitella ja toteuttaa shunttivastukseen perustuva virranmittausvahvistin, joka mittaisi energiansäästölampun sähköverkosta ottamaa sähkövirtaa Meterman CT238A:ta tarkemmin. Meterman CT238A:n taajuuskaista on 20 khz, mikä saattaa pyöristää lampuista mitattuja piikikkäitä sähkövirran aaltomuotoja [2]. Lisäksi se on tarkoitettu 0 20 A suuruisten sähkövirtojen mittaukseen, joten kohina korostuu häiritseväksi pieniä, energiansäästölampuille tyypillisiä noin 0 100 ma sähkövirtoja mitattaessa [2]. Meterman CT238A pihtivirtamittarin toiminta perustuu Hall-ilmiöön, eikä sen sisäinen Hall-anturi ollut kovin herkkä sähkövirran pieniin muutoksiin [1]. Shunttivastukseen perustuvassa virranmittauksessa mitataan sen sijaan shunttivastuksen läpi kulkevan sähkövirran synnyttämää vastuksen yli olevaa jännitepudotusta. Shunttivastukseen perustuvalla sähkövirranmittauksella voidaan mitata myös pieniä sähkövirranarvoja. Sekä jännite- että virtamittauspuolten instrumentointivahvistimiksi valittiin INA217. Sen 3 db rajataajuus on noin 3,4 MHz yksikkövahvistuksella ja 800 khz vahvistuksen ollessa 100-kertainen. Jännitepuolen instrumentointivahvistimelle valittiin yksikkövahvistus, sillä mitattavaa verkkojännitteen amplitudia haluttiin madaltaa, jotta signaali olisi luettavissa oskilloskoopilta. Virranmittauspuolella signaalia haluttiin vahvistaa 100-kertaiseksi, sillä shunttivastuksen yli oleva jännitehäviö minimoitiin valitsemalla shuntiksi pieniresistanssinen vastus, jottei mittaus häiritsisi lampun normaalia toimintaa. Signaalia haluttiin vahvistaa myös siksi, että E27-kantaisten energiansäästölamppujen sähkövirran amplitudit ovat yleensä pieniä. Lisäksi laite pyrittiin suunnittelemaan siten, että virranmittauspuolen päästökaista olisi mahdollisimman laakalatvainen ja vahvistus olisi mahdollisimman lineaarinen shunttivastuksen läpi kulkevasta sähkövirrasta riippumatta. Seuraavassa luvussa esitellään, kuinka virranmittausvahvistin on suunniteltu, toteutettu ja testattu. Lisäksi luvussa esitellään mittausten perusteella työssä rakennetun vahvistimen ominaisuuksia sekä verrataan sillä ja pihtivirtamittarilla mitattuja E27- kantaisten energiansäästölamppujen sähkövirran aaltomuotoja. Kolmannessa luvussa pohditaan mitattuja ja analysoituja tuloksia ja se sisältää myös yhteenvedon. - 1 -

2. Virranmittausvahvistin Tähän lukuun on yhdistetty laitteen suunnittelu ja toteutus sekä niihin liittyvää teoriaa. Sekä piirikaavio että piirilevy suunniteltiin Eaglella ja suunniteltu piirilevy tehtiin valotustekniikalla. Laitteeseen sisällytettiin myös kytkentä, joka muodostaa vahvistinkomponenttien ±15 V käyttöjännitteet verkkojännitteestä. 2.1. Suunnittelu 2.1.1. Shunttivastus ja vahvistin Kuvassa 1 on esitetty kaksi erilaista tapaa mitata kuorman läpi kulkevaa sähkövirtaa. High Side- ja Low Side-mittaukset. High Side-mittauksessa lähtösignaaliin aiheuttaa yhteismuotoinen kuorman yli jäävä jännitehäviö. Mitä suurempi yhteismuotoisten häiriöiden vaimennussuhde CMRR (Common Mode Rejection Ratio) on, sitä vähemmän yhteismuotoisia häiriöitä lähtösignaaliin kytkeytyy. CMRR määritellään = 20, (1) missä A d on eromuotoinen ja A cm yhteismuotoinen signaali. Hyvissä vahvistinkomponenteissa CMRR on 120 db tai enemmän. [3] Tässä työssä päädyttiin Low Side-mittauskytkentään, jottei yhteismuotoista jännitettä ja instrumentointivahvistimen jännitekestoa tarvitsisi huomioida. Kuva 1. Low Side-mittaus (a) ja High Side-mittaus (b). [3] Virranmittaukseen valittiin 0,1 Bourns-merkkinen shunttivastus, jotta virranmittauspuolen shunttivastuksen yli olevan jännitehäviön osuus tulo- eli verkkojännitteestä olisi mahdollisimman pieni ja vastaavasti tutkittavan lampun yli olevan jännitehäviön osuus siitä olisi mahdollisimman suuri. Jos tutkittavan lampun verkosta ottaman sähkövirran suuruus olisi 100 ma, kytkennän shunttivastuksen yli olevan jännitehäviön suuruus olisi 0,01 V ja osuus verkkojännitteestä vain 1/23000. - 2 -

Shunttivastuksen tehonkesto ilman jäähdytyssiiliä on 1,5 W 70 C lämpötilassa ja sen tehonkesto jäähdytyssiilin kanssa on 15 W. [4] Shunttivastuksen läpi kulkeva suurin sallittu sähkövirranarvo =, (2) missä R shunt on shunttivastuksen resistanssi ja P on suurin sallittu teho. Shunttivastus saattaa kestää ilman jäähdytyssiiliä jopa 3,8 A sähkövirtaa, mutta näin suuret virranarvot ei ole suositeltavia. Yleensä E27-kantaisten energiansäästölamppujen piikit ovat suuruusluokaltaan noin 100 ma [1]. Shunttivastukseen lisättiin jäähdytyssiili sen rikkoutumisen estämiseksi. Virranmittauspuolen shunttivastuksen pienestä resistanssista johtuen täytyi mittaussignaalia vahvistaa. 100-kertaiseen vahvistukseen päädyttiin, jolloin 100 ma sähkövirta näkyisi virranmittauspuolen ulostulossa 1 V jännitesignaalina. Instrumentointivahvistimen INA217 vahvistus voidaan esittää kaavalla =1+, (3) missä R G on tulopuolelle kytkettävä vastus yksikkövahvistusta lukuun ottamatta, joka saadaan jättämällä vastus kokonaan pois kytkennästä. Kuvassa 2 on esitetty suunnitellun vahvistimen kytkentäkaavio käyttöjännitteet muodostavaa osaa lukuun ottamatta. Kaaviosta nähdään, että vahvistin koostuu kahdesta osasta eli jännitteen- ja virranmittauspuolesta. Jännitteenmittauspuoli on toteutettu muuntajalla, joka madaltaa tehollisarvoltaan verkkojännitteen suuruisen jännitteen tehollisarvoltaan 6 V signaaliksi. Molemmat instrumentointivahvistimen tulopuolen johtimet kytkettiin signaalimaahan suurilla 100 k vastuksilla puolikelluvaksi, jolloin biasvirta pääsee purkautumaan signaalimaahan, eikä häiritse mittausta [5]. - 3 -

Kuva 2. Virranmittausvahvistimen kytkentäkaavio. 2.1.2. Ylijännitesuojaus Vahvistimen virranmittauksen tulopuolella on ylijännitesuojaus instrumentointivahvistimen rikkoutumisen estämiseksi. Suojaus on toteutettu kuvan 2 mukaisesti kahdella 10 k vastuksella ja neljän diodin avulla. Vastukset rajoittavat virran kulkemiseen INAan. Diodien lisääminen parantaa suojausta ja niiden ansiosta suojausvastusten voidaan valita suhteellisen pieniksi, jolloin niiden kohinataso madaltuu. Suojausdiodit valittiin SD101-sarjasta, sillä niillä on pieni vuotovirta, jolloin instrumentointivahvistimen ulostuloon muodostuu pieni offset-jännite. [6] Ylijännite muodostuu, jos vaihejohto on kytketty piiriin shunttivastuksen nollapuolelle. Tämän takia virranmittauspuolen johtoihin on kytketty sulakkeet suojaamaan piiriä. Lisäksi energiansäästölamput saattavat syttyessään ottaa suuren virtapiikin jännitelähteestä, jolloin sulakkeet suojaavat shunttivastusta ylikuormitukselta. [7] - 4 -

TVS-diodin (Transient Voltage Suppressor), kuten kuvan 3 zener-diodin, on tarkoitus suojata herkkiä IC-komponentteja, kuten instrumentointivahvistimia tilapäisiltä ylijännitteiltä. Vaikka muuntajiksi valittiin pieni-induktanssiset mittalaitteisiin soveltuvat muuntajat, niiden sisältämä induktanssi kiihdyttää sähkövirtaa piirissä aina sillä hetkellä, kun laite kytketään päälle. Tällöin jännitemittauspuolen instrumentointivahvistimen sisääntuloon syntyy jännitepiikki. Kuva 3. TVS-diodi katkaisee transienttipiikin suojaten kuorman. Myös vetojen ja komponenttien sijoittelu piirilevylle vaikuttaa kuormaan pääsevän piikin amplitudiin [8]. Koska sekä vahvistimen virranmittaus- että jännitteenmittauspuolet on tarkoitettu korkeataajuisten, differentiaalisten signaalien mittaamiseen, sijoitettiin instrumentointivahvistimien INA217 tuloihin kaksisuuntaiset TVS-komponentit, jotka sisältävät kaksi vastakkaissuuntaisesti sarjaankytkettyä zener-diodia [9]. Kyseiset TVSdiodit mitoitettiin päästämään lävitseen amplitudiltaan yli 10 V piikkejä, sillä jännitepuolen signaalin amplitudi on 2 8,5 V ja virranmittaus puolen amplitudi 1 A sähkövirralla vain noin 0,1 V, jolloin kummankaan puolen mittavan signaalin ei pitäisi leikkautua. 2.1.3. Käyttöjännitteet ja rajataajuudet Mitattava signaali leikkautuu eli säröytyy, jos sen amplitudi saavuttaa tai ylittää vahvistimen käyttöjännitealueen. Tämän takia vahvistimen käyttöjännitteiksi valittiin ±15 V, jotta mitattavan signaalin amplitudia pystyttiin vahvistamaan ja jotta signaalikohinasuhde olisi mahdollisimman suuri. Laitteen kaksipuoliset käyttöjännitteet muodostettiin verkkojännitteestä. Kuvassa 4 on esitetty käyttöjännitteet muodostava kytkentä, jossa tehollisarvoltaan 230 V verkkojännite pudotetaan muuntajalla 15 V:iin ja tasasuunnataan diodisillalla täysin positiiviseksi tai negatiiviseksi riippuen siitä, kumpaa sillan ulostuloporttia verrataan signaalimaahan [10]. Diodisillan jälkeisillä elektrolyyttikondensaattoreilla ja - 5 -

jänniteregulaattoreilla tasoitetaan tasasuunnattu verkkojännite. Myös kondensaattorit ja jänniteregulaattorit suojattiin transienttipiikeiltä sijoittamalla kaksisuuntainen TVS-diodi muuntajan toisiopuolelle ennen suojattavia komponentteja. TVS-diodi mitoitettiin päästämään lävitseen amplitudiltaan yli 24 V piikkejä, sillä tehollisarvoltaan 15 V sinisignaalin amplitudi on 15 2 21 V. Tällöin hyötysignaalin huiput eivät leikkaudu. Kuva 4. ±15 V käyttöjännitteiden muodostaminen verkkojännitteestä. Jos operaatiovahvistimen takaisinkytkentävahvistusta kasvatetaan arvosta yksi, saattaa sen taajuuskaistanleveys kaventua huomattavasti. Yleensä datalehdissä on ilmoitettu kaistanleveyden ja vahvistuksen tulo eli GBP tai GBWP (Gain-Bandwidth Product). GBW on operaatiovahvistimelle vakio, mikä tarkoittaa sitä, että kun vahvistus G kasvaa, niin taajuuskaista kaventuu [11]. Tämän takia piirin lähtöä edeltäviksi operaatiovahvistimiksi valittiin LM833N komponentit, sillä niille oli ilmoitettu 10 15 MHz kaistanleveys takaisinkytkentävahvistuksella G = 1. 2.1.4. Piirin maadoitus ja häiriösuojaus Piirin signaalimaa kytkettiin laitteen runkoon 100 vastuksen ja 0,1 µf keraamisen kondensaattorin rinnankytkennän kautta, minkä tarkoituksena oli pienentää maatasojen potentiaalieroja ja poistaa rungosta signaalimaahan kytkeytyvää korkeataajuista kohinaa [12]. Vaikka yksi LM833N operaatiovahvistinkomponentti sisälsi kaksi operaatiovahvistinta, käytettiin jännitteen ja virranmittauksissa erillisiä komponentteja, jotteivät mitattavat signaalit häiritsisi toisiaan. Käyttämättömät vahvistimet kytkettiin jännitteenseuraajiksi kuvan 5 mukaisesti, jotteivät ne vaihtaisi jatkuvasti tilaansa aiheuttaen häiriöitä toiseen vahvistimeen. Väärinkytketyt käyttämättömät operaatiovahvistimet kuluttavat enemmän tehoa, lämmittävät ja synnyttävät kohinaa saman fyysisen komponentin muihin vahvistimiin [13]. Vaikka edellä mainitut jännitteenseuraajat sisältyvät oikeaan piirilevyyn, eivät ne näy kuvan 2 kytkentäkaaviossa, sillä niillä ei ole merkitystä mittaussignaalin kannalta. - 6 -

Kuva 5. Käyttämättömät operaatiovahvistimet kytkettiin jännitteenseuraajiksi. Varsinaisen piirilevyn virranmittauspuolen tulo jätettiin puolikelluvaksi, sillä Chroma AC-teholähteen maadoitettu nollajohto on kytketty virranmittausvahvistimen shunttivastuksen matalampaan potentiaaliin, jolloin piirin maatasot pysyvät erotettuina. 2.2. Toteutus Laitteen komponentit, liittimet, kotelo ja muut laitteen rakentamiseen tarvittavat osat tilattiin ja laite rakennettiin itse näistä osista Mittaustekniikan laboratoriossa. 2.2.1. Piirilevyn valmistus Piirikaavion suunnittelun jälkeen komponentit sijoiteltiin 10x16 cm kokoiselle levylle Eagle-ohjelman piirilevyntekoon tarkoitetulla osalla. Tutkimuksessa käytetyn piirilevyn materiaali oli FR4 eli hyvin kuumuutta kestävä epoksilasi, jossa oli valoherkkä positiivikalvo. Positiivikalvo reagoi voimakkaasti ultraviolettisäteilyyn. Piirilevyn valmistamisessa oli viisi vaihetta. Ensimmäisessä vaiheessa piirilevyn valoherkän pinnan päältä poistettiin suojakalvo ja levy sijoitettiin valotuslaitteeseen valoherkkä puoli kohti ultraviolettiloisteputkia, siten että kalvo Eaglella suunnitellusta piiristä jäi lamppujen ja levyn väliin. Valotuslaitteen kansi suljettiin ja levyä valotettiin 105 sekuntia. Valotusaika riippuu käytetystä valotuslaitteesta, samoin kehitysaika ja syövytysaika riippuvat molemmat täysin liuoksien konsentraatiosta ja lämpötilasta. Lämpö nopeuttaa reaktioita. Toisessa vaiheessa valottunutta piirilevyä kehitettiin noin 20 sekuntia natriumhydroksidiliuoksessa (NaOH), minkä aikana piirilevyn pintaan muodostui kuvio halutusta piiristä. Tämä johtuu siitä, että kehite poistaa valoherkän kalvon valottuneet alueet piirilevyn pinnalta. Kehityksen jälkeen piirilevy puhdistettiin paperilla ja vedellä, jotta irronneet kalvon osat saatiin pois piirilevyn pinnalta. Kolmannessa vaiheessa piirilevyä syövytettiin ferrikloridilla (FeCl 3 ) noin 15 minuuttia, jolloin levyn suojaamattomien alueiden kuparipinta syöpyi pois. Neljännessä vaiheessa piirilevyn pintaa hiottiin teräsvillalla syöpymättömien alueiden pintoja päällystävän kalvon eli resistin poistamiseksi. [14] Viidennessä vaiheessa piirilevyyn porattiin reiät komponenttien kolvausta varten. - 7 -

2.2.2. Laitteen kasaaminen Kuvassa 6 on esitetty valmis laite ja kuvassa 7 on laite sisältä. Laitteen koteloon porattiin reiät, johon liittimet, sulakkeet ja virtanappi asennettiin. Kaikkien mittausten jälkeen myös piirilevy sekä muuntajat ruuvattiin koteloon kiinni. Kaikki kotelon liittimet ovat suojattuja, eli nollajohdin ei ole suoraan kiinni kotelossa. Muuntajiksi valittiin pieni-induktanssiset, mittalaitteissa yleisesti käytetyt muuntajat. Piirilevyn alle asetettiin eristävä kangas, jolloin sähkövirta ei pääsisi purkautumaan valokaarena piirilevystä runkoon. Sekä piirilevy että muuntajat kiinnitettiin laitteen pohjaan. Kuva 6. Valmis virranmittausvahvistin. - 8 -

2.3. Testimittaukset Kuva 7. Virranmittausvahvistimen osien sijoittelu. Rakennetulle virranmittausvahvistimelle tehtiin viisi erityyppistä mittausta sen ominaisuuksien ja laadun määrittämiseen. Laitteesta mitattiin virranmittauspuolen vahvistuksen lineaarisuus, pitkän ajan offset ja stabiilisuus, kohina, taajuus- ja vaihevasteet sekä kyky esittää eri perustaajuisia kanttiaaltoja. Ennen näitä mittauksia piirin todelliset käyttöjännitteet testattiin siten, että kaikki IC-komponentit oli irrotettu kannoista niiden rikkoutumisen estämiseksi. Kun käyttöjännitteiden arvot todettiin sopiviksi, kytkettiin IC-komponentit takaisin piirilevyyn. Tämän jälkeen voitiin testata, toimivatko sekä mittausvahvistimen jännitemittaus- että virranmittauspuolet. Lopuksi vahvistimella ja Metermanilla mitattuja sähkövirran aaltomuotoja verrattiin keskenään. Virranmittauspuolen testauksessa käytettiin MIKES-Aalto Mittaustekniikassa rakennettua pääasiassa LEDien ajamiseen suunniteltua nopeaa virtalähdettä, Agilent 33521A -funktiogeneraattoria ja yleismittaria sekä LeCroy WaveJet 354A -oskilloskooppia. Virranmittauspuolen pitkän ajan stabiilisuutta ja ylijännitesuojauksesta johtuvaa offset-jännitettä mitattiin kuvan 8 mukaisella kytkennällä. Vahvistimen mustat terminaarit oikosuljettiin ja käyttöjännitteet olivat päällä. Tällä mittauskytkennällä selvitettiin myös oikosulkukohina. Kun mustien terminaalien kautta syötettiin erisuuruisia tasavirran arvoja, saatiin selville myös vahvistuksen lineaarisuus. - 9 -

Kuva 8. Virranmittausvahvistimen virranmittauspuolen pitkän ajan stabiilisuuden ja kohinan mittaus. Vahvistimen virranmittauspuolen kaistanleveys selvitettiin syöttämällä eri taajuuksilla (10 Hz 5 MHz) olevia sinimuotoisia sähkövirtoja ja vertaamalla vahvistimen ulostulon signaalin amplitudia syötetyn signaalin amplitudiin. Virranmittauspuolen nopeutta ja taajuuskaistaa testattiin myös eri perustaajuisilla kanttiaalloilla. Jännitemittauspuolen testaukseen riitti pelkkä Agilentin funktiogeneraattori. Jännitemittauksen pääasiallinen tarkoitus olisi mitata lampulle syötettävän verkkojännitettä vastaavaa jännitettä. Kun laitteen molemmat ulostulot kytketään oskilloskooppiin, voidaan signaalien vaihe-ero mitata. TVS-diodit lisättiin kytkentään suojaamaan instrumentointivahvistimia ja jänniteregulaattoreita vasta mittausten jälkeen, mutta niillä ei pitäisi olla suurta vaikutusta seuraavissa alaluvuissa esitettyihin mittaustuloksiin. 2.3.1. Vahvistimen vahvistus Kuvassa 9 on estetty virranmittauspuolen vahvistuksen lineaarisuus. Sininen käyrä kuvaa jännitteen muutosta sähkövirran suhteen. Mustalla regressiosuoralla kuvataan jännite- ja sähkövirtamuuttujan välistä riippuvuutta. Regressiosuoran yhtälöksi saadaan = 0,0102 + 0,0123, (4) missä x vastaa sähkövirtaa ja y jännitettä. Kuvan 9 korrelaatiokerroin R 2 kuvaa sähkövirran ja jännitteen välistä korrelaatiota. Mitä lähempänä kertoimen R 2 arvo on ykköstä, sitä lineaarisempi on kahden muuttujan eli tässä tapauksessa sähkövirran ja jännitteen välinen suhde ja sitä luotettavampaa on interpoloida tai ekstrapoloida näytepisteiden välejä ja ennustaa virranmittausvahvistimen käyttäytymistä. Korrelaatiokertoimen R 2 arvoksi analysoitiin 1, eli virranmittausvahvistin vahvistaa lähes lineaarisesti. Vahvistus G on keskimäärin noin 40 db. - 10 -

Kuva 9. Virranmittauspuolen vahvistus sinisellä, sen pohjalta muodostettu regressiosuora mustalla viivalla sekä näiden välinen erotus sinisellä katkoviivalla. 2.3.2. Taajuus- ja vaihevaste Virranmittauspuolen mitatut taajuus- ja vaihevasteet on esitetty kuvassa 10. Instrumentointivahvistimen INA217 3 db kaistanleveys oli vahvistuksella G = 100 ilmoitettu 800 khz [15]. Instrumentointivahvistimen jälkeisen takaisinkytketyn operaatiovahvistimen LM833N kaistanleveydeksi vahvistuksella G = 1 oli ilmoitettu 10 15 MHz ja takaisinkytkennän alipäästösuodattimen 3 db kaistanleveys oli mitoitettu taajuuteen 884 khz [16]. Taajuusvasteen mittauksessa ongelmallinen taajuusalue oli 100 200 khz, missä vahvistus putosi hieman. - 11 -

Kuva 10. Virranmittauspuolen taajuus- ja vaihevasteet. 2.3.3. Kohina Käyttöjännitteiden vaikutusta sekä kohinan kytkeytymistä virranmittauspuolen lähtöön tarkkailtiin kytkemällä laitteen terminaalit oikosulkuun. Tulopuolelta kytkeytyvä kohina mitattiin shunttivastuksen yli ja lähtöön kytkeytyvää kohinaa mitattiin lähtöterminaalista. Oikosuljetulla tulopuolella ole lainkaan signaalia, mutta lähtöön kuitenkin on kytkeytynyt 13,0±0,2 mv offset-jännite. Tämä saattaa johtua instrumentointivahvistin INA217 tulopuolen käyttöjännitteisiin kytketyistä ylijännitesuojista. Ylijännitesuojien diodit päästävät käyttöjännitteisiin jonkin verran vuotovirtaa, mikä näkyy offset-jännitteenä instrumentointivahvistimen ulostulossa [6]. Laitteen käyttöjännitteiksi mitattiin 15,10 V ja +14,74 V. Kuvasta 11 nähdään, että kohinataso pysyy lähes samankokoisena tuloon kytketystä tasajännitteestä riippumatta. - 12 -

Kuva 11. Erisuuruisista lähdön hyötysignaaleista erotettua kohinaa. Taulukosta 1 nähdään, että signaali-kohinasuhde paranee hyötysignaalin tasoa kasvattaessa. Taulukko 1. Vahvistimen virranmittauspuolen signaali-kohinasuhteita tasavirralla. I in Signaali Kohina SNR ma rms mv rms mv rms db 0 13,04 2,36 14,85 0,1 19,20 2,48 17,78 1 28,80 2,53 21,13 10 123,00 2,45 34,01 100 1060,00 2,90 51,26 200 2130,00 3,06 56,85 300 3013,00 3,00 60,04 400 4015,00 2,90 62,83 2.3.4. Pitkän ajan stabiilisuus ja offset Kuvassa 12 on esitetty vahvistimen virranmittauspuoleen kytkeytynyt ylijännitesuojauksen aiheuttama offset kolmen ja puolen tunnin aikana sekä datan - 13 -

pohjalta muodostettu eksponentiaalisesti vaimeneva matemaattinen malli. Mallin pohjalta nähdään, että ulostulon offsetin asettumisen aikavakio on noin 17 minuuttia. y = -0.79e -3.57x +13.05 Kuva 12. Virranmittauspuolen offsetin muutos 3,5 tunnin aikana. Vasen pystyakseli kuvaa mitattua offsetia ja oikea puoli jännitettä vastaavaa sähkövirtaa. 2.3.5. Eri perustaajuisten kanttiaaltojen aaltomuodot Mittauksissa käytetyn jännite-virtamuuntimen taajuuskaista ulottuu noin 30 MHz:iin eli sen pitäisi pystyä tuottamaan korkeataajuisia signaaleja. Kuitenkin esimerkiksi korkeataajuisen, 1 MHz perustaajuisen kanttiaallon muoto vääristyy johdoissa jo ennen itse virranmittausvahvistimeen tuloa. Tämän takia tulosignaali jouduttiin mittaamaan shunttivastuksen yli. Myös shunttivastus itsessään saattoi aiheuttaa signaalin muodon vääristymistä. Lisäksi vahvistimen lähdön ja oskilloskoopin välinen BNC-kaapeli saattoi vääristää signaalia. Kuvassa 13 on esitetty neljän eri perustaajuisen kanttiaallon muodon vääristyminen vahvistimen virranmittauspuolella. Koska virranmittauspuolen 3 db rajataajuus sijaitsee noin 550 khz taajuudella, 1 MHz perustaajuinen kanttiaalto vääristyy ja vaimenee virranmittauspuolella lähes siniaalloksi. Tulosignaalien amplitudit poikkesivat hieman toisistaan, joten myös mitatut ulostulon amplitudit poikkeavat hieman toisistaan kuvassa 13. Muut kuvan 13 signaalit sen sijaan muistuttavat kanttiaaltoa. - 14 -

Kuva 13. Eri perustaajuisten kanttiaaltojen muoto vahvistimen virranmittauspuolen lähdössä. Kuvaan ei ole merkitty akseleita, sillä signaalien jaksoajat poikkeavat niin paljon, ettei niiden muotoja pystyisi erottamaan. 2.3.6. Metermanin ja rakennetun vahvistimen vertailu Kuvassa 14 ja 15 on esitetty kahden E27-kantaisen lampun sähkövirran aaltomuodot sekä vahvistimella että Meterman pihtivirtamittarilla mitattuna. Yhdestä sähkövirran jaksosta otettiin oskilloskoopilla 100000 näytettä ilman keskiarvoistusta. Tuloksista nähdään, että rakennetun vahvistimen kohinataso on Metermania matalampi ja signaalin keskimääräinen amplitudi on hieman korkeampi. Lisäksi nähdään, että kohinataso nousee Metermanilla sitä enemmän, mitä pienempiä sähkövirtoja ollaan mittaamassa. Mitatun sähkövirran kohina ei aina johdu mittalaitteesta, vaan jotkut E27-kantaiset lamput aiheuttavat itse jaksollista kohinaa sähkövirran aaltomuotoon. Tällainen tilanne on kuvassa 14, eikä lampun sähkövirran kohina johdu mittaavasta vahvistimesta. Kuvan 15 lampun sähkövirta sen sijaan on lähes kohinatonta. - 15 -

Kuva 14. Lampun Atlas Oversol sähkövirran aaltomuoto. Kuva 15. Lampun MASTER GLOW LEDBulb MV sähkövirran aaltomuoto. - 16 -

3. Päätelmät ja yhteenveto Tässä erikoistyössä rakennettiin energiansäästölamppujen sähkövirtaa mittaava laite, jolla olisi laaja taajuuskaista ja joka pystyisi mittaamaan myös pieniä sähkövirranarvoja. Vahvistimen virranmittauspuolen 3 db taajuuskaistaksi oli tarkoitus saada 800 khz, mutta testimittauksissa huomattiin virranmittauspuolen taajuuskaistan 3 db todellisen rajataajuuden sijaitsevan noin 550 khz taajuudella. 550 khz taajuus on kuitenkin riittävä ja huomattavasti pihtivirtamittarin Meterman CT238A 20 khz taajuuskaistaa korkeampi, jolloin sähkövirtasignaalin muoto erottuu paremmin ja josta tarkempi kokonaissärö voidaan laskea. Myös vahvistimen näyttämät sähkövirran aaltomuodot kohisevat huomattavasti Meterman CT238A:ta vähemmän, joten sillä voidaan mitata pienempiä sähkövirtoja. Vahvistimen käyttöjännitteiksi valittiin ±15 V, jotta mitattavaa signaalia pystyttiin vahvistamaan siten, että se näkyisi selvästi oskilloskoopin näytöllä. Vahvistimen todellisiksi käyttöjännitteiksi mitattiin 15,10 V ja +14,74 V. Vahvistimen vahvistuksen lineaarisuutta mittaavassa testissä korrelaatiokertoimeksi R 2 saatiin tasan yksi, mikä tarkoittaa vahvistimen vahvistavan lineaarisesti. Virranmittauspuolen ylijännitesuojauksen aiheuttama ulostulon offset-jännitteeksi mitattiin 13,0±0,2 mv ja se säilyi lähes samansuuruisena 3,5 tunnin mittauksen aikana. Energiansäästölampun ottama sähkövirran amplitudi on suuruusluokaltaan yleensä 100 ma, joka vastaa virranmittauspuolen ulostulossa 1 V jännitettä, joka on selvästi offset-jännitettä suurempi. Tulevaisuudessa tässä erikoistyössä rakennettua virranmittausvahvistinta käytetään osana energiansäästölamppujen mittauslaitteistoa. - 17 -

4. Lähdeluettelo [1] A. Vaskuri, Energiansäästölamppujen sähköiset karakterisoinnit, Kandidaatintyö, Aalto-yliopisto, MIKES-Aalto Mittaustekniikka (2011, 31 s). [2] Wavetek Meterman, Käyttöohje, CT-238 Current Probe, 2000. [3] P. Kärhä, Vahvistimet ja lineaaripiirit -luento, S-108.2010 Elektroniset mittaukset, Aalto-yliopisto, 2011. [4] Bourns, Tekninen datalehti, PWR220 S Series Shunt Resistor, 2005. [5] C. Kitchin, Avoid Common Problems When Designing Amplifier Circuits, Analog Dialogue, vol. 41 08, s. 2, 2007. [6] C. Kitchin ja L. Counts, Analog Devices, A Designer s Guide to Instrumentation Amplifiers, 3. painos, k. 5 s. 9, 2006. [7] G. H. Fox ja J. Whitehead, Ballast Survival When Exposed To Commonly Found Transient Voltages, IEEE Ind. App. Conf., s. 911 916, 2007. [8] Union Semiconductor, Inc, Application Note, Portable Systems Demand Proper EDS Protection. [9] J. Lepkowski, ON Semiconductor, Application Note, Circuit Configuration Options for TVS Diodes, s. 3, 2005. [10] P. Antoniazzi, SGS-Thomson Microelectronics, Application Note, Power Supply Design Basics, s. 5, 1995. [11] Texas Instruments, Application Report, Handbook of Operational Amplifier Applications, 2001. [12] E. Häkkinen, K. Fallström, A. Haapalinna ja P. Kärhä, Häiriöt mittauksissa, Elektroniikan häiriökysymykset -kurssin opetusmoniste, Teknillinen korkeakoulu, 4. painos, s. 24, 1999. [13] B. Carter, Texas Instruments, The PCB is a component of op amp design, Analog Application Journal, s. 47, 2000. [14] V. Pöyhönen, Kouluelektroniikka Oy, Piirilevyn valmistus valotusmenetelmällä. [15] Texas Instruments, Tekninen datalehti, INA217 Low-Noise, Low-Distortion Instrumentation Amplifier Replacement for SSM2017, 2005. [16] STMicroelectronics, Tekninen datalehti, LM833 Low Noise Dual Operational Amplifier, 2001. - 18 -