DODATAK za 2. CIKLUS VJEŽBI. Mjerenje sinusnog napona-struje.. 1 Funkcijski generator. 2 Osciloskop. 3 Izvor sinusnog napona frekvencije 50 Hz 12 V.

Transcript

1 Dodatak 1 DODATAK za 2. CIKLUS VJEŽBI Mjerenje sinusnog napona-struje.. 1 Funkcijski generator. 2 Osciloskop. 3 Izvor sinusnog napona frekvencije 50 Hz 12 V. 8 Mjerenje sinusnog napona-struje analognim multimetrom PHYWE. Mjerni sustav ovog instrumenta sastoji se od permanentnog magneta i zavojnice kroz koju prolazi struja pa se zbog magnetskih sila zakreće, a zajedno s njom se zakreće kazaljka. Protusilu zbog koje se kazaljka zaustavi u određenom položaju daje opruga (elektromehanički instrument). Pokazuje se (proračunima) da pri prolazu promjenjive struje otklon ovisi o srednjoj vrijednosti te struje tj. instrument ima odziv na srednju vrijednost. Problem je : Kako ustanoviti efektivnu vrijednost sinusne struje (napona) kojoj je srednja vrijednost kao što je poznato jednaka nuli. To se rješava tzv. ispravljanjem kojim se od izmjenične struje dobiva pulzirajuća istosmjerna. Moguća su dva načina ispravljanja: 1. poluvalno u kojem se eliminira negativni poluval 2. punovalno u kojem se od negativnog napravi pozitivan poluval. U nastavku razmatramo punovalno ispravljanje. Kod ovako ispravljenog sinusa je srednja vrijednost = 0,636 maksimalne, a efektivna=0,707 maksimalne. To znači da je efektivna za 1,11 puta veća od srednje. Tako ispravljenu struju propustimo kroz instrument. Kazaljka se zaustavi na mjestu koje odgovara srednjoj vrijednosti. Sada dolazi jednostavan trik u kojem na tom mjestu napišemo efektivnu vrijednost i eto nam instrumenta za mjerenje efektivne vrijednosti sinusne struje (napona). ALI sve to vrijedi samo ako unaprijed znamo da se radi o sinusnoj struji. Za ostale vremenski promjenjive struje stvar ne štima. U tom slučaju moramo imati instrument koji reagira baš na efektivnu vrijednost (TRMS). Povjesno gledano (ali i fizikalno s obzirom na definiciju efektivne vrijednosti) takav je bio npr. instrument sa vručom žicom u kojem se žica (povezana s kazaljkom) više ili manje grije i rasteže ovisno o efektivnoj vrijednosti struje koja njome prolazi (bez obzira na njen valni oblik). Napomena: uz taj, postoje još neki elektromehanički instrumenti kojima otklon direktno ovisi o efektivnoj vrijednosti tj. imaju odziv na efektivnu vrijednost. Postupak mjerenja : 1. Instrument za vrijeme mjerenja mora biti u ležećem položaju (pogledajte oznaku na skali) 2. malu preklopku treba postaviti u položaj. Time je instrument pripremljen za tzv. izmjenično mjerenje (uključuje se ispravljač.) 3. Odabere se odgovarajuće mjerno područje glavnom preklopkom. Pažnja : kod ovog instrumenta su priključnice za napon i struju različite. I mjeri se Instrument ima nekoliko skala za očitavanje mjerenih veličina. Podjela skale na male dijelove (d.s. je razmak između dvije crtice) ovisi o mjernom području. Ako ste odabrali opseg od 1 A tada se očitava sa skale gdje na kraju piše 100. Jedan d.s. predstavlja sada 0.01 A (10 ma). Ako se kazaljka zaustavi između crtica mjernik vrši subjektivnu procjenu. Bolja procjena se postiže okomitim pogledom (kada nestane slika kazaljke u ogledalu). Za opsege koji su djeljivi sa tri postoji skala koja završava sa 30. (detalje pogledati na stranici OSNOVA.

2 Dodatak 2 Prije upotrebe instrumenta treba pogledati tehničke podatke. Detaljni podaci za svaki instrument se nalaze u popratnoj dokumentaciji koja je ponekada prilično opsežna. Osnovne podatke nalazimo na skali kao i na poleđini instrumenta. Za točnost mjerenja je svakako važan podatak o klasi-razredu točnosti instrumenta. Na skali možete zapaziti oznaku 2,5. To znači da je pogreška instumenta na izmjeničnom području 2,5% od punog otklona (npr. ako na području od 1 A instrument pokaže 0,5A tada je struje u granicama 0,5 A ± 25mA. Pri mjerenju struje odnosno napona važan je podatak o otporu instrumenta. Taj otpor ovisi o mjernom području. Ovisno o mjernom objektu (strujnom krugu u koji uključujemo mjerilo) otpor instrumenta može imati veći ili manji utjecaj na izmjerene veličine. To stvara dodatne pogreške u postupku mjerenja. Ako usporedite podatke za istosmjerno i izmjenično područje mjerenja možete zapaziti da je instrument bolji pri istosmjernim mjerenjima. To je zbog utjecaja spomenutog ispravljača. Na isti način pri mjerenju sinusnog napona ( struje) funkcionira i digitalni multimetar koji smo upoznali u 1. Ciklusu labosa. Svi multimetri analogni ili digitalni koji na opisni način mjere efektivnu vrijednost spadaju u kategoriju običnih multimetara.postoje instrumenti koji imaju odziv na efektivnu vrijednost. Bez obzira na valni oblik takvi instrumenti mjere (pravu) efektivnu vrijednost (kratica na koju nailazimo kod instrumenata takvih mogućnosti je TRMS). U slijedećem Ciklusu vježbi upoznati ćemo i takve multimetre. Funkcijski generator ISKRA MA3733 je jednostavan laboratorijski izvor najvažnijih signala : sinusni, trokutasti, pravokutni. Pomoću ovih signala mogu se obavljati razni eksperimenti i ispitivanja nekih sklopova (uređaja). Na slici je prikazana prednja ploča sa gumbima za upravljanje. Osnovni podaci su : frekvencija do 100 khz; podešava se predbiranjem, a zatim okretanjem skale, izlazni napon je u praznom hodu do 18 Vpp, (Upp je napon od vrha do vrha ) postoje dva izlaza: R i = 50 Ω (prednja ploča) i R i = 600 Ω (otraga). Izmjeničnom signalu AC može se dodavati prema potrebi istosmjerna komponenta DC do ±10V (u praznom hodu). (preklopka u kombinaciji s gumbom NIVO ili DC offset)

3 Dodatak 3 Način priključivanja: BNC konektor sa koaksijalnim kabelom. Za precizno podešavanje frekvencije treba koristiti dodatni instrument : mjerilo frekvencije (counter). Ovdje se pod AC podrazumijeva bilo koji od tri navedena izmjenična valna oblika koji ima srednju vrijednost (istosmjernu komponentu) jednaku nuli. Često se izmjenični signal kojemu je istosmjerna komponenta jednaka nuli naziva: čisti izmjenični signal. U užem smislu kratica AC se odnosi na sinusni signal. Izlaz iz f. generatora je asimetričan tj. napon se mijenja prema masi (referentnoj točki). Jedna priključnica je na masi dok se potencijal druge ( vručeg kraja ) mijenja u skladu sa valnim oblikom (ta priključnica može biti negativna prema masi). Ovisno o doziranju istosmjerne komponente može se postići da vrući kraj bude uvijek pozitivan ili negativan prema masi. Postavljanjem preklopke NIVO (DC offset) na OFF isključuje se djelovanje istosmjerne komponente i na izlazu bi trebao biti čisti izmjenični signal. AC off + Ri frek. Upp DC on "vruci" kraj izlaz masa 0 0 graf signala bez i sa DC komponentom DC U pp cisti izmjenicni (AC) AC+DC ALI ništa nije savršeno tako da se kod nekih f. generatora ipak na izlaz probija neka mala istosmjerna komponenta i u položaju OFF. Ako baš želimo signal, koji je čisti izmjenični tj. bez istosmjerne komponente moramo se u tom slučaju poslužiti trikom : Preklopku DC offset postavimo na ON i zatim podesimo da istosmjerna komponenta postane jednaka nuli. Kako ustanoviti da nema istosmjerne komponente? 1. osciloskopom (promatranjem) 2. običnim univerzalnim instrumentom na području DC mjerimo izlazni napon pa kada pokaže nulu signal nema DC komponentu. Pri mjerenju treba paziti da kazaljka ne ide u lijevo! Postoji još jedna preklopka za koji bi netko (znatiželjan) mogao biti zainteresiran. To je ona sa dva položaja 0dB; -20dB. Ako je na 0dB dobivamo signal normalne veličine koju smo podesili. Ako prebacimo na 20dB signal se smanji deset puta. Naime, u elektronici, telekomunikacijama itd. se odnos napona izražava logaritamskim odnosom ovako: odnos=20 log(u 2 /U 1 ). U našim pokusima preklopka mora biti na 0 db. Kod smanjivanja signala decibeli su negativni, a kod povećanja pozitivni. Signal iz funcijskog generatora nije idealan. Postoji nekoliko pokazatelja kojima se definira kvaliteta signala. Za sinusni signal to je npr. podatak o primjesama viših harmoničkih komponenti, za trokutasti je u pitanju linearnost, za pravokutan strmina porasta isl. Takve detaljne podatke (koji prelaze okvire laboratorijskih vježbi OE) nalazimo u tehničkim podacima (manualu) f. generatora. Osciloskop je mjerni instrument kojim možemo promatrati valne oblike napona i tako ustanoviti neke važne karakteristike signala (vrsta,frekvencija,trajanje, vršne

4 Dodatak 4 vrijednosti, trenutne vrijednosti itd). Valni oblici se prikazuju u obliku grafa na tzv. dvodimenzionalnom zaslonu koji je standardno podijeljen u 10 dijelova po horizontali i osam po vertikali. Jedan dio zaslona se skraćeno označava sa DIV (od division). Na os x dolazi vrijeme, a na os y napon. Osciloskop je napravljen tako da možemo odabirati interval vremena u kojem promatramo vremenski promjenu signala (vremenski zoom). Vrijeme u kojem promatramo signal naziva se vremenska baza. Praktički se odabire preko vremena koje odgovara jednoj podjeli na osi x. Npr. vremenska baza 2ms/DIV znači da je trajanje pojave na zaslonu 10 DIVx2ms/DIV=20 ms. Ako sa takvom vremenskom bazom promatramo sinusni valni oblik koji ima periodu 20 ms (frekvencija je 50 Hz) na zaslonu vidimo jednu cijelu sinusoidu. Promjenom vremenske baze na 1 ms/div vidimo samo pola periode (jedan poluval), dok se recimo s bazom od 5 ms/div na zaslonu pojave 2,5 sinusoide. Signali koje promatramo imaju razne iznose napona. Koliki napon odgovara jednoj podjeli po osi y odabiremo posebnom preklopkom za osjetljivost. Npr. ako je osjetljivost 1 V/DIV na zaslon stane ukupno 8 V. Najmanja osjetljivost je (kod većine osciloskopa) 5 mv/div a najveća 5 V/DIV. To znači da bi najveći napon koji još,stane na zaslon bio 40 V. Ako je signal veći, koristimo djelitelj napona koji je ugrađen u tzv sondu (probe) koja se nalazi na kraju priključnog kabela i napravljena je da se lako prikvači na mjernu točku. (tako npr. sonda 1:10 ulazni signal smanjuje 10 puta). Na slici je prikazan sinusni signal koji ima frekvenciju 50 Hz i amplitude 2 V. Jedna perioda traje 20 ms. Ispod valnog oblika prikazan je zaslon osciloskopa za dvije vremenske baze. Pažljivi čitatelj će primjetiti da početak vremenske baze mora na neki način biti usklađen (sinhroniziran) sa signalom koji promatramo. Trenutak početka vremenske baze naziva se okidanje (Trigger). Na prikazanoj slici okidanje se obavlja baš u trenutku kada signal prolazi kroz nulu u smjeru porasta. Posebni elektroničk sklopovi omogućavaju korisniku podešavanje nivoa i smjera promjene signala sa kojim će se vršiti okidanje (trig. Level Slope + ili-). Vremenska baza može raditi i kao samookidna (AUTO). Mjerenje vremena i napona očitavanjem sa zaslona moguće je kada su vremenska baza i osjetljivost kalibrirani. Zato postoji poseban gumb CAL koji se postavi u odgovarajući (krajnji) položal. Sinusni signal 2 sin(314t) osjetljivost 1V/div osjetljivost 1V/div vremenska baza 2 ms/div vremenska baza 5ms/DIV

5 Dodatak 5 Osciloskopi koje koristimo u laboratoriju OE su napravljeni tako da mogu prikazati dva valna oblika. Takvi se osciloskopi nazivaju: dvokanalni. U tom smislu postoje dva ulaza (CH1, CH2) svaki sa odgovarajućom preklopkom za osjetljivost. Tu je sada dodatna mogućnost odabira što će se promatrati (CH1, CH2, BOTH,ADD-suma signala). Isto tako postoji mogućnost odabira signala sa kojim će se okidati vremenska baza (CH1 ili CH2). Okidanje sa jednim od ova dva signala se naziva INTerno okidanje. Postoji mogućnost EXTernog okidanja sa nekim drugim signalom dovedenim izvana. Korisna je (pri promatranju signala iz električne mreže) mogućnost sinhronizacije sa mrežnim sigalom (LINE). Dvokanalni osciloskop je pogodan za određivanje međusobnog faznog kuta odnosno vremenskog pomaka signala. Kod toga treba voditi računa da je čitava perioda 2π radijana odnosno 360 stupnjeva. Uz ulaznu priključnicu svakog kanala nalazi se ulazna preklopka sa tri položaja DC-GND-AC. Postavljanjem u položaj GND ulaz je spojen na masu tj. na nulti nivo. Sada je moguće gumbom za vertikalno pozicioniranje podesiti položaj nultog nivoa grafa na zaslonu. U položaju AC u osciloskop ulazi samo AC (izmjenična) komponenta signala dok se istosmjerna blokira. Kompletan signal (AC+DC) ulazi u osciloskop kada je ulazna preklopka u položaju DC. U tom položaju preklopke osciloskop prihvaća i stalni napon (kod kojeg se na zaslonu pojavi graf u obliku vodoravne crte). Ovaj kratki opis osciloskopa ukazuje na dosta veliki broj komandi. Prednja ploča osciloskopa u prvi čas može izgledati komplicirano. Zato je za početnika korisno pogledati na WEB stranicama OSNOVA (II.ciklus labosa) simulaciju pod nazivom podešavanje osciloskopa.iako svi osciloskopi imaju ovdje opisane komande, njihov raspored (i grupiranje) na prednjoj ploči ovisi o proizvođaču. Prije korištenje treba najprije proučiti raspored komandi. Na slikci je prikazana prednje ploča osciloskopa sa kojim radite u laboratoriju OE. Na samim vježbama-pokusima neka su podešavanja već unaprijed napravljena tako da ih samo treba prekontrolirati. I još nešto: Već smo govorili o idealnim instrumentima pa bi u tom smislu trebalo nešto reći o idealnom osciloskopu. Takav osciloskop bi trebao imati beskonačan ulazni otpor i nadalje trebao bi vjerno prikazati svaki signal koji dolazi na njegov ulaz. U stvarnosti osciloskop ima ulazni otpor oko 1MΩ paralelno sa oko 30 pf. Problem prikazivanja

6 Dodatak 6 signala visokih frekvencija proizlazi iz gornje granične frekvencije pojačala signala. Osobito je to izraženo pri promatranju pravokutnih impulsa koji rastavljeni po Fourieru imaju kao što je poznato vrlo bogati spektar tj. mnoštvo viših harmonika. Njihovim odstranjivanjem se mijenja oblik signala (i glazba bolje zvuči ako pojačalo-zvučnik reproducira sve frekvencije). U tom smislu su osciloskopi svrstani u kategorije prema frekvencijama (20,,40,100,500 i više MHz). Za valne oblike koje promatramo na vježbama iz OE dostatni su 20 MHz osciloskopi). Osim direktnog promatranja napona. na osciloskopu se posredno mogu promatrati i ostale fizikalne veličine tako da se u pretvorniku pretvore u napon. Na načelu dvodimenzionalnog (osciloskopskog) prikaza razvijeni su i mnogi drugi instrumenti za prikazivanje ostalih vrsta grafova( npr. analizatori spektra kod kojih se na osi x nalaze frekvencije). Suvremeni osciloskopi se digitaliziraju (kao i sve ostalo), povezuju se s računalima itd itd. Takvi osciloskopi imaju mnoge dodatne mogućnosti (npr. memoriranje slike, obrada podataka, prikazivanje karakterističnih veličina na zaslonu itd.) O svemu tome (prema potrebi) kasnije tijekom studija na drugim predmetima. Primjer određivanja frekvencije, amplitude i fazne razlike Promatramo dva sinusna signala. Nakon svih podešavanja dobijemo oscilogram koji je prikazan na slici. Da bismo odredili značajke signala treba uočiti označene veličine. Desno su napisani očitani podaci (treba napomenuti da je očitanje stvar subjektivne procjene). Recimo da je osjetljivost na oba kanala 2 V/div, a vremenska baza je 50 μs/div. (važno je da su gumbi CAL u položaju: kalibrirano) Perioda je: T=8x50μs=400 μs frekvenciju treba izračunati ovako f=1/t=2,5 khz ω=2 π f=15700 rad/s napon od vrha do vrha za sig.2 Upp=7,2x2=14,4 V amplituda je U m2 =Upp/2=7,2 V (na jednak način odredimo amplitudu signala 1). fazna razlika (pomak) kut=360 1,8/8=81 0 signal 1 prethodi signalu 2 za taj kut. (za određivanje fazne razlike podatak o vremenskoj bazi je irelevantan) Vremenski gledano prvi signal ima maksimum 1,8x50μs= 90 μs prije drugog. Određivanje vremenskog pomaka osobito je važno kod impulsnih signala. Dobivene sinusne signale možemo prikazati vektorima ili fazorima. Signal 1 je čista sinusoida tj. ima početni fazni pomak nula. Drugi fazno zaostaje za 81 0.

7 Dodatak T sa zaslona ocitamo: T 8 div F 1,8 div Upp 7,2 div F Upp 1 div podijeljen je na 5 dijelova 0,2 div Im kompleksna ravnina 1 4/ Re 2 vektori 5.1/-81 0 fazori Problem zajedničke mase. Ako pri izvođenju eksperimenata odnosno pri ispitivanju nekog uređaja koristimo više instrumenata koji se priključuju na gradsku mrežu putem tzv. šuko utikača tada moramo voditi računa da su mase svih uređaja galvanski spojene (u kontaktu su). Konkretno takav slučaj imamo na vježbi 1. u kojoj radimo sa osciloskopom i funkcijskim generatorom. Priključni vodovi su koaksijalni kabeli kojima je plašt uzemljen. To je masa koju prepoznajete po tomu jer visi na kraju priključnog voda. (obično je crne boje) Važno je da mase svih uređaja spojite na isto mjesto. Na ulazne priključnice instrumenta se koaksijalni kabeli priključuju tzv. BNC konektorima. Tijekom vježbi nije potrebno odvajati priključne kabele (vaditi BNC konektore) od osciloskopa ili funkcijskog generatora. Na kraju kabela se umjesto sonde nalaze

8 Dodatak 8 obične banane sa kojima je jednostavnije spajanje na panel (priključivanje na mjerni objekt). u uređaj srednji vodic "vruci" kraj (crveno) plašt crno masa Izvor sinusnog napona frekvencije 50 Hz 12 V (efektivno), je transformator koji smanjuje napon gradske mreže (220V). Sastoji se od dva namota primara i sekundara koji su magnetski povezani putem feromagnetske jezgre. Magnetski tok prolazi kroz oba namota. Ako npr. primarni namot ima 440 zavoja tada se u svakom zavoju zbog promjene mag. toka inducira 0,5 V (priključen je na U 1 = 220 V). Ako sekundarni namot ima samo 24 zavoja tada će se u njemu inducirati napon od 12 V (U 2 ). Dakle odnos induciranih napona je jednak odnosu broja namotaja primara i sekundara (N 1 /N 2 ) Primarni i sekundarni krug su galvanski odvojeni. Potencijali izlaznih stezaljki su plivajući tako dugo dok jednu od njih eventualno ne uzemljimo. Razlika potencijala je izlazni napon. mag. tok U 1 /U 2 =N 1 /N 2 I 1 I 2 U 1 N 1 primar sekundar jezgra N 2 U 2 R I 1 /I 2 =N 2 /N 1 N 1 broj namotaja primara N 2 broj namotaja sekundara Maksimalna (nazivna) sekundarna struja je kod našeg transformatora 2 A (osigurana rastalnim osiguračem). Struja primara je 18,3 puta manja od struje sekundara. Trafo se stavlja u pogon glavnom sklopkom (zeleno). Ako je ispravan tj. daje napon, iznad priključnih stezaljki svjetli crvena lampica. (ako ne svijetli tada je osigurač izgorio, taj kao i sve ostale kvarove trebate prijaviti nastavniku). Do pregaranja osigurača obično dolazi ako neoprezno postupamo tj. na kratko spojimo izlazne stezaljke transformatora. Postoje transformatori koji imaju promjenjivi broj namotaja na sekundaru (izvedeno sa kliznim kontaktom). To su izvori promjenjivog izmjeničnog napona. Više o tome u 3.ciklusu vježbi..