LABORATORIEØVING 6 VEKSELSTRØM OG FASEFORSKYVING INTRODKSJON TIL LABØVINGEN Begreet vekselstrø er en felles betegnelse for strøer og senninger ed eriodisk veksling ello ositive og negative halverioder. Derso iddelverdien over en hel eriode er null, sier vi at vi har en ren vekselstrø eller ren vekselsenning. t fra definisjonen kan vi ha ange forskjellige vekselstrøer/senninger. Velger vi syetriske signaler, har vi firkant, trekant, sinus ed flere. Vi skal i denne laboratorieogaven se å sinussignaler. OSCILLOSKOPET B eller CH Innganger DC AC Y Tidsbase og triggesyste X Y/t X/Y Signaler til skjeren A eller CH1 DC Y 1 AC Figur 1 - Blokkskjea for oscillosko Oscilloskoet er enkelt forklart et volteter so resenterer oentanverdien av en senning so funksjon av tiden å en grafisk skjer. Senningene å inngangene forsterkes i egne forsterkere og vi velger forsterkning (V/delstrek) slik at signalet fyller ut skjeren å en god åte i y-retning. Vi besteer tidsoløsningen (f.eks µs/delstrek) langs x-retningen so noralt brukes so tidsakse. For å sørge for stabilt bilde å skjeren kreves det at reeterende forlø starter å eksakt sae sted innenfor en eriode, for ekseel ved ositiv nullgjennogang. Oscilloskoet bruker et triggesyste til dette. DC-kobling: Alle tyer signaler, både AC og DC, forsterkes og tegnes å skjeren. AC-kobling: En kondensator i serie ed inngangssignalet fjerner DC-koonenter i signalet. Derso iddelverdien av et signal over en eriode er forskjellig fra null, er denne iddelverdien signalets DCkoonent. Rene vekselsenningssignaler har r definisjon en heleriode iddelverdi lik null. Y/t: Stilling for otegning av tidsfunksjoner. Den vanligste bruken av oscilloskoet. X/Y: Stilling for otegning av overføringsfunksjoner, koonentkarakteristikker etc. 1
GENERELT. Reetisjon fra el-læra: Figur Sinuskurve,, Alitudeverdi eller Peak verdi rs, eff eller bare Effektivverdi. For sinus er den rs = I rs, I eff eller bare I Effektivverdi. For sinus er den I = Peak-to-Peak verdi. For syetriske signaler: = u = sin( ωt + ϕ) Tidsfunksjon eller oentanverdi. rs I ω = π f Vinkelfrekvens [rad/s] ϕ Fasevinkel/faseforskyvning 1 1 f = Frekvensen f gir antall erioder er sekund, 1Hz = T 1s = = = Osatt effekt i en otstand ( oentanverdi : = u i ) R P I R I
I rs R rs = Strøens effektivverdi Legg erke til at det bare er sinusfora tidsfunksjoner eller oentanverdier so skrives ed så syboler (uten t i arentes). For flere detaljer, se læreboka i el-lære. Forskyving av strø eller senning I elektronikken blir soler for å forsinke strø i forhold til senning, og kondensatorer blir brukt til å forsinke senning i forhold til strø. Det at strøen i soler bruker litt tid før den får full verdi kan også brukes i høysenningsanlegg for å sikre at strø ikke øker for raskt. Fasekoensering En kaasitiv last vil gi en faseforskyvning der strøen ligger 90 grader før senningen. En induktiv last vil gi en faseforskyvning der strøen so ligger 90 grader etter senningen. Ved å bruke kondensatorer og soler i de sae kretsene, kan vi er eller indre kansellere faseforskyvningen ello strø og senning so hver av de forårsaker. Ogave 1 (NB! Gjøres før du koer å lab) Figur 3 - oscillosko Figur 3 skal forestille et skjerbilde fra et oscillosko. Les ut og beregn verdier: = = rs = 1 f = = T 3
Regn ut oentanverdien u ved t= 0,5 s. Anta at ϕ = 0 u = sin( ωt + ϕ) = Regn ut oentanverdien u ved t= 0,6 s. Anta at ϕ = 0 u = sin( ωt + ϕ) = 6 Vi kan anta at lyshastigheten ν = 300 10 / s. Hva er bølgelengden λ ved frekvensen du har funnet? ν λ = = f 4
Ogave a) Koble kretsen slik so vist i figur 4. Bruk oscilloskoet til å stille inn sinussenningen slik at den gir et utslag å = 3V etter at kretsen er koblet ferdig. b) Still inn frekvensen til 1 khz (Hint: En hel eriode i skjerbildet). = 3,0 V f = 1 khz i R1 R 1 = 1,0 kω u R1 R = 100 Ω u R CH1 Til jord å oscilloskoet Innstillinger å oscilloskoet: CH1 = 1 V/DIV, AC CH = 0.5 V/DIV, AC TIME/DIV = 0.1 s/div Trigging: CH1 CH (invertert) Figur 4 Resistans/resistans c) Tegn inn kurver i figur 5. Finn og regn ut verdier. 0V Figur 5 Jord å skoet (signaljord) er felles for begge signalinnganger (CH1 og CH). Derso skoet har jordet støsel for nettsenningen, er det sae jord so signaljord. Det vil si at derso signalkilden eller kretsen vår har felles jord ed nettsenningen, er det fare for kortslutning o vi kobler signaljord fra skoet til et annet unkt en jord i kretsen. Siden labbrettene våre er fullstendig isolert fra nettsenningen, er ikke dette et roble her. Tegn inn signalene ed nullunkt å sae lass Figur 5 - resistans/resistans Faseforskyving, ϕ = Aktiv effekt P er iddelverdien av oentaneffekten. Hvor ye effekt osettes gjennosnittlig i otstanden R 1 : 5
Ogave 3 a) Koble kretsen slik so vist i figur 6. Bruk oscilloskoet til å stille inn sinussenningen slik at den gir et utslag å = 3V etter at kretsen er koblet ferdig. b) Still inn frekvensen til 1 khz etter at du har koblet o kretsen (Hint: En hel eriode i skjerbildet). i C C = 0, µf u C = 3,0 V f = 1 khz R = 1 kω u R CH1 Til jord å skoet Innstillinger å oscilloskoet: CH1 = 1 V/DIV, AC CH = 1 V/DIV, AC TIME/DIV = 0.1 s/div Trigging: CH1 CH (invertert) Figur 6 kaasitans/resistans c) Tegn inn kurver i figur 7. Finn og regn ut verdier. 0V Figur 5 Jord å skoet (signaljord) er felles for begge signalinnganger (CH1 og CH). Derso skoet har jordet støsel for nettsenningen, er det sae jord so signaljord. Det vil si at derso signalkilden eller kretsen vår har felles jord ed nettsenningen, er det fare for kortslutning o vi kobler signaljord fra skoet til et annet unkt en jord i kretsen. Siden labbrettene våre er fullstendig isolert fra nettsenningen, er ikke dette et roble her. Tegn inn signalene ed nullunkt å sae lass Figur 7 - kaasitans/resistans Faseforskyving i tid, ϕ = t Faseforskyving i grader, ϕ = 6
Ogave 4 a) Koble kretsen slik so vist i figur 8. Bruk oscilloskoet til å stille inn sinussenningen slik at den gir et utslag å = 3V etter at kretsen er koblet ferdig. b) Still inn frekvensen til 1 khz etter at du har koblet o kretsen (Hint: En hel eriode i skjerbildet). i L L = 100 H u L = 3,0 V f = 1 khz R = 1 kω u R CH1 Til jord å skoet Innstillinger å oscilloskoet: CH1 = 1 V/DIV, AC CH = 1 V/DIV, AC TIME/DIV = 0.1 s/div Trigging: CH1 Figur 8 Induktans/resistans CH (invertert) c) Tegn inn kurver i figur 9. Finn og regn ut verdier. 0V Figur 5 Jord å skoet (signaljord) er felles for begge signalinnganger (CH1 og CH). Derso skoet har jordet støsel for nettsenningen, er det sae jord so signaljord. Det vil si at derso signalkilden eller kretsen vår har felles jord ed nettsenningen, er det fare for kortslutning o vi kobler signaljord fra skoet til et annet unkt en jord i kretsen. Siden labbrettene våre er fullstendig isolert fra nettsenningen, er ikke dette et roble her. Tegn inn signalene ed nullunkt å sae lass Figur 9 - resistans/resistans Faseforskyving i tid, ϕ = t Faseforskyving i grader, ϕ = 7
OSCILLOSKOPET. Oscilloskoet er i rinsiet et volteter so viser tidsforløet av senninger å en skjer. I tillegg til valg av følsohet (V/DIV), har vi også valg for oløsning langs tidsaksen. For at skjerbildet skal bli stabilt, har oscilloskoet også en funksjon (triggefunksjon) so gjør det ulig å tegne o et gjentatt forlø fra akkurat sae tilstand hele tiden. Vi benytter oftest en såkalt robe når vi åler ed oscillosko. Denne er i rinsiet en senningsdeler so reduserer senningen i forholdet 10:1 før den koer inn å skoet. Den viktigste fordelen ed en robe er at inngangsiedansen blir 10 ganger høyere og dered blir åleobjektet i indre grad åvirket av åleutstyret. Moderne sko kan konfigureres ed tanke å bruk av robe slik at vi slier å ultilisere avlesningen ed 10. En rinsiskisse for et oscillosko er vist i kaittel 1.6. BEREGNINGER OG ANTALL GJELDENDE SIFFER. Det er forskjell å å lese av et ultieter ed 4-siffers dislay og en grafisk avlesning å oscilloskoskjeren. I det siste tilfellet er to gjeldende siffer det norale og tre det absolutt aksiale en kan forvente å kunne lese av grafisk fra kurvene. Selv o vi lar oscilloskoet «lese av» verdier for oss, er usikkerheten større enn 3 % av avlest verdi. Grafisk avlesing blir følgelig enda dårligere. Dette å få konsekvenser når vi benytter slike avlesninger i beregninger. I selve utregningene bruker vi det antall siffer vi har og avrunder til to eller tre gjeldende sifre i sluttsvaret. For digitale ultietre kan vi stort sett bruke alle avleste sifre, en i enkelte tilfeller kan usikkerheten bli så stor at vi å stryke inst signifikante siffer. Bruk i tilfelle vanlige avrundingsregler. REGLER FOR OPPKOBLING AV MÅLEOPPSTILLING. For oversiktens skyld er det viktig å koble o est ulig oversiktlig og enkelt, og det er lurt å bruke forskjellige farger (to til tre) å ledningene. Måleinstruenter og signalkilder har alltid fargeerking av tilkoblingsterinalene. Positive terinaler har vanligvis rød farge og svart for jord eller inus. Senningskilder har rød farge for lussol og blå for inusol. De har gjerne også en svart terinal ed jordsybol, en noralt er denne uten forbindelse ed selve «senningen» en er bare koblet til selve instruentkassen (NB! Dette er sesielt for senningskilder). Svært ofte er dette det sae so jordingskontakten i nettluggen (30 V-nettet) og det er viktig å vite derso en bruker flere aarater ed nettilkobling i sae okobling. Kortslutning i kretsen er ofte resultatet o an ikke er oerkso nok ved tilkobling av slike instruenter. All okobling skjer å egne koblingsbrett fra HPS SysteTechnik. 8