Grundläggande ellära Induktiv och kapacitiv krets. Förberedelseuppgifter. Labuppgifter U 1 U R I 1 I 2 U C U L + + IEA Lab 1:1 - ETG 1

Transkript

1 IEA Lab 1:1 - ETG 1 Grundläggande ellära Motivering för laborationen: Labmomenten ger träning i att koppla elektriska kretsar och att mäta med oscilloskop och multimetrar. Den ger också en koppling till verkligheten för att skapa en handson känsla för vad du hittills ska ha lärt dig teoretiskt på i kursen. 1. Induktiv och kapacitiv krets. 1 L I a 1 b L c a 2 b c C Induktiv krets Kapacitiv krets C I 2 Förberedelseuppgifter Teckna de båda impedanserna i kretsarna på rektangulär och polär form. Välj strömmen till riktfas, dvs strömmarna I 1 och I 2 har fasvinkeln 0. Teckna med jω metoden belopp och fasvinklar för de komplexa spänningarna, L, C, 1 och 2 som funktion av I 1 resp. I 2,, L, C och ω. Fyll i beräknade värden i nedanstående tabell där effektivvärdena för 1 och 2 är 1,5 V, = 560 Ω, L = 70mH, C = 0,39 μf och ω = 2π rad/s. ita impedans-, spännings- och effekttrianglar för de två kretsarna ovan. Labuppgifter Labutrustning: Tongenerator, ett 2-kanaligt oscilloskop, två multimetrar för V-A Ω, en multimeter för V-A Ω-f. Lab-platta med 2 resistanser ( 560 Ω), induktans (L 70 mh) och kapacitans (C 0.39 μf) Lär dig att använda oscilloskopet! Fyll i tabellen! Beräknade värden ppmätta värden Storhet Effektivvärde [V, A] Fasvinkel, ϕ 1,2 [ ] Effektivvärde [V, A] Fasvinkel, ϕ 1,2 [ ] 1 1,5 1,5 I L 2 1,5 1,5 I C

2 IEA Lab 1:1 - ETG 2 Lär dig oscilloskopet! 1. Slå till nätspänningen POWE ON (kan ev. vara hopbyggd med annat reglage t.ex. intensity eller rasterbelysning). 2. Ställ strålens intensitet INTENS mellan %. 3. Välj FEE N eller automatisk trigger AT/NOM så att svepet går kontinuerligt. 4. Ställ in svephastigheten på ca 1 ms/div. 5. Se till att båda kanalerna CH1 och CH2 är inkopplade, dvs DAL i läge ALT eller CHOPPED. 6. Ställ ingångsomkopplaren AC, DC, GD i läge GD. 7. Leta nu fram strålen genom att vrida fram och tillbaka på positionsinställningarna X-POS resp. Y-POS för kanal A och B. Du bör nu ha två synliga streck på oscilloskopskärmen. 8. Justera nu med FOCS och INTENS så att du får skarpa och väl synliga linjer. Nu kan du använda oscilloskopet till att studera en signal av något slag. 9. Anslut en av ingångarna till en tongenerator med en lämpligt vald signal. 10. Ställ ingångsomkopplaren AC, DC, GD i läge AC. 11. Justera in en lagom stor bild VOLT/DIV och dess läge på skärmen Y- POS så att du kan läsa av amplitud och periodtid. Observera att skalindelningen gäller endast i kalibrerat läge för de steglösa reglagen av amplitud och tid. 12. Byt mellan positiv och negativ flank för triggningen / Ställ om till manuell trigg AT/NOM och justera sedan triggnivån med LEVEL, titta på signalen och se vad som händer.

3 IEA Lab 1:1 - ETG 3 Mätning på en induktiv och en kapacitiv krets Lab-plattans seriekretsar, först den induktiva, sedan den kapacitiva, ansluts till tongeneratorn enligt figuren nedan. Tongenerator GND (noll) 1 (level) signal GND 2 signal labbsladd I 1 L polskruv - - L C 2 C I 2 Mätning på den induktiva kretsen: Välj sinusform på tongeneratorn och frekvensen 1000 Hz. Funktionsgeneratorns frekvensskala är bara ungefärlig. Justera till exakt f = 1000 Hz på tongeneratorn genom att mäta spänningens frekvens. Ställ in tongeneratorns utspänning till 1 = 1,5 V effektivvärde med vredet level. Mät spänningen med en voltmeter. Kontrollera med oscilloskopet att u 1 (t) har topp-till-topp-värdet 2. 1,5. 2 4,2 V och att f = 1000 Hz. På oscilloskopet ska man få periodtiden T = 1/f = 1/1000 = 1 ms. Mät 1 och L med voltmetern. 1, 1 och L ger spänningstriangelns sidor och ϕ 1 = arctan( L / 1 ). För in värdena i tabellen! Kontrollera fasförskjutningarna ϕ 1 = arg 1 och ϕ L = arg L på oscilloskopet dvs jämför i tur och ordning fasläget för u 1 (t) och u L (t) med u 1 (t). För in i tabellen! Kontrollera att spänningarnas toppvärden är L, topp = 2. L, eff, 1, topp = 2. 1, eff. Bryt upp anslutningen från tongeneratorn och koppla in en multimeter som amperemeter i serie med 1 och L. Mät effektivvärdet på strömmen I 1 och för in värdet i tabellen! Mätning på den kapacitiva kretsen: eglera in 2 till 1,5 V effektivvärde. Mät 2 och C med voltmetern. 2, 2 och C ger spänningstriangelns sidor och ϕ 2 = arctan( C / 2 ). För in värdena i tabellen. Kontrollera fasförskjutningarna ϕ 2 och ϕ C på oscilloskopet. Kontrollera toppvärdena 2, topp, 2, topp och C, topp på oscilloskopet. Bryt upp anslutningen från tongeneratorn och koppla in en multimeter som amperemeter i serie med 2 och C. Mät strömmens I 2 effektivvärde och för in i tabellen!

4 IEA Lab 1:1 - ETG 4 2. esonanskrets L C I överblivet" motstånd vid sammankoppling av seriekretsen. Kan och får användas. a b c d a b c d Förberedelseuppgifter L C Teckna kretsens impedans sett från spänningskällan på rektangulär och polär form. Teckna med jω metoden belopp och fasvinklar för de komplexa spänningarna, L, C och som funktioner av, L, C, ω och I. Sätt I som riktfas med fasvinkeln 0. ita visardiagram med I som riktfas för de tre fallen kretsen är övervägande induktiv (ω = ω 1, ω 1 L > 1/(ω 1 C)). kretsen är i resonans (ω = ω 2, ω 2 L = 1/(ω 2 C)). kretsen är övervägande kapacitiv (ω = ω 3, ω 3 L < 1/(ω 3 C)). Vilken vinkelfrekvens är högst/lägst av ω 1, ω 2 och ω 3? ita impedans- och spänningstrianglar för kretsen då den är övervägande induktiv. Hur kan man bestämma resonansfrekvensen med oscilloskopmätningar? Nämn minst två sätt! Hur kan man mäta upp resonansfrekvensen med multimetermätningar? Nämn minst två sätt! Visa hur de två oscilloskopkanalernas probar och jordanslutningar ska kopplas i kretsen för att vi samtidigt på skärmen skall se spänningarna u 1 (t) och u 1 (t). Strömmen i(t) representeras på skärmen av u (t). Visa hur tongeneratorn och de två oscilloskopkanalernas probar och jordanslutningar ska kopplas så att vi samtidigt på skärmen kan se spänningen u C (t) och strömmen i(t), dvs. u (t) =. i(t). Oscilloskopmätning av 2 spänningar. Oscilloskopet har två kanaler med gemensam jord. Detta innebär att de två kanalernas jordreferenser är sammankopplade i oscilloskopet och måste anslutas till samma punkt. Varje kanal kan inverteras var för sig. De två uppmätta spänningarna skall återges på skärmen utan teckenfel. Om spänningen på en av kanalerna får ett teckenfel på grund av att dess jordreferens är bunden till den andra kanalens, ska du invertera den! Invertering innebär teckenbyte, dvs 180 o fasvridning.

5 IEA Lab 1:1 - ETG 5 Labuppgifter Ställ in till sinusspänning med effektivvärdet 1,5 V. Mät upp resonansfrekvensen med lämpligt instrument. Motivera mätmetoden och instrumentvalet! esonansfrekvensen uppmäts till Hz. esonansfrekvensen beräknas till Hz Mät vid resonansfrekvens och rita visardiagram på spänningarna. = V, = V, L = V och C = V Mät strömmen I i kretsen. Kortslut L och C! Jämför med strömmen före kortslutningen. Den borde bli oförändrad, eller hur? Förklara ev. skillnad. polskruv Tongenerator GND signal I L C A B L C D Sammankoppling av de två seriekretsarna till resonanskrets. När du kopplar ihop den induktiva och den kapacitiva kretsen till serieresonanskretsen ovan blir ett motstånd över. Eftersom de två resistanserna har samma värde, kan man byta från -L-C (ovan) till L-C- vid mätning av arg C. Mät strömmen genom att bryta upp kretsen och koppla in en amperemeter i serie med komponenterna.

6 IEA Lab 1:1 - ETG 6 3. Mätinstrument Det finns ett antal olika typer av mätinstrument för spänning och ström. Syftet med detta laborationsmoment är att visa olika instrumenttyper och deras användningsområden. De vanligaste mätinstrumenten, till exempel vridspoleinstrument och enklare digitala multimetrar (DMM) är i sina grundutföranden avsedda att mäta likspänning och likström. Vid varierande amplitud hos mätsignalen visar ett sådant instrument signalens medelvärde. Genom att använda likriktare kan instrumentet också mäta växelspänning och växelström. Det mäter då det likriktade medelvärdet. Eftersom spänningar och strömmar ofta är sinusformade och anges i effektivvärde, graderas instrumenten i effektivvärde för ren sinus, trots att de mäter likriktat medelvärde. De visar med andra ord effektivvärdet av växelstorheten endast om denna är sinusformad. Moderna digitala multimetrar mäter och visar sant effektivvärde för alla kurvformer. Dessa är ofta märkta med beteckningen TE MS eller TMS. MS står för förkortning av oot Mean Square, som ju beskriver beräkningen av effektivvärdet. Förberedelseuppgifter f(t) är en periodisk signal med periodtiden T och amplituden A. Ange definitionerna för medelvärdet av f(t) likriktat medelvärde av f(t) effektivvärdet av f(t) formfaktorn Beräkna ovanstående för kurvformen nedan! A 0,2 T T 2 T

7 IEA Lab 1:1 - ETG 7 Labuppgifter Ställ in tongeneratorn så att den genererar en spänning enligt förberedelseuppgiften ovan. Mät med ett universalinstrument, en enkel DMM samt de MS-voltmetrar dom finns på labplatsen. Instrumenten ska vara anslutna samtidigt för att undvika fel som uppstår pga olika inimpedanser hos instrumenten. Mätning A = T = (V) Effektivvärde beräknat enligt F TE MS voltmeter niversalinstrument i läge AC niversalinstrument i läge DC Enkel DMM i läge AC Enkel DMM i läge DC Philips DMM i läge MS-AC Philips DMM i läge DC Beräknat TMS=2MS-AC2DC Slutsats: