UMEÅ UNIVERSITET Tillämpad fysik och elektronik Sverker Johansson Johan Pålsson 2004-01-21 Rev 1.0 STÖRNINGAR Laboration E15 ELEKTRO Personalia: Namn: Kurs, utbildningsprogram och termin: Datum: Återlämnad (ej godkänd): Rättningsdatum Kommentarer Godkänd: Rättningsdatum Signatur Kommentarer
1. Brum I denna uppgift skall du undersöka om någon störsignal kan registreras med hjälp av ett oscilloskop för följande fyra fall a) En skärmad oscilloskopmätkabel ansluten till oscilloskopet men i övrigt fritt liggande b) En fritt liggande, skärmad oscilloskopmätkabel enligt fall a, men som i andra änden har en lång fritt liggande laboratoriesladd ansluten c) En mätkabel och en laboratoriesladd enligt fall b, men där du tar i laboratoriesladdens fria ände med handen d) En mätkabel och en laboratoriesladd enligt fall b, där du med ena handen tar i laboratoriesladdens fria ände och med andra handen håller runt en strömförande nätkabel till någon apparat, tex. till oscilloskopet 1) Utför mätningarna enligt de fyra fallen ovan, använd gärna tabellen nedan. Notera vilken enhet som gäller för dina mätningar. Vad finns det för för- resp. nackdelar med de olika möjliga enheterna? 2) Vilken frekvens har störsignalen? 3) Störsignaler med nätfrekvens eller multiplar därav brukar kallas brum. Hur bör man med ledning av dina mätningar arrangera en uppkoppling så att man eliminerar eller åtminstone reducerar brummet? 2 Störsignal Fall a Fall b Fall c Fall d
3 2. Kapacitivt och induktivt kopplade sinusformade störsignaler I denna uppgift skall du studera hur störsignaler på kapacitiv väg överförs från en störkälla till olika typer av ledare. Mätningarna görs på en enkel anordning (Bild 1) som består av en bockad plåt med fyra olika typer av transmissionsledningar, nämligen a) En enkelledare b) En dubbelledare c) En tvinnad dubbelledare d) En skärmad enkelledare, dvs en koaxialkabel Bild 1. Laborationsutrustning. Störsignalen är inkopplad på mittledaren och jordanslutningen är kopplad direkt till plåten. Ledaren i mitten av den bockade chassiplåten skall fungera som en simulerad störkälla. Mellan denna ledare och den jordade chassiplåten inkopplas därför på ena sidan en sinusformad signal (f = 1 khz, maximal amplitud). Använd korta, sträckta sladdar. På den bockade plåtens andra sida studeras, med hjälp av ett oscilloskop, den signal som överkopplas från störkällan och till de olika ledarna. Eftersom en signalgenerators inre impedans har betydelse för hur störningskänsligt systemet är, skall tre signalkällor med olika inre impedanser R i (100 Ω, 10 kω och 1 MΩ) simuleras. Detta sker genom att du på samma sida som där störkällan är inkopplad avslutar respektive ledning (a-d) med en resistans R i (Bild 2). Mätsituationen motsvarar det fall där en signalkälla själv inte skickar ut någon signal. När du drar slutsatser av dina mätningar, tänk på att du gör dessa utifrån en begränsad mängd mätningar på en enskild mätsituation (en speciell uppkoppling). Olika sätt att minska störningar fungerar bättre eller sämre beroende på vad det är som orsakar störningarna och mätsituationen (tex om vi har balanserad eller obalanserad överföring, avståndet till störkällan och störkällans impedans).
4 Bild 2. R i inkopplad med hjälp av två banankontakter. 1) Mät den överkopplade störsignalens topp-topp-värde för de fyra fallen. Använd gärna tabellen nedan. Är det svårt att mäta någon signal, ange en övre gräns. Försök att arrangera mätningen så att ledningarna hålls sträckta på ett likartat sätt för de fyra fallen. 2) Vilka slutsatser drar du av dina mätningar? Signalkällans R i 100 Ω, 10 kω, 1 MΩ, Enkelledare Dubbelledare Tvinnad dubbelledare Koaxialkabel
3. Störsignalens storlek som funktion av frekvensen Om man har en kapacitivt och/eller induktivt överförd störsignal kan man misstänka att den överförda störsignalens storlek är beroende av störsignalens frekvens. I denna uppgift skall du dels undersöka vilken eventuell betydelse störsignalens frekvens har och dels skall du rita en ekvivalentkrets för hela försöksuppställningen. 1) Mät upp den till enkelledaren överkopplade signalen som funktion av störsignalens frekvens då den simulerade signalkällan har inre resistansen R i = 1 MΩ. Om du använder figuren på nästa sida för att plotta upp resultatet, tänk då på att båda axlarna har en logaritmisk skala. 2) Den frekvenskurva du mätt upp och plottat beskriver vilka egenskaper försöksuppställningen har när mätningen görs med ett visst oscilloskop. Rita ett ekvivalentschema som beskriver kopplingen mellan störkällan (centralledaren) och mätkretsen (en enkelledare från en signalkälla med inre resistansen 1 MΩ) och där mätningen görs med ett oscilloskop. Glöm inte bort oscilloskopet i ekvivalentschemat. 3) Om allt har fungerat normalt skall du ha fått en kraftig dämpning även vid höga frekvenser. Varför? 4) (Extra uppgift) Beräkna med hjälp av bl.a. den uppmätta frekvenskurvan ett ungefärligt värde på kapacitansen mellan störledaren och enkelledaren. 5 Störsignalens storlek som funktion av frekvensen
4. Skärmning Om man har problem med störsignaler måste man försöka skärma av dessa på något sätt. I denna uppgift skall du undersöka vilken effekt en skärmning kan ha. Skärmningen görs med hjälp av bockade plåtar som kan träs över den signalledning som plockar upp störsignalen (Bild 3). 6 Bild 3. En perforerad skärmplåt är placerad över den störande mittråden och kopplad till jord. 1) Låt störsignalens frekvens vara f = 1 khz och den simulerade signalgeneratorns inre impedans R i = 1 MΩ. Mät den till enkelledaren överkopplade signalen för de tre fallen utan skärmning med enkelledaren skärmad med en jordad, hel plåt med enkelledaren skärmad med en jordad perforerad plåt Hur stor blir dämpningen om ledaren skärmas? Typ av skärmning Ingen Hel plåt, jordad Perforerad plåt, jordad Störsignal f =1 khz R i = 1 MΩ Dämpning (db) 2) Tag bort jordningen av skärmen och undersök hur detta påverkar resultatet. 3) Skulle en skärm av en bockad plexiglasskiva ge ungefär samma resultat som en icke jordad plåtskärm?
7 4) Skärma av enkelledaren med den perforerade skärmen. Jorda skärmen. Låt den simulerade signalgeneratorns inre resistans vara R i = 1 MΩ. Mät på samma sätt som i uppgift 3 upp den till enkelledaren överkopplade störsignalens storlek som funktion av frekvensen och plotta kurvan. 5) Jämför med uppgift 3. Vilka slutsatser drar du? 6) Om man ökar frekvensen tillräckligt, kan då hålen i skärmen så småningom minska eller rent av helt äventyra skärmens dämpande inverkan på en yttre störsignal och vid vilken frekvens inträffar i så fall detta? Överkopplad signal som funktion av frekvensen
5. Kapacitivt kopplade fyrkantformade störsignaler I denna uppgift skall du undersöka vilken inverkan störsignalens kurvform eventuellt kan ha vid kapacitiv överkoppling. 1. Låt störsignalen vara en fyrkantspänning med frekvensen f = 1 khz och maximal amplitud. Koppla in den på mittledaren på samma sätt som tidigare och upprepa även samma typ av mätningar av topp-topp-värdet som i uppgift 2. 2. Vilka slutsatser kan man dra av dessa mätningar? 8 Signalkällans R i 100 Ω, 10 kω, 1 MΩ, Enkelledare Dubbelledare Tvinnad dubbelledare Koaxialkabel 3. Mät upp och rita av de till enkelledaren överkopplade störsignalerna vid frekvenserna f = 1 khz och f = 100 khz. Låt den simulerade signalgeneratorns inre resistans vara R i = 1 MΩ i båda fallen. 4. På vilket sätt påverkas överkopplingen av den fyrkantformade störsignalens frekvens? 5. Vad kallas den typ av RC-krets som man har i detta fall och vars effekter tydligast syns vid låga frekvenser?
Skiss över de till enkelledaren överkopplade signalerna vid frekvenserna 1 khz och 100 khz. 9