LABO 2 : Opgave oscilloscoopmetingen DC

Transcriptie

1 Opgave oscilloscoopmetingen 1 / 13 LABO 2 : Opgave oscilloscoopmetingen DC 1. Doelstellingen Na het uitvoeren van de proeven : ken je de massaproblemen bij de scoop. kan je de grootte van een spanning aflezen op de scoop. weet je wat een massalijn is en kan je deze gebruiken. kan je de instellingen kanaal I / kanaal II maken. weet je welke functie de Kalibratie-knop heeft. kan je een signaal inverteren. begrijp je de instellingen AC / DC / GND van het voorbehandelingsnetwerk van de verticale versterker kan je de som van twee signalen tonen. 2. Algemeenheden 2.1. Meten van spanningen. Het meten van spanningen is steeds het meten van spanningsverschillen of potentiaalverschillen tussen twee punten. Hetgeen we kunnen vergelijken met het meten van de hoogte, of de lengte van een voorwerp. Als iemand zegt dat een tafel 76 cm hoog is moeten we er niet bij vertellen dat dit gemeten is ten opzichte van de grond. Spreken we over de afstand tussen twee punten, dan moeten we steeds beide punten benoemen. Zo gaan we de spanning meestal meten ten opzichte van het absolute 0 potentiaal. We veronderstellen dat de aarde gelegen is op een potentiaal van 0V. Indien we nu spreken over een spanning van 10 V veronderstellen we dit steeds ten opzichte van de aarde. Wensen we niet de spanning ten opzichte van de aarde te meten, dan moeten we de twee meetpunten aangeven bv: de spanning over weerstand R2 in de schakeling is 3V. Om een spanning te meten hebben we dus steeds twee meetdraden nodig (massa (zwart) en signaaldraad (rood)) en plaatsen het toestel (V-meter of scoop) parallel over de te meten spanning. Indien we een spanning meten ten opzichte van de aarde, gaan we een van beide draden (massa of zwarte draad) met de aarde verbinden Galvanische scheiding Een voedingsbron heeft twee uitgangsklemmen. Een rode en een zwarte. De zwarte kleur duidt steeds op massa. De rode uitgangsklem is op een hoger (positieve spanning) of lager potentiaal (negatieve spanning) gelegen. Bij een galvanisch gescheiden voeding is de massa van de voedingsbron niet verbonden met de aarde. Deze is dus niet noodzakelijk gelegen op een spanning van 0V (aardpotentiaal) en kan een willekeurig potentiaalniveau bezitten. Bij niet galvanisch gescheiden voedingen is

2 Opgave oscilloscoopmetingen 2 / 13 de massaklem van de voedingsbron wel verbonden met de aarde, dit via de aardingsgeleider van het stopcontact, en ligt bijgevolg altijd op aardpotentiaal of 0V. Een galvanische scheiding kan bekomen worden met een scheidingstransformator. Dit is een transformator waarbij in- en uitgangsspanning even groot zijn. We spreken van scheiding omdat er tussen de ingangsspoel (primaire spoel) en uitgangspoel (secundaire spoel) geen elektrische verbinding is. De elektrische spanning wordt in de primaire spoel omgezet in magnetische energie die door de secundaire spoel weer wordt omgezet in elektrische energie. We hebben bijgevolg geen elektrische maar een magnetische koppeling tussen beide spoelen Massaprobleem bij het meten met de scoop Alle aardingsgeleiders van alle stopcontacten in een gebouw zijn met elkaar en tevens met een koperen geleider die onder het gebouw in de aarde is ingegraven verbonden. Deze aarding zal bijgevolg altijd een potentiaal van 0V bezitten. Indien we nu de spanning in een schakeling wensen te meten met een niet galvanisch gescheiden meettoestel, dus een meettoestel waarvan de massaklem verbonden is met de aarding van de voeding ( vb oscilloscoop), kunnen er zich problemen voordoen in verband met de aarding. Enkele symbolen die we veel tegenkomen in een elektrische schakeling: Aarding wordt steeds weergegeven door Massa wordt weergegeven door. De symbolen voor aarding en massa zijn niet hetzelfde, dit omdat de massa niet altijd op aardpotentiaal gelegen is. Dit kan enkel indien we gebruik maken van een galvanisch gescheiden voeding. Meestal zal de massa echter op 0V liggen. In het labo meettechniek maken we gebruik van een voedingsbron of functiegenerator die niet galvanisch gescheiden is. De massaklem is dus verbonden met de aardingsgeleider van het net en bijgevolg ligt de massa op 0V. Ook bij een scoop is de massaklem verbonden met de aarding (niet galvanisch gescheiden). 1ste massaprobleem: meten van twee signalen De meeste KSO s zijn voorzien van twee of meer kanalen. Beide kanalen zijn voorzien van een massa- en signaalklem. In het centrum van de ronde metalen aansluitbus vinden we de signaalklem. De metalen bus is de massa. We mogen nooit uit het oog verliezen dat beide massaklemmen inwendig met mekaar zijn verbonden en dus altijd op hetzelfde potentiaal moeten gelegen zijn. Als we op kanaal 1 de spanning over weerstand R1 wensen te meten en op kanaal 2 de spanning over weerstand R2 kunnen we de scoop aansluiten zoals weergegeven in onderstaande figuur.

3 Opgave oscilloscoopmetingen 3 / 13 I U bron A R 1 U R1 B R 2 U R2 massa Hierbij stelt zich het volgende probleem: Aangezien de massa s van de beide kanalen inwendig doorverbonden zijn hebben we een kortsluiting veroorzaakt. Punt A (massa van kanaal 1) en punt B (massa van kanaal 2) zijn met elkaar verbonden (inwendige doorverbinding) via de scoop. Door weerstand R2 zal dus geen stroom meer vloeien aangezien stroom steeds de weg van de kleinste weerstand kiest. Hier is dit via de massa van de scoop. Indien deze stroom groot is kunnen we hiermee de scoop vernietigen. => Nooit uitvoeren! I U bron A R 1 U R1 B R 2 U R2 Hoe moeten we de scoop correct aansluiten? We moeten de massa van beide kanalen op het zelfde potentiaal aansluiten. I R 1 U R U bron R 2 U R

4 Opgave oscilloscoopmetingen 4 / 13 We zien onmiddellijk dat de spanning over weerstand R2 invers wordt gemeten. Het signaal zal bijgevolg ook invers op het scherm zichtbaar gemaakt worden. Om dit probleem te verhelpen is er een invers knop voorzien. Na het indrukken van deze knop zullen beide signalen correct op het scherm verschijnen. TIP : sluit steeds slechts 1 van beide massa s aan, zo kunnen we bovenstaande kortsluiting nooit veroorzaken. Dus in totaal 3 draden. Voorgaande opstelling kan alleen maar toegepast worden indien we te maken hebben met een galvanisch gescheiden voedingsbron of indien de scoop wordt gevoed via een scheidingstransformator. (zie massaprobleem 2) 2de massaprobleem: functiegenerator + - B A R 2 R 1 netsnoer netsnoer PE net aarding gebouw net Ook hier zijn punt A en punt B doorheen de scoop met elkaar verbonden en hebben we een kortsluiting van R2 veroorzaakt. De massa van de functiegenerator B is (niet galvanisch gescheiden) met de aarde verbonden via de aarding van het netsnoer. Ook de massa van de scoop A is via het netsnoer met de aarde verbonden. Hierdoor moeten beide massa s steeds op hetzelfde potentiaal (hier aardpotentiaal) worden aangesloten. Weerstand R2 is ook hier kortgesloten. De stroom zal nu de weg van de minste weerstand vinden als volgt: van A naar de massa van de scoop, vervolgens via het netsnoer naar de aarding en dan via het netsnoer van de functiegenerator naar de massa van dit toestel B.

5 Opgave oscilloscoopmetingen 5 / 13 functiegenerator + - B A R 1 R 2 netsnoer netsnoer PE net aarding gebouw net Mogelijke oplossingen voor dit probleem: 1. massa van de scoop op hetzelfde potentiaal leggen als dit van de functiegenerator. Dit is niet steeds mogelijk aangezien we dan de spanning over weerstand R1 niet afzonderlijk kunnen meten. 2. aardingsgeleider van een van beide toestellen onderbreken. Aangezien een aardingsgeleider als doel heeft de gebruiker te beschermen tegen elektrocutie, dit indien de behuizing van het toestel door een isolatiefout onder spanning komt te staan, is deze oplossing niet toegelaten vanwege het gevaar voor indirecte aanraking. NOOIT UITVOEREN 3. gebruik van een meetscheidingstransformator die tussen de schakeling en de KSO-ingangen wordt geplaatst. 4. gebruik maken van een scheidingstransformator voor de voeding van functiegenerator of scoop. Indien we een van beide toestellen voeden met behulp van een scheidingstransformator (zorgt voor een galvanische scheiding) zal de aardingsgeleider van het toestel niet meer zijn doorverbonden met de aarding van het net. 5. ook meetprobes zijn een oplossing. Let op: In het labo hebben we geen scheidingstransformator ter beschikking. De enige oplossing die overblijft is de massa van scoop en functiegenerator steeds met elkaar te verbinden. (op hetzelfde potentiaal leggen). In sommige labo s (elektriciteit) zijn er speciale stopcontacten die gevoed worden door een scheidingstransfo. Je kan deze herkennen door het feit dat deze geen aardingspen meer hebben en gelabeld zijn met enkel scoop. Besluit: We gebruiken in dit labo steeds oplossing 1.

6 Opgave oscilloscoopmetingen 6 / 13 3de massaprobleem Meten van de netspanning m.b.v. een scoop. Een net bestaat steeds uit drie draden. Een fase (L), nulgeleider en een beschermingsgeleider of aarding (PE). De aarding is verbonden met de aardingslus onder het gebouw. Beide andere draden vertrekken in de elektriciteitscabine (op de hoek van de straat). Hier is echter de nulgeleider (N of neuter) ook verbonden met de aarde (zie onderstaande figuur). (TT systemen) We wensen nu de vorm van de netspanning op te meten m.b.v. een scoop. Hiervoor gebruiken we onderstaande meetopstelling. transformatiecabine A L N PE L N B stopcontact stekker Scheidingstransformator Punten A en B zijn ook hier met elkaar verbonden want punt A is verbonden met de massa van de scoop. Deze massa is op zijn beurt verbonden met de aarding van het net via het netsnoer (want niet galvanisch gescheiden meettoestel). De aarding van het netsnoer is verbonden met de aarde via de aardingslus. Aangezien de aarde een goede elektrische geleider is, is deze ring elektrisch verbonden met de aarde in de transformatiecabine. Deze aarding is op zijn beurt verbonden met de Neuter van het net B. Resultaat: we krijgen een kortsluitstroom van L naar N via de scoop en de aarde. Deze stroom gaat vrij groot zijn en zal na zeer korte tijd de scoop onherstelbaar beschadigen.

7 Opgave oscilloscoopmetingen 7 / 13 Bijkomend probleem: Een wisselspanning van 230V heeft een piekspanning van 325V. Deze spanning kan je niet rechtstreeks meten met de scoop. transformatiecabine A L N PE L N B stopcontact stekker Scheidingstransformator Oplossingen : 1. We gaan de massa van de scoop verbinden met de Neuter van het net en de signaaldraad van de scoop met de lijndraad (L) van het net. Nu kan er geen kortsluitstroom meer vloeien aangezien de ingangsweerstand van de signaalklem zeer groot is. De massa van de scoop is aangesloten aan de neuter van het net die op zijn beurt verbonden is met de aarding in de transformatiecabine. Deze oplossing is echter zeer moeilijk te realiseren. We weten immers niet welke pen van een stopcontact overeenkomt met de Neuter en welke pen met de fase. =>Nooit uitvoeren. 2. We ontkoppelen de aardingsverbinding van de scoop (stopcontact zonder aardingspen). Indien we nu het bovenstaande meetschema toepassen, zullen alle onderdelen van de scoop die met de massa verbonden zijn (o.a. de behuizing van de scoop) onder spanning komen te staan. Dit is echter zeer gevaarlijk. => Nooit uitvoeren.

8 Opgave oscilloscoopmetingen 8 / We gaan het te meten signaal via een scheidingstransformator aanleggen aan de ingangen van de scoop. Een scheidingstransformator zorgt voor een galvanische scheiding tussen het net en het te meten signaal. 4. We voeden onze scoop via een scheidingstransformator. 5. Meten met een spanningsprobe. (Differential probe) Hiermee kan je het meetsignaal galvanisch scheiden en een aantal keer verzwakken, bv 200x, 50x en 20x. Door de verzwakking kan je ook grotere spanningen meten vb 400VAC. Dit wordt bijvoorbeeld gebruikt in het labo vermogen elektronica. Hiermee lossen we alle voorgaande massaproblemen op, maar dit is een duur toestel. Besluit : In dit labo meten we nooit rechtstreeks de netspanning Opmeten van massaverbindingen Om te controleren of onze meettoestellen en spanningsbronnen galvanisch gescheiden zijn gaan we enkele metingen uitvoeren. Meet m.b.v. een ohmmeter de weerstandswaarde tussen: Functiegenerator Massaklem aarding R (Ω) Scoop Massa CHI Massa CHII R (Ω) Massa CHI - aarding Massa CHII - aarding Functiegenerator Scoop (steek stekkers van beide toestellen in het stopcontact) Massa FG Massa Scoop R (Ω) Spanningsbronnen (stekkers uit het stopcontact) DC-Bron aarding R (Ω) AC transfo aarding DC-Bron - Massa Scoop Besluit : AC transfo Massa Scoop

9 Opgave oscilloscoopmetingen 9 / Instellen van de scoop Schakel de scoop in. Stel de scoop zodanig in dat enkel het signaal van kanaal 1 (Y1 of CHI) zichtbaar is op de scoop. (We sluiten nog geen signaal aan.) CHI/CHII DUAL ADD Knop Stand Stel de TIME/DIV zodanig in dat we een volle lijn op het scherm zien. Druk de knop GD in. In deze stand wordt de massa als signaal aangelegd aan kanaal I. We meten nu nul volt, onafhankelijk van het aangelegde signaal. Laat deze lijn, met behulp van de Y-pos knop, samenvallen met de middenlijn van het scherm. Deze lijn is nu onze referentielijn. Alle te meten signalen worden vanaf deze lijn gemeten Aflezen van een gelijkspanningsignaal We gaan nu een gelijkspanningsignaal van 3V aanleggen aan kanaal I. Hiervoor sluiten we de multimeter aan op de regelbare voeding en stellen deze in op 3V DC. Dit signaal leggen we ook aan op kanaal I van de scoop met behulp van een BNC connector. Om dit signaal zichtbaar te maken moeten we de knop GD uitschakelen en de knop AC/DC in stand DC plaatsen. Stel de draaischakelaar VOLTS/DIV in op 1V/DIV. Hoe kan je nu het signaal van 3V DC aflezen op de scoop? 2.7. Instellen van de verticale versterkers Stel de verticale versterker nu in op 5V/DIV. Kan je nu deze 3V nog steeds nauwkeurig aflezen? Regel de voedingsbron af op 1V aan de hand van het scoopbeeld met de Volts/div ingesteld op 5V/div. Meet nu deze spanning met de multimeter : Schakel de multimeter uit. Stel de Volts/div in op 0,5V/div en regel de voeding opnieuw af op 1V door aflezing op het scoopbeeld. Meet nu opnieuw deze spanning met de multimeter :

10 Opgave oscilloscoopmetingen 10 / 13 Bij welke schaalverdeling is de aflezing het meest nauwkeurig? Stand Volts/div Ingestelde spanning 1V 1V Aflezing scoop Aflezing multimeter Om een waarde nauwkeurig in te stellen of af te lezen gaan we de volts/div steeds instellen op een zo klein mogelijke waarde Instellen van de massalijn Regel opnieuw een gelijkspanning af van 3V DC Stel nu de verticale versterker in op 0.5V/DIV. Wat zie je? We leggen terug het massasignaal aan. (knop GD!!). De instelling van de voeding niet wijzigen!! Regel nu de massalijn zodanig dat deze samenvalt met het op één na laatste horizontale lijntje van het scherm. (beneden op het scherm) Leg vervolgens het signaal van 3V terug aan (knop GD!!). Kan je nu de 3V DC aflezen? De massalijn is steeds de nulreferentie. Om een positief signaal zo groot mogelijk zichtbaar te maken moeten we deze gelijk leggen met een verdeling onderaan het scherm. Regel de massalijn zodaning dat deze weer gelijk valt met de middenlijn van het scherm en pas de schaal aan zodat we het beeld weer op het scherm zien. Tot nog toe hebben we enkel positieve signalen aangelegd. Met de DC-voeding die we in het labo ter beschikking hebben kunnen we echter geen negatieve signalen genereren. Om toch een negatief signaal te kunnen meten gaan we de massa- en signaaldraad aan de bron verwisselen. Concreet komt het er op neer dat we de zwarte draad in de rode aansluitbus en de rode draad in de zwart aansluitbus van de voeding plaatsen. De aansluitingen van de scoop blijven ongewijzigd. Wijzig de versterkingsfactor van de verticale versterker zodanig dat het signaal niet meer zichtbaar is. Waar moeten we nu de massalijn leggen om het signaal zo groot mogelijk op het scherm zichtbaar te maken? De massalijn is steeds de nulreferentie. Om een negatief signaal zo groot mogelijk zichtbaar te maken moeten we deze gelijk leggen met een verdeling bovenaan het scherm.

11 Opgave oscilloscoopmetingen 11 / 13 Leg de massalijn steeds zo dat het signaal zo groot mogelijk zichtbaar is op het scherm. Dit om de nauwkeurigheid te verhogen. Duid op een tekening de ligging van de massalijn altijd aan! Besluit: Waarom is een massalijn noodzakelijk? 2.9. De kalibratieknop Leg terug het positieve signaal aan. (Draden verwisselen). Meet de grootte van het signaal met de scoop en met de multimeter. (invullen in tabel) Verdraai vervolgens de kalibratieknop van de verticale versterker (kleine rode knopje op de volts/div knop). Meet opnieuw de grootte van het signaal met de scoop en met de multimeter. (invullen in tabel) Voor verdraaien kalibratie Scoopmeting Meting met multimeter Na verdraaien kalibratie Scoopmeting Meting met multimeter Zijn alle metingen juist? Waar moeten we dus steeds op letten als we een spanning wensen te meten? Controleer vóór iedere meting of al de kalibratieknoppen in gekalibreerde stand staan! Indien dit niet zo is zullen alle metingen foutief zijn.

12 Opgave oscilloscoopmetingen 12 / Kanaal I / Kanaal II / invert Laat nu kanaal II op het scherm zien. Hiervoor drukken we de schakelaar CHI/CHII in. Druk de knop GD in en merk op dat ieder kanaal een eigen massalijn heeft die we op een willekeurige plaats op het scherm kunnen instellen. Ook de verticale versterker kan van beide kanalen afzonderlijk ingesteld worden (VOLT/DIV). Leg de massalijn in het midden van het scherm. Leg vervolgens de 3V DC van kanaal I aan kanaal II. Stel kanaal II zodanig in dat je de 3V nauwkeurig kan aflezen. Druk vervolgens de INVERT knop in. Wat stel je vast? Welke spanning meten we nu? Waar leggen we de massalijn indien we een grote negatieve spanning vrij nauwkeurig wensen af te lezen? Leg nu de 3V DC op beide kanalen aan. Waarom sluiten we de massa slechts aan 1 kanaal aan? Met behulp van de knop CHI/CHII kan je wisselen tussen kanaal I en II. Merk op dat we van ieder kanaal moeten weten waar de massalijn ligt om een spanning te kunnen aflezen. Hoe kunnen we nu beide signalen gelijktijdig zichtbaar maken? Worden beide signalen nu t.o.v. dezelfde massalijn getekend?

13 Opgave oscilloscoopmetingen 13 / Som van twee signalen tonen: ADD Om de som van twee signalen op het scherm te tonen moeten we volgende 6 handelingen doen: 1) Volts/div CHI/CHII gelijk zetten 2) DUAL uit 3) GD CHI en CHII indrukken 4) Massalijnen op zelfde verdeling zetten 5) GD CHI en CHII uitzetten 6) ADD in Test dit uit door aan kanaal I en II eenzelfde spanning van 3V DC aan te leggen. Als som moet je een signaal van 6V DC bekomen. Hoe kan je nu het verschil van 2 signalen zichtbaar maken op het scherm? Wat meet je? CHI CHII / CHII CHI (schrappen wat niet past)