נספח הכרת מכשירי מדידה חלק א

מתוך מעבדת מבוא בחשמל
גרסה מתאריך 09:40, 26 באוקטובר 2018 מאת Roipi (שיחה | תרומות)

קפיצה אל: ניווט, חיפוש

בנספח זה קיים תקציר על המכשירים במעבדה.

להתעמקות ניתן ללחוץ על התמונות של המכשירים כדי לקבל פירוט, תמונות מהמכשירים וגישה למדריכים למשתמש.

1 שנאי עצמי (וואריאק) ושנאי בידוד

איור 1: שנאי עצמי (וואריאק)
איור 2: שנאי בידוד, בעל יחס השנאה של 1:1

וואריאק חד-פאזי: הוואריאק הינו שנאי עצמי ניתן לשינוי. באופן פשטני ניתן להתייחס אליו כאל מחלק מתח השראתי, כפי שרואים באיור 1.

בחיבור תקני, הדק מס' 1 מחובר למוליך הפאזה של ההזנה החשמלית והדק 2 למוליך האפס (ניוטרל). טעות אנוש עלולה לגרום להפוך חיבורים 1 ו-2 ובמצב זה, המעגל המוזן מהוואריאק נמצא במתח של 220V. לכן יש להימנע ממגע במעגל הניזון מוואריאק, אפילו אם מתח V0 הינו אפס. כדי למנוע את סכנת ההתחשמלות נוהגים לפעמים לחבר את הוואריאק דרך שנאי בידוד, כפי שרואים באיור 2.

מטרת שנאי הבידוד הינה לבודד את היציאה מהכניסה, כלומר להציף את המעגל. לדוגמא: באיור 2 רואים מחולל אותות מוארק מחובר בכניסת השנאי, ואילו ביציאת השנאי נקבל את אותו מתח AC כבכניסה (יחס ההשנאה הינו 1:1), אולם לא יהיה כל קשר גלווני בין המוצא והכניסה.


רוב מכשירי המדידה במעבדה מוארקים לאדמה ויתכן מצב שבו בטעות יקוצר רכיב או ענף במעגל, אולם אם "נציף" את המעגל הרי שאפשרות של קיצור מעגל בטעות היא נדירה יותר.


לשים לב! בעבודה עם שנאי בידוד המבודד את כניסת ה-220V מהמעגל אין הגנה מפני התחשמלות ע"י מפסק הפחת.


במעבדה קיימים שני סוגי שנאים. שני השנאים יכולים לתפקד כשנאי בידוד:

  1. שני אחד הוא בעל יחס השנאה של 1:1 ותגובת תדירות טובה בתחום רחב של תדרים וישמש לבידוד מעגלי מדידה מהמחולל או ממכשיר מדידה ולכן יכונה - שנאי בידוד.
  2. השנאי השני מותאם לעבודה בתדר 50Hz ומסוגל להעביר הספקים גבוהים יותר מהשנאי הראשון. שנאי זה יכונה שנאי הספק וישמש לבידוד מקור הזנה (50Hz מתח נמוך) ממעגלי המדידה.


2 ספק כח למתח ישר

איור 3: מעגל סכמתי של ספק כוח למתח ישר

תפקידו של ספק הכוח להמיר את המתח המתקבל מהרשת (220V/50Hz) למתח ישר (DC) מיוצב ובעוצמה נמוכה (כמה עשרות וולט).

באיור 3 מתואר מעגל סכמתי של ספק כוח.

ספק כוח אחד יכול להכיל בתוכו כמה ספקי כוח נפרדים (במעבדה קיימים 3 ספקים שונים בתוך כל מכשיר בודד) המסוגלים לספק מתח DC בעוצמה של כמה עשרות וולטים (עד 25V במעבדה), עם יכולת הספקת זרם של כמה אמפר (עד 2A במעבדה).

ניתן להכפיל את המתח ע"י אחת משתי הפעולות הבאות:

  1. במידה ושני הספקים צפים, כפי שקיים בסוללות למשל, ניתן פשוט לשרשר אותם (לחבר פלוס של ספק אחד למינוס של הספק השני) ובכך להגדיל את המתח.
  2. במידה ושני הספקים מקוצרים במינוס שלהם, ניתן להפעיל אותם כך שיפיקו עוצמת מתח זהה אך בקוטביות הפוכה, אין צורך לשרשר אותם הפעם כיוון שהם כבר מקוצרים במינוס, ולכן צריך להתחבר בין שני הפלוסים שלהם ומקבלים הפרש פוטנציאלים מוכפל (למשל בין מינוס 25 לפלוס 25 יניב 50V).

הערות:

  • במעבדה אין צורך לשרשר פיזית את הספקים - ניתן להשתמש בתפריט של המכשיר.
  • במכשיר קיימת אפשרות קביעת הגבלת זרם, כדי למנוע מקרה של שריפת רכיבים.


3 רמ"ס (DMM) - רב-מודד ספרתי (Digital Multimeter)

המכשיר נועד למדידת מתח (ישר וחילופין), מדידת זרם (ישר וחילופין) ומדידת התנגדות, תדר וקיבול.

מדידת מתח, מתבצעת על ידי חיבור ההדקים V/Ω ו-Common (הדק "ייחוס") במכשיר. פעולת החיבור זהה במדידת מתח חילופין או מתח-ישר אך יש להקפיד ולהפעיל את הרמ"ס לסוג המתח על ידי לחיצת DCV עבור מתח ישר או ACV עבור מתח חילופין. יש לבחור את תחום המדידה על ידי הלחצן המתאים.

התנגדות הכניסה של מד-המתח במכשיר היא 10MΩ

במצב מדידה DCV הרמ"ס מודד מתח ממוצע (Average), כלומר נקבל 0V אם ננסה למדוד גל סינוסי כפי הקיים ברשת החשמל.

במצב מדידה ACV הרמ"ס מודד מתח RMS, כלומר אם יש גל סינוס עם היסט DC (אשר מהווה את הממוצע של הגל) - המכשיר מתעלם ממנו ומתחשב רק בגל הסינוס.

מדידת זרם דורשת פתיחת המעגל החשמלי וחיבורו מחדש דרך מד הזרם.

מדידת זרם מתבצעת על ידי חיבור בטור של הנקודות Common ו-mA (או 10A). הסימון של mA מציין את ההדרך למדידת זרם של עד 1-2A והסימון של 10A למדידת זרמים גבוהים.

פעולת החיבור זהה במדידת זרם חילופין או זרם ישר אך יש להקפיד ולהפעיל את הרמ"ס לסוג הזרם על ידי לחיצת DCA עבור זרם ישר או ACA עבור זרם חילופין. יש לבחור את תחום המדידה על ידי הלחצן המתאים.

במצב מדידה DCA הרמ"ס מודד את הזרם הממוצע (Average).

במצב מדידה ACA הרמ"ס מודד זרם RMS.

מדידת התנגדות מתבצעת על ידי חיבור הנקודות V/Ω ו-Common במכשיר אל נגד הנמדד ולחיצה על המקש המסומן Ω. חשוב לזכור כי המדידה בפועל היא מדידת המתח השורר על הנגד עקב אילוץ זרם בעוצמה קבועה דרך הנגד הנמדד. על מסך המכשיר מוצגת תוצאת החישוב המתקבלת באופן אוטומטי. יש לנתק את הנגד מהמעגל לפני מדידת התנגדות.

לצורך הכרת אופן הפעולה והשימוש במכשיר, יש להיעזר במדריך למשתמש (User's Guide) של הרמ"ס.

4 משקף תנודות

קיים כאן גם הסבר על משקף תנודות אנלוגי אשר נועד לצורך דידקטי בלבד, בזמן שבמעבדה קיים כבר משקף תנודות דיגיטלי הפועל בעיקרון שונה לחלוטין באמצעות ממיר A/D.

הסעיפים על שק"ק וגל שן-מסור קשורים לסקופ האנלוגי.

האוסצילוסקופ (סקופ) הינו מכשיר המשמש להצגת התלות הזמנית של מתח חשמלי כלומר V כנגד t, או הצגת V1 כנגד V2. הסקופ (האנלוגי אשר אינו קיים יותר במעבדה) בנוי סביב יחידת התצוגה של קרן קתודית (שק"ק).

4.1 שפופרת קרן קתודית (שק"ק)

איור 4: סכימה של שפופרת קרן קתודית

פעילות השק"ק מבוססת על העובדה שקרן אלקטרונים ניתנת לויסות לא רק בעוצמתה אלא גם במהירותה וכיוונה. השק"ק מורכב מהיחידות הבאות (בהתאם לאיור 4):

  • תותח אלקטרונים, קתודה מחוממת הפולטת אלקטרונים העוברים דרך אנודת האצה ומיקוד ויוצרים קרן אלקטרונים.
  • מערכת הטיה, מורכבת משני קבלי לוחות הנמצאים במישורים ניצבים זה לזה:
    1. קבל לוחות אחד מסיט את קרן האלקטרונים בכוון אופקי (ציר x) בשיעור היחסי למתח שעל לוחות הקבל.
    2. הקבל השני מסיט אותה בכיוון y.
    3. פעילותם השקולה תהיה הסתה של קרן האלקטרונים.
  • מסך פלואורוצנטי, חלק מהאנרגיה הקינטית של קרן האלקטרונים מומרת לאנרגית אור במסך.


4.2 מבנה הסקופ (האנלוגי)

איור 5: צורות גלים במשקף תנודות
  • אות מתח חשמלי המסופק לערוץ האנכי גורם להסחה אנכית של הקרן. בערוץ האנכי ישנה אפשרות להנחתה או להגברה של האות הנמדד.
  • גנרטור שן מסור (sweep generator) גורם להסחה אופקית של הקרן ביחס לזמן.
  • אות הדרבון (trigger) למעגל שן המסור מופק מאות הכניסה על ידי מעגל אלקטרוני פנימי ומשמש לסנכרון התמונה (קבלת תמונה יציבה על המסך). דבר זה נעשה על ידי התחלת מחזור שן המסור מנקודה קבועה במחזור של אות הכניסה. באיור 5 נראה אופן פעולת מעגל שן המסור כאשר אות הדרבון נבחר ברמת מתח חיובית ובשיפוע חיובי (כלומר בעליית האות).


4.3 הסקופ במעבדה

המשקף תנודות במעבדה הוא מד-מתח דו-ערוצי, כלומר ניתן למדוד בו-זמנית 2 ערוצי מתח אנלוגי, המאפשר הצגת האות הנמדד על גבי מסך. המכשיר מאפשר מדידה ותצוגת פרמטרים בסיסיים של האות (תדר, זמן מחזור, מתח VP-P, זמן עלייה (Rise Time), זמן ירידה (Fall Time) וכו'.

במכשיר קיימת אפשרות שמירת האות על גבי זכרון נייד, או הורדת הקבצים למחשב שבעבמדת העבודה.

הסקופ מבוסס על מערכת אלקטרונית המכילה רכיבי A/D ו-D/A ויחידת עיבוד מרכזית לעיבוד נתונים ממוחשב.

הסקופ מסוגל למדוד אותות ברוחב סרט של עד 70MHz, קצב דגימת האות 2GSa/Sec, עם זיכרון לשמירת האות הנדגם בגודל 10MB/Ch, יכולת ביצוע פעולות מתימטיות כגון חיבור/חיסור הערוצים וכן FFT.

הרגישות המירבית הינה ΔYmin=1mV/cm והמינימלית הינה ΔYmax=5V/cm

רזולוציית הזמן המירבית הינה ΔXmin=5ns/cm והמזערית הינה ΔXmax=50s/cm

התנגדות הכניסה של כל ערוץ הינה RIN=1MΩ וקיבול CIN=14pF

לצורך הכרת אופן הפעולה והשימוש במכשיר, יש להיעזר במדריך למשתמש (User's Guide).

להלן מספר הערות חשובות:

  • בחלק העליון של המסך מופיעים תמיד הפרטים Volt/cm, Time/cm ושיטת הסינכון וכן מיקום אמצע המסך ואמצע התמונה המוצגת.
  • מצידו השמאלי של המסך מופיע ציר הייחוס האופקי לכל כניסה על ידי סימן "אדמה" ושם הערוץ הנדגם.
  • כל הפקדים פועלים בשיטת On/Off כלומר כל לחיצה משנה את מצבם. בנוסף, לחיצה על מקש תגרום להופעת התפריט המתאים לו על המסך תוך התייחסות לתפקוד החדש של כל אחד מששת הלחצנים בתחתית המסך.
  • בתחתית המסך, מעל ששת הלחצנים מופיעה כתובית המאתרת את תיפקודו הנוכחי של הלחצן.
  • לחיצה קצרה על אחד מששת הלחצנים תגרום להופעת תפריט ייעודי למצבו הנוכחי של הלחצן. כל לחיצה קצרה נוספת תשנה את הקביעה, הסימן ✓ (וי) ליד אחת האפשרויות בתפריט מתאר את הקביעה הנוכחית.
  • למכשיר Built-In Quick Help. לחיצה ממושכת על אחד מששת הלחצנים תגרום להופעת הודעת Help המתאימה למקש ובמצבו הנוכחי.


5 מחולל אותות (Waveform Generator)

המשתנים הקובעים את אופיו של אות חילופין הם:

  • צורת האות
  • תדר האות
  • עוצמת המתח
  • מתח היסט - DC Offset
  • Duty - Cycle

מחולל האותות במעבדה מבוסס על מערכת ממוחשבת הכוללת בתוכה סדרת התקני A/D ו-D/A. באמצעות התקנים אלו ניתן לקבוע בצורה ספרתית את עוצמת המתח המבוקשת ואת צורת הגל שלו.

בנוסף למשתנים שתוארו בפתיח, המחולל הנתון בעל יכולות נוספות כגון אפנון AM, איפנון FM, איפנון FSK, יצירת Sweep של תדרים, יצירת "רעש לבן" וכו'.

לצורך הכרת אופן הפעולה והשימוש במכשיר, יש להיעזר במדריך למשתמש (User's Guide).

הערות חשובות:

  • אות סינוסי או מרובע אפשרי בתחום 1μHz עד 20MHz
  • אות משולש או "שן מסור" אפשרי בתחום 1μHz עד 200KHz
  • עוצמת המתח האפשרית במחולל מ-100mVP-P עד 20VP-P
  • התנגדות היציאה של המחולל אותות הינה 50Ω
  • בתצוגת המתח מופיע ערך הדרישה ולא מתח ההדקים המושפע מהתנגדות העומס.
  • ניתן להגדיר למחולל את התנגדות העומס באחת משתי הצורות הבאות: 50Ω או High Impedance. במידה ומוגדר 50Ω ערך התצוגה הינו מחצית ערך הדרישה.
  • אי-לכך נדרש תמיד למדוד את מתח ההדקים ולא להסתמך על ערך התצוגה.

5.1 קביעת מתח ההיסט DC Offset

במצב פעולה רגיל, מתח המוצא נע סביב ערך 0V ועל-כן איננו מכיל מתח DC. לעיתים צריך להוסיף מתח DC בדרך כלל לצורך קבלת דפקים חיוביים או שליליים.

ערך מתח ההיסט המירבי (VOFF-MAX) מותנה בערכים המירביים של האות (VP-P):

VP-P+2|VOFF-MAX|≤2Vmax

Vmax הינו מתח מירבי (peak voltage) של 5V עבור התנגדות מוצא של 50Ω ו-10V עבור High Impedance.

5.2 קביעת Duty Cycle

איור 6: קביצת Duty-Cycle

Duty Cycle הינו גודל הנמדד באחוזים (%) ומתאר את פרק הזמן מתוך כל המחזור בו עוצמת האות גבוהה. בדר"כ גודל זה הינו 50% כלומר שני חצאי המחזור שווים באורכם.

ניתן לשנות במעבדה את ה-Duty Cycle בתחום 20%-80% עבור תדר הנמוך מ-10MHz

5.3 מציאת עקום בעזרת Sweep

כאשר רוצים למצוא עקום היענות של מעגל נבדק, מזינים בכניסת המעגל תדרים שונים ומודדים במוצא המעגל את הגבר המעגל בכל תדר.

תוצאת המדידות הינה בקירוב תגובת המעגל (הגבר) לתדר A(f).

המיגרעת של שיטה זו הינה בכך שדרושה כמות גדולה מאוד של מדידות על מנת לקבל עקום היענות מדוייק.

המחולל במעבדה מאפשר סריקת תדרים אוטומטית ורציפה - SWEEP המאפשרת קבלת עקום היענות מיטבי בתחום תדר מוגדר.