Ismertesse a villamos áramkörök szimulációjára használható szoftverek típusait! Az egyik csoportba az áramkör tervezéshez használható szoftverek (az angol nyelvű szakirodalomban: Circuit-Oriented Simulators) tartoznak, pl. SPICE, (ennek a teljesítményelektronikában használható változata a PSPICE), az EMTP, SABER, CASPOC, TINA stb. A szimulációs szoftverek másik csoportja olyan feladatok megoldására alkalmas, amelyekben nem konkrét áramköröket tanulmányozunk, hanem általánosabb jelenségeket, amelyek leírására a rendszer differenciál-egyenleteinek megoldásából kapott egyenletek, időfüggvények a legalkalmasabbak. Ezeket a szoftvereket egyenlet-megoldó típusúaknak nevezzük (az angol nyelvű szakirodalomban: Equation Solvers). Az egyenletek megoldására bármilyen magas szintű programnyelvet használhatunk (pl. C++), de sokkal gyorsabban érhetünk el eredményt az erre a célra kifejlesztett szimuláció szoftverekkel (pl. MATLAB) 2. Ismertesse az ELECTRONICS WORKBENCH főbb jellemzőit! Viszonylag egyszerű, könnyen elsajátítható program, elsősorban oktatási célokra fejlesztették ki. áramkör tervezéshez használható szoftver A kapcsoláshoz szükséges alkatrészeket, műszereket az egérrel egyszerűen át kell húzni a munkalapra. Ezek után az egyes alkatrészeket össze kell kötni, amit az egér húzásával tudunk megoldani. A kapcsolás összeállítása után az áramköri elemeknek értéket kell adni, be kell állítani a műszereknél az áram nemet (DC vagy AC) továbbá meg kell adni a belső ellenállásokat. Méréshatárt nem kell beállítani, a műszerek automatikus méréshatár beállítással rendelkeznek. Tetszőleges számú alkatrészt, valamint volt-, és ampermérőt használhatunk, de csak egy multiméter és egy oszcilloszkóp használható. 3. Hány alkatrészt tartalmazhat ELECTRONICS WORKBENCH használatakor a „mérésben” szereplő áramkör? Tetszőleges számú alkatrészt, valamint volt-, és ampermérőt használhatunk, de csak egy multiméter és egy oszcilloszkóp használható. 4. Melyek a szimulációs szoftverek alkalmazásának legfontosabb előnyei? A mai korszerű szoftverek mindegyikénél az áramkörök kapcsolási rajzának bevitelére grafikus szerkesztő áll rendelkezésre, amely rendkívüli mértékben egyszerűsíti és meggyorsítja a feladatok megoldását. Nagy értékük az, hogy gazdag, a legismertebb gyártó cégek termék választékát tartalmazó alkatrész könyvtárral rendelkeznek, amely a felhasználó által folyamatosan bővíthető. 5. Mi az elméleti alapja az ellenállás V-A módszerrel történő mérésének? Az ellenállás mérés egyszerű megoldása az, hogy mérjük a vizsgált ellenállás kapcsain az u egyenfeszültséget [V], és mérjük az ellenálláson átfolyó i áramerőséget [A]. Az Ohm törvényből következik, hogy a mérendő ellenállás értéke: R = U / I [Ω] 6. A mérőműszerek milyen paraméterei és tulajdonságai befolyásolják a mérési eredmények pontosságát? Kis ellenállások esetén a mérés pontosságát alapvetően az árammérőn eső feszültség befolyásolja, a feszültségmérő által felvett áram a mérendő ellenálláson átfolyó áramhoz képest kicsi, ezért célszerű a feszültséget az ellenállás kapcsain mérni. A nagy ellenállások mérésére célszerű nagyobb feszültséget alkalmazni, hogy jól mérhető áramerősséget kapjunk. Ebben az esetben a mérés pontosságát alapvetően a feszültségmérő által felvett áram befolyásolja, az árammérőn eső feszültség a feszültségforrás feszültségéhez képest kicsi, ezért célszerű a feszültséget az ampermérő előtt mérni. 1.
7.
Mi a különbség a műszerek elrendezésének hatásában a kis, illetve a nagy ellenállás értékek mérésekor? A kis ellenállások mérésére jellemző, hogy viszonylag kis feszültségen, nagy áramerősséggel végezzük. A nagy ellenállások mérésére célszerű nagyobb feszültséget alkalmazni, hogy jól mérhető áramerősséget kapjunk. (c és d ábra)
Milyen eltérést kapunk, ha egyenfeszültséggel, illetve váltakozó feszültséggel mérjük az ellenállást? Röviden: semmilyet. 8.
Egyenfeszültség esetén
Ha ugyanerre a hálózatra váltakozó feszültséget kapcsolunk, akkor szintén igaz a fenti képlet. A feszültség és áram helyére írhatjuk a mennyiségek effektív értékét és csúcsértékét is. A hányados minden időpillanatban ugyanakkora lesz, mert a feszültség és az áramerősség fázisban van egymással. R=U / I =Ueff / Ieff=Ucs / Ics 9. Mi az elve a Thévenin illetve a Norton helyettesítő kapcsolásnak? „A Thévenin tétel értelmében a tetszőleges kétpólus az a-b kapcsok felől nézve egyenértékűen helyettesíthető egy ideális feszültséggenerátorral és egy belső impedancia soros eredőjével. Az ideális feszültséggenerátor feszültsége az eredeti áramkör a-b kapcsain üresjárásban [(Zk = ∞), (ik = 0)] mérhető feszültségével egyenlő. “ „A Norton tétel értelmében valamely kétpólus nemcsak ideális feszültséggenerátorral és vele soros impedanciával, hanem ideális áramgenerátorral és vele párhuzamosan kapcsolt impedanciával is egyenértékűen helyettesíthető.”
10. Hogyan határozza meg oszcilloszkópos méréssel két szinuszos időfüggvény közötti fáziseltolást? 1. A mérésvezető irányításával ismerje meg a digitális frekvencia- és időmérő műszer működési üzemmódjait és kezelését! 2. Állítsa össze a 2.6.3 ábra szerinti kapcsolást! 3. A komparátor szerepének vizsgálata és kimenőjelének ellenőrzése céljából jelenítse meg kétsugaras oszcilloszkópon, egymás alatt a komparátor bemenetén és a kimenetén lévő jelet! E vizsgálatot mindkét komparátornál végezze el! Figyelje meg, hogy a bemenő jelhez viszonyítva hol vált előjelet a kimeneti jel! 4. A mérésvezető irányítása mellett a digitális időméréshez a frekvenciamérőn állítsa be megfelelően a SLOPE kapcsolókat! 5. Olvassa le és jegyezze fel a dt időeltérést, majd mérje meg a jelgenerátoron beállított jel dt periódusidejének pontos értékét! Számolja ki a fáziseltolást! 6. Ismételje meg önállóan a fázisszög mérést f=100Hz-es frekvenciájú szinuszos jel esetére. 7. Ismételje meg önállóan a fázisszög mérést f=500Hz-es frekvenciájú szinuszos jel esetére. 8. Hasonlítsa össze a kapott eredményeket az oszcilloszkópos mérési eredményekkel. 11. Miből állapítja meg, hogy adott időfüggvény késik vagy siet egy másik időfüggvényhez képest?
Ha az uZ és uR jelek közötti időeltérés t és a generátor jelének periódusideje TP , akkor a fáziseltolódás nagysága:
képernyőjéről a megfelelő hosszúságok méréséből meghatározható. E módszerrel a fázisszög előjele (az impedancia jellege) is meghatározható. (Pl. a 2.5.3b ábra szerinti oszcilloszkóp-kép esetén Z kapacitív jellegű, mert az áram siet a feszültséghez képest.)
12. Hogyan változik az uR vektor végpontjának helyzete a soros RC kör vektorábrájába rajzolható Thales-körön a feszültségforrás frekvenciájának változtatásakor?
Frekvencia változtatásával változik a periódusidő, így a fi értéke is (ld. fázisszög mérése oszc.) 13. Mi a hatásos, látszólagos és meddő teljesítmény? Hatásos: A hatásos teljesítmény egy adott áramkö rben az időegység alatt hővé alakuló
elektromos energia „A fogyasztó által felvett hatásos teljesítmény közvetlenül meghatározható azelektrodinamikus teljesítménymérővel. P=U I cos [W] Az elektrodinamikus teljesítménymérő (wattmérő) a hatásos (wattos) teljesítményt méri. Ez az a teljesítmény, amit valóban hasznosítani tudunk. (metafora: a korsó sörben ez a sör). Meddő: A pillanatnyi teljesítmény (mind3 teljesítmény pillanatyni…) Meddő teljesítmény mérését jelen foglalkozás során nem végzünk, de az 5.11 ábra szerinti kapcsolásban mért mennyiségekből annak értéke könnyen kiszámítható: Q=
=
[VAr]
ahol a teljesítménytényező, meghatározása útján sin számítható. A meddő teljesítmény a komplex impedanciáknak köszönhetően jelenik meg, és azokkal arányos. Ezt a teljesítményt nem tudjuk hasznosítani. (metafora: a korsó sörben ez a hab) Látszólagos: Az áramkör kapcsain mért feszültség amplitúdója (más néven reaktív telj.) és a kapcsokon keresztülfolyó áram effektív értékeinek szorzata. „A látszólagos teljesítmény a mért feszültség és áram szorzata: S=U I [VA] Itt U és I effektív értékek.” (metafora: a korsó sörből ez a sör és a hab)
14. Hogyan kell bekötni a teljesítménymérőt? Az elektrodinamikus teljesítménymérő műszer áramtekercsét sorosan, a feszültségtekercsét pedig párhuzamosan kell az egyenáramú fogyasztóval kapcsolni (5.9 ábra). A fogyasztó egy tetszőleges terhelő ellenállás. „Az elektrodinamikus teljesítménymérő (wattmérő) áram és feszültség tekercsét az 5.10 ábra szerint kell a mérendő áramkörbe kapcsolni. A teljesítménymérésben hibát okoz a feszültségtekercs Iv árama, ezért az Re ellenállást a lehető legnagyobbra választják és beépítik a műszerbe. Re ismeretében mód van a korrekcióra, ha megmérjük az Ut feszültséget is. A műszerről leolvasott kitérést a műszerállandóval megszorozva megkapjuk a teljesítményt wattban. A műszerállandó az áram- és feszültség-méréshatár szorzatának (pl. 5 A, 150 V) és a végkitérésnek (pl. 150°) a hányadosa. (Példánkban a műszerállandó 5 W/°).” 5.10 ábra
15. Hogyan határozható meg a háromfázisú teljesítmény értéke két wattmérős módszer (Aron kapcsolás) alkalmazása esetén? Az 5.12 ábra szerinti elrendezésben az 1-es wattmérő áramtekercsén az iR áram folyik át, feszültségtekercse az uRT vonali feszültségre van kapcsolva. A II. wattmérő áram tekercsének árama: iS, feszültségtekercsén a feszültség: uST.” Mivel a három fázis áramainak összege minden pillanatban zérus, „ezért belátható, hogy a két wattmérő kitérésének összege megegyezik a háromfázisú pillanatnyi teljesítménnyel. A háromnfázisú P hatásos teljesítmény szimmetrikus esetben megegyezik a pillanatnyi teljesítménnyel, vagyis P p(t). Az 5.13 ábrán látható a vektorábra, amelyen bejelöltük a két műszer kitérésével arányos PI és PII mennyiségeket is. A vektorábrából látszik, hogy 60°-nál kisebb fázisszög esetén mind a két wattmérő kitérése pozitív, 60°-nál nagyobb fázisszögű fogyasztónál a II. wattmérő negatív iráyba tér ki, mivel PII 0, ezért feszültségtekercsének két végét fel kell cserélni. Ezt a műszereken általában megtalálható átkapcsoló gomb segítségével érhetjük el. Átkapcsolás után ennek a műszernek a kitérését negatív előjellel kell figyelembe venni. A háromfázisú hatásos teljesítmény tehát: P = P1 + P2, ha fi < 60fok P = P1 - P2, ha cos(fi) < 0,5
16. Mit kell tudni a wattmérő helyes használatáról? Ha túllépjük a névleges áramot, vagy feszültséget, akkor a műszer tekercsei leéghetnek; kis cos(fi) esetén pl. a műszer alig tér ki, az áram- vagy feszültség- tekercse mégis túlterhelődhet.” 17. Hogyan célszerű a teljesítménymérőt leolvasni? A skála síkjára merőleges irányból nézzük, hogy ne legyen leolvasási hiba. 18. Miért kell fokozottan figyelni a teljesítménymérő méréshatárainak beállításánál? Ha túllépjük a névleges áramot, vagy feszültséget, akkor a műszer tekercsei leéghetnek; kis cos(fi) esetén pl. a műszer alig tér ki, az áram-vagy feszültség-tekercse mégis túlterhelődhet.”
