Pedagogická fakulta Masarykovy univerzity Katedra technické a informační výchovy
Měření v elektronice
PaedDr. Ing. Josef Pecina, CSc. Mgr. Pavel Pecina, Ph.D.
2007
Cíl kapitoly Student:
• Po prostudováni budete schopni •
Objasnit pojmy: měření, elektrické měření, měřicí přístroje, přesnost měření, analogový a digitální měřící přístroj, citlivost měřicího přístroje, rozlišovací schopnost, měřicí rozsah, chyba měření, přímé a nepřímé měřící metody.
•
Popsat správný postup při měření univerzálními měřicími přístroji.
•
Objasnit postup při měření těchto veličin: elektrické napětí, elektrický proud, elektrický odpor, kapacita kondensátorů.
•
Vysvětlit funkci osciloskopu.
• Vysvětlit měření diod, tranzistoru, tyristorů a triaků. Nakreslit příslušná zapojení pro měření.
V praktické elektronice je měření základem úspěšné práce. Pro potřeby amatérské školní nebo domácí elektrodílny nám postačí jednoduché prostředky – základní měřicí přístroje (měření el.napětí, proudu, odporu, měření kapacit kondensátorů, měření diod a tranzistorů). Některá měření jsou velmi častá (např. identifikace hodnot součástek nebo uvádění hotového zařízení do chodu). Obecně platí, že je třeba vědět, co je možné měřit a kde a jak to měřit, aby byly výsledky použitelné. Proto je nezbytně nutné rozumět způsobu použití měřicích přístrojů a znát jejich možnosti (zapojení do obvodu, měřicí rozsah apod.).
1.1. Základní pojmy v měřicí technice Měření je souhrn činností, které mají za cíl určit hodnotu měřené veličiny (vyjádřit hodnotu veličiny v jednotkách této veličiny). Elektrické měření je měření elektrických veličin a měření neelektrických veličin s využitím elektrických měřících prostředků. K měření používáme míry, měřicí přístroje a převodníky. Míra je měřidlo, které během používání reprodukuje hodnotu nebo hodnoty měřené veličiny (např. rezistor známé hodnoty). Měřicí přístroje se dělí na analogové a číslicové.
Údaj na analogovém měřicím přístroji je spojitou funkcí měřené veličiny (např. poloha ručky na stupnici). Číslicový měřicí přístroj poskytuje měřenou hodnotu v číslicovém tvaru (číslo na displeji ve zvolené jednotce).
Měřicí převodník transformuje vstupní veličinu (elektrickou nebo neelektrickou) podle určité zákonitosti na výstupní veličinu (zpravidla elektrickou). Série měřicích členů, kterými prochází měřený signál, se nazývá měřicí řetězec. První člen měřicího řetězce, na který bezprostředně působí měřená veličina, se nazývá snímač (čidlo, senzor).
Přesnost měření je míra těsnosti, se kterou výsledek měření vyjadřuje správnou hodnotu měřené veličiny. Zcela přesnou hodnotu měřené veličiny nikdy nezměříme. Místo ní pracujeme s tzv. konvenčně pravou hodnotou. Ta se získá měřením pomocí přesnějšího přístroje nebo přesnější metody .
Citlivost měřicího přístroje nebo zařízení je poměr změny výstupní veličiny (údaje přístroje) ke změně vstupní (měřené) veličiny. Příliš malá citlivost může zhoršit přesnost měření. Konstantní citlivost (nezávislou na hodnotě měřené veličiny) mají lineární převodníky.
Rozlišovací schopnost (rozlišení) je nejmenší změna měřené veličiny, která vyvolá detekovatelnou změnu údaje přístroje (např. dílek nebo polovinu dílku stupnice u analogového přístroje nebo změnu posledního místa číslicového zobrazovače o jedničku u číslicových přístrojů).
Měřicí rozsah přístroje nebo převodníku vyjadřuje meze hodnot, ve kterých se může pohybovat měřená veličina, aby byla měřena se zaručovanou přesností.
Ovlivňující veličina je veličina, která sice není předmětem měření, avšak která ovlivňuje údaj měřidla.
Chyba měření charakterizuje přesnost měření. Je to odchylka naměřené hodnoty měřené veličiny od správné hodnoty měřené veličiny. Jejími částmi jsou velikost a znaménko. Vyjadřuje se jako absolutní chyba nebo relativní chyba.
1.2. Měřicí metody Měřicí metoda je souhrn teoretických poznatků a praktických operací použitých při měření. Podle způsobu stanovení měřené veličiny se měřicí metody dělí na přímé a nepřímé: 1. Přímé měřicí metody: výsledek měření se získá odečtením údaje jediného přístroje. Příkladem je změření el. napětí pomocí voltmetru. 2. Nepřímé měřicí metody: výsledek měření se získá výpočtem hodnoty funkce několika proměnných. Hodnoty těchto proměnných se získají pomocí přímých měřicích metod. Příkladem. Příkladem je určení el. odporu z údaje voltmetru a ampérmetru pomocí Ohmova zákona. Podle provedení měření rozlišujeme: Základní měřicí metody - měřená veličina se stanoví měřením základních veličin (např. délky, hmotnosti času). Srovnávací metody – měřená veličina se stanoví srovnáním s veličinou téhož druhu a známé hodnoty.
1.2.1 Analogové a digitální (číslicové) zobrazení Analogové měřicí přístroje jsou všechny ručkové přístroje (obr.73). Analog (řecky) = odpovídající. Ručička se pohybuje na základě mechanického principu. Analogové zobrazení ukazuje naměřený výsledek na stupnici jako úsek (např. u teploměru) nebo jako úhel (např. u ručkového přístroje). Analogové měřicí přístroje pracují na různých principech: •
Silové působení na vodič s el. proudem v magnetickém poli- magnetoelektrická soustava.
•
Silové působení mezi železnými částmi v magnetickém poli cívky, kterou prochází proud- elektromagnetická soustava.
•
Silové působení na vodič, kterým prochází proud v poli elektromagnetuferodynamická (elektrodynamická) soustava.
Obr. 73 Univerzální analogový měřicí přístroj
Digitální měřicí přístroje mají místo měřicí sestavy analogovo - digitální převodník. Naměřená hodnota se zobrazuje jako číslo - např. zobrazení pomocí 14 segmentů nebo pomocí sedmi segmentů (obr. 74).
Úplná zobrazovací jednotka může zobrazit všechny číslice (0-9). Pokud je možné zobrazit první místo jen číslicí 1 nebo 0, jedná se o jednotku ½ místnou. Zobrazení na obr. 2 je 3 ½ místné. Naměřená hodnota na digitálním přístroji je zobrazena číslem. Digitální multimetry nemají žádné pohyblivé mechanické díly. Analogové hodnoty jsou převáděny na digitální a mají většinou měřicí zesilovač. Protože převodníky zpracovávají pouze stejnosměrné napětí, musí se střídavé napětí a proud usměrnit. Z toho důvodu je přesnost měření střídavého proudu menší než přesnost měření stejnosměrného proudu.
Obr. 74 Univerzální digitální měřicí přístroj
Moderní digitální přístroje jsou velmi dobře ovladatelné. V lepším provedení jsou vybaveny automatickou volbou rozsahu (zvolí podle měřené veličiny optimální měřicí rozsah) a pamětí pro uchování naměřené hodnoty i po měření. Většina zobrazovacích jednotek na bázi tekutých krystalů (LCD) má velmi malou spotřebu proudu. Je však citlivá na nízkou teplotu. Proto je třeba zamezit měření při teplotách pod 0 ºC.
Při měření univerzálními měřicími přístroji postupujeme takto: •
Nastavíme druh proudu (střídavý nebo stejnosměrný) a druh měřené veličiny. U analogových měřicích přístrojů volíme vždy horní měřicí rozsah.
•
Připojíme měřicí vedení nejprve k měřicímu přístroji a potom k měřenému místu. Při měření proudu a odporu nejprve odpojíme zdroj proudu.
•
Připojíme zdroj proudu. Odpor měříme vždy ve stavu bez proudu.
•
Odečteme naměřenou hodnotu. U analogových přístrojů případně přepneme na vhodný měřicí rozsah tak, aby naměřená hodnota byla v horní třetině stupnice. Digitální přístroje ukazují naměřenou hodnotu přímo číslem.
Po ukončení měření odpojíme zdroj proudu a vypneme přístroj. U analogových přístrojů nastavíme největší měřicí rozsah.
1.3. Chyby měření Žádným měřením není možné získat zcela správnou hodnotu měřené veličiny. Každé měření je zatíženo chybou. Cílem studia chyb je nalezení celkové chyby, jejich dílčích složek a jejich příčin. Analýza chyb je základní podmínkou zvyšování přesnosti měření. Výsledek měření je neúplný, pokud neobsahuje možný rozsah chyb, neboli tzv. neurčitost měření. Chyba měření ( anglicky error of measurement) je odchylka naměřené hodnoty měřené veličiny od správné hodnoty měřené veličiny. Jejími součástmi jsou velikost a znaménko.
Chyba charakterizuje přesnost měření. Vyjadřuje se jako absolutní chyba nebo relativní chyba. Absolutní chyba - ∆ měřené veličiny X je
∆ ( x) = X m − X s
Xm – naměřená hodnota Xs- pravá(konvenčně pravá) hodnota Absolutní chyba se vyjadřuje v jednotkách měřené veličiny (např. A, V). Relativní chyba - δ je bezrozměrné číslo. Může se také vyjádřit v procentech.
δ ( x) =
∆ ( x) Xs
;
δ ( x) =
∆ ( x) Xs
100 (%)
Podle toho jak se chyby projevují při opakovaných měřeních, je dělíme na systematické a náhodné. Dále budeme v této kapitole hovořit o tzv. statických chybách. Jsou to chyby pro
konstantní nebo pomalu proměnné veličiny. Při měření se kromě nich vyskytují i tzv. dynamické chyby, které jsou způsobené tím, že reakce měřicího přístroje se zpožďuje za změnami měřených veličin buď v důsledku setrvačnosti mechanických pohyblivých částí, nebo v důsledku konečných dob potřebných pro přelévání energie v elektrických obvodech s kapacitami a indukčnostmi.
Chyby mají různé příčiny: •
Chyb při odečítání.
•
Chyby při obsluze.
•
Chyby dané typem zapojení.
•
Chyby přístrojů.
Chyby při odečítání mohou vzniknout při odečítání hodnoty z ručkového měřicího přístroje z šikmého úhlu pohledu (obr. 75). Této chybě je možno předejít tím, že podložíme ručku zrcadlem. Chybný výsledek může způsobit i nepřesné aretování. Aretace je nastavení (vyrovnání) měřicího přístroje tak, aby ukazoval co nejpřesnější hodnotu. Před každým měřením je třeba zkontrolovat nulové nastavení ručky přístroje.
Obr. 75 Chyba při nevhodném úhlu odečítání
Chyby při obsluze mohou vzniknout při nevhodně zvoleném rozsahu nebo při špatně nastaveném druhu proudu.
Chyba při špatné poloze analogového měřicího přístroje vznikají, jestliže měříme s přístrojem v nevhodné poloze. Univerzální měřicí přístroje mají většinou horizontální pracovní polohu (značka
). Měřicí přístroje v ovládacích panelech mají většinou vertikální pracovní
polohu (značka
).
Chyby dané typem zapojení jsou dány zapojením měřicího přístroje. Může to být nevhodně zvolená měřicí metoda, při které se uplatní např. vliv vnitřního odporu přístroje. Tyto chyby (omyly) při zapojení mohou i poškodit měřicí přístroj.
Chyby přístrojů vznikají při jejich výrobě (např. nevhodným skladováním, které způsobí tření v ložiscích). Chyby měřicích přístrojů se udávají v procentech měřicích rozsahu na stupnici. Podle této chyby se měřicí přístroje zařazují do tříd přesnosti (viz. tabulka).
Třída přesnosti ručkového měřicího přístroje udává přípustnou absolutní chybu v procentech měřicího rozsahu.
Příklad: Voltmetr s měřicích rozsahem 300v a třídou přesnosti 1 má absolutní chybu +-1% měřicího rozsahu tj +- 3V. Tato chyba platí pro libovolnou výchylku. Pro měření 100V je tedy relativní chyba 3%. Při měření 30v je to však 10%. Chyby měření dané třídou přesnosti (relativní chyby) jsou nejmenší v poslední třetině stupnice.
Digitální měřicí přístroje mají chybu, která je složena z vlastní chyby měření a chyby zaokrouhlení při digitalizaci. Chyba se vztahuje k naměřené hodnotě a pohybuje se mezi hodnotami +-0,1 % až 1,5 % .
Chyba nastavení posledního místa vyplývá z rozlišovací schopnosti digitálního převodníku. Udává se v digitech (krocích). Je minimálně +-1 digit. Chyba měření digitálního měřicího přístroje se skládá z vlastní chyby měření a z chyby digitalizace.
1.3.1 Systematická chyba
Systematická chyba je složka chyby měření, která při opakovaných měřeních téže veličiny zůstává stálá, nebo se předvídatelným způsobem mění. Příčiny této chyby mohou být známé i neznámé. Pokud lze tuto chybu zjistit pomocí jiného – přesnějšího měření nebo když je příčina jejího vzniku známá, lze tuto složku chyby odstranit korekcí. Lze li zjistit konvenčně pravou hodnotu měřené veličiny Xs jiným přesnějším měřením, můžeme absolutní a relativní systematickou chybu série opakovaných měření veličiny X zjistit podle vztahů: ∆ syst ( x ) = X − X s
δ syst ( x ) =
∆ syst ( x ) Xs
100 (%)
Symbol X je výběrový průměr z N opakovaných měření Xi.
X =
1 N
n
∑X i =1
i
1.3.2 Náhodná chyba Náhodná chyba je složka chyby měření, která se při opakovaných měřeních stejné veličiny(za realizovatelně stejných podmínek) nepředvídatelně mění. Tuto chybu není možné odstranit korekcí. Jediný způsob zpracování této chyby je zvýšit počet měření (alespoň na 20) a výsledky zpracovat statistickými metodami. Tak lze získat střední hodnotu opakovaných měření a jejich rozptyl (varianci). Rozptyl se většinou charakterizuje směrodatnou odchylkou.
Příčiny náhodných chyb jsou různé: •
Šumy
•
Neznámé změny podmínek měření (teplota, vlhkost, rušivá elektromagnetická pole). Pokud ale měříme teplotu okolí a známe teplotní koeficienty měřicího zařízení, je chyba vlivem změn teploty chybou systematickou a tedy korigovatelnou.
•
Zaokrouhlování výsledků měření, v případě analogového měřicího přístroje zaokrouhlování provádí pozorovatel na nejbližší dílek nebo jeho část. Číslicové měřicí přístroje zaokrouhlují výsledek samočinně. U číslicových přístrojů se tento druh chyb nazývá kvantizační šum.
1.4. Neurčitost měření V praxi se většinou nespokojujeme s chybou jednotlivého měření, ale zajímá nás meze intervalu, mezi kterými leží skutečná hodnota měřené veličiny. Šířka tohoto intervalu je rovna dvojnásobku absolutní hodnoty největší možné absolutní chyby měření po korekci systematické chyby. Neurčitost měření (absolutní hodnota největší možné chyby měření nebo tolerance měření) je dána chybami přístrojů, tolerancemi rezistorů, kondenzátorů a cívek užívaných v měřeních (většinou tzv. etalonů a dekád), náhodnými chybami (krajní chybou) a vnějšími rušivými vlivy. Tolerance jsou dány pouze jako absolutní hodnoty /∆maxX/ nebo /δmaxX/. Jejich znaménko neznáme.
Aby byly hodnoty /∆maxX/
nebo /δmaxX/ nalezené,
z tolerancí a náhodných chyb opravdu největšími možnými chybami měření, je nutno korigovat systematickou chybu. Pro měřicí systém nebo měřicí přístroj, který se zkládá z velkého počtu součástí je určení maximální možné chyby z tolerancí všech součástí nereálné. Je totiž velmi malá pravděpodobnost, že všechny součástí mají chyby téhož znaménka a největší hodnoty. Jsou – li hodnoty použitých součástek sice nepřesné, ale časově stálé, lze určit výslednou systematickou chybu experimentálně a korigovat ji při výrobě. Tak lze vyrábět velmi přesné složité přístroje (např. digitální voltmetry) z méně přesných ale časově stabilních dílů.
Při hledání neurčitosti měření postupujeme jinak v případě přímých měření a jinak v případě nepřímých měření.
1.5. Měření elektrického napětí Měření napětí patří mezi nejčastější měření a existuje k tomuto účelu velké množství přístrojů – voltmetrů. V současné době jsou již velmi rozšířené digitální multimetry, které lze zapojit jako voltmetry. V kapitole o výbavě elektrodílny jsme se zmiňovali, že i ty nejjednodušší multimetry měří kromě el. napětí (střídavého i stejnosměrného) i el. proud (stejnosměrný) a el. odpor. V elektronice měříme napětí stejnosměrné, střídavé nízkofrekvenční a vysokofrekvenční. Měřené napětí může být souměrné a nesouměrné (obr. 76. Souměrné je napětí zdroje, který nemá ani jeden pól spojený se zemí (s kostrou přístroje) a na zem (kostru přístroje) je zapojen elektrický střed zdroje, takže obě svorky mají proti zemi stejné napětí. Je li jeden pól měřeného napětí spojen s kostrou přístroje a ze zdroje není vyveden střední vývod, hovoříme o nesouměrném napětí. U stejnosměrných zdrojů jsou někdy oba póly izolovány od kostry. Proti kostře potom není žádné napětí.
Obr. 76 Souměrné a nesouměrné napětí
Na následující stránce máme na obrázku znázorněny průběhy napětí v závislosti na čase a jim odpovídající měřicí metody (obr. 77).
Obecně platí, že voltmetr připojujeme přímo ke dvěma místům, mezi kterými očekáváme nějaké napětí (paralelně k měřenému místu). Připojením voltmetru měřené místo do určité míry zatěžujeme. Zatížení závisí na vlastnostech samotného měřeného obvodu a hlavně na
vnitřním odporu měřidla. To je důležitý parametr. Moderní digitální měřicí přístroje prakticky nevyžadují proud od měřeného obvodu. Tyto přístroje mají tedy velký vnitřní odpor, který se pohybuje v řádech megaohmů a tím prakticky nezatěžují měřený obvod a výsledek odpovídá skutečnosti. Naměřené hodnoty ukazuje přímo několikamístný displej. Spotřeba těchto přístrojů je také nepatrná. Proto je většina těchto přenosných přístrojů napájena destičkovou baterií 9V, která v nich dlouho vydrží. Jsou velmi vhodné pro měření v elektronických obvodech, které se vyznačují velkým vnitřním odporem, a proto“měkkým“ napětím. Nejsou vhodné k měření v silnoproudých zařízeních, především na střídavých rozsazích. V některých případech se dnes ještě můžeme setkat s analogovými (ručkovými) měřicími přístroji. Avšak pro jejich zastaralost a výrobní útlum používání se jimi nebudeme v souvislosti s měřením napětí podrobněji zabývat.
Obr. 77 Průběhy napětí v závislosti na čase a jim odpovídající měřicí metody
Digitálním měřicím přístrojům tedy předcházely přístroje analogové. Avšak nespokojenost s jejich malou přesností vedla ke vzniku digitálních přístrojů. Také vadilo to, že se muselo rozlišovat, jakou hodnotu má který dílek na stupnici při určitém rozsahu. Vznikl požadavek rychlého a současně přesného zjištění měřené hodnoty, její vyhodnocení a také následné předání dalším obvodům.
Obr. 78 Zapojení voltmetru do obvodu
Počátky digitálních měřicích přístrojů
pro měření napětí a proudu nebyly jednoduché.
Konstrukce se vyznačovaly složitostí a často i těžkopádností. Obsahovaly mnoho integrovaných logických obvodů
nízké integrace a údaj se četl na digitronech. Hlavní
problém spočíval v tom, že veličiny jako napětí, proud i odpor jsou typickými analogovými veličinami. Znamená to, že se jejich hodnota mění plynule, což nevyhovuje digitálnímu způsobu zpracování. Ten požaduje informace v podobě jednotlivých bitů.
Bylo tedy nutné nejprve převést analogové údaje na digitální, což není jednoduché. Zásadní obrat nastal koncem osmdesátých let, kdy byl zkonstruován analogově digitální převodník, označovaný jako A/D. To byl velký krok kupředu, protože velmi zjednodušil dosavadní konstrukce číslicového voltmetru, ampérmetru i ohmmetru. Na obrázku (obr.78) máme zapojení voltmetru do obvodu. U měření střídavého napětí hraje roli i kmitočet (frekvence). Elektronické střídavé voltmetry mají frekvenčně kompenzované
vstupní děliče i měřicí
zesilovače a jsou tedy frekvenčně nezávislé běžně do desítek až stovek kHz. U levnějších
přístrojů není kompenzace provedena nebo je velmi nedokonalá, proto může s narůstajícím kmitočtem narůstat i výchylka.
1.6. Měření elektrického proudu Elektrický proud měříme pomocí přístroje - ampérmetru. V současné době lze všechny běžné mutlimetry zapojit jako ampérmetr.
V běžné konstruktérské praxi se el. proud měří méně často než el. napětí. Je to proto, že se proud většinou sleduje hned na výstupu stabilizovaného zdroje. Stabilizované zdroje jsou běžně vybaveny voltmetrem i ampérmetrem. Zkušený konstruktér rozezná na základě odběru proudu, zda se obvod chová standardně nebo ne. K dobrému odhadu je třeba mít mnoho znalostí i zkušeností. Ty lze získat pravidelným vyhodnocováním situace za pomoci měřidel, která používáme.
Ampérmetr zapojujeme tak, že jej zařazujeme do obvodu - tedy do série se sledovaným obvodem. (obr. 79). Tím ovšem vnášíme určitou chybu do činnosti obvodu, protože proudu v cestě stojí odpor měřidla, který tam původně nebyl. Z tohoto faktu je logické, že se snažíme o to, aby byl vložený odpor ampérmetru co nejmenší. Této podmínce se dá vyhovět, jedná li se o konstrukci samotného ampérmetru. Současné ampérmetry jsou velmi přesné. Výrobci multimetrů udávají přesnost lepší než 1%.
Obr. 79 Zapojení ampérmetru do obvodu
1.7. Osciloskop Osciloskop slouží k měření, zobrazování a určování časových průběhů napěťových elektrických signálů (převážně periodických). Osciloskopem lze měřit i další elektrické veličiny – el. proud, kmitočet a fázový posun. Lze určit i charakteristiky součástek. Fázové posuny, proudy a charakteristiky (např. charakteristiky rezistorů, diod nebo tranzistorů) lze osciloskopem měřit nepřímo. To klade vysoké nároky na měřicí obvod. Osciloskop má velký vstupní odpor (většinou 1MΩ), proto je měřený obvod vstupním odporem osciloskopu zatěžován velmi málo. Osciloskop se skládá z těchto hlavních částí: •
Obrazovka.
•
Vertikální zesilovač vstupního signálu, Y - zesilovač.
•
Časová základna (generátor pilových kmitů pro horizontální vychylování).X – zesilovač.
•
Síťový zdroj (včetně zdroje vysokého napětí pro obrazovku).
Schematická značka osciloskopu je na obrázku (obr. 80)
Obr. 80 Schematická značka osciloskopu
Něž zapneme osciloskop, je třeba zkontrolovat následující základní nastavení (obr. 81). Knoflíky nastavení jasu, nastavení horizontální a vertikální polohy obrazu mají být přibližně ve střední poloze.
Tlačítko zapnuto - vypnuto v poloze zapnuto.
Nastavení, které slouží k cejchování, např. nastavení vertikální výchylky na údaj „CAL“ se musí nastavit do cejchované polohy. Jinak dojde ke zkreslení měření.
Tato základní nastavení jsou pro všechny osciloskopy shodná. Po zapnutí se nastaví elektronový paprsek vertikálním a horizontálním posuvem na střed obrazovky. Když se objeví na obrazovce jen jeden stálý bod, je zřejmě vypnuta časová základna (tlačítko přepnuto na X – Y). Při práci je třeba šetřit obrazovku a pracovat s malým jasem. Zaostřením elektronového paprsku vytvoříme nejtenčí stopu na stínítku.
Obr. 81 Panel dvoukanálového osciloskopu
Pomocí dvoukanálového osciloskopu lze sledovat průběh dvou současných periodických signálů.
Při měření napětí osciloskopem nesmí být překročeny mezní hodnoty osciloskopu, které jsou uvedené výrobcem. Můžeme měřit stejnosměrné napětí, střídavé napětí, nesinusové napětí i vyšší napětí (např. 600V).
Stejnosměrné napětí změříme tak, že vstupní volič nastavíme na DC (Direct Currentstejnosměrný proud). Citlivost vertikálního zesilovače nastavíme na velký rozsah (např. 20V/div{divit=dílek} nebo 20V/cm). Elektronový paprsek se podle polarity vychýlí nahoru nebo dolů (obr. 82). Pokud je vychýlení paprsku přiliš malé, nastavíme napětí na dílek na
nižší hodnotu – např. 2V/div (tím zvýšíme citlivost). Velikost napětí se spočítá tak, že vynásobíme výchylku (v dílcích) a citlivost. Pokud bude na našem obrázku citlivost osciloskopu např. 5V/div, bude výpočet následující: +5V* 2V/dílek = 10V.
Změřené stejnosměrné napětí má tedy hodnotu 10V.
Obr. 82 Měření stejnosměrného napětí
Střídavé napětí měříme tak, že nastavíme vstupní volič na AC (alternating current – střídavý proud). V základní poloze je elektronový paprsek vždy ve středu obrazovky. Je možné číst přímo špičkovou hodnotu Um nebo horní a spodní vrchol Um (obr. 83). Efektivní hodnotu napětí U ale musíme spočítat. Pro sinusový průběh platí:
U=
Um 2
= U m ⋅ 0,707
Obr. 83 Měření střídavého napětí
Nesinusové napětí je třeba měřit hlavně u usměrňovačů. V tomto případě se jedná o napětí, které je složenou ze dvou složek - stejnosměrné složky a střídavé složky. Elektricky se obě složky oddělí vstupním děličem. Pokud se nastaví na „AC“, je na vstupu osciloskopu uzavřena cesta stejnosměrné složce napětí. Pokud se osciloskop nastaví na „DC“, měří se celkové nesinusové napětí. Pokud se nastaví „AC“, měří se střídavá složka napětí. Aby bylo možné střídavé napětí dobře změřit, je nutné nastavit napětí na jeden dílek na menší hodnotu (např. 0,1V/div).
Kmitočet f se osciloskopem měří nepřímo. Nejdříve musíme změřit délku periody T. potom se kmitočet f vypočte podle vztahu:
f =
1 [Hz,sec] Příklad výpočtu máme na obrázku (obr. 84) T
Obr. 84 Měření kmitočtu
Osciloskopem lze nepřímo měřit i el. proud. Postupuje se tak, že se měří úbytek napětí na známém malém odporu v měřicím obvodu (např. 1Ω) a z hodnot napětí a odporu se podle Ohmova zákona vypočítá proud. Křivka průběhu napětí zobrazuje i průběh proudu. U střídavého proudu musíme dosadit efektivní hodnotu napětí.
Dvoukanálovým osciloskopem lze změřit i fázový posun mezi dvěma napětími nebo proudy (např. mezi vstupním a výstupním napětím nízkofrekvenčního zesilovače nebo mezi proudem
a napětím indukčního spotřebiče). Lze určit i charakteristiky součástek(rezistorů, diod, nebo tranzistorů).
Osciloskop tak0 umožňuje měření kmitočtu pomocí lissajousových křivek. Nejde o přímé měření frekvence, nýbrž o určení neznámého kmitočtu srovnáním s jiným kmitočtem, jehož přesný kmitočet známe.
I do této oblasti výrazným způsobem zasáhla výpočetní technika. V současné době lze zakoupit osciloskopické karty, které promění osobní počítač v osciloskop. V literatuře jsou také popsány postupy, jak si osciloskop naprogramovat. Touto problematikou se ve svých publikacích zabývá např. B. Kainka (2000, 2002).
1.8. Měření elektrických odporů V praktické elektronice je třeba vždy zjistit a přeměřit hodnoty odporů rezistorů, použitých pro příslušnou elektronickou konstrukci. Odpor můžeme měřit přímo nebo nepřímo. •
Přímo odpor měříme pomocí ohmmetrů nebo měřicích můstků. Běžné digitální multimetry dnes dokáží měřit el. odpor v několika rozsazích až do 20 MΩ. Při měření svorky ohmmetru připojujeme přímo na vývody rezistoru. Měření se musí provádět v bezproudovém stavu.
•
Nepřímo lze odpor vypočítat z naměřených hodnot napětí a proudu podle Ohmova zákona.
1.9. Měření kondenzátorů U kondensátorů se měří průchodnost a kapacita. Pro průchozí zkoušku se používá ohmmetr nebo přístroj na měření průchodnosti. Kondensátory nepropouštějí stejnosměrný proud, a proto musí být u kvalitního kondensátoru naměřený odpor nekonečný. U kondensátorů s kapacitou v řádech mikrofaradů dojde po připojení ohmmetru ke krátkodobému vychýlení ručičky. Kondensátor dostane z vestavěného zdroje stejnosměrného napětí ohmmetru proudový náraz. Když je kondensátor v pořádku, ukazuje po jeho plném nabytí ručička ohmmetru na nekonečno.
Kapacita kondensátorů se měří měřícími můstky kapacity (měřicí můstek RLC). Pokud takto měříme, je možné číst přímo hodnotu kapacity. U kondensátorů s větší kapacitou (např. od 10 nF) je možno kapacitu nepolarizovaných kondensátorů stanovit měřením proudu a napětí. K tomu se využívá střídavé napětí o známé frekvenci (např. 50 Hz). Kapacita se vypočte z reaktance Xc a z hodnot napětí, proudu a frekvence. Pokud je např. kondensátor připojen ke zdroji střídaného napětí U = 24V o frekvenci 50 Hz a prochází jím proud 16mA, spočítáme kapacitu následovně:
C=
1 1 = = 2 µF 2 ⋅ πf ⋅ X C 2 ⋅ π ⋅ 50 ⋅ 1500
1.10. Měření diod a tranzistorů Polovodičové diody můžeme zkoušet ohmmetrem nebo testerem přechodu PN. Ohmickou metodou pomocí ohmmetru je možné diody zkoušet pouze staršími analogovými ohmmetry. Digitálními to už není možné. Digitálními multimetry je možné zkoušet diody testerem přechodu PN. Tím jsou dnes vybaveny většinou i ty nejjednodušší digitální mutimetry. Tato funkce měří napětí U na přechodu PN při minimálním proudu.(Obr. 85) V propustném směru zkoušečka ukáže u dobré diody hodnotu blízkou prahovému napětí. Ta je příbližně 500mV, u led diod může být až 1500 mV.
Obr. 85 Napětí na přechodu
V závěrném směru neukáže žádnou hodnotu. Pokud dioda není s pořádku, může být proražená nebo přerušená.
Tranzistory se mohou zkoušet zapojené nebo nezapojené. Nezapojené tranzistory můžeme měřit ohmetrem nebo testerem přechodu PN. Měří se přechody mezi bází a kolektorem a mezi bází a emitorem. Měřicí proud by měl být menší, jak 1 mA, aby součástka nebyla přetížena. U zapojených tranzistorů se měří napětí mezi bází a emitorem- UBE a napětí mezí kolektorem a emitorem – UCE.. Napětí UBE může být maximálně 1,5V. Pokud má větší hodnotu, je zpravidla tranzistor špatný.
U všech měření je třeba dávat pozor na typ
tranzistoru (PNP nebo NPN). Je tím dána polarita měření.
1.11. Měření tyristorů a triaků V elektronických konstrukcích většinou používáme nové tyristory a triaky. Tyto nové součástky není třeba nijak měřit. Přesto při podezření na zničení součástky nebo pokud chceme ověřit jejich správnou funkci, můžeme měření
realizovat na následujících
zapojeních.: 1. Tímto obvodem prověříme: A/ Závěrnou charakteristiku diody D. Součástka je v pořádku, pokud změříme velmi malý proud (10-6 až 10 –4A) při napětí do 120V. Součástka je vadná, pokud změříme velký proud při napětí do 120V. B/ Závěrnou charakteristiku tyristoru T1. Měřená součástka je v pořádku, pokud změříme velmi malý proud (10-6 až 10 –4A) při napětí do 120V. Součástka je vadná, pokud naměříme velký proud při napětí do 120V. C/ Blokovací charakteristiku triaku ve III kvadrantu. Měřená součástka je v pořádku, pokud změříme velmi malý proud (10-6 až 10
–4
A) při napětí do 120V. Součástka je vadná, pokud
naměříme velký proud při napětí do 120V.
2. Tímto obvodem prověříme: A/ Blokovací charakteristiku tyristoru T1. Měřená součástka je v pořádku, pokud změříme velmi malý proud (10-6 až 10 –4A) při napětí do 120V. Součástka je vadná, pokud naměříme velký proud při napětí do 120V.
B/ Blokovací charakteristiku triaku v I. kvadrantu. Měřená součástka je v pořádku, pokud změříme velmi malý proud (10-6 až 10
–4
A) při napětí do 120V. Součástka je vadná, pokud
naměříme velký proud při napětí do 120V.
3. Tímto obvodem prověříme: A/ Propustné vlastnosti diody D. Součástka je v pořádku, pokud svítí žárovka Z2. Součástka je vadná, pokud svítí obě žárovky nebo nesvítí žádná žárovka. B/ Spínací vlastnosti tyristoru. Součástka je v pořádku, pokud svítí žárovka Z2 při propojené řídící elektrodě G1 s odporem R1. Součástka je vadná, pokud svítí obě žárovky při odpojené G1 nebo nesvítí žádná žárovka nebo svítí některá žárovka při odpojené G1. C/ Spínací vlastnosti triaku. Součástka je v pořádku, pokud svítí obě Z1 a Z2 při propojené řídící elektrodě G 2 s odporem R1. Součástka je vadná, pokud svítí obě nebo některá z žárovek při rozpojené G2 nebo nesvítí- li žádná žárovka při propojené G2.
Otázky a úkoly •
Objasněte pojmy: měření, elektrické měření, měřicí přístroje, přesnost měření, analogový a digitální měřící přístroj, citlivost měřicího přístroje, rozlišovací schopnost, měřicí rozsah.
•
Popište správný postup při měření univerzálními měřicími přístroji.
•
Jaké máme chyby měření? Vyjmenujte a popište je.
•
Jaké příčiny mají chyby měření?Vyjmenujte je a popište.
•
Objasněte postup pří měření těchto veličin: elektrické napětí, elektrický proud, elektrický odpor, kapacita kondensátorů.
•
Vysvětlete funkci osciloskopu, vyjmenujte ze kterých hlavních částí se skládá a objasněte zásady práce s osciloskopem.
•
Vysvětlete správně měření diod, tranzistoru, tyristorů a triaků. Nakreslete příslušná zapojení pro měření.
Literatura BASTIAN, P. A KOL. Praktická elektrotechnika. Praha: Sobotáles, 2004. ISBN 80-86706-07-9. MALINA, V. Poznáváme elektroniku I. České Budějovice: Kopp, 1995. ISBN 80-85828-25-1. TKOTZ, K A KOL. Příručka pro elektrotechnika. Praha: Sobotáles, 2002. ISBN 80-86706-00-1.
