Dokumentasjon og reparasjonsteknikk 8200417611 [PDF]

Zitiervorschau

Per Wick

Dokumentasj on og repar asj ons teknikk Bokmål

Universitetsforlaget

© Universitetsforlaget AS, 1996

ISBN 82-00-41761-1

Det må ikke kopieres fra denne boka i strid med åndsverkloven eller avtaler om kopiering inngått med Kopinor, Interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk.

Kopiering i strid med lov eller avtale kan medføre erstatningsan­ svar og inndragning, og kan straffes med bøter eller fengsel. Læreboka er godkjent av Nasjonalt læremiddelsenter i septem­ ber 1996 til bruk i videregående skole på studieretning for hånd­ verks- og industrifag, VK1 elektronikk. Godkjenningen er knyttet til fastsatt læreplan av juni 1994, og gjelder så lenge læreplanen er gyldig.

Spørsmål om denne boka kan rettes til: Universitetsforlaget Postboks 2959 Tøyen, 0608 Oslo

Omslag: Tor Bergli Trykk: HS-Trykk A/S, Oslo 1996

Forord Denne boka gir en teoretisk innføring i faget dokumentasjon og systematisk feilsøking for elever i VK1 elektronikk etter Reform 94. Faget er av natur praktisk rettet, og jeg har forsøkt å legge fram stoffet med dette for øyet. Boka tar for seg skjemasymboler, blokksymboler og fargekoder for både konvensjonelle og overflatemonterte komponenter. Jeg har lagt størst vekt på oppbygningen av og virkemåten til målein­ strumenter og på hvordan de brukes til å lokalisere feil på elek­ tronisk utstyr.

Gjennom en rekke eksempler på feilsøking i elektroniske appara­ ter har jeg vist hvordan vi vurderer feilsymptomer på arbeidsordren og gjennomgår feilsøkingsprosedyre ved hjelp av fullsten­ dig servicedokumentasjon. I slutten av boka finner dere et vedlegg som tar for seg kvalitets­ sikring, ESD og nyttige begreper og definisjoner.

Bergen, september 1996

Per Wick

Innhold 1 Komponentsymboler og fargekoder Innledning 8 Norske normer for elektrotekniske komponentsymboler 8 Komponentkunnskaper 9 Komponentsymboler 9 Fargekoder 12 Overflatemonterte komponenter - SMD 14 Fargekoder for overflatemonterte komponenter 17 Kontrollspørsmål 20

2 Blokkskjemasymboler og bruken av dem 21 Innledning 22 Blokksymboler 22 Norges elektrotekniske komité 23 Klassifisering av symboler 24 Blokkskjemasymboler 26 Kontrollspørsmål 29 3 Måleinstrumenter 31 Introduksjon 32 Universalinstrumenter 32 Analoge måleinstrumenter 32 Digitale måleinstrumenter - DVM 45 Hvordan et digitalt voltmeter virker 46 Kontrollspørsmål 59 4 Måleteknikk 61 Generell måleteknikk 62 Måling av individuelle komponenter 68 Måling av induktiviteten 73 Måling av halvledere 74 Kontrollspørsmål 89

5 Oscilloskopet 91 Innledning 92 Oscilloskopet 92 Blokkdiagram for et analogt oscilloskop 95 Tilleggsfunksjoner 111 Kontrollspørsmål 114 6 Digitalt lagringsoscilloskop 115 Innledning 116 Digitalt lagringsoscilloskop 116 Sampling og digitalisering 118 Kontrollspørsmål 129

7 Måleutstyr og programmer for oscilloskop 131 Måleprober 132 Nye oscilloskoptyper 139 Grensesnitt 142 Valg av oscilloskop: analogt, digitalt eller begge deler 144 Analogt, digitalt eller begge typer oscilloskop? 149 Kontrollspørsmål 151

8 Signalgeneratorer 153 Innledning 154 Signalgeneratorer 154 Funksjonsgeneratorer 156 Høyfrekvensgeneratorer 161 Arbitrære signalgeneratorer 165 Kontrollspørsmål 170 9 Feilsøking og servicearbeid 171 Innledning 172 Feilsøkingsmetodikk 172 Metodisk feilsøking 172 Periodiske fei] 179 Servicedokumentasjon til Onkyo Model A-830 182 Eksempler på feil 1 185 Kontrollspørsmål feil 1 191 Sammensatte systemer, radio, kassettspillere og CD-spillere 192 Eksempler på feil 2 198 Kontrollspørsmål feil 2 205 Analogt oscilloskop 206 Eksempler på feil 3 211 Kontrollspørsmål feil 3 215

10 Lodding og reparasjon av kretskort 217 Generelt om lodding 218 Valg av loddemetall og flussmiddel 220 Loddestasjoner 221 Kontrollspørsmål 11 Kundebehandling 235 Forbrukerkjøpsloven 236

Appendiks 239 Elektrostatiske utladninger og felter 240 ISO 9000 242 Definisjoner og begreper 244 Stikkord 251

6

1 Komponentsymboler og fargekoder

A

K

Skjemasymbol

Farge punkt

Farge punkt

Fargekode— merket _ diode V | Katode og startring

Mål I dette kapitlet skal du lære om • de vanligste komponentsymbolene • fargekodene for passive komponenter • overflatemonterte komponenter • merkesystemer for overflatemonterte komponenter

7

Innledning Når du har gjennomgått dette kapitlet, skal du kjenne de mest kjente komponentsymbolene og komponenttypene og kunne litt om de vanligste fargekodene for komponentverdier.

9.6.8 968 01 IEC 06-16-01

Kraftforsyning.

Statisk generator, hovedsymbol.

Systemer for sikkerhetskontroll er nevnt, slik at du får et inn­ blikk i opprinnelsen og hensikten med slike systemer. Videre er det i slutten av kapitlet tatt med en del definisjoner som kan være til hjelp når du studerer de andre kapitlene i boka.

Roterende generatorer: Se kapittel 5. 968 02 IEC 06-18-06

Fotogenerator. Generator med fotospenningskilde. Se forøvrig symbol 953 01.

968 03 IEC

Termoelektrisk generator.

968 04 968 05 968 06

(utgår) (utgår) (utgår)

968 07 IEC 06-14-03

968 08

968 09 IEC 06-14-04

968 10 IEC 06-14-05

Varmekilde ikke spesifisert.

Se IEC 617-6 side 30.

Likeretter. IEV 151-01-57, IEV 551-02-02

(utgår)

Brukoblet likeretter.

Vekselretter. IEV 151-01-58, IEV 551-02-03

Likestrømomformer.

968 12 IEC 10-16-20

Statisk vibrator ("chopper"). Omformer likespenning til firkantpuls

do. alternativt symbol. Ikke angitt i IEC 617-10.

Eksempel fra NEK 144 (1988)

8

Norsk Elektroteknisk Komite (NEK) er en statlig institusjon som samarbeider med andre internasjonale organisasjoner for å standardisere symbolbruk både internasjonalt og nasjonalt.

Ofte betegnet dobbelt likeretter. IEV 551-04-23

968 1 1 IEC 06-14-02

968 13 IEC

Norske normer for elektrotekniske komponentsymboler

Den normen som nyttes i Norge i dag, er beskrevet i NEK 144 (1988) og er et utdrag av IEC-norm 617, bind 1 til og med 13. Symboler fra andre internasjonale standarder er også brukt, og en kryssreferanse er tilføyd i hvert tilfelle. Flere land har i en del sammenhenger sine egne symboler, særlig for logiske kombinatoriske kretser. For eksempel er Bell-symbolene for kombinatoriske kretser mye brukt i ame­ rikansk utstyr. Det er nødvendig å kjenne til de mest brukte symbolene, der de er forskjellige fra NEK-symbolene.

Komponentkunnskaper De fleste vanlige komponentene, som motstander, konden­ satorer, dioder, transistorer og integrerte kretser, er kjent fra grunnkurset og blir ikke særlig omtalt her. Å identifisere ordi­ nære komponenter av forskjellige slag på kretskort og ellers i apparater, er også kjent fra grunnkurset.

På kretsskjemategninger skal komponentene tegnes etter stan­ darden i NEK 144, uavhengig av type, kapsling eller grad av integrering. Overflatemonterte komponenter, SMD (SurfaceMounted Devices), ser annerledes ut enn konvensjonelle kom­ ponenter. Det er vanskeligere å se forskjell på en kondensator og en motstand ut fra den fysiske utformingen av en overflate­ montert komponent enn for komponenter med tilledninger, beregnet for kretskort med hull.

Overflatemontert komponent

Overflatemonterte komponenter blir mer og mer utbredt. Det er nødvendig å lære seg kodene for dem, slik at vi med et raskt blikk kan foreta en sikker identifisering av de forskjellige komponentene.

Komponentsymboler De vanligste komponentsymbolene for kretselementer bør være kjent for de fleste. Likevel tar vi noen med her. Ofte hen­ der det at elever spør om hva de forskjellige symbolene står for. En elektroniker må ha kjennskap til blokkskjemasymboler og komponentsymboler og er hjelpeløs uten. o

A sette seg ned og pugge symbolene skulle ikke være nødven­ dig. De fleste blir innarbeidet i løpet av skoleåret. Men det er til stor hjelp å skaffe seg en oversikt over de mest brukte sym­ bolene, både komponentsymboler og blokksymboler, så tidlig som mulig i skoleåret. Det gjør elevene i stand til å finne fram i krets skjemaene på egen hånd. Her følger et lite utvalg av NEKs godkjente kretsskjemasymboler, godkjente bokstavsymboler og tegn fra NEK 144 (1988).

9

9.3 9.3.1 931 01 IEC 04-01-01

Resistors and capacitors.

Faste motstander.

Fixed resistors.

Motstand, hovedsymbol.

Resistor, general symbol.

-- 1

931 02 IEC

Spenningsdeler med ett fast uttak.

Voltage divider with one tap.

931 03 IEC 04-01-09

Spenningsdeler med to faste uttak.

Voltage divider with two taps.

931 04 IEC 04-01-10

Shunt.

Shunt.

931 05 IEC 04-01-12

Varmemotstand.

Heating element.

Regulerbare motstander.

Variable resistors.

932 01 IEC 04-01-03

Regulerbar motstand.

Variable resistor.

932 02 IEC 04-01-07

Regulerbar spenningsdeler. Potensiometer.

Variable voltage divider. Potentiometer.

932 03 IEC (04-01-06)

Markering av "av-stilling".

Indication of "off position".

Faste kondensatorer.

Fixed capacitors.

933 01 IEC 04-02-01

Kondensator, hovedsymbol.

Capacitor, general symbol.

933 02 IEC 04-02-05

Polarisert kondensator, hovedsymbol.

Polarized capacitor.

933 03 IEC 04-02-03

Gjennomføringskondensator.

Lead-through capacitor. Feed-through capacitor.

9.3.4

Regulerbare kondensatorer.

Variable capacitors.

934 01 IEC 04-02-07

Regulerbar kondensator.

Variable capacitor. Adjustable capacitor.

934 02 IEC 04-02-09

Forhåndsinnstilt kondensator. Ofte kalt trimmekondensator.

Trimmer.

934 03 IEC 04-02-11

Differensialkondensator.

Differential capacitor.

9.3.2

9.3.3

934 04 IEC 04-02-13

10

Motstander og kondensatorer.

1--

-- lill--

-- -----—

|

|

+| T

z Capacitor with preset adjustment.

C| + C2 = konstant

Delt stator kondensator.

Cl =c2

4

1

Split capacitor.

—

J

1

9.4.2 942 01 IEC 05-03-01

942 02 IEC 05-03-05

942 03 IEC 05-03-08

942 04 IEC 05-03-06

942 05 IEC 05-03-07

Dioder.

Diodes.

Halvlederdiode, hovedsymbol.

Semiconductor diode, general symbol.

IEV 521-04-02

Tunneldiode.

Tunnel diode.

IEV 521-04-04

U ni tunneldiode.

Backward diode. Unitunnel diode.

IEV 521-04-05

Spenningsreguleringsdiode. Spenningsreferansediode.

Voltage regulator diode. Voltage reference diode.

IEV 521-04-11 IEV 521-04-10 do. bidirektiv.

do. bidirectional.

Finnes ikke i IEV.

K apasi tansdi ode.

Variable-capacitance diode.

IEV 521-04-06

9.4.3 943 01 IEC 05-04-04

943 02 IEC 05-04-05

Beskrivelsen av symbolet i IEC 617-5 er uklar, men NEK antar at symbolet angir et halvleder termoelement. IEV 521-04-14

Diode where use is made of its temperature dependence.

Tyristorer.

Thyristors.

Tyri stor.

Thyristor.

Kan benyttes som hovedsymbol. Symbolet representerer en reversblokkerende tyristortriode når styringstype ikke er angitt. Se IEC 617-5 seksjon 4. IEV 521-04-38.

May be used as a general symbol. The symbol represents a reverse blocking triode thyristor when no specification of the type of gate is given. See IEC 617-5 section 4.

N-tyristor.

N-gate thyristor.

IEV 521-04-47

P-tyristor.

P-gate thyristor.

IEV 521-04-46

943 04 IEC 05-04-03

943 05 IEC 05-04-11

943 06 IEC 05-04-07

943 07 IEC 05-04-12

Bidirektiv tyristordiode. Diac.

Bidirectional diode thyristor. Diac.

IEV 521-04-43

Bidirektiv tyristortriode. Triac.

Bidirectional triode thyristor. Triac.

IEV 521-04-44

Slukketyristor.

Tum-off thyristor.

Uspesifisert type. IEV 521-04-45

Gate not specified.

Reversledende tyristortriode.

Reverse conducting triode thyristor.

Uspesifisert type. IEV 521-04-42

Gate not specified.

11

Fargekoder Verdier på passive komponenter som motstander og konden­ satorer, og i noen tilfeller induktivitet, er angitt med fargede ringer eller bånd rundt komponentene.

Denne måten å merke komponentene på kan til å begynne med virke tungvint. Men dersom du prøver å lese de små bok­ stavene på komponentene på et kretskort, er det lett å forstå hvorfor det er gjort på denne måten. Etter hvert venner du deg til fargekodene, og det blir lettere å forholde seg til dem. De er universelle og brukes på alle typer konvensjonelle komponenter.

Motstander med fire fargebånd Kullmotstander har ofte fire bånd. Tre av båndene brukes til å angi motstandsverdien og det fjerde til å angi toleransen i pro­ sent av angitt verdi.

Siffer

Siffer

Motstand med fire fargebånd

Multiplikator

Toleranse

1

For å finne motstandsverdien må du først finne toleransebåndet. Det har en større avstand til de tre andre båndene enn disse har seg imellom, eller det er bredere enn de andre båndene. Toleransen er oftest angitt med fargene gull eller sølv.

2

Båndet lengst fra toleransebåndet gir verdien på det første sifferet i motstandsverdien. Det neste gir verdien på det andre sifferet, og det tredje båndet gir potensen av tallet 10 som de to første skal multipliseres med for å få motstandsverdien. Se tabell 1.1. Farge svart brun

rød oransje gul grønn blå fiolett grå hvit gull sølv

12

Siffer

0 1 2 3 4

5 6 7 8 9

Multiplikator 1 = 10° 10 = 101 100 = 102 1000 = 103 10 000 = 104 100 000= 105 1000 000 = 106 10 000 000 = 107 100 000 000= 108 1000 000 000 = 109 0,1 = 10-1 0,01 = 10-2

Toleranse

1% 2%

0,5% 0,25% 0,1%

5% 10%

Er toleransebånd utelatt, betyr det at motstanden har en tole­ ranse på ± 20 %. Motstander som har et femte bånd med rosa farge, har en høy stabilitet i forhold til temperatur og aldring. For øvrig er de vanligste toleranseverdiene:

Blå

Rød

Oransje

Rød

Figur 1.0 Fargebåndene på en motstand på 62 000 Q (62 k£l) med toleranse på ± 2 % av angitt verdi

sølv gull rød brun

± 10% ±5 % ±2% ± 1 %

Motstander med fem fargebånd Det finnes motstander som har fem fargebånd. De tre første angir tallverdien, og det fjerde angir multiplikatoren. Det femte båndet gir toleransen. Det er oftest motstander med stor presisjon og liten toleranse som har dette systemet. Fargene har her de samme tallverdiene som vist i tabell 1.1.

1 23 4 5

Siffer

Faktor

Toleranse

Figur 1.2 viser en motstand med fem fargebånd, og hvordan motstandsverdien regnes ut

Kondensatorer Mange typer kondensatorer, for eksempel elektrolyttkondensatorer og tantalkondensatorer, har vanligvis alfanumerisk merking, det vil si at kapasitetsverdi og arbeidsspenning er trykt på kondensatoren. Fargekoden blir brukt spesielt på polyesterkondensatorer. De har vanligvis fem fargebånd. Far­ gene har samme sifferverdi for kondensatorer som for mot­ stander, både når det gjelder verdi og multiplikator, men måten fargebåndene er plassert på, gjør systemet litt annerle­ des.

13

Kondensatorer med fem fargebånd: 1

Fargebåndet på toppen av kondensatoren angir det første sifferet i kapasitetsverdien på kodensatoren.

2

Det neste båndet gir verdien på det andre sifferet, og det tredje gir multiplikatoren.

Husk at multiplikatoren starter fra pikofarad, 1012 F.

3

Det fjerde båndet gir toleransen i ± prosent av oppgitt verdi.

4

Det femte båndet, nærmest tilkoplingsledningene, gir kondensatorens arbeidsspenning.

Vanlige farger for arbeidsspenning er Gul Fiolett Oransje Grønn Gul

rødt = 250 V likespenning gult = 400 V likespenning For toleranser betyr fargene

svart - ± 20 % hvitt = ± 10 % grønt = ± 5 % Figur 1.3 Fargekoden på en kondensator på 47 000 pF med toleranse ± 5 % og en arbeidsspenning på 400 V DC

Figur 1.3 viser fargekoden på en kondensator på 47 000 pF, med ± 5 % toleranse og en arbeidsspenning på 400 V DC.

Overflatemonterte komponenter - SMD Overflatemonterte komponenter, SMD (Surface Mounted Devices), er en forholdsvis gammel teknikk. Den kom med innføringen av tykktilmteknikken (teknikk for framstilling av komponenter, halvledere osv.) for ca. 40 år siden. I de senere årene har denne teknikken hatt en rivende utvikling. Overfla­ temonterte komponenter er beregnet for montering oppå kretskortet og har ikke tilkoplingsledninger. De er mindre enn konvensjonelle komponenter. Det betyr mindre kretskort, større komponenttetthet, mindre lagerplass og at utstyret blir mindre. Overflatemonterte komponenter er lette og er derfor godt egnet til mobilt utstyr, for eksempel i fly. Ingen ledninger betyr stor motstand mot sjokk og vibrasjoner.

Figur 1.4 Kretskort for SMD

14

Kutting og bøying av ledninger er så godt som eliminert. Parasittkonduktans og induktans som skyldes ledninger, er kraftig redusert, noe som gjør overflatemonterte komponenter godt egnet til høyfrekvensutstyr.

Automatisk komponentplassering på kretskort er enklere enn ved konvensjonelle komponenter. Ved å montere komponen­ tene på begge sidene av kretskortet kan vi redusere area­ let med ca. 50 %. Framstillingen av kretskort ved overflate­ monterte komponenter blir billigere fordi det ikke lenger er nødvendig å bore hull. Det er tre hovedfordeler ved SMD-teknikken: 1 2 3

Rasjonalisering Miniatyrisering Pålitelighet

Komponenttyper og forkortelser Overflateteknikken krever ingen spesielle basismaterialer for kretskort. Vanlig fenolpapir eller glassfiberlaminert epoksy kan brukes. Til spesielle formål brukes keramikkort. Sammen med SMD dukker det opp en rekke nye komponentkapslinger som i dagligtale blir omtalt i forkortet form:

1 2

3

SMT - Surface Mounted Technology (overflatemontert teknologi) SMC - Surface Mounted Components (overflatemonterte komponenter) SMA - Surface Mounted Assembly (overflatemonterte systemer)

Komponentene til overflatemontering leveres av forskjellige fabrikanter etter gitte standarder og ser noenlunde like ut.

Komponentene kan deles inn i følgende grupper etter inn­ kapsling og typer: 1 2 3 4 5 6 7 8

Chip Components (komponenter uten bein) MELF - Metallized Electrode Faces SOT - Small Outline Transistors SOIC - Small Outline Integrated Circuits PLCC - Plastic Leaded Chip Carriers LCCC - Leadless Ceramic Chip Carriers FP - FlatPack PQF - Plastic Quad Flatpacks

Se figur 1.5 og tabell 1.2 (side 15), som viser noen typer over­ flatemonterte komponenter (SMD) og størrelsen på dem.

15

Vi skal se nærmere på de mest brukte overflatemonterte kom­ ponentene: 1

Komponenter uten bein (Chip Components) er oftest passive komponenter, motstander og kondensatorer. Som motstander er de rektangulære med tilkoplingsmuligheter på endene på fem, tre eller en side. Motstandene er laget som tykkfilmmotstander med filmenpå et aluminasubstrat. Siden der filmen er, har en mørkerefarge, og denne siden skal monteres opp. Motstandsverdien kan være angitt med en fargekode eller et tall.

Kondensatorene er også rektangulære, og lages i tre typer: a) Flerlags keramiske kondensatorer b) Elektrolyttkondensatorer c) Tantalkondensatorer Kondensatorbrikken (chip) har den samme fargen på alle sidene. Er kondensatoren polarisert, er det den positive siden som er merket. Merkingen kan være en prikk, bredere terminal, hvitt eller grått fargebånd eller skrå ende.

16

2

MELF kan være motstander, dioder eller kondensatorer. MELF er sylindriske. Merkingen er tall eller fargekoder.

3

SOT er dioder, transistorer osv. Beinkonfigurasjonen finnes i kataloger.

4

SOIC er integrerte kretser. Det viktigste her er å finne pinne 1. På en SOIC er pinne I merket med en prikk, med en farget strek på den siden hvor pinne 1 befinner seg, eller ved at IC-huset er skrått på den siden hvor pinne 1 er.

5

PLCC eller PQF er integrerte kretser med pinner på alle fire sidene. Her identifiseres pinne 1 med en prikk, enten farget eller nedfelt i komponentkroppen, eller med en strek langs oppsiden av komponenten. Pinne 1 er til venstre på den siden hvor streken er.

Fargekoder for overflatemonterte komponenter Komponenter for overflatemontering er mye mindre enn kon­ vensjonelle komponenter, og de blir stadig mindre, noe som gjør merkingen av komponentene vanskeligere.

I tillegg til de fargekodene som er nevnt, blir det brukt kombi­ nasjoner av fargekoder og alfanumeriske koder og rene alfa­ numeriske kodesystemer.

Fargekode Dette er den samme koden som ble nevnt for konvensjonelle motstander og kondensatorer, se side 10. I tillegg angir bunnfargen på komponenten hvilken type komponent vi har med å gjøre. Se fargekode for bunnfarge: beige: lyseblå: neongul: lyserød:

karbonfilmmotstand metallfilmmotstand keramisk kondensator keramisk kondensator

Tallkoden 2. siffer

102K f. siffer

Toleranse

Denne koden består av tre tall. Det første tallet er første siffer, det andre er andre siffer, og det tredje tallet angir antall nuller. Bunnfargen på komponenten avgjør om det er en motstand eller en kondensator. For motstander oppgis verdien i ohm, for eksempel 624 = 620 000 Q = 620 kQ.

Kondensatorer blir oppgitt i pikofarad, for eksempel 394 = 390 000 pF = 390 nF (nanofarad).

Figur 1.5 Komponent med tallkode

Toleransen til de overflatemonterte komponentene kan bli oppgitt ved hjelp av en bokstav som kommer i tillegg til de tre tallene. Se tabell 1.2. Kode Toleranse

Kode

Toleranse

Kode

Toleranse

B C D F G

H

= = = = =

P R S Z

= = = =

= = = = =

0,1 0,25 0,5 1 2

J K M N

2,5 5 10 20 30

100/0 30/20 50/20 80/20

Tabell 1.2

17

Bokstavene B til og med N gir toleransen i ± prosent av opp­ gitt kapasitetsverdi. Bokstavene P, R, S og Z betyr at toleran­ sen er +100 % og -0 % for P, +30 % og -20 % for R, S og Z, se tabell 1.2.

Bokstavkodesystemet Dette systemet bruker bare én bokstav som har forskjellig far­ ge. Bokstaven angir verdi, og fargen på bokstaven angir multiplikator. Se tabell 1.3.

Verdi

Kode

= = = = =

A B

c D E H 1 J

= = =

10 11 12 13 15 16 18 20

Kode

Verdi

Kode

K L N

= 22 = 24

W X Y Z 3 4 7 9

O R

S T V

= = = = = =

27 30 33 36 39 43

Verdi = = = = = = = =

47 51 56 62 68 75 82 91

Tabell 1.3

For multiplikatoren har fargene følgende verdier: oransje = svart = grønt = blått = fiolett = rødt =

0,1 1 10 100 1000 10 000

En kondensator med en grønn K har verdien 22 -10 pF = 220 pF.

Alfanumerisk kodesystem Den alfanumeriske koden består normalt av én bokstav og ett tall. For å komme fram til komponentverdien må vi ha en tabell som har bokstavene vertikalt i venstre kolonne og talle­ ne horisontalt i øverste rekke. Se tabell 1.4

18

A B C D E F G H J K L M N P Q R S T U V W X Y Z

0

1

2

3

4

5

1,0 1.1 1,2 1,3 1,5 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,7 3,0 3,3 3,6 3,9 4,3 4,7

10 11 12 13 15 16 18 20 22 24 27 30 33 36 39 43 47 51 56 62 68 75 82 91

100 110 120 130 150 160 180 200 220 240 270 300 330 360 390 430 470 510 560 620 680 750 820 910

1,0 k 1,1 k 1.2 k 1,3 k 1,5 k 1,6 k 1,8 k 2,0 k 2,2 k 2,4 k 2,7 k 3,0 k 3,3 k

10 k 11 k 12 k 13 k 15 k 16 k 18 k 20 k 22 k 24 k 27 k 30 k 33 k 36 k 39 k 43 k 47 k 51 k 56 k 62 k 68 k 75 k 82 k 91 k

100 k 110 k 120 k 130 k 150 k 160 k 180 k 200 k 220 k 240 k 270 k 300 k 330 k 360 k 390 k 430 k 470 k 510 k 560 k 620 k 680 k 750 k 820 k 910 k

5,1 5,6 6,2 6,8 7,5 8,2

9,1

3,6 3,9 4,3 4,7 5,1 5,6 6,2 6,8 7,5 8,2 9,1

k k k k k k k k k k k

6 1,0 M 1,1 M 1,2 M 1,3 M 1,5 M 1,6 M 1,8 M 2,0 M 2,2 M 2,4 M 2,7 M 3,0 M 3,3 M 3,6 M 3,9 M 4,3 M 4,7 M 5,1 M 5,6 M 6,2 M 6,8 M 7,5 M 8,2 M 9,1 M

Tabell 1.4

Er bare ett tall trykt på komponenten, betyr det for motstander at verdien er oppgitt i ohm, og for kondensatorer at verdien er i pE Der bokstaven k er brukt i tabellen, er verdien kiloohm eller nanofarad, og M betyr megaohm eller mikrofarad.

For kondensatorer kan det være brukt to bokstaver i tillegg til et tall. Den første bokstaven angir her arbeidsspenningen for kondensatoren. (Se tabell l .5)

Spenning

Kode

G J A

= = =

4V 6,3 V 10 V

Kode

C D E

Spenning

= 16 V = 20 V = 25 V

Kode

Spenning

V= 35 V = 50 V T

Tabell 1.5

19

Kontrollspørsmål 1 Hva står forkortelsen NEK for, og hva arbeider NEK med?

2 Hvordan er fargekoden med fire fargebånd bygd opp? 3 Hvilke tallverdier har fargene oransje, blå, grønn og grå? 4 Hvilke farger er det på fargebåndene på en motstand på 52 kW og med en toleranse på 1 %?

5 Hvordan er fargekoden med fem fargebånd bygd opp?

6 Tegn en kondensator med fem fargebånd og skriv på hva de forskjellige fargebåndene viser.

7 Hva står forkortelsene SMC og SMT for? 8 Hva betyr forkortelsene MELF, PLCC og PQF? 9 Hvilke komponenttyper finner vi oftest i kategorien komponenter uten bein. 10 Hva forteller bunnfargene beige, lyseblå, neongul og lyserød om overflatemonterte komponenter?

11 Hvilke metoder har vi for å angi verdien på SMD?

20

2 Blokkskjemasymboler og bruken av dem

Mål Når du har gjennomgått dette kapitlet, skal du • kjenne de vanligste blokkskjemasymbolene med tilleggsopplysninger i form av tekst og tall • vite litt om hvilke kretser de kan inneholde

21

Innledning Systemer blir ofte tegnet med blokkskjemasymboler. Det er symboler som ikke viser hvordan kretsen er bygd opp i detalj eller på komponentnivå, men hvordan et system er sammen­ satt. Denne måten å tegne et system på gir elektronikeren et godt hjelpemiddel til å få klarhet i hvordan de forskjellige kretsene virker sammen, slik at de danner et system som gir et fullstendig apparat eller utstyr. Alle typer systemer eller appa­ rater kan tegnes med blokkskjemasymboler.

Hvordan disse blokkene eller modulene er bygd opp på kom­ ponentnivå, er det innledningsvis ikke viktig å vite. Hver blokk eller modul kan betraktes som en «svart boks». Blokkens funksjon er viktig. Hvor kommer inngangssignalet fra, og hvilken form har det? Hvilken signalbehandling/signalomforming skjer i den aktuelle blokken, hvilken form har utgangssignalet, og hvor føres det videre? Det er slike spørs­ mål et blokkskjema skal gi svar på.

Fors terker

Generator, sinus

Li keretter AC-DC

Reguler bar f orsterker

Omformer DC-DC

Lavpassfilter

Figur 2.1 Eksempel på blokksymboler

22

Blokksymboler Hvis elektronikeren kjenner blokksymbolene, vil et blokk­ skjema gi nok informasjon til at han får en oversikt over systemoppbygningen i et ukjent system. Uten at en forstår et blokkskjema, vil det være både tidkrevende og vanskelig å skaffe seg en systemoversikt. I denne oppstillingen har vi de vanligste blokkskjemasymbolene. Hvilke symboler som er vanligst, er avhengig av hvil­ ken type elektronikk vi arbeider med. Noen symboler er mer vanlige enn andre, og vi legger størst vekt på dem. Symbolene og tilhørende tekst er hentet uten endringer fra NEK 144

(1988) og viser tegnemåte, tekst som kan tilføyes enten innen­ for eller i nærheten av blokken, og en kort forklaring på hva symbolet betyr.

For å få variasjon i innlæringen av blokkskjemasymbolene kan du studere bruken av symbolene på figurene til kapittel 9.

Norsk Elektroteknisk Komité Generell informasjon om Norsk Elektroteknisk Komité (NEK) og de symbolene som er vist: NEK utarbeider blant annet symboler for elektro- og elektronikkfagene i Norge. Det blir gjort i nært samarbeid med tilsvarende institusjoner i andre land. Symbolene i NEK 144 er tatt fra IEC 617 og andre kilder. I NEK 144 er det en kryssreferanseliste der det er mulig å finne fram til det opp­ rinnelige symbolet. Der lEC-symboler mangler helt, er det utarbeidet symboler som bygger på den symbollogikken som ligger til grunn for IECs symbolbruk.

Bruksområde Skjemaet skal beskrive, forklare og anskueliggjøre elektro­ tekniske objekter som apparater, utstyr og anlegg. Variasjonen i utførelse og utseende blir derfor stor. Normen omfatter sym­ boler for følgende skjematyper:

Oversiktsskjemaer Systemskjemaer Kretsskjemaer Installasjonsskjemaer (-planer)

Framstillingsformer En kompleks komponent er i denne normen en komponent med to eller flere operative elementer som ikke oppfyller betingelsene for egen referansebetegnelse. Når symbolet for en slik komponent, for eksempel et relé, plasseres i et skjema, kan den mekaniske sammenhengen mellom elementene angis på tre forskjellige måter:

23

1

Samlet framstilling Ved samlet framstilling plasseres symbolet samlet i skjemaet, ofte omrammet av en begrensningslinje. Den mekaniske sammenhengen angis med en stiplet linje.

2

Sammenbundet framstilling Ved sammenbundet framstilling plasseres symbolelementene mer spredt i skjemaet enn ved samlet framstilling, men den mekaniske sammenhengen vises på samme måte som ved samlet framstilling.

3

Fri framstilling De enkelte symbolelementene plasseres i de signalveiene eller kretsene hvor de hører til i henhold til funksjons­ messig operasjon. Den mekaniske sammenhengen angis med referansebetegnelser.

Symbolene kan plasseres i skjemaet der de hører hjemme, såkalt topografisk framstilling. Vedfunksjonell framstilling er symbolene plassert på de sig­ nalveiene eller kretsene hvor de funksjonsmessig hører hjem­ me. uavhengig av konstruksjon og montasje.

Når to eller flere komponenter har identiske parametere og hører sammen funksjonsmessig, kan de angis med et enkelt symbol i skjemaet. Dette kalles enlinjeframstilling, i motset­ ning til flerlinjeframstilling, der hver enkelt komponent angis med et individuelt symbol.

Klassifisering av symboler Hovedsymbol

G Eksempel på hovedsymbol

Et hovedsymbol består vanligvis av en enkel geometrisk figur i form av et kvadrat, et rektangel, en likesidet trekant eller en sirkel, der informasjonen er gitt av lengde-/breddeforholdet eller diameteren.

Det er gitt ett hovedsymbol for hver gruppe (familie) av kom­ ponenter, og dette symbolet kan representere en hvilken som helst variant av de forskjellige komponentene i gruppen.

Hjelpesymboler Hjelpesymboler nyttes for å spesifisere detaljer som regulerbarhet, utløsende parameter, koplingsgruppe for viklinger og

24

strømtype. I prinsippet kan et hvilket som helst symbol nyttes som hjelpesymbol. Hjelpesymbolene blir vanligvis plassert inne i eller på hovedsymbolet.

Tilleggssymboler Tilleggssymboler blir brukt for å gi informasjon som ikke framgår av de normerte skjemasymbolene, for eksempel data om ytelse og belastning. Tilleggssymboler plasseres vanligvis ved siden av hjelpesymbolet.

Basismål Symbolene er gitt i en størrelse som gjør det lett å lese dem, men det er også tatt hensyn til at det skal være plass til dem, og at de passer sammen. De skal passe til de fleste formålene og kunne plasseres direkte inn i et skjema. Noen av symbole­ ne må tilpasses målestokken for det aktuelle skjemaet.

Den relative størrelsen mellom symbolene kan endres for å imøtekomme spesielle krav, for eksempel å skille mellom symbolene for en krafttransformator og en måletransformator i samme skjema ved hjelp av forskjellige symbolstørrelser.

Et symbol må som regel lages mindre når det brukes som hjel­ pesymbol. Det er imidlertid svært viktig at symbolets geo­ metriske form ikke fravikes, fordi det ofte er formen som inneholder informasjonen.

Nye symboler Selv om symbolsamlingen er gjort komplett, er det umulig å dekke alle behov. Nye symboler kan konstrueres ved å kombi­ nere det relevante hovedsymbolet med ett eller flere hjelpeeller tilleggssymboler.

Retningsorienterte symboler Det er tillatt å dreie eller speilvende et symbol så lenge det ikke går ut over forståelsen av det. Imidlertid er det enkelte symboler, spesielt innenfor teleteknikken, som er utledet fra kretskarakteristikker (x/y-koordinater), og som derfor ikke må

25

dreies eller speilvendes. Dette er angitt med en anmerkning ved det aktuelle symbolet.

Når et hovedsymbol er vist med tilledere, indikerer det at den­ ne tegnemåten er obligatorisk. Hvis symbolet dreies, må tillederne inngå i dreiningen. Størstedelen av symbolene er ment for bruk på skjemaer med signaloverføring fra venstre mot høyre (i leseretningen).

Blokkskjemasymboler Her vises noen av de blokkskjemasymbolene som blir mest brukt. For andre symboler må du slå opp i NEK 144 (1988)

9.6.2 962 01

962 02 IEC 02-17-06

962 03 IEC 10-14-02

962 04 IEC 10-14-04

962 05 IEC 10-14-03

Omformere, modulatorer.

Converters, modulators.

De symboler som inneholder pulssymboler må ikke dreies eller speilvendes.

The symbols which contains pulse symbols must not be turned or mirror-imaged.

Signalomformer, hovedsymbol.

Signal converter, general symbol. IEC 617 also gives changer.

Frekvensomf ormer.

Frequency converter.

Endrer frekvensen fra til f2IEV 55-25-040, IEV 151-01-55

Changing the frequency from

Frekvensdeler.

Frequency divider.

f / /%

Frequency multiplier.

f / /f-n

_n_/ /v

Frekvensmultiplikator.

f\

to

f%.

/f2

IEV 55-25-050

IEV 55-25-045

962 06 IEC 10-14-05

Pulsvender.

Pulse inverter.

962 07 IEC 10-14-08

P ulsregenera t or.

Pulse regenerator.

r26

—

IEV 351-06-03

/JL

Kodeomformer.

Code converter.

Eksempel: Endrer fra 5-enhet til 7-enhet binærkode.

Example: Changing from 5- to 7-unit binary code.

962 09 IEC 10-14-07

Omformer som gir klokkeslett i 5-enhet binærkode.

Converter giving clock-time indication in five-unit binary code.

962 10 IEC 10-19-01

Modulator, hovedsymbol. Demodulator > . , , , Diskriminator I hovedsymbol.

Modulator Demodulator general symbol. Discriminator The letters A B C a b c are replaced by

962 08 IEC 10-14-06

Bokstavene A B C a b c erstattes med med symbolene for følgende parametre:

the symbols for the following parameters:

Modulatorer: A a Modulerende signal inn. B b Modulert signal ut. C c Bærebølge.

Modulators: A a Modulating signal in. B b Modulated signal out. C c Carrier.

Demodulatorer/diskriminatorer: A a Modulert signal inn. B b Demodulert signal ut. C c Eventuell bærebølge.

Demodulators/discriminators: A a Modulated signal in. B b Demodulated signal out. C c Carrier if required.

962 11 IEC 10-19-02

Modulator (eksempel).

Modulator (example).

962 12 IEC 10-19-03

Pulskodemodulator (eksempel).

Puls code modulator (example).

962 13 IEC 10-19-04

Demodulator (eksempel).

Demodulator (example).

9.6.3

Filtre,

korreksjonsledd.

Filtres, distortion correctors.

Følgende symboler i avsnitt 9.6.3 må ikke dreies eller speilvendes:

The following symbols in clause 9.6.3 must not be turned or mirror-imaged:

03 04 07 08 09 10 13 14 15 16 18

03 04 07 08 09 10 13 14 15 16 18

963 02 IEC 10-16-03

Filter, hovedsymbol.

Filter, general symbol.

963 03 IEC 10-16-04

Høypassfilter.

High-pass filter.

963 01

963 04 IEC 10-16-05

963 05 IEC 10-16-06

963 06 IEC 10-16-07

25/ / 27

IEV 151-01-68

Lavpassfilter.

Low-pass filter.

IEV 151-01-67

Båndpassfilter.

Band-pass filter.

IEV 151-01-69

Båndsperrefilter.

Band-stop filter.

IEV 151-01-70

27

9.6.7

Konsentratorer, multipleksutstyr.

Concentrators, multiplexers.

Konsentrator.

Concentrator.

Symbolet vist med m inngående og n utgående kretser. Den motsatte funksjon angis ved å snu hjelpesym bolet 180°.

The symbol shown with m input and n output circuits. The opposite function is denoted by turning the qualifying symbol 180°.

967 02 IEC 10-20-04

do. forenklet symbol.

do. simplified symbol.

967 03 IEC 10-20-05

Multipleksfunksjon.

967 04 IEC 10-20-06

Dem ultipleksfunksjon.

967 05 IEC 10-20-07

Kombinert funksjon.

967 06 IEC 10-20-08

Eksempel: Multiplekser med analog/digitalomforming.

967 01 IEC 10-20-03

mi

1/7

/n Multiplexing function.

MUX Demultiplexing function.

DX Combined function.

MULDEX Example: Multiplexer with analog/digital conversion.

MUX —

n &

n 9.6.8 968 01 IEC 06-16-01

Kraftforsyning.

Power supplies.

Statisk generator, hovedsymbol.

Generator, general symbol.

Roterende generatorer: Se kapittel 5.

The symbol denotes a static or a solidstate generator. Rotating generator: See chapter 5.

F otogenerator.

Photovoltaic generator.

Generator med fotospenningskilde. Se forøvrig symbol 953 01.

See also symbol 953 01.

968 03 IEC

Termoelektrisk generator.

Thermoelectric generator.

Varmekilde ikke spesifisert.

Heat source not specified.

968 04 968 05 968 06

(utgår) (utgår) (utgår)

968 02 IEC 06-18-06

968 07 IEC 06-14-03

968 08

968 09 IEC 06-14-04

968 10 IEC 06-14-05

Se IEC 617-6 side 30.

Likeretter.

Rectifier.

IEV 151-01-57, IEV 551-02-02

(utgår)

Brukoblet likeretter. Ofte betegnet dobbelt likeretter.

Bridge connected rectifier. Full wave rectifier.

IEV 551-04-23

Vekselretter.

Inverter.

IEV 151-01-58, IEV 551-02-03

968 11 IEC 06-14-02

968 12 IEC 10-16-20

968 13 IEC

28

Statisk vibrator ("chopper”). Omformer likespenning til firkantpulser.

Electronic chopping device. Chopper.

do. alternativt symbol. Ikke angitt i IEC 617-10.

do. alternative symbol. Not shown in IEC 617-10.

Kontrollspørsmål 1 Hva er forskjellen mellom en stasjon, et system og en enhet? 2 Tegn et blokkskjemasymbol for en modulator for AM-kringkasting. 3 Tegn et blokkskjemasymbol for en pulskodemodulator. Hva mener vi med et sammensatt blokkskjema­ symbol? b) Hvilke av symbolene i spørsmålene 2 og 3 er sam­ mensatte symboler?

4 a)

c)

En demper, eller attenuator, tegnes som en firkant med en stor A inne i firkanten. Hvordan vil du angi dempningen om den er fast, for eksempel 10 dB, og hvordan vil du vise at dempningen er variabel?

5 Tegn symbolene for jordforbindelse, støyfri jord og beskyttelsesjord. 6 Tegn et blokkskjema av en vanlig stereoforsterker. Bruk godkjente symboler for å angi diskant-, bass- og volum­ kontrollene.

7 Tegn symbolet du vil bruke for å angi sveipegeneratoren i et oscilloskop.

29

3 Måle­ instrumenter

Mål Når du har gjennomgått dette kapitlet, skal du • kjenne det analoge universalinstrumentet • forstå virkemåten til voltmeteret • forstå virkemåten til amperemeteret • forstå virkemåten til ohmmeteret

31

Introduksjon For at du skal forstå hvordan en elektronisk krets virker, er det viktig at du kan måle spenning, strøm og resistans. Du må også vite hvordan du gjør dette for å kunne utføre service eller reparasjon på en krets. Det blir her lagt vekt på at du skal forstå hvordan måleinstru­ mentene virker, hvordan de fungerer i grunnleggende elektro­ niske målinger, og hvordan de forskjellige måleinstrumentene påvirker kretsen det måles på, slik at det er mulig å tolke måleresultatet riktig.

Virkemåten til universalinstrumentet, både det analoge og det digitale, blir forklart. Fordeler og ulemper ved de forskjellige instrumentene blir diskutert. Hvordan de forskjellige målinge­ ne, som spennings-, strøm- og resistansmålinger, skal foretas, blir forklart punkt for punkt. Begreper som polaritet, referan­ sepunkt og instrumentbelastning blir diskutert.

Universalinstrumenter Det er to hovedtyper av universalinstrumenter til elektriske målinger: - det analoge, heretter kalt AVM (analogt voltmeter) - det digitale, heretter kalt DVM (digitalt voltmeter)

Analoge måleinstrumenter Et analogt instrument har en viser som beveger seg langs en skala. Den målte verdien blir bestemt av posisjonen viseren inntar på skalaen. Dette instrumentet kalles i dagligtale et

32

voltmeter, amperemeter, ohmmeter, multimeter eller universalinstrument, avhengig av hva det måler.

Voltmeter Figur 3.1 viser et analogt voltmeter (AVM) som bør være kjent for de fleste. Den viktigste delen som forårsaker vise­ rens bevegelse, ligger bak skalaen. Figuren viser et analogt universalinstrument med bryterne som brukes til å velge mel­ lom spennings-, strøm- eller resistansmåling og innstilling av måleområde (fullt utslag), og forskjellige justeringskontroller, sammen med bøssinger for tilkopling av måleledninger.

Figur 3.1 Analogt universalinstrument

Den danske fysikeren Hans Christian Ørsted oppdaget i 1819 at det oppstår et magnetisk felt rundt en leder som fører en elektrisk strøm. Videre oppdaget han at den magnetiske felt­ styrken endrer seg proporsjonalt med strømmen: B=^

Dette førte til at prinsippet for den elektriske motoren ble utviklet. Det er dette prinsippet som blir brukt i selve voltme­ teret i det analoge måleinstrumentet. Se figur 3.2.

33

Viserens bevegelse Den bevegelige spolen med mange vindinger er plassert i et sterkt, homogent magnetisk felt som er dannet av en perma­ nent magnet. Viseren er festet til spolen. Det homogene per­ manente magnetiske feltet, sammen med det magnetiske feltet som oppstår i spolen når det flyter en strøm gjennom den, danner et dreiemoment som gjør at spolen får en lineær beve­ gelse. Jo større strøm i spolen, desto større bevegelse på spo­ len og på viseren som er festet til den.

Kraft

Figur 3.2

På spolen er det festet en spiralfjær. slik at viseren går tilbake til utgangsstillingen når strømmen slutter å flyte i spolen. Fjæren er beregnet slik at summen av kreftene fra den og de magnetiske kreftene som virker på spolen, gir viseren en line­ ær bevegelse over skalaen ved en lineær økning av strømmen gjennom spolen. Se figur 3.3.

Figur 3.3 Spole med spiralfjær for viseren

34

Den andre enden av fjæren er festet til en nulljusteringsskrue (zero adjust på engelsk) som er plassert på spolen. Med denne skruen justerer du viserposisjonen mekanisk til null på skala­ en ved å variere spenningen av fjæren. Denne justeringen bør gjøres med forsiktighet fordi fjæren har en ømtålig mekanisk konstruksjon. Hele spolekonstruksjonen er bygd opp rundt en aluminiumsramme som gir systemet demping, dvs. hindrer at viseren får for hurtig bevegelse som kan skade instrumentet.

Når det magnetiske feltet kommer fra en permanent magnet, er kraften fra feltet alltid rettet en vei. Følgelig må strømmen gjennom spolen bare gå i én retning for at viseren skal slå ut i riktig retning. Dersom strømmen i spolen går den andre veien, blir viseren presset mot endestoppen på venstre side av skala­ en. Den vanligste måten å ødelegge eller brenne et voltmeter på er å kjøre for stor strøm gjennom spolen i gal retning.

Voltmeterets karakteristikk Voltmeterets bevegelsesfølsomhet Voltmeterets bevegelsesfølsomhet er avhengig av den strømmengden som skal til for å få en bevegelse som gir fullt utslag. Følsomheten er omvendt proporsjonal med strømmen gjennom spolen. Det betyr at det mest følsomme voltmeteret trenger minst strøm for å oppnå fullt utslag. Strømmengden som skal til for å oppnå fullt utslag, er avhengig av hvilket antall vindinger spolen har. Jo flere vindinger som legges på spolen, desto kraftigere blir det magnetiske feltet som spolen gene-rerer, og som reagerer med det permanente magnetiske feltet. For å få flest mulig vindinger på en spole bruker vi tyn­ ne ledninger. Det fører også til at vi holder massen av spolen på et minimum.

Indre resistans Følsomheten og den indre resistansen i de bevegelige delene av voltmeteret er avhengige av konstruksjonen og kan ikke endres uten å endre den fysiske konstruksjonen. For å måle et voltmeters indre resistans når det flyter en strøm gjennom det som gir fullt utslag, trengs det en justerbar spenningskilde, et standard amperemeter og et voltmeter som er koplet i parallell over det ukjente instrumentets måleledninger. Se figur 3.4. Voltmeterets indre resistans beregnes ved hjelp av Ohms lov.

Im UM er spenningen over voltmeterets måleledninger, og IM er strømmen gjennom voltmeteret ved fullt utslag. Et voltmeter som er laget for å ha fullt utslag ved liten strøm, har stor indre resistans.

35

Figur 3.4 Måling av indre resistans

ADVARSEL: Et voltmeter med stor følsomhet kan lett bli ødelagt hvis en kopler et ohmmeter over det i et forsøk på å måle dets indre resistans. Et ohmmeter har et batteri som leverer strøm til målekretsen. Strømmen fra et ohmmeter kan bli opptil hundre ganger større enn den strømmen som er nødvendig for å gi voltmeteret fullt utslag.

Voltmeterets nøyaktighet Det er mange faktorer som påvirker et voltmeters nøyaktig­ het: utformingen av voltmeteret, de enkelte komponentenes kvalitet, måten det blir satt sammen på ved framstillingen, nøyaktigheten av kalibreringen, omgivelsene det blir brukt i, og vedlikeholdet etter at det ble satt i drift. Nøyaktigheten til et voltmeter i daglig bruk er vanligvis mel­ lom 0,01 % og 3 %. De fleste har en nøyaktighet på 1 % av fullt skalaområde. Et voltmeter med et område på 10 V og en nøyaktighet på 1 % har en nøyaktighet på ± 0,1 V av enhver målt verdi. Den oppgitte nøyaktigheten i prosent til et hvilket som helst voltmeter refererer seg til prosent av verdien av full skala til ethvert måleområde, se figur 3.5.

36

Figur 3.5

Nøyaktigheten til en avlest spenning på et voltmeter er oppgitt til 1 % og blir plottet mot den avleste verdien på tre måleområder, 10 V, 5 V og 2,5 V. Dersom den avleste spenningen er 2 V, blir nøyaktigheten på avlest verdi ± 0,1 V (5 %) på 10-voltområdet, ± 0,05 V (2,5 %) på 5-voltområdet og ± 0,025 V (1,25 %) på 2,5-voltområdet. Konklusjonen blir at en måling som er foretatt i den nedre delen av skalaen, får en absolutt målefeil som er større enn en måling som er tatt nær fullt skalautslag.

Likestrørnsamperemeter - DC-amperemeter Den enkleste form for amperemeter består bare av selve måleverket. Det kan måle strømmer opp til følsomhetsgrensen (fullt utslag). Et slikt amperemeter er lite hensiktsmessig til å måle store strømmer; da må spolen ha tykkere ledninger, spolens mekaniske oppheng må forsterkes, osv. Et amperemeter med stor følsomhet tilpasses måling av store strømmer ved at en motstand med lav verdi plasseres i paral­ lell (shuntmotstand) med amperemeteret. Det fører til at amperemeteret får et større måleområde. Strømmen får to vei­ er å gå, en gjennom shuntmotstanden og en gjennom ampere­ meteret. Se figur 3.6. Dersom et amperemeter trenger 100 pA (mikroampere) for å gi fullt utslag, og måleområdet skal kunne måle 10 mA ved fullt utslag, må shunten ha en verdi som gjør den i stand til å føre 9900 pA.

37

Figur 3.6 Shunt og et ohmmeter

Figur 3.6 viser en enkelt shunt og et amperemeter. Utregningen av shuntmotstanden er enkel ved hjelp av Ohms lov og prinsippet for en parallellkrets dersom meterets indre resistans RM er kjent. Spenningen Us over shuntmotstanden Rs er lik spenningen over amperemeteret UM.

Derfor får vi US = UM Det gir

Is ’ Rs = Im ‘ Rm

Løser vi denne likningen med hensyn på Rs, gir det Rs -

' Rm) Is

når Is = IT - IM. Dette setter vi inn i likningen ovenfor og får

Rs _ (IM ' rm)

Ut ~ Im) Ved at vi bruker passende shuntmotstanden kan vi øke områ­ det for fullt amperemeterutslag. Figur 3.7 viser et ampereme­ ter med fire måleområder som har hver sin shuntmotstand. Legg merke til at det laveste området, 1 mA, er uten shunt.

38

Shuntmotstander har verdien påført. Verdiene kan vi lett kont­ rollere ved å bruke formelen for Rs ovenfor. Den femte posi­ sjonen. merket «short», kortslutter meteret og kopler det ut av målekretsen uten at det fysisk koples fra kretsen.

Figur 3.8 viser et amperemeter der shuntmotstanden består av motstander koplet i serie. Denne seriekoplingen er igjen kop­ let i parallell med amperemeteret og basismotstanden R] som alltid står i serie med amperemeteret. Denne typen ampereme­ ter blir kalt en ringshunt. Med velgeren S, velger vi hvilke av motstandene R2 til R6 som skal koples i serie med ampereme­ teret og R], og hvilke som skal koples i parallell og på den måten gi amperemeteret et større måleområde. Shuntmot­ standen for hvert måleområde regnes ut på samme måte som vist tidligere med en enkel shuntmotstand, men motstanden som står i serie med amperemeteret og RP legges til RM. Husk: Et amperemeter skal alltid koples i serie med kretsen det måles på.

Et måleinstrument påvirker alltid kretsen det koples til. Når et amperemeter koples inn i en krets, tår kretsen alltid en ekstra seriemotstand. Det gjør at strømmen i den greina ampere­ meteret er koplet til. minker. Dersom vi måler på lavohmige kretser, bør vi huske på dette, og kunne regne ut hva den rikti­ ge strømmen er.

39

Likespenningsvoltmeter DC-voltmeter Ohms lov sier at U = IR. der U er spenningen som skal måles, I er strømmen i målekretsen, og R er den totale resistansen i målekretsen. Produktet av strømmen for bevegelsesfølsomheten ved fullt utslag, IM, og meterets indre resistans, RM (IMRm), er lik spenningen over meteret ved fullt utslag. Når en motstand koples i serie med meteret, kan meteret betraktes som et likespenningsvoltmeter. Se figur 3.9.

Seriemotstanden Rx kalles en multiplikator. Den bestemmer spenningsområdet for fullt utslag på voltmeteret. Ved å endre verdien på Rx endrer vi måleområdet for voltmeteret.

Verdien på multiplikatormotstanden Rx beregnes etter Ohms lov og reglene for en seriekrets. Når Rx er koplet i serie med Rm, vil strømmen gjennom begge være den samme og lik IM. Dersom U er den spenningen som gir fullt skalautslag for måleområdet, må

U = IM (Rx + Rm). Når vi utvider med IM, får vi U = ImRx + ImRm, som gir

U - ImRm = Imrx-

Løser vi denne likningen med hensyn på Rx, får vi d

x

_ (U - ImRm) jM

Rx = -y--- Rm 40

, som også kan skrives

I praktiske voltmetre brukes områdevelgeren til å velge en av mange seriemotstander. Figur 3.10 viser et slikt voltmeter med fire måleområder. Rx for all fire områdene er beregnet

metoden som er gitt ovenfor. Figur 3.11 viser en variasjon av figur 3.10 der V4 har det største måleområdet. Alle motstan­ dene utenom Rj kan ha standardstørrelser, noe som gjør dem billigere og lettere å skaffe. Den eneste motstanden som trenger å ha en spesiell verdi, er Rb som må tilpasses voltme-

Figur 3.11 Alternativt DC-voltmeter

41

Voltmeterets følsomhet Figur 3.12 viser den vanligste måten å måle en spenning på, her spenningen over R?. Voltmeteret er koplet over eller i pa­ rallell med R? for å måle spenningen. Voltmeteret må ha strømmen IM for å gi et utslag. Denne strømmen tilføres volt­ meteret fra målekretsen, og strømmen gjennom R2 reduseres. Det er ønskelig at voltmeteret har en resistans (RM + Rx) som er mye større enn R2. Det reduserer strømmen som voltmete­ ret trekker fra kretsen, og øker nøyaktigheten på målingen. Figur 3.12 Spenningsmåling

Verdien på voltmeterets resistans, kalt inngangsresistansen, er avhengig av følsomheten på voltmeteret. Jo større følsom­ het, desto mindre strøm trengs det for at voltmeteret skal gi fullt utslag, og desto høyere blir inngangsresistansen. Et voltmeters følsomhet blir uttrykt i ohm per volt (Q/V).

Et voltmeters følsomhet S regner vi lett ut ved å ta den inverse eller resiproke verdien av strømmen som skal til for å gi volt­ meteret fullt utslag: S = -----

Im Dersom fullt skalautslag på et måleområde er satt til IV og inngangsresistansen er 20 000 Q, vil det samme instrumentet når måleområdet er satt til 20 V, ha en inngangsresistans på 400 000 Q. Følsomheten er den samme, men inngangsresis­ tansen har økt med en faktor på 20. Husk: Et voltmeter koples alltid i parallell med komponen­ ten det skal måle spenningen over. Det er derfor viktig at voltmeteret har så høy inngangsresistans som mulig for å belaste den målte kretsen minst mulig.

Ohmmeter Siden elektrisk resistans måles i ohm, blir et slikt instrument vanligvis kalt et ohmmeter. Ifølge Ohms lov kan vi bestemme resistansen i en likestrømskrets ved å måle strømmen i kret­ sen, I, som et resultat av spenningen, U, som er tilført kretsen: R = _U I

Resistansen er 1 ohm dersom det går en strøm på 1 ampere gjennom motstanden og spenningen over den er 1 volt. Ved å tilføre en kjent spenning U til en krets og så måle strømmen, kan vi regne ut skalaen slik at den viser resistansen i ohm. Dette er det grunnleggende prinsippet for et ohmmeter.

42

Figur 3.13 viser en grunnleggende oppkopling for resistansmåling. Ohmmeteret får tilført spenning fra et internt batteri til en seriekopling som består av en kjent motstand RK og en ukjent motstand Ry. Ohmmeterets utslag bestemmer verdien på den ukjente motstanden når vi måler strømmen gjennom kretsen.

Figur 3.13 Serieohmmeter

Ohmmeteret er et viktig instrument når vi foretar service på elektronisk utstyr, fordi det kan gjøre raske resistansmålinger. Instrumentet kan måle fra mindre enn 1 mQ og opptil 10 MQ eller mer. Nøyaktigheten er sjelden bedre enn 3 %, derfor er ohmmeteret lite anvendelig til målinger som krever stor nøy­ aktighet. Siden ohmmeteret har egen kraftforsyning og er avhengig av hyppige kalibreringer for at det skal være nøyak­ tig, skal det bare brukes på passive kretser, det vil si kretser som ikke er tilkoplet andre spenningskilder. Å kople et ohmmeter til en krets med egen spenningskilde ødelegger ohmmeterets kalibrering og kan lett skade det.

Den mest brukte typen ohmmeter er serieohmmeteret som er vist på figur 3.13. Legg merke til at når måleledningene er åpne, det vil si ikke tilkoplet, og Ry er uendelig stor, går det ingen strøm i meteret. Det viser nå en uendelig stor resistans. Kortslutter vi måleledningene (Ry - 0), vil viseren på ohm­ meteret gi fullt skalautslag og vise null ohm. Figur 3.13 viser også en typisk ohmmeterskala med null ohm ved fullt utslag og uendelig stor ohm når viseren står i ro (helt til venstre).

43

Hensikten med Rc er å justere ohmmeteret til null ohm når måleledningene kortsluttes, og på den måten kompensere for svekkelsen av batterispenningen når batteriet eldes, og justere for resistansen i måleledningene og i sikringen. RK skal begrense strømmen gjennom meteret til full skala når måle­ ledningene kortsluttes.

Vi finner en passende verdi for RK ved å gi meteret halvt utslag når vi måler en motstand som er lik RK. Følgelig vil meteret gi fullt utslag når ledningene kortsluttes. Bruker vi disse kriteriene, kan vi konstruere et ohmmeter med flere måleområder ved å skifte mellom flere verdier av RK. Hver verdi av RK vil gi halvt skalautslag for det aktuelle skalaområdet, og gi ohmmeteret flere skalaer.

Vekselstrømsinstrumenter - AC-instrumenter Instrumenter beregnet for måling av vekselstrøm og vekselspenning virker generelt etter de samme prinsippene som DCinstrumenter. Som tidligere forklart må strømmen som går gjennom instrumentet, være likestrøm. Derfor må vekselstrømmer og vekselspenninger likerettes, dvs. omformes til likestrømskomponenter. Figur 3.14 viser et AC-voltmeter.

Vekselstrøm

Figur 3.14 AC-voltmeter

Likerettingen blir foretatt ved hjelp av en likeretterbro av germaniumdioder eller silisiumdioder. I praksis blir de fleste vekselstrømmer og vekselspenninger oppgitt som effektivverdier. Som et resultat av dette er instrumentenes skala også kalibrert til å gi effektivverdien på de målte størrel­ sene selv om instrumentet måler gjennomsnittsverdien. Effektivverdien kalles også geometrisk gjennomsnittsverdi,

44

RMS (Root-Mean-Squares). En omregningsfaktor mellom gjennomsnittsverdien og RMS får vi ved å dele RMS på gjennomsnittsverdien:

E ^rms E gjs = 1,11 Faktoren gjelder bare for måling på vekselkomponenter som har form som sinussvingninger.

Bortsett fra likerettingen er vekselstrømsinstrumentene opp­ bygd etter de samme prinsippene som likestrømsinstrumentene.

Digitale måleinstrumenter - DVM Et typisk digitalt multimeter er vist på figur 3.15. Det har rote­ rende bryter som velger bruksområde og måleområde. Skalaen på det analoge instrumentet er her erstattet med en digital tegnrute (display). De målte verdiene vises på tegnruta med fire heltall. På den laveste skalaen blir måleresultatet lest av med en nøyaktighet på tre desimaler.

Figur 3.15 Digitalt multimeter

Et digitalt universalinstrument har aktive kretser som bruker elektrisk energi. Det trenger derfor en intern spenningskilde. Av/på-bryteren kopler drivspenningen til instrumentet og målekretsene.

45

Et DVM har flere viktige egenskaper som følge av at det er elektronisk. I hovedsak er det et voltmeter, noe som gjør at når det brukes som et amperemeter eller ohmmeter, virker det som et voltmeter. Det har en inngangsresistans som er tilnær­ met ideell ved alle måleområder. Dette gjør at vi kan se bort fra belastningen som et DVM påfører den målte kretsen. En annen egenskap henger sammen med tegnruta. Fordi den er digital, blir det ingen avlesningsfeil som skyldes feil vinkel mellom øyet og viseren (paralakse) eller feil på grunn av interpolasjon på skalaen. Nøyaktigheten blir den samme over alle områder og varierer ikke, noe som igjen gir en total typisk nøyaktighet på 0,05-1,5 %. Til sammenlikning har et analogt instrument en nøyaktighet på 3-4 %.

Ellers kan det nevnes at et DVM har en summer innebygd for testing av ledningsforbindelser og et område for å teste halvledere.

Hvordan et digitalt voltmeter virker Figur 3.16 viser et blokkdiagram over et typisk DVM. Både likespenninger og vekselspenninger kan måles. Vi ser først på måling av likespenning.

Figur 3.16 Digitalt voltmeter

46

Måleledningene er tilkoplet likespenningen og fører den fram til en tilpasningskrets. Derfra går likespenningen videre til en analog-digital-omformer (AD-omformer) via et filter. ADomformeren konverterer det analoge signalet til en digital kode som representerer den målte spenningsstørrelsen. Den digitale koden tilføres tegnruta som viser størrelsen på den målte spenningen.

Digital tegnrute For å forstå hvordan et DVM virker, er det enklest å begynne med tegnruta. Et sjusegments element er brukt til å danne tal­ lene. Vanligvis er det bygd opp av lysdioder, LED (Light Emitting Diodes), eller flytende krystaller, LCD (Liquid Crystal Display). LCD bruker svært liten effekt og blir derfor foretrukket i batteridrevne instrumenter.

Figur 3.17 viser prinsippet for en LED-tegnrute. Hvert seg­ ment i LED-tegnruta er tilkoplet en spenningskilde og vil lyse opp dersom det går strøm gjennom det. I eksemplet er det lys i de segmentene som skal til for at tallet 2 skal vises i tegnru­ ta. Tabellen på figur 3.17 b viser de segmentene som må lyse for tallene fra 0 til 9.

Segment Digit

A

B

0 1

•

• •

2

• •

• • •

3 4

5 6 7 8 9

c • •

•

•

• • • • •

•

•

•

•

D

E

F

•

•

•

• •

•

• •

•

G

BCD Code 0000 0001

• • •

• • • • •

•

•

0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001

• Lyser

Figur 3.17 b Tabell over lysende segmenter for tallene 0-9

Figur 3.17 a Prinsippet for LED-tegnrute

Som vist på figuren lager en dekoder en forbindelse til 0 V for de segmentene som skal lyse ved hvert tall. Inngangskoden til dekoderen er den binære tallkoden, BCD (Binary Coded Decimal), som er vanlig i digitale systemer for å forme og vise tall, og er en fire biters binærkode. BCD-koden for talle­ ne fra 0 til 9 er vist i tabellen på figur 3.17 b.

47

Analog-digital-omformer (AD-omformer) Nå kjenner vi BCD-koden som tilføres den numeriske tegnruta, og det er derfor naturlig å gå videre og finne ut hvordan AD-omformeren lager denne koden. Et kombinert blokkdia­ gram og en tabell over en AD-omformer finnes på figur 3.18. Tabellen viser BCD-koden på utgangen for alle fire tallene når likespenningen inn er mellom 0 og 2 V (1,999 V). Oppløsningen er 1 mV, det betyr at utgangen endrer BCDkode for hver gang spenningen endrer seg 1 mV. Tabellen viser ikke BCD-koden for hver millivolt, men for hver hund­ rede millivolt. I tillegg viser den BCD-koden for verdiene 0,001, 0,578, 1,234, og 1,667 V for å bedre forståelsen av AD-omformeren.

Figur 3.18 BCD-koder

48

Dersom inngangsspenningen er 1,234 V, vil BCD-koden for de fire heltallene være 0001. 0010, 0011, 0100, som vist i tabellen. Hver av de fire BCD-kodene blir koplet til en deko­ der som er vist på figur 3.17a, og blir vist i tegnruta som et tall. I AD-omformeren er det en egen logikk som kontrollerer desimalkommaet. Dersom utgangen til et desimalkomma er logisk 1, vil det lyse. Når måleområdet endres, blir desimal­ kommaet flyttet tilsvarende.

Det er mange måter å få fram tallene i en tegnrute på. Her viser vi en av dem. Ved hjelp av skanning og multipleksing er det mulig å få fram tallene på færre linjer (busser), men denne mer direkte metoden er valgt for enklere å illustrere og forkla­ re de grunnleggende prinsippene.

AD-omforming Det er flere teknikker som kan brukes i omformingsprosessen. Det kan gjøres med trinnintegrering, kontinuerlig balanse, kontinuerlig tilnærming, dobbel-flanke (dual-slope) og spenning-frekvens-omforming. Vi skal her gjennomgå to metoder: trinnintegrering og dobbel-flanke. De illustrerer de grunnleg­ gende prinsippene best.

Trinnomformer Figur 3.19 viser et blokkdiagram over en trinnomformer. Den består av en komparator, en klokkeport, en klokkegenerator, en binær teller, en digital-analog-omformer (DA-omformer) og en komparator. DA-omformeren gjør det motsatte av en AD-omformer. Den omformer BCD-koden til en tilsvarende analog spenning. Hver gang den binære telleren teller 1 mer, øker Uo med en millivolt. Uo er den ene inngangsspenningen til komparatoren, den målte spenningen, U/yV, er den andre inngangsspenningen til komparatoren.

Figur 3.19 Trinnomformer

U er ikke lik U/N Når den målte spenningen U/yv koples til komparatoren, er U lik null, og utgangen fra komparatoren er logisk 1 fordi U er mindre enn UJN. Når komparatorutgangen er 1 og sendes til den ene inngangen på OG-porten, klokkeporten G, blir klokkepulsene fra klokkegeneratoren, som er koplet til den andre inngangen på klokkeporten, sendt til binærtelleren. Den teller så pulsene. Utgangsspenningen, Uo, fra DA-omformeren begynner så å stige en millivolt for hver puls. Av dette kom­ mer navnet trinnomformer.

49

U lik U Når U har oppnådd den samme spenningsverdien som UIN, vil utgangen på komparatoren gå til logisk 0, og klokkeporten vil stenge slik at klokkepulsene ikke lenger blir tilført binærtelleren. Den binære verdien som nå står i telleren, blir tilført tegnruta som har en BCD-koder. Den er nødvendig for al tegnruta skal vise riktig verdi for den målte spenningen. Legg merke til at DA-omformeren bruker en del tid på å få U lik U/A/. Det begrenser hvor ofte instrumentet kan foreta målingene.

Dobbelflankeomformer Et blokkdiagram for en dobbel-flanke-omformer er vist på figur 3.20. Den består av en operasjonsforsterker, A, koplet som en integrator, en komparator, en logisk port G, en klokkegenerator. en teller E, en referansespenning og en logisk kontrollkrets. Utgangssignalet fra telleren E sendes til en digital tegnrute.

Figur 3.20 Dobbelflankeomformer

På samme måte som ved trinnomformeren blir størrelsen på den målte spenningen bestemt av antall pulser. Resultatet sen­ des til en koder og blir vist i en digital tegnrute.

Telleren startes av en startpuls fra kontrollogikken, D, og stoppes av utgangssignalet fra komparatoren. Tidsdiagrammet er vist på figur 3.21.

50

Kretsen virker slik: S2 er en bryter som kortslutter C, og tøm­ mer den for ladning. Når en måling blir foretatt, er S2 åpen og S| lukket. Inngangssignalet blir tilført i en bestemt tid, tb til integratoren. Cj lades opp til en spenning avhengig av den målte spenningens størrelse og tiden tp Når tiden tj er utløpt, kopler Sj en referansespenning til integratoren som har mot­ satt polaritet i forhold til den målte inngangsspenningen. Referansespenningen lader ut Cj med en konstant hastighet til det nullnivået den hadde før inngangssignalet ble tilført komparatoren. Den tiden det tar å lade ut Cb er proporsjonal med størrelsen på den målte spenningen. Oppladnings- og utladningskurvene for to forskjellige spenninger er vist på figur 3.21.

legend:

(A) (g)

Integratorutgang

@

Startkontrollteller

Klokkesignal

(T)

Antall tatte pulser

(C)

Komparatorutgang

Figur 3.21

Når utladningen starter etter t1? vil kontrollogikken D starte telleren. Ved endt utladning av C] vil komparatorens utgang gå til logisk 0, og G vil stoppe klokkepulsene slik at de ikke kommer fram til telleren. Antallet talte pulser vil tilsvare den målte spenningen.

51

Signaltilpasning Måling av vekselspenning AD-omformeren er konstruert slik at den omformer likespenninger til digitale signaler. Se figur 3.16 side 44. Dersom den målte størrelsen er en vekselspenning, likerettes den og sendes gjennom et lavpassfilter før den blir tilført AD-omfor­ meren. Filteret er ikke absolutt nødvendig, men det fjerner eventuelle støytransienter på likespenningen. Et DVM blir på samme måte som AVM kalibrert til å vise RMS-verdier, men måler gjennomsnittsverdien av vekselspenningen. Et DVM vil vise feil verdi dersom spenningen har en annen form enn en sinuskurve. Det finnes DVM-er på markedet som måler RMS av alle spenningformer, såkalt sann RMS (true RMS). De måler varmeeffekten i den tilførte effek­ ten og regner denne effekten om til spenningens RMS-verdi. p = U2 R

Spenningstilpasning AD-omformeren er konstruert slik at maksimal likespenning den kan omforme, er 2 V. Derfor må spenninger over 2 V begrenses og spenninger under 0,2 V forsterkes før de sendes til AD-omformeren. Det blir gjort med en spenningstilpasser som vist på figur 3.22. Den har fem spenningsområder: 0,2 V, 2 V, 20 V, 200 V og 2000 V.

Figur 3.22 Spenningstilpasser

52

Forsterkningen på operasjonsforsterkeren er bestemt av lik­ ningen F=

Rf \

Ri )

der Rj er inngangsmotstanden og RF er tilbakekoplingsmotstanden. Rj er valgbar og består av Rb R2 og R3. Verdiene er valgt slik at F er lik 1 på 2-voItområdet, og inngangsspenningen blir lik utgangsspenningen. På de andre områdene blir spenningen dempet slik at utgangsspenningen aldri overstiger 2 V. Spenningstilpasseren vil virke både for vekselspenninger og likespenninger innenfor det frekvensområdet som er gitt i spe­ sifikasjonene for instrumentet. Vekselspenninger må selv-følgelig likerettes før de blir tilført til AD-omformeren.

Strømtilpasning Tilpasningskretsen for strømmåling kan se ut som kretsen på figur 3.23. Kretsen omformer den målte strømmen til en spen­ ning ved å la den passere gjennom en av presisjonsmotstandene Rj, R2, R3 eller R4, og måler spenningsfallet over motstan­ den. Områdevelgeren bestemmer resistansen for hvert områ­ de. Når riktig område er valgt og rett motstand er innkoplet, vil strømtilpasseren gi ut en spenning som er innenfor ADomformerens arbeidsområde. Motstandene som er brukt, tåler stor effekt og har høy presisjon.

Figur 3.23 Strømtilpasser

AC/DC-velgeren bestemmer spenningens vei fram til ADomformeren, direkte ved likestrømsmålinger og via likeret­ teren ved vekselstrømsmålinger.

53

På 10 A-området brukes det vanligvis en egen bøssing som har en spesiell effektmotstand som målemotstand. Det er gjort for å beskytte de mindre måleområdene dersom en uforvaren­ de skulle sette områdevelgeren ned på et mindre måleområde. Operasjonsforsterkeren har fast forsterkning og hindrer at sto­ re målestrømmer kommer fram til AD-omformeren.

Resistanstilpasning Figur 3.24 a viser prinsippet for et DVM som blir brukt til motstandsmålinger. Spenningen U og resistansen Rs skaper en konstant strøm til den motstanden som skal måles. En kon­ stant strøm gjennom en gitt motstand vil gi et bestemt spen­ ningsfall over motstanden. Er den konstante strømmen 1 mA og resistansen 1 kQ. vil spenningsfallet over motstanden bli 1 V. Når et DVM brukes til resistansmålinger, skjer følgende:

Det måler spenningen over den ukjente motstanden når det går en konstant, kjent strøm gjennom motstanden. Spenningskilden, seriemotstanden og spenningsområdet endres når måleområdet for resistans endres.

Figur 3.24 a Prinsipp for ohmmeter

En alternativ krets er vist på figur 3.24 b. Her brukes forholdet mellom spenning og resistans til å beregne den ukjente mot­ standen. Dersom en ukjent motstand Rx blir koplet i serie med en kjent referansemotstand Rr og koplet til en kjent spenningskilde Us, vil forholdet mellom spenningsfallet over den ukjent motstanden Ux og spenningsfallet over referanse-

54

Figur 3.24 b Alternativ krets for måling av en motstand

motstanden UR være lik forholdet mellom Rx og Rr. Dette blir uttrykt av likningen

Rx

ux

Rr - UR Løser vi denne likningen med hensyn på Rx, blir

Rx = Rr Ur Ekstra kretser er bygd inn i AD-omformeren slik at den kan brukes til å måle forholdet mellom Ux og UR og beregne Rx. Verdiene på Rr og Us blir endret for forskjellige måleområder, men til kjente verdier for hvert måleområde.

Høy-/lav-områder (Hi-/Lo-) Målekretsen er nøye konstruert med tanke på å begrense effekten som tilføres kretsene det måles på. På noen DVM-er er det mulig å velge mellom høy-/lav-måleområder. Det vil si om kretsen under test skal tilføres full spenning (høy), 2 V, eller 0,1 V (lav). Lav-området gjør det mulig å teste kompo­ nenter i kretsen uten at dioder eller transistorer som står i parallell med den målte komponenten, får tilført nok spenning til at de begynner å lede. Høy-området gir en god test av halvledere for å fastslå om de er forspent i lederretningen eller i sperreretningen, og til å måle sjiktresistansen.

55

Egenskapene til et digitalt voltmeter (DVM) Foruten de samme karakteristikkene som et AVM har når det gjelder nøyaktighet og inngangsimpedans, har et DVM spesi­ fikasjoner som oppløsning, responstid, beskyttelse, belastningsspenning, digital tegnrute og fullt skalaområde.

Tegnruta En tegnrute som har fire siffer, blir vanligvis kalt «3 1/2-sifret tegnrute» (3 1/2 digit display). Uttrykket blir brukt til å beskrive kapasiteten til tegnruta og eventuelt verdier som kan vises utover full skala.

Et DVM innstilt på 2V-området med 3 1/2-sifret tegnrute vil med fullt utslag vise 1,999 i tegnruta. De tre sifrene til høyre vil alle kunne vise tall fra 0 til 9. Et halvt siffer indikerer at sifferet lengst til venstre er begrenset i verdi og vil bare skifte mellom tallene 0 og 1. det vil si at den største verdien som kan vises her, er 1. Dersom målområdet er 1 V og spenningen som blir målt, er 1 V, vil tegnruta vise 0,999. En tegnrute med 4 1/2 siffer vil ved maksimal måleverdi vise 19999. Det venstre sifferet er begrenset oppad til 1. mens de fire sifrene til høyre vil kunne vise alle tall fra 0 til 9. Noen instrumenter kan vise verdier utover fullt måleområde (overranging). Dette blir angitt av brøken etter heltallet som angir hvor mange siffer som kan vise alle tall mellom 0 og 9. En tegnrute angitt med tallene 3 3/4 siffer (digit) vil ha 3999 som maksimal vist verdi.

Oppgitt måleområde Måleområdet blir vanligvis gitt på to måter:

1

Fullt skalaområde med mulighet for å vise større verdier. Disse verdiene er oppgitt i prosent av innstilt måleom­ råde, vanligvis 100 %.

2

Fullt skalaområde oppgitt som maksimal avlesbar verdi som gjelder for alle måleområder, ofte 1,999.

For eksempel kan et DVM ha et måleområde på 1 V som er utvidet med 100 %, slik at fullt måleområde blir 2 V. Det sam­ me instrumentet kunne i de tekniske spesifikasjonene ha vært oppgitt til å ha en full skala på 2 V.

56

Ikke alle måleområder kan brukes fullt ut. Høyere spennings­ områder kan bli begrenset fordi spenningen over en bestemt verdi vil ødelegge instrumentet. Et DVM med maksimalt måleområde på 1999 V kan for eksempel tilføres en maksimal spenning på 1000 V. Når det gjelder vekselspenninger, kan begrensningen være enda lavere, for eksempel 750 V, på grunn av de maksimalspenningene instrumentet tåler.

Målenøyaktighet og oppløsning Nøyaktigheten på et DVM kan oppgis på to måter:

1

± antall prosent av full skala. Denne måten å oppgi nøyaktigheten på inkluderer feil i måleområdet (tilpasningskretser) og feil ved AD-omformingen.

2

± ett heltall. Her er det feil i den digitale omformingen som bestemmer nøyaktigheten.

± ett heltall forteller også om den oppløsningen et DVM har. Oppløsningen er bestemt av antall siffer i tegnruta. En tegnrute med 3 1/2-siffer har en oppløsning på 1/2000 eller 0,05 %, som betyr at instrumentet kan gi en oppløsning på 1 mV fra 1999 mV til 1 mV. En tegnrute med 4 1/2-heltall har en oppløsning på 1/20 000 eller 0,005 %.

Et 2 1/2- eller 3-siffer-DVM har omtrent samme nøyaktighet og oppløsning som et AVM. Nøyaktigheten ligger mellom 0,5-1,5 %, og oppløsningen er på 0,5 %. Et 3 1/2- og 4 1/2heltalls-DVM har en nøyaktighet mellom 0,05 % og 0,5 % med en oppløsning på 0,05 %, som regnes for å være nøyaktig nok for vanlig service i dag.

Et DVM har samme nøyaktighet enten det måler vekselspenninger/-strømmer eller likespenninger/-strømmer. Dette gjel­ der ikke for et AVM, som generelt har større nøyaktighet på vekselstrømsområdene. Nøyaktigheten til et DVM er begren­ set av båndbredden og kurveformen til den målte AC-størrelsen når instrumentet ikke måler sanne (true) RMS-spenninger.

Inngangsimpedans Et DVM har en inngangsimpedans på minst 1 MQ, vanligvis er den 10 MQ. En inngangsimpedans i denne størrelsesorde­ nen gir riktige DC- og AC-målinger innenfor det spesifiserte frekvensområdet.

57

Responstid Responstiden for et DVM er den tiden det tar for instrumentet å foreta en måling innenfor spesifisert nøyaktighet. Respons­ tiden er bestemt av

1

2

tiden det tar for AD-omformeren å omforme målesignalet tiden det tar å lade opp kapasiteten i målekretsen

Noen fabrikanter oppgir antall konverteringer per sekund som et mål for responstid. Beskyttelse Et DVM er beskyttet mot tilfeldig skade ved bruk. Instru­ mentet skal tåle en rimelig overbelastning uten at det får ska­ der. Et dyrt instrument er bedre beskyttet enn et billig. Gene­ relt kan vi si at om et instrument skal være godt beskyttet, må beskyttelseskretsene være raske og presise, men det fører også til at instrumentet blir dyrt.

Spesifikasjoner for inngangskretsene oppgir hvor stor spen­ ning instrumentet kan tilføres utover maksimalt måleområde uten at instrumentet blir skadet. Likespenningsgrensen fortel­ ler om koplingskondensatorens maksimale arbeidsspenning. AC-spenninger med frekvenser høyere enn spesifisert maksi­ mal frekvens skader ofte instrumentet selv med lav spenning. Strømområdet er ofte sikret med en kvikk smeltesikring i serie med måleledningene.

58

Kontrollspørsmål 1 a) Tegn oppbygningen til et enkelt analogt voltmeter. b) Hva bestemmer følsomheten for et analogt måleinstrument? c) Hva betyr størrelsen Q/V, og hvilken betydning har den for et måleinstrument? d) Hvilken betydning har valgt måleområde for nøyaktig­ heten av målingen? 2 a) Tegn et amperemeter med tre måleområder. b) Hva er fordelen ved å bruke ringshunt ved konstruk­ sjonen av et amperemeter?

3 a) Hvilken spenning måler vanligvis et vekselspenningsmeter? b) Dersom du leser av en spenning på 3 V på voltmeteret, hvor stor er da amplitudeverdien og topp-til-topp-verdien på den målte spenningen?

4 Ved hvilke målinger vil du foretrekke et analogt instru­ ment framfor et digitalt instrument? 5 Hva er hovedforskjellene på et analogt måleinstrument og et digitalt måleinstrument?

6 Tegn et generelt blokkskjema over et digitalt måleinstru­ ment som kan måle veksel- og likespenning, vekselog likestrøm og resistans. Sett navn på de forskjellige blokkene og skriv en kort forklaring om virkemåten. 7 Tegn og forklar hvorfor inngangsresistansen (impe­ dansen) på et digitalt voltmeter er uavhengig av det valgte måleområdet. 8 a) Hva betyr det at tegnruta er oppgitt til 3 1/2 siffer? b) Hvilken betydning her tegnrutas størrelse for instru­ mentets nøyaktighet og oppløsning? c) Nøyaktigheten på et digitalt måleinstrument kan oppgis på to måter. Hvilke måter er det, og hva skiller disse to måtene?

9 Hva mener vi med belastningsfeil i forbindelse med målinger av spenning og strøm? Gi eksempler.

59

4 Måleteknikk

Mål Når du har gjennomgått dette kapitlet, skal du være i stand til å • velge riktig måleinstrument • foreta målinger på aktive og passive komponenter • vite hvordan innkopling av måleinstrumentet påvirker kretsen det måles på/i

61

Generell måleteknikk Når et måleinstrument, uansett type, analogt eller digitalt, koples til en krets, blir det innført en feil i kretsen. Måle­ instrumentet, enten det koples i serie eller parallell, oppfører seg som en tilleggsresistans eller tilleggsimpedans i kretsen. Kretsen endrer dermed karakter. Dagens måleinstrumenter, som er bygd med ny teknikk, vil til en viss grad minske den feilen instrumentet innfører i kretsen, men det er likevel viktig å vite hva som skjer når en måling foretas. Før vi starter med måleeksempler, kan det være nyttig å gjennomgå en likestrømskrets og se på Ohms lov, serie- og parallellkretser og polaritet.

Ohms lov Tidlig på 1800-tallet oppdaget den tyske fysikeren Georg Simon Ohm sammenhengen mellom spenning, strøm og resistans i en likestrømskrets. Denne oppdagelsen uttrykte han slik

Strømmen, I, i en likestrømskrets vil variere proporsjonalt med tilført spenning, U, og omvendt proporsjonalt med resistansen i kretsen. Ved en gitt resistans og spenning vil strøm­ men øke dersom spenningen øker, og ved en gitt spenning vil strømmen minke dersom resistansen øker.

Seriekretser I en seriekrets som vist på figur 4.1 er det bare én strømvei. Den konvensjonelle strømretningen er som vist på figuren fra positiv pol til negativ pol. Elektronstrømretningen er motsatt,

62

de negativt ladde elektronene blir frigjort fra den negative polen og dras mot den positive polen.

Størrelsen på strømmen i en seriekrets finner vi ved å dividere den påtrykte spenningen, her 10 V, med den totale resistansen, her 100 Q. Det gir en strøm i kretsen på 0,1 A. Denne strømmen vil passere alle komponentene i kretsen, og følgelig vil strømmen gjennom alle komponentene være lik i en serie­ krets. Figur 4.1 Enkel DC-seriekrets

Strømmen er lik gjennom alle komponenter i en seriekrets!

R2 = 40011

Parallellkretser Det er annerledes med en parallellkrets. Her har strømmen flere veier å gå. Figur 4.2 viser en slik krets. Spenningskilden er også her på 10 V, men strømmen går gjennom to grei­ ner, en gjennom R] og en gjennom R2. Strømmen fra batteriet deler seg i disse to greinene. Den totale strømmen IT deles i to greiner I| og I2 og er lik summen av greinstrømmene:

Figur 4.2 Enkel DC-parallellkrets

It =

11 + I2

Ifølge Ohms lov blir 10 V =0,1 A og 100 Q

I2 =

10 V 400 Q

=0,25 A

IT = 0,1 A+ 0,025 A = 0,125 A

0,125 A kan også skrives som 125 x 10 3 A eller 125 mA. Legg merke til at spenningen over de to greinene er like stor. Det gjelder alle komponentene som er koplet i parallell. Spenningen er lik over alle greiner koplet i parallell.

Polaritet Når vi foretar målinger av likespenning med et analogt volt­ meter, må vi ta polariteten med i betraktningen. Strømmen gjennom instrumentet må gå den riktige veien for at viseren skal bevege seg oppover skalaen. Dersom det koples til feil polaritet, vil viseren slå mot nedre endestopp, noe som kan skade instrumentet. Bruker vi et DVM, vil det vise riktig verdi og polaritet på spenningen. Det er likevel viktig å ha riktig referansepunkt på målingen.

63

Referansepunkt Et referansepunkt er et punkt i kretsen som alle andre spen­ ninger refererer seg til eller måles i forhold til. Et eksempel viser dette best. Se figur 4.3. Kopler vi instrumentets negative ledning, ofte merket com (common), til punkt C og kaller C referansepunktet, vil alle andre spenninger være positive i for­ hold til C. Kopler vi til instrumentets positive måleledning i punkt B og kaller B referansepunktet, vil alle andre spen­ ninger være negative i forhold til referansepunktets spenning. De målte spenningsverdiene vil også være forskjellige.

Polaritet på spenningsfall Kretsen på figur 4.3 er en seriekrets som består av et batteri og tre motstander. Legger vi sammen spenningsfallene over de tre motstandene, vil summen av dem være lik batterispenningen. Uansett hva slags motstander vi har, er motstandsenden nærmest batteriets positive pol positiv og enden nærmest batteriets negative pol negativ. Dersom instrumentets negative måleledning, ofte merket com (common), koples til punkt D mellom R2 og R3, er spenningen over R2 (punkt A) positiv. På samme måte er spenningen over R2 og R] (punkt B) positiv. Spenningen målt over R3 (punkt C) vil være negativ på grunn av polariteten på spenningsfallet over R3 og det faktum at punkt D her er brukt som referansepunkt.

Figur 4.3 Polaritet og referansepunkt på målte spenninger

Dersom den felles negative måleledningen flyttes til et annet punkt, vil de målte spenningene og polariteten endres fordi referansepunktet er endret.

64

Måleinstrumentets belastning - målefeil Den strømmen som går gjennom instrumentet, hentes fra den målte kretsen og vil endre strøm- og spenningsforholdene i kretsen. Dermed vil innkopling av måleinstrumentet forårsake en målefeil. Prinsippet vises på figurene 4.4 a og b. På figur 4.4 a er et AVM brukt til å måle spenningen over motstanden R-> i en enkel seriekrets som får strømmen fra spenningskilden U. For å måle spenningen over R2 må instrumentets felles måleledning koples til punkt A, og den positive måleledningen koples til punkt B. Et AVM består av en motstand i serie med selve måleverkets motstand. Summen av motstandene danner inngangsimpedansen (resistansen) til instrumentet.

= Inngangsimpedans (resistans til voltmeteret)

b) Ekvivalent parallell krets

Figur 4.4 Voltmeterets innvirkning på den målte spenning

Når instrumentet plasseres i parallell med Ro, danner det en strømgrein som trekker strøm fra den samme spenningskil­ den som den opprinnelige kretsen. Det fører til at IT øker, IT = I] + I2 .12 er kommet i tillegg. Hvor stor I2 blir, er av-hengig av hvor stor inngangsresistansen RM i instrumentet er. RM i parallell med Rt reduserer den totale resistansen i kretsen og lager dermed en feil i spenningen over R; O2R2.

65

Dersom U - 10 V, Rj = RT = 2 kQ

- 1 kQ, blir

som gir IT - 10 V/2 kQ = 5mA

VR] = VR2 = lkQ-5mA = 5V

Spenningen over R2 ville være lik 5 V dersom målingen ikke medførte feil. Antar vi at målingen blir gjort med et instru­ ment med 200 Q/V (S = 200 Q/V), og at full skala er 5 V, får vi

f^M

$ ’ ^(måleområde) —

= R2

200— • 5 V = 1 kQ V

rm

R2 + Rm

RReq = 1 kQ ■f~" = 0,5 kQ z- KLL Det gir

Rt = 1,5 kQ, IT = 6,67 mA, VR1 = 6,67 V og R2 = 3,33 V Det betyr at spenningen over R2 er lik spenningen over RReq. Instrumentet viser 1,67 V for lite, og i prosent blir feilen:

r (5,00V - 3.33 V) • 100 % _ % feil =-------------------- ------------ = 33 % 5.00 V

I tabell 4.1 er det vist hvordan feilen minker når instrumen­ tets inngangsresistans øker.

Tabell 4.1 VOM Ohm/Volt

VOM

Rm

r2

Req

R,

Rt

lT

vm

vREQ (VJ

k

k 1

2 20

%

Feil

k

k

k

k

mA

V

V

%

5 10

1 1

0.883 0.910

1 1

5 45 5.24

5.45 5.24

100

1

0.990

1

1 833 1.910 1 990

5.03

5.03

4 55 4.76 4 97

48 0.6

9.0

Måleinstrumentet bør ha en inngangsresistans minst ti ganger større enn den målte motstanden. Det gir en feil på 4,8 %, noe som i de fleste tilfeller er akseptabelt.

66

Nøyaktigheten på et AVM Når det gjelder et analogt voltmeter, et AVM, vil verdien på inngangsresistansen øke med økende måleområde. Et instru­ ment med 1000 Q/V vil ha en inngangsresistans på 10 000 Q på 10 V-området og en inngangsresistans på 50 000 Q på 50 V-området. Dermed er det nærliggende å anta at jo større måleområde en bruker, desto mindre blir målefeilen. Men nøyaktigheten er størst i det øvre området av skalaen, derfor bør vi ut fra dette hensynet velge et så lite område som mulig. Valget av måleområde blir et kompromiss mellom disse to nevnte faktorene. Vi må for hver måling vurdere hvilke feil belastningen fra instrumentet vil gi, og om skalautslaget blir stort nok ved det området vi har valgt.

En av fordelene ved å bruke et DVM er at inngangsresistan­ sen er svært høy, vanligvis ikke mindre enn 1 MO (oftest 10 MQ). Derfor vil ikke belastningen fra meteret ha noen stor innvirkning på den målte spenningen over motstander på inntil 100 000 Q (100 kQ). Ikke før motstanden som spenningen måles over, nærmer seg 1 MQ, vil et DVM be­ laste kretsen slik at belastningen gir nevneverdig målefeil. Direkte og indirekte målinger Hvordan et måleinstrument koples til kretsene ved spenningsog strømmålinger, antas å være kjent fra grunnkurset. Der ble det i hovedsak forklart hvordan størrelsene måles ved direkte målinger. Spenningsmålinger foretas ved at voltmeteret kop­ les i parallell, og strømmålinger foretas ved at amperemeteret koples i serie. Videre lærte du at en resistansmåling bare kan foretas ved at motstanden tas ut av kretsen og måles.

For å finne feil i et apparat på kortest mulig tid må en ta i bruk forskjellige målemetoder. I startfasen kan det være en fordel å holde seg til én metode og utvikle den etter hvert som erfa­ ringen øker. Målemetoden varierer lite ved feilsøkinger på forskjellige typer apparater. Det er ofte tungvint å foreta di­ rekte strømmålinger. Kretsen må brytes ved at en komponent loddes ut. Derfor foretas strømmålinger ofte ved såkalte indi­ rekte målinger.

Indirekte målinger Indirekte måling innebærer at den størrelsen som skal måles, ikke blir målt direkte. En måler en størrelse, kontrollerer en annen og regner ut den tredje og ønskede størrelsen ved hjelp av målingene som er gjort. Vil en vite strømmen gjennom en

67

motstand, måler en spenningen over den og kontrollerer resistansen, og ved hjelp av Ohms lov beregner en strømmen. På denne måten trenger en ikke å bryte kretsen for å måle strømmen.

Effektmålinger kan lett foretas ved resistans- og spenningsmålinger. Hvis en kjenner spenningen over en kjent motstand, R, kan effekten P over motstanden beregnes. Det samme er tilfellet dersom en kjenner strømmen gjennom en kjent mot­ stand: P = f • R = U? R

Måling av individuelle komponenter En viktig del av elektronikken er å forstå de forskjellige kom­ ponentene og utstyret som skal til for å lage en komplett elektronisk krets. Enhver elektronisk krets har minst tre egen­ skaper: resistans, kapasitans og induktans.

Resistansmåling En av de letteste målingene du kan gjøre, er å måle resistan­ sen i en motstand som ikke er koplet til en krets. Du stiller inn instrumentet på et forventet ohmområde, kopler måleledningene til motstanden og leser av verdien.

Hvis resistansen som skal måles, er koplet inn i en krets, må kretsen gjøres spenningsløs før du måler. Dersom det er prak­ tisk mulig, kopler vi den ene enden av motstanden fra kretsen.

Figur 4.5 Måling av en motstand i en krets

Figur 4.5 viser den riktige måten å måle motstanden R3 på. Legg merke til at spenningen er koplet fra kretsen, S| er åpen, og R3 er koplet fra kretsen. Dersom ikke R3 koples fra kret­ sen, vil den målte verdien bli R2 i parallell med R3 .

68

'>«=