Mikä on virranmuuntajan virityskirjoituksen optimointi ja sen kompensointitekniikat?

Virranmuuntajan ekvivalenttikytkentä, kuten kuvassa 6.4 esitetään, paljastaa, että virityskirranno (Ie) laskemiseksi voidaan käyttää kaavaa:
$I_e = E_1 R - j \frac{E_1}{4 i \omega L} \quad (6.3)$

Näistä kaavoista voimme päätellä, että virityskirrannon vähentämiseksi on kolme pääasiallista menetelmää. Ensimmäinen liittyy indusoituun elektromagneettiseen voimaan $E_1$, toisen magneettikannan pituuden $L_m$ lisäämiseen, ja kolmas liittyy resistanssin $R_i$ nostamiseen.

Virityskirrannon kompensointi virranmuuntajissa
Elektronisesti kompensoidut referenssivirranmuuntajat on kehitetty virityskirrannon kompensointitekniikoilla, joiden avulla virheiden taso voidaan pudottaa lähes olemattomiin. Nämä laitteet käyttävät yksinkertaista periaatetta, että jos ydinvirtaus saadaan vähennettyä nollaan tai lähes nollaan, niin ensisijainen virta ei tarvitse enää syöttää virityskirrannon virtaa, mikä puolestaan vähentää virheitä. Kompensointitekniikat voidaan jakaa kahteen pääkategoriaan:
A) Yksiydinmenetelmä
B) Kaksiydinmenetelmä

A) Yksiydinmenetelmä:
Yksiydintekniikassa, kuten kuvassa 6.12, virranmuuntajassa on lisäksi kolmas havainnointikäämi $N_d$, joka on käämitetty ytimen ympärille yhdessä ensisijaisen ja toissijaisen käämin kanssa. Tämän käämin tuottama jännite $v_d$ syötetään oikosulkua käyttävään vahvistimeen, joka tuottaa kompensoidun jännitteen toissijaisen käämin kuormitukseen. Kun vahvistimen ulostulo $v_o$ on yhdistetty toissijaisen käämin toiseen päähän, virityskirrannon virta $I_e$ lähestyy nollaa, jolloin virranmuuntajan jännite ja vaihevirheet voivat pienentyä merkittävästi.

B) Kaksiydinmenetelmä:

Kaksiydintekniikka mahdollistaa suurempien kompensointivirtakapasiteettien käytön samalla kun se minimoi virityskirrannon virran aiheuttamat virheet. Koska tällöin päävahvistimen jännitevaatimus pienenee, voidaan saavuttaa korkeampia tarkkuuksia ja pienempiä virheprosentteja, mikä tekee tästä menetelmästä erittäin suositun kaupallisissa elektronisesti kompensoiduissa virranmuuntajissa.

Muita keskeisiä seikkoja, jotka ovat tärkeitä ymmärtää virityskirrannon optimoinnissa ja kompensointitekniikoissa, ovat seuraavat:

• Kysymys virityskirrannon vaikutuksista virranmuuntajien tarkkuuteen ja luotettavuuteen on keskeinen. Optimoimalla virityskirrantoja voidaan merkittävästi parantaa mittausten tarkkuutta ja vähentää virheiden vaikutuksia.

• Virranmuuntajien elektroninen kompensointi ei ainoastaan paranna mittaustarkkuutta, vaan myös laajentaa sovellusmahdollisuuksia, kuten energiamittauksia ja sähköverkkojen tarkkailua, joissa virranmuuntajalta vaaditaan erittäin tarkkoja mittauksia pienillä virroilla.

• Tekniikoiden valinta (yksiydin- vs kaksiydinmenetelmä) riippuu sovelluksen vaatimuksista, kuten jännite- ja virtatarpeista, sekä käytettävissä olevasta budjetista.

Miksi ja kuinka triggerejä käytetään aikapohjaisessa oskilloskoopissa?

Triggeröinti tapahtuu silloin, kun y-sisääntulo saavuttaa asetetun jännitearvon ja sen kulmakerroin (eli nousu tai lasku) on joko positiivinen tai negatiivinen. Kun nämä ehdot täyttyvät, triggeröintipiiri tuottaa aloitussignaalin, joka käynnistää sahanteräaaltogeneraattorin, joka puolestaan luo yhden jakson sahanteräaallon. Tämä aalto voi olla joko nouseva tai laskeva riippuen siitä, minkälaisen kulmakertoimen triggeröintipiiri on määrittänyt.

Triggeröintitason asettaminen on yksinkertaista: kun y-sisääntulo ylittää asetetun kynnystason (VL), vertailija piirtää signaalin kynnystasolle. Kun signaali laskee tämän tason alle, vertailijan ulostulo muuttuu takaisin nollaksi. Tällöin saadaan aikaan nouseva ja laskeva reuna trigger-signaalille. Täsmällinen määrittely nouseville ja laskeville reunoille mahdollistaa tarkan mittaamisen ja tarkastelun.

Kun triggeri asetetaan negatiiviseksi kulmakertoimeksi, signaalin käänteinen versio tuodaan monostabiilille multivibraattorille, joka tuottaa triggeryllä valitun ajanjakson. Tässä tapauksessa sahanteräaalto alkaa, kun signaali saavuttaa kynnystason, mutta kulmakerroin on negatiivinen. Tämän avulla voidaan muuttaa oskilloskoopin käyttäytymistä ja tarkastella negatiivisia signaaleja yhtä tarkasti kuin positiivisia.

Yksi tärkeä tekijä tässä on viivästysviiva, joka liitetään oskilloskoopin y-vahvistimen ja y-poikkeama-levyjen väliin. Kun triggeröinti ja sahanteräaaltogeneraattori käynnistyvät, tapahtuu viivettä ennen kuin sahanteräaalto alkaa. Tämä viive (τtg) voidaan korvata lisäämällä viivästysviiva, joka takaa, että oikea y-arvo näytetään juuri oikealla hetkellä. Tämä viivekompensaatio takaa oskilloskoopin tarkan ja luotettavan toiminnan.

Y-vahvistin on keskeinen osa tätä järjestelmää. Se voi olla suoraan kytketty (DC-kytketty) tai kytketty kondensaattorin kautta (AC-kytketty). AC-kytkennässä vain signaalin vaihtelu tulee oskilloskooppiin, kun taas DC-kytkennässä myös tasajännitteet otetaan huomioon. Tämä valinta vaikuttaa suoraan siihen, mitä signaalia oskilloskooppi näyttää ja miten sitä tulkitaan. Y-vahvistimen joustavuus mahdollistaa laajan käyttöalueen, joka kattaa niin tasavirtasignaalit kuin vaihtosignaalitkin.

Oskilloskoopin BNC-liitin on myös olennainen osa, sillä se mahdollistaa signaalin tarkan liittämisen laitteeseen ja varmistaa, että signaali saapuu häiriöttä laitteelle. Tämä liitinmekanismi on vankka ja luotettava, ja se estää häiriöitä signaalin siirrossa, mikä on tärkeää tarkan mittaustuloksen saavuttamiseksi.

Miten elektroniset wattmetrit mittaavat virran ja jännitteen yhteisvaikutuksia?

Elektroniset wattmetrit ovat kehittyneet monien teknisten parannusten myötä, mutta niiden toiminta perustuu edelleen monimutkaisiin sähköisiin laitteisiin ja mittausmenetelmiin, joista osa on jäänyt historiaan ja osa on edelleen keskeisiä modernissa mittaustekniikassa. Wattmetrien kehitys on kulkenut pitkän matkan yksinkertaisista mekaanisista mittareista aina digitaalisesti ohjattuihin ja tarkkoihin mittausvälineisiin.

Virran hetkelliseen tehoon saadaan kaavalla p(t) = v(t) · i(t), jossa v(t) on jännite ja i(t) virta. Tämän hetkellisen tehon laskemiseksi on tarpeen laskea sen keskiarvo aikavälin T aikana, mikä saadaan seuraavalla kaavalla:
P = ∫_0^T (v(t) · i(t)) dt.
Tässä kaavassa T on syklinen aikaväli, joka on yleensä 20 millisekuntia 50 Hz:n vaihtojännitteelle, eli sen jakautuminen useisiin osiin on huomioitava tarkasti.

Elektroniset wattmetrit, jotka perustuvat analogisiin kertoimiin, ovat kehittyneet huomattavasti. Esimerkiksi aikajana-multiplikaatioratkaisu (Time Division Multiplier, TDM), joka kehitettiin Miyaji Tomatan, Takashi Sugiyaman ja Keiki Yamaguchin toimesta, on edelleen käytössä erityisesti tarkkuusmittauksissa. TDM-periaate perustuu siihen, että signaalit integroidaan tietyllä aikavälillä, jolloin saavutetaan tarkka mittaus tehon osalta. TDM-mittarissa käytettävä piirirakenne, kuten esitetään, perustuu monimutkaisiin operaatiovahvistimiin ja kytkinjärjestelmiin, jotka varmistavat, että kaikki signaalin komponentit saadaan oikeassa suhteessa yhteen. Tämä periaate on edelleen voimassa, ja sitä hyödynnetään erityisesti silloin, kun tarvitaan erittäin tarkkoja mittauksia.

Tämän kehityksen myötä elektroniset wattmetrit, kuten aikaisemmin mainitut AD532 ja AD632, jotka perustuvat transkonduktanssin periaatteeseen, ovat nousseet keskiöön. Näiden laitteiden etuna on suuri tarkkuus, jopa 0,5 % virheiden osalta, ja ne voivat käsitellä laajemman taajuusalueen. Tämä tekniikka on edelleen käytössä tietyissä tarkkuuslaitteissa, mutta kaupalliset sovellukset ovat vähenemässä, koska markkinoilla on tullut uusia ratkaisuja.

Eri tyyppiset elektroniset wattmetrit eroavat toisistaan siinä, miten ne käsittelevät virran ja jännitteen signaaleja. Yksi tärkeimmistä eroista on käytettävä signaalinkäsittelymenetelmä. Vanhemmissa laitteissa käytettiin pääasiassa analogisia piirejä, kuten logaritmi- ja anti-logaritmipiirejä, mutta nykyään siirrytään yhä enemmän digitaalisiin menetelmiin, joissa signaalit muunnetaan ja lasketaan numeerisesti, mikä mahdollistaa entistä tarkempia mittauksia.

On myös tärkeää ymmärtää, että vaikka nykyiset laitteet voivat tarjota erittäin tarkkoja tuloksia, niiden toimintaperiaatteet ovat monimutkaisempia kuin mitä saatetaan aluksi olettaa. Esimerkiksi TDM-periaatteessa saatujen tulosten tarkkuus ei riipu vain laitteiston teknisestä toteutuksesta, vaan myös siitä, kuinka hyvin signaalit integroidaan ja kuinka tarkasti aikaväli (T) määritellään. Tämän vuoksi oikeiden mittausmenetelmien valinta ja ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää, jos pyritään saamaan tarkkoja ja luotettavia tuloksia.

Eri mittausmenetelmien valinta riippuu siis pitkälti siitä, mihin tarkoitukseen laitetta käytetään, kuinka suurta tarkkuutta tarvitaan ja mikä on järjestelmän taajuusalue. Eri tekniikoiden vertailu ja valinta oikeaan sovellukseen on tärkeää, jotta mittaukset voidaan suorittaa mahdollisimman tehokkaasti ja luotettavasti.