15. Ohmi seadus, multimeetri kasutamine
<- eelmine peatükk
järgmine peatükk ->
15.0. Seos eelmiste teemadega
Varasemates peatükkides oleme viidanud õigesti ühendamise vajadusele näiteks LED-ide puhul—vajalik on mitte unustada vooluahelasse lisada takistit, sest vastasel juhul kahjustaksime LED-i ülemäärase voolutugevusega.
15.1. Eesmärk ja selgitused
Eesmärk on omandada töövõtted multimeetri abil vooluahela osade kohta info hankimisel.
Selle teema omandamise järel õpilane oskab:
(Mina näiteks olen rõõmus, kui keegi aitab selle peatüki jaoks pilte teha. Kes hoiaks pildistamise ajal multimeetri otsikuid ja juhiks minu tähelepanu sellele, mis valesti võiks minna? Või töötaks haritult kaameraga—sest tuleb näha olulist ning kõik oluline peab ka pildile saama.)
15.2. Töövahendid:
Soovitav on nendest koostada enne mõõtmise harjutamist vooluahel, milles Arduino abil juhitakse ühe LED valgustugevust. Soovitav on programm kirjutada nii, et „LED ei vilguks“—st anda ühtlaselt LED-ile HIGH.
15.3. Tegevused
Kõigepealt koostame lihtsa vooluahela, milles LED; paneme selle vooluahela Arduino abil toimetama—meid huvitab, et LED helendaks pidevalt.
15.3.1. Sissejuhatus multimeetrisse
Vaatame, mida näeme multimeetril.
A) Vaatame, kas multimeetri must juhe on ühendatud multimeetri COM kontakti külge ning punane voldi, oomi ning milliampri tähistusega (VΩmA) kontakti külge. (Erinevatel multimeetritel võib olla erinevusi, küsige õpetaja käest kommentaari.)
B) Multimeetril on kollase äärega esile toodud kontakt, mille juurde on kirjutatud 10A. Sellesse kontakti me midagi ei ühenda—meie voolutugevused selliste väärtusteni ei küüni. Meie töös vajalikud kontaktid on musta ja punase äärega.
C) Lülitame multimeetri sisse.
D) Multimeetril märkame, et osa keskmise, funktsioonide valiku pöörlüliti asendeid on markeeritud kollasega (leidke ka tähis, millel voldi tähisele järgneb joon, mille all on veel täiendavalt katkendlik joon): see markeerib alalisvoolu.
E) Osa keskmise lüliti asendeid on aga markeeritud valgega (leidke ka tähis, millel voldi tähisele järgneb Õ-ülakriipsu sarnane laineline joon)—need tähistused markeerivad vahelduvvoolu.
Harjutus A
Teeme järgnevad peatüki osad läbi enda koostatud vooluahela peal. Esmatutvuse tarvis koostame vooluahela tarvis programmi nii, et selles pinge ei vahelduks. Näiteks jätame LED-i kogu aeg valgustatud olekusse—ei pane vilkuma.
15.3.2. Takistuse mõõtmine
Võtame komplektist näiteks 330Ω markeeringuga takisti ja vaatame, kas meie mõõtmine näitab täpselt 330 Ω või on tegemist mingi muu tegeliku takistusega. Et jutust multimeetri tundmaõppimisel väga kasu ei ole, toome takistuse mõõtmise pildiseeriana.
NB!
Pilte vaadates pange tähele, kuidas multimeeter ütleb ette, et me ei ole pannud keskmise lülitiga peale mitte parajat vahemikku vaid hoopis kas liiga suure või liiga väikese väärtuse. Nullide rivi või üksik üks ekraanil aitab leida õiget keskmise lüliti asendit. Parimaks praktikaks on valida selline mõõtepiirkond, mis on vähim, mille sisse eeldatav mõõtetulemus ära mahub.
Mõõdame kõigepealt asendis 2kΩ: vaata ülemisel pildil punaste täppidega multimeetril tähistatut. Saame tulemuseks ekraanilt loetava 0.323kΩ. See on 323Ω--ligilähedane sellega, mis ka pakendil kirjas ning mida ka värvikoodiga takisti peal meile öeldakse. Ent see ei ole täpselt 330Ω: mõõteriistal on alati täpsusklassist sõltuv mõõtemääramatus ja takistil on värvikoodiga näidatud võimalik kõrvalekalle nimiväärtusest.
Seejärel mõõdame 20kΩ lülitiasendis: tulemus on ebatäpne, ent indikeerib siiski enam-vähem ootuspärast väärtust. Taas tähistatud punaste täppidega pildil.
Kui aga üritame mõõta liiga väikeses väärtusvahemikus—st 200Ω lülitiasendis (pildil siniste täppidega tähistatud), siis saame ekraanile mõõtepiirkonna ülekoormust tähistava numbri 1. Oleme liiga väikeste ühikute alas…
Ning liiga suure mõõtevahemiku valikul—näiteks 2MΩ puhul (vaata lillade täppidega tähistatut), saame LCD ekraanile nullid.
Õppisime seega kõigepealt valima optimaalset vahemikku, saime teada, et meie komplekti 330 Ω tähistusega takisti on suure tõenäosusega markeeringust veidi erineva takistusega (mõõtsime takistuseks 323 Ω).
NB!
Märkasite kindlasti, et me ei mõõtnud takistust elusa vooluga ahelast—takistust mõõtes võta komponent ahelast välja—muidu võid rikkuda multimeetri!
15.3.3. Pinge
Nüüd aga asetame sama takisti vooluahelasse, millel on Arduinolt 5V toide ning milles on LED. Mõõdame, kui palju kukub pinge meie poolt 323Ω mõõdetud takistil: selleks asetame vooluahelas multimeetri mõõteotsikud kummalegi poolele takistit ja mõõdame pinget takisti viikudel.
Taas esitame näited mõõtmise käigus tehtu piltidega.
Kõigepealt mõõtsime 20V tähistusega mõõtevahemikus ning saime pinge väärtuseks 2.67V. See tundub esialgu ka nii enam-vähem mõistlik suurus olema, ent kõigub siia sinna.
Üritame mõõtevahendiga takisti viikude juurest veel ühte näitu saada: vaadake nüüd teisel pildil—näete ekraanil punaste täppidega tähistatult pisikest numbrit 20—pöörd-lülitiga öeldud vahemiku kohta on märge ka ekraanil—vaata mõõtmise kohta tehtud suurt pilti.
Juhime tähelepanu, et must mõõteviik on ühendatud mõõdetavas lõigus vooluahela GND poolele ning punane viik ühendatud mõõdetava lõigu toite-poolele.
Mis aga saab siis, kui kogemata vahetame ära musta ja punase multimeetri viigu?
Teeme proovi: selgub, et näidu ette tekib miinusmärk. Tulemuse absoluutväärtus jääb samaks. (Taustateadmiseks: tulenevalt mõõtevahendi ehitusest võib minimaalseid erinevusi esineda.)
Katsetame veel: mis juhtub, kui nüüd jätkamegi miinus-näitudega, ent valime mingi muu vahemiku? Juhtub sama, mis takistusega tehtud katsete korral: saame teatud juhtudel veidi ebatäpsemaid tulemusi või saame infoks nullid või ühe—ent kui viigud on risti käes, siis seetõttu ikka ekraanile ka miinuse.
Vt sinisega tähistatult—viigud risti käes ning vahemik liiga väikeseks keeratud:
Vt lillade täppidega: viigud risti käes ja vahemik on liiga „suureks“ keeratud:
15.3.4. Voolutugevus
Selleks peame vooluahela lahti ühendama ja sellesse lisama ampermeetrina töötava multimeetri järjestikku.
NB!
Paralleelselt ampermeetrit vooluringiga ühendada ei tohi—võime rikkuda multimeetri või toiteallika.
Nagu pildilt näete, on multimeeter nüüd musta otsikuga ühendatud LED külge ning punasega 323-oomise takisti külge.
Uurime välja õige vahemiku:
Nagu näete, on 2mA vahemik liiga väike—ekraanile on ilmunud 1. (Vt pildil sinised täpid)
Ja siinkohal meelega liialdades: kaugelt liiga suureks osutub 10A-le vastav lülitipositsioon. (Tähistatud lillade täppidega.)
20mA poisitsiooni lülitatuna mõõdab multimeeter selles ahela lõigus voolutugevuseks 8,13 milliamprit (8,13mA)
Kui teeme ümberlülituse 200mA tähistuse peale, saame ebatäpsema tulemuse—0,2mA.
15.4. Ohmi seadus
Alustamegi kõigepealt valemist: I = U/R; U = IR ning R= U/I.
Kas jääb hästi meelde?
Lisame veel, et I on voolutugevus, mida mõõdame amprites (A), V on pinge, mida mõõdame voltides (V) ning R on takistus, mida mõõdame oomides (Ω).
Tegemist on olulise valemiga, see lihtsalt peab meelde jääma.
Kui nüüd väga hästi sellise selgitusega koheselt meelde ei jäänud, siis on tark appi võtta veidi mnemotehnikat.
15.5. Ohmi seadus ja mnemotehnika
Näiteks mõtleme valemi esituse peale inglise keeles:
Nüüd vaatleme saadud pilti:
1) Kas joon, mis eraldab ülemist „rida“, millel paikneb ’V’ , „alumisest reast“, millel paiknevad ’I’ ja ’R’—kas see näeb välja kui „jagamise joon“?
Teeme selle kohe punaseks: ’V’ tuleb alati jagada kas ’I’ või ’R’ „tähega“.
Saame siit leida, et I = V/R ning R= V/I.
2) Ent ’I’ ja ’R’ vaheline kriipsukene tähistaks korrutamist—seega ’I’ ja ’R’ korrutis ongi ’V’:
V =IR.
Loodetavasti nüüd selle joonisega jäi paremini meelde. Selle valemi meeldejätmine on vajalik.
15.6. Vaatleme ka tehtud mõõtmisi
Näiteks saame arvutada meie poolt takistil mõõdetud takistuse (R = 323Ω) ning takistiga paralleelselt mõõdetud pinge (V = 2,63V) alusel voolutugevuse antud vooluahela lõigus…
I = 2,63V / 323Ω = 0,00814 A = 8,14mA.
St voolutugevus on 8,14 milliamprit. Vaatame korraks eespool voolutugevuse mõõtmise kohta—mis tulemuse me seal fikseerisime?
15.7. ’Urspannung’ versus ’Voltage’
NB!
Asendame nüüd pinget märkiva V-tähe valemis U-tähega.
U tuleb saksakeelsest sõnast ’Urspannung’. Ka eestikeelsed füüsikaõpikud tähistavad Ohmi seadust käsitlevas osas pinget tähega U. Seega eespool kasutatud ’V’ nagu ’voltage’—mõõdame pinget ju voltides—sobib küll meeldejätmiseks.
Edaspidi järgigem eestikeelsetes õpikutes kasutatud traditsiooni:
U = IR.
Inglise keeles kirjutades aga kasutame V = IR.
Harjutus B—võib jääda kodutööks
A) Koostage sarnane vooluring nagu sobilik Blink näites toodud lühidale programmile.
B) Tehke programm vastavalt vajadusele—mõelge, kas vajame plinkimist?
C) Seejärel võtke mingid LED-id ja takistid omal vabal valikul ja tehke mõõtmised multimeetriga. Pange saadud info kirja, tehke juurde ka dokumenteerivaid fotosid.
D) Kui olete mõõtmised teinud, siis vaadake, kas saate arvutusliku kinnituse sellele, et antud peatükis vaadeldud kooskõla looduses kehtib?
E) Andke ka kommentaar Teie poolt kasutatud takisti vastavusele sellega, mida selle takisti peal olevast markeeringust või mingist muust allikast (juurdelisatud dokumentatsioon, müügi-info, etc.) alul tema kohta teadsite. Palju on erinevus Teie mõõdetuga? (Võite erinevuse esitada protsentides.)
15.4 Kodutöö
Milliseid meetodeid asjade meeldejätmiseks olete veel kasutanud.