Oscyloskop to przyrząd pomiarowy, który rysuje na ekranie przebieg napięcia w funkcji czasu. Na osi pionowej pokazuje napięcie, na osi poziomej czas, dzięki czemu widzisz kształt sygnału, jego amplitudę, okres i zakłócenia.
Zostań elektrykiem z uprawnieniami SEP
Kurs online G1 / G2 / G3 + egzamin państwowy - 100% zdawalności
z kodem ELEKTRYCZKA = 10% rabatu!
Jak działa oscyloskop i co widać na ekranie?
Ekran oscyloskopu to siatka podzielona na kratki, zwane działkami. Pokrętłem wzmocnienia pionowego ustawiasz, ile woltów przypada na jedną działkę (V/dz), a pokrętłem podstawy czasu – ile milisekund lub mikrosekund (ms/dz, µs/dz). Linia na ekranie pokazuje kolejne wartości chwilowe sygnału, jedna po drugiej.
Pierwszy oscyloskop zbudował w 1897 roku niemiecki fizyk Karl Ferdinand Braun, twórca lampy oscyloskopowej. W przyrządach analogowych wiązka elektronów odchylana przez badany sygnał rysowała przebieg na luminoforze. Dziś niemal wszystkie oscyloskopy są cyfrowe: przetwornik analogowo-cyfrowy próbkuje sygnał, zapisuje go w pamięci i odtwarza na wyświetlaczu, nawet po jego zaniku.
Sygnał trafia do gniazda wejściowego przez sondę pomiarową, czyli przewód z końcówką i dzielnikiem, który dopasowuje napięcie do wejścia przyrządu. Żeby obraz stał w miejscu, a nie przesuwał się po ekranie, oscyloskop używa wyzwalania (trigger): zaczyna rysować w chwili, gdy sygnał przekroczy ustawiony poziom na zboczu narastającym lub opadającym.
Przelicz to na sieć 230 V. Wartość szczytowa wynosi 230 · √2 ≈ 325 V, a okres przy 50 Hz trwa 20 ms. Przy ustawieniu 100 V/dz szczyt sinusoidy wypada nieco ponad trzy działki nad osią, a przy podstawie czasu 5 ms/dz jeden okres zajmuje cztery działki w poziomie.
Co można zmierzyć oscyloskopem?
Z jednego obrazu przebiegu odczytujesz kilka wielkości naraz. Cyfrowe oscyloskopy liczą je automatycznie, ale ręczny odczyt z siatki działa zawsze:
- napięcie szczytowe i międzyszczytowe (Vpp) – dla sieci 230 V to około 650 V od dołu do góry fali,
- wartość skuteczną, którą przyrząd wylicza z próbek, więc poprawnie także dla przebiegów odkształconych (patrz wartość skuteczna RMS),
- okres i częstotliwość – częstotliwość to odwrotność okresu, więc 20 ms oznacza 50 Hz,
- czas narastania i opadania zboczy impulsów, ważny w układach sterowania i energoelektronice,
- przesunięcie w czasie między dwoma sygnałami na dwóch kanałach, z którego wyliczasz przesunięcie fazowe napięcia i prądu,
- zakłócenia i odkształcenia: szpilki, tętnienia zasilacza, spłaszczony wierzchołek sinusoidy.
Funkcja FFT (szybka transformata Fouriera) zamienia przebieg czasowy na widmo i pokazuje, jakie składowe o różnych częstotliwościach go tworzą. Przy sieci 50 Hz widać wtedy osobne prążki 3., 5. i 7. harmonicznej.
Prąd oscyloskop mierzy pośrednio. Najwygodniej użyć cęgowej sondy prądowej, która zamienia prąd na proporcjonalne napięcie i nie wymaga przerywania obwodu. Druga metoda to pomiar spadku napięcia na rezystorze o znanej wartości i przeliczenie go z prawa Ohma.
Jakie parametry oscyloskopu mają znaczenie?
| Parametr | Co oznacza | Na co patrzeć |
|---|---|---|
| Pasmo przenoszenia | częstotliwość, przy której amplituda maleje o 3 dB | co najmniej 3 razy wyższe od częstotliwości badanego sygnału analogowego, 5 razy przy sygnałach cyfrowych |
| Częstotliwość próbkowania | liczba próbek na sekundę (MS/s, GS/s) | wielokrotnie wyższa od najwyższej częstotliwości w sygnale |
| Głębokość pamięci | liczba punktów zapisanych w jednej akwizycji | duża, gdy rejestrujesz długi odcinek czasu i szukasz krótkich zakłóceń |
| Liczba kanałów | ile przebiegów widać jednocześnie | 2 lub 4 – do porównania napięcia z prądem albo kilku faz |
| Izolacja wejść | czy kanały mają wspólną masę z obudową | kanały izolowane przy pomiarach w instalacji |
Do sygnałów sieciowych 50 Hz i ich harmonicznych wystarczy pasmo rzędu kilkudziesięciu megaherców, które ma praktycznie każdy współczesny oscyloskop. Dla elektryka instalacyjnego ważniejsza od pasma jest izolacja wejść i kategoria pomiarowa przyrządu.
Jak bezpiecznie mierzyć napięcie sieciowe oscyloskopem?
W typowym oscyloskopie stacjonarnym, zasilanym z gniazdka, masy wszystkich kanałów są połączone ze sobą, z obudową i z przewodem ochronnym PE przez bolec wtyczki. Krokodylek masy sondy nie jest więc dowolnym punktem odniesienia, tylko w praktyce przewodem PE instalacji.
Jeżeli przypniesz go do przewodu fazowego, zrobisz zwarcie fazy z PE przez cienki przewód masy sondy i wnętrze oscyloskopu. Skutkiem może być uszkodzenie sondy i przyrządu oraz zadziałanie zabezpieczenia obwodu. Masa przypięta do przewodu N też łączy N z PE za wyłącznikiem różnicowoprądowym, co zwykle kończy się jego zadziałaniem.
Odcięcie bolca ochronnego we wtyczce oscyloskopu nie rozwiązuje problemu, tylko go przenosi: obudowa i wszystkie gniazda BNC trafiają na potencjał punktu, do którego dołączono masę, i grozi to porażeniem. Bezpieczne sposoby są trzy:
- sonda różnicowa – mierzy napięcie między dwoma dowolnymi punktami, a do oscyloskopu podaje sygnał już odniesiony do jego masy,
- oscyloskop z izolowanymi kanałami, zwykle przenośny i zasilany z akumulatora, w którym masa każdego kanału jest odseparowana galwanicznie od pozostałych i od obudowy,
- pomiar różnicowy na dwóch kanałach – dwie zwykłe sondy na L i N, masy niepodłączone, a oscyloskop odejmuje przebiegi matematycznie; metoda ma słabe tłumienie sygnału wspólnego i nadaje się tylko do orientacyjnej obserwacji.
Przy pracy w rozdzielnicy obowiązują te same zasady co dla każdego miernika: przyrząd i sondy muszą mieć kategorię pomiarową odpowiednią do miejsca pomiaru (zwykle CAT III dla instalacji w budynku), a zasady doboru tej kategorii znajdziesz w haśle multimetr.
Oscyloskop w pracy elektryka i na egzaminie SEP
W instalacjach 230/400 V oscyloskop przydaje się tam, gdzie liczba z multimetru nie wystarcza: przy diagnozie falowników, zasilaczy impulsowych, ściemniaczy i układów sterowania. Odkształcona sinusoida ze spłaszczonym wierzchołkiem od razu zdradza obecność harmonicznych, a szpilki na zboczach – zakłócenia z przekształtnika. Do długiej, tygodniowej oceny jakości zasilania według normy PN-EN 50160 służy już inny przyrząd – analizator jakości energii.
Na egzaminie SEP grupy 1 może pojawić się pytanie o to, co pokazuje oscyloskop i jak odczytać z przebiegu wartość szczytową, okres albo częstotliwość. Przydaje się wtedy zależność Um = √2 · U oraz to, że wartość szczytowa 325 V odpowiada napięciu skutecznemu 230 V.
Najczęściej zadawane pytania
Oscyloskopem badasz kształt przebiegu napięcia w czasie: wartość szczytową i międzyszczytową, okres, częstotliwość, czas narastania impulsów i zakłócenia. Na dwóch kanałach porównasz dwa sygnały i odczytasz przesunięcie fazowe między nimi. Funkcja FFT pokazuje dodatkowo harmoniczne zawarte w sygnale.
Tak, ale pośrednio, bo wejście oscyloskopu mierzy napięcie. Najprościej użyć cęgowej sondy prądowej, która zamienia prąd na proporcjonalne napięcie bez przerywania obwodu. Można też zmierzyć spadek napięcia na rezystorze o znanej rezystancji i przeliczyć go na prąd z prawa Ohma.
Multimetr podaje jedną liczbę, na przykład wartość skuteczną napięcia. Oscyloskop rysuje cały przebieg w czasie, więc widać jego kształt, zakłócenia i odkształcenia, których multimetr nie pokaże. Do codziennych pomiarów instalacji wystarczy multimetr, a oscyloskop przydaje się przy diagnozie elektroniki i przekształtników.
Zwykłej sondy z krokodylkiem masy nie podłączasz bezpośrednio do przewodów sieci, bo masa oscyloskopu zasilanego z gniazdka jest połączona z przewodem PE. Do pomiaru napięcia sieciowego używasz sondy różnicowej albo oscyloskopu z izolowanymi kanałami. Przyrząd i sonda muszą mieć kategorię pomiarową odpowiednią do miejsca pomiaru.
Źródła:
